PENGURANGAN ARUS HARMONISA URUTAN NOL DENGAN ZERO SEQUENCE BLOCKING TRANSFORMER

PENGURANGAN ARUS HARMONISA URUTAN NOL DENGAN ZERO SEQUENCE BLOCKING TRANSFORMER DAN

TRANSFORMATOR ZIG-ZAG YANG MENGGUNAKAN TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA

TESIS

Oleh

ZULKARNAEN PANE 097034019/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

PENGURANGAN ARUS HARMONISA URUTAN NOL DENGAN ZERO SEQUENCE BLOCKING TRANSFORMER DAN TRANSFORMATOR ZIG-ZAG YANG MENGGUNAKAN

TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Magister Teknik Elektro,

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

ZULKARNAEN PANE 097034019/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2014

Telah Diuji Pada

Tanggal: 28 Januari 2014

PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Syafii, M.T., Ph.D

Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M.Si.

2. Prof. Drs. Tulus, M.Si., Ph.D 3. Ir. Refdinal Nazir, M.S., Ph.D

ABSTRAK

Pada sistem sistem disribusi tiga fasa empat kawat arus harmonisa urutan nol atau arus harmonisa ketiga yang ditimbulkan oleh beban nonlinier dapat menimbulkan masalah pada kualitas daya. Penelitian ini memaparkan suatu metode untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dengan menggunakan zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag yang masing-masing menggunakan tiga buah transformator satu fasa. Zero sequence blocking transformer dihubungkan seri dengan sumber memberikan suatu impedansi urutan nol yang besar sementara transformator zig-zag dihubungkan paralel dengan beban dan memberikan suatu impedansi urutan nol yang kecil. Dengan susunan seperti itu maka arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber ditahan oleh zero sequence blocking transfomer agar tidak mengalir ke beban dan arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber dilalukan oleh transformator zig-zag kembali ke beban agar tidak mengalir ke sumber. Untuk mendapatkan impedansi urutan nol yang kecil digunakan transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

Guna mengevaluasi kinerja zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dan sekaligus juga berarti mengurangi arus pada penghantar netral dilakukan dengan simulasi menggunakan program komputer PSIM dan eksperimen di laboratorium. Hasil simulasi dan eksperimen di laboratorium menunjukkan bahwa penggunaan kombinasi zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag secara efektif dapat mengurangi arus pada penghantar netral hingga lebih dari 95 %.

Kata kunci: arus harmonisa urutan nol; arus netral; beban non linier; zero sequence blocking transformer; transformator zig-zag

ABSTRACT

The zero-sequence harmonics current or the third sequence of harmonic current generated by non-linear loads potentially cause power quality problems on 4- wires 3-phase distributed systems. This research exposes an harmonic current suppression method by utilizing a zero sequence blocking transformer and a zig-zag transformer which employ three single-phase transformers. The zero sequence blocking transformer is connected serially to the power source to generate a high zero sequence impedance, while the zig-zag transformer is connected in paralel to the load to produce a low zero sequence impedance. This transformer network resists zero sequence harmonic current from flowing to the load and forwards the zero sequence harmonic current from power source to the load. In order to produce a low zero sequence impedance, bifilar winding is employed for the single-phase transformers.

To evaluate the performance of the zero sequence blocking transfomer and the zig-zag transformer in reducing zero sequence harmonic current as well as decreasing neutral current, the PSIM simulation software was employed and the laboratory-based experiments were performed. The simulation and experiment results show that the combined zero sequence blocking transfomer and zig-zag transformer are able to reduce zero sequence harmonic current so that the neutral current reduced up to more than 95% effectively.

Keywords: zero sequence harmonic current; neutral current; non-linear load; zero- sequence blocking transformer; zig-zag transformer.

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas berkat rahmat dan ridho-Nya tesis ini dapat disusun dan diselesaikan. Selama menempuh pendidikan dan penulisan serta penyelesaian tesis ini penulis banyak memperoleh dukungan baik secara moril maupun materiil dari berbagai pihak.

Pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis haturkan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada yang terhormat: Bapak Syafii, M.T., Ph.D dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.si.

selaku pembimbing yang di dalam berbagai kesibukan dapat menyempatkan diri membimbing dan mengarahkan serta memberi petunjuk dan saran yang sangat berharga bagi penulisan tesis ini; Bapak Ir. Refdinal Nazir, M.S., Ph.D dan Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si., Ph.D sebagai dosen penguji yang telah banyak memberikan masukan-masukan untuk perbaikan tesis ini; Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM & H, M.Sc (CTM), Sp.A (K) selaku Rektor USU dan Bapak Prof. Dr. Ir.

Bustami Syam, MSME selaku Dekan FT USU, Bapak Surya Tarmizi Kasim, M.Si.

selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah memberikan fasilitas dan kesempatan yang diberikan selama mengikuti pendidikan Program Magister;

Pengelola, Staf pengajar dan Staf sekretariat Magister Teknik Elektro serta rekan- rekan Staf pengajar Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah banyak membantu penulis selama mengikuti perkuliahan; Asisten Laboratorium Transmisi dan Distribusi yang telah membantu penulis dalam pengambilan data pada eksperimen yang penulis laksanakan pada laboratorium tersebut; Istri dan anakku yang telah memberikan semangat kepada penulis.

Semoga Allah SWT senantiasa memberikan berkat dan anugerah-Nya berlimpah bagi beliau-beliau yang tersebut di atas. Akhirnya harapan penulis semoga tesis ini bermanfaat bagi kita semua.

Medan, Januari 2014 Penulis

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan di bawah ini,

Nama : Zulkarnaen Pane

Tempat/Tanggal Lahir : Lubuk Pakam / 20 Juli 1957 Jenis Kelamin : Laki-laki

Agama : Islam

Bangsa : Indonesia

Alamat : Jln. Budi Pembangunan No. 5 B Pulo Brayan Kota, Medan.

menerangkan dengan sesungguhnya bahwa:

1. Tamatan SD Negeri Tanjung Garbus Tahun 1969 PENDIDIKAN

2. Tamatan SMP Negeri Stabat Tahun 1972 3. Tamatan SMA Swasta Hang Kesturi Medan Tahun 1975 4. Tamatan Teknik Elektro FT USU Tahun 1982 5. Tamatan Magister Teknik Elektro FT USU Tahun 2014

1. Staf Pengajar Fakultas Teknik USU Medan Tahun 1983 - Sekarang PEKERJAAN

Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.

Medan, Januari 2014 Tertanda Zulkarnaen Pane

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL...viii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR LAMPIRAN ...xiii

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 5

1.3. Tujuan Penelitian ... 7

1.4. Batasan Masalah ... 7

1.5. Manfaat ... 8

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 9

2.1. Umum ... 9

2.2. Harmonisa dan Komponen Urutan Fasa ... 10

2.3. Harmonisa Triplen ... 12

2.4. Analisis Arus Konduktor Netral ... 14

2.4.1. Sistem Simetris dan Seimbang ... 15

2.4.2. Sistem Tidak Simetris dan Tidