REDUKSI HARMONISAPADA SISTEM DISTRIBUSI
3 FASA 4 KAWAT MENGGUNAKAN
FOUR BRANCH STAR FILTER
DAN
PASSIVE SINGLE-TUNED FILTER
(STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 20 KV/400 V)
TESIS
MARWAN AFFANDI
097034015/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Telah diuji pada Tanggal: 23 Juli 2014
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai
REDUKSI HARMONISA PADASISTEM DISTRIBUSI
3 FASA 4 KAWAT MENGGUNAKAN
FOUR BRANCH STAR FILTER
DAN
PASSIVE SINGLE-TUNED FILTER
(STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 20 KV/400 V)
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH:
MARWAN AFFANDI
097034015/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
i ABSTRAK
Beban-beban non-linier pada sistem tenaga listrik tiga fasa empat kawat membangkitkan harmonisa arus urutan positif/negatif maupun harmonisa urutan nol. Harmonisa ini menyebabkan kenaikan resonansi, distorsi tegangan, pemanasan lebih, bertambahnya rugi-rugi, kegagalan dan penuaan dini pada peralatan listrik, dan sebagainya. Berdasarkan pengukuran pada suatu transformator distribusi milik PT. PLN (Persero) Wilayah Sumatera Utara Area Medan dengan beban yang tidak seimbang ditemukan adanya gejala harmonisa dengan Individual Harmonisa
Distortion (IHDi) arus orde-3 dan orde-5 yang tidak sesuai Standar IEEE 519-1992.
Pengurangan harmonisa dilakukan menggunakan Four Branch Star (FBS) Filter dan
Passive Single-Tuned Filter. Simulasi data menggunakan MATLAB/Simulink untuk
merancang parameter filter. Hasil simulasi menunjukkan FBS Filter dan Passive
Single-Tuned Filterdapat menurunkan IHDiorde-3 dan orde-5 pada tiap fasa dan
netral sesuai dengan Standar IEEE 519-1992. Penurunan IHDi diikuti oleh penurunan arus fasa maupun arus netral.
Kata Kunci : Transformator Distribusi, Harmonisa, Individual Harmonic Distortion
ii ABSTRACT
Non-linear load in the electric power system of three four-wire phases generates positive/negative order current harmonics and zero order harmonics. These harmonics bring about the increase in resonant, voltage distortion, over heating, increase in energy loss, failure and early aging in electric equipment, and so on. Based on the measurement in a distribution transformator owned by PT. PLN (Persero) of North Sumatera Regional Medan with unbalanced load, it was found that there was the phenomena of harmonics with Individual Harmonic Distortion (IHDi) of Order-3 and order-5 current which was not in line with IEEE 519-1992 standard. The reduction of harmonics was done by using Four Branch Star (FBS) Filter and Passive Single-Tuned Filter. MATLAB/Simulink was used for the result of simulation to design filter parameter. The result of simulation showed that FBS Filter and Passive Single-Tuned Filter could decrease IHDi order-3 and order-5 in each phase and was neutral according to IEEE 519-1992 standard. The decrease in IHDi was followed by the decrease in phase current and neutral current.
iii
KATA PENGANTAR
Dengan mengucapkan Syukur Alhamdulillah, penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul “Reduksi Harmonisa Pada Sistem Distribusi3 Fasa 4Kawat Menggunakan Four Branch Star Filter Dan Passive Single-Tuned Filter (Studi Kasus Pada Transformator Distribusi 20 KV/400 V)” yang merupakan salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Pascasarjana pada Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si., selaku komisi pembimbing penulis mengucapkan terima kasih untuk kesabaran, arahan dan masukan agar penulis menjadi lebih baik dan juga selalu menyempatkan waktu di berbagai kesibukan untuk membimbing serta memberi petunjuk dan saran yang sangat berharga bagi penulis agar penulisan tesis ini baik adanya. Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si, Ph.D dan Dr. Eng. Ariadi Hazmi, selaku Komisi Penguji pada Tesis ini, yang banyak memberikan saran dan masukan kepada penulis demi perbaikan tesis ini.
Kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan FT USU, Bapak Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU, Pengelola, Staf pengajar dan Staf Sekretariat Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan selama mengikuti Program Magister Teknik Elektro.Kepada Staf PT. PLN Cabang Medan penulis ucapkan terima kasih atas bantuan dalam pengambilan data pada penelitian yang penulis laksanakan.
iv
Munandar,S.T, Khairiah Triwidyasih,S.Psi., Rika Arfianti, S.E., Muhammad Habib, S.P., dan istri yang sangat kucintai Rahmi Yunita, S.Sos., S.E., M.Si, sahabatku Dody Satria Prabudi, S.T., M.Eng., dan keluarga besar NA. Munir. Atas kasih sayang yang tidak pernah putus, semangat, saran, kritik agar penulis menjadi lebih baik. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan dan dukungan baik moril maupun materil sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini.
Penulis sadar dalam penulisan proposal tesis ini tidak mustahil banyak terdapat kekurangan dikarenakan keterbatasan pengetahuan yang penulis miliki. Oleh karena itu penulis selalu menerima saran dan masukan yang membangun demi sempurnanya tesis ini.
Akhirnya kepada Allah SWT penulis berserah diri, karena tak ada satu kesempurnaan pun di dunia ini kecuali milik-Nya.Amin Ya Rabbal ‘alamin.
Medan, Juli 2014 Penulis
v
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Marwan Affandi
Jenis Kelamin : Laki-laki
Agama : Islam
Alamat : Jl. Gaperta G. Encong No. 94, Kel. Helvetia Tengah, Kec. Medan Helvetia, Kota Medan.
1. Tamatan SD Negeri 064983, Medan Tahun 1991 PENDIDIKAN:
2. Tamatan SMP Negeri 16, Medan Tahun 1994 3. Tamatan SMANegeri 4, Medan Tahun 1997 4. Universitas Sumatera Utara, Medan Tahun 2003 5. Universitas Sumatera Utara, Medan Tahun 2014
Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Medan, Juli 2014
vi
DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... v
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
BAB 1PENDAHULUAN... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 8
1.3. Batasan Masalah ... 9
1.4. Tujuan Penelitian ... 10
1.5. Manfaat Penelitian ... 10
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 11
2.1. Harmonisa ... 11
2.2. Sumber Harmonisa ... 15
2.3. Pengaruh Harmonisa ... 17
2.4. Distorsi Harmonisa Arus ... 20
2.4.1. Analisa Deret Fourier ... 20
2.4.2. Nilai Efektif ... 22
2.4.3. Total Distorsi Harmonisa ... 25
2.4.4. Daya dan Faktor Daya ... 28
2.5. Urutan Fasa ... 32
2.6. Harmonisa Pada Sistem Distribusi 3 Fasa 4 Kawat ... 36
2.7. StandarisasiHarmonisa ... 38
2.8. Reduksi Harmonisa ... 40
vii
2.10. Four Branch Star (FBS) Filter ... 45
2.10.1.Struktur Umum Filter Bintang Cabang Empat ... 46
2.10.2.Implementasi Khusus dari FBS Filter ... 51
2.10.3.Analisis Pelaluan Harmonisa Arus Menggunakan FBS Filter Tipe Pengurangan Harmonisa Urutan Nol ... 52
2.11. Rancangan FBS Filter Tipe Pengurangan Harmonisa Urutan Nol ... 54
2.11.1.Penentuan Impedansi Cabang Netral Filter ... 54
2.11.2.Penentuan Impedansi Cabang Fasa Filter ... 55
2.12. Passive Single-Tuned Filter ... 55
2.12.1.Perhitungan Kebutuhan Daya Reaktif ... 57
2.12.2.Perhitungan Impedansi Passive Single-Tuned Filter ... 58
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 59
3.1. Pelaksanaan Penelitian ... 59
3.2. Teknik Pengukuran ... 60
3.3. Impedansi Sistem ... 61
3.4. Hasil Pengukuran ... 62
3.5. Pemodelan Sistem Kelistrikan Objek Penelitian ... 64
3.6. Perancangan Four Branch Star Filter ... 67
3.6.1. Perhitungan Impedansi Cabang Netral Filter ... 67
3.6.2. Perhitungan Impedansi Cabang Fasa Filter ... 68
3.7. Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 69
3.8. Perancangan Passive Single-Tuned Filter ... 73
3.8.1. Perhitungan Kebutuhan Daya Reaktif ... 73
3.8.2. Perhitungan Impedansi Passive Single-Tuned Filter ... 75
3.9. Simulasi Pemasangn FBS Filter dan Passive Single-Tuned Filter ... 76
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 81
4.1. Pendahuluan ... 81
4.2. Penggunaan Four Branch Star Filter Untuk Mengurangi Arus Harmonisa ... 82
4.3. Penggunaan Four Branch Star Filter dan Passive Single-Tuned Filter Untuk Mengurangi Arus Harmonisa ... 85
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 90
5.1. Kesimpulan ... 90
5.2. Saran ... 91
viii
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
1.1. Gelombang Tegangan dan Arus Hasil Pengukuran ... 3
2.1. Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan pada Beban Linier dan Non linier.... 13
2.2. Spektrum Harmonisa yang dihasilkan oleh Switch Mode Power Supply (SMPS) ... 14
2.3. Bentuk Gelombang Kompleks ... 14
2.4. Pengaruh harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik ... 19
2.5. Bentuk gelombang arus bolak-balik terdistorsi ... 26
2.6. Sistem tenaga listrik tiga fasa dengan beban non linier ... 37
2.7. Sistem Filter Bintang Cabang Empat... 46
2.8. Sistem FBS Filter berdasarkan sel resonansi LC seri sederhana ... 48
2.9. Variasi Impedansi Jaringan FBS ... 50
2.10. Beberapa implementasi khusus dari FBS Filter ... 51
2.11. FBS Filter untuk pengurangan harmonisa urutan nol ... 52
2.12. Rangkaian Ekivalen Per Fasa FBS Filter ... 52
2.13. Passive Single-Tuned Filter ... 56
3.1. Diagram satu garis sistem kelistrikan yang diteliti ... 60
3.2. Diagram impedansi sistem kelistrikan yang diteliti... 61
3.3. Model simulasi sebelum pemasangan filter ... 64
ix
3.6. Spektrum Harmonisa Arus Hasil Simulasi Sebelum Pemasangan Filter... 65
3.7. Model Simulasi Pemasangan Four Branch Star Filter ... 69
3.8. Grafik Tegangan dan Arus Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 70
3.9. Spektrum Harmonisa Tegangan Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 70
3.10. Spektrum Harmonisa Arus Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 70
3.11. Model Simulai Pemasangan FBS Filter dan Passive Single-Tuned Filter ... 76
3.12. Grafik Tegangan dan Arus Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan Passive Single-Tuned Filter ... 77
3.13. Spektrum Harmonisa Tegangan Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan Passive Single-Tuned Filter ... 77
3.14. Spektrum Harmonisa Arus Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan Passive Single-Tuned Filter ... 78
4.1. Diagram Perbandingan Arus Harmonisa Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 84
x
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1. Kandungan Harmonisa Tegangan Hasil Pengukuran ... 4
1.2. Kandungan Harmonisa Arus Hasil Pengukuran ... 5
1.3. Penelitian mengenai model filter harmonisa yang telah dilakukan ... 7
2.1. Urutan fasa komponen harmonisa arus ... 36
2.2. Batas harmonisa arus IEEE 519-1992 ... 40
2.3. Batas tegangan harmonisa IEEE 519-1992 ... 40
3.1. Impedansi peralatan ... 61
3.2. Impedansi ekivalen sistem kelistrikan yang diteliti ... 62
3.3. Data Beban Hasil Pengukuran ... 62
3.4. Hasil pengukuran harmonisa tegangan, arus, dan THD ... 63
3.5. Data Beban Hasil Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ... 66
3.6. IHDi dan THDi Tiap Fasa Hasil Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ... 66
3.7. Harmonisa Arus Netral Hasil Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ... 67
3.8. Data Beban Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 71
3.9. IHDi dan THDi Tiap Fasa Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter... 71
3.10. Perbandingan IHDi Pemasangan Four Branch Star Filter Hasil Simulasi Terhadap Standart IEEE 519-1992. ... 72
3.11. Harmonisa Arus Netral Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 72
3.12. Dasar perhitungan kebutuhan daya reaktif menggunakan Passive Single-Tuned Filter ... 73
xi
3.14. Impedansi Passive Single-Tuned Filter ... 76 3.15. Data Beban Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan Passive
Single-Tuned Filter ... 78
3.16. IHDi dan THDi Tiap Fasa Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan
Passive Single-Tuned Filter ... 79
3.17. Perbandingan IHDi Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan Passive
Single-Tuned Filter Terhadap Standart IEEE 519-1992. ... 79
3.18. Harmonisa Arus Netral Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan Passive
Single-Tuned Filter ... 80
4.1. Pengurangan IHDi Pemasangan Four Branch Star Filter ... 82 4.2. Harmonisa Arus Netral Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter ... 84 4.3. Pengurangan IHDi Hasil Simulasi Pemasangan FBS Filter dan Passive
Single-Tuned Filter ... 86
4.4. Harmonisa Arus Netral Hasil Simulasi Pemasangan Four Branch Star Filter
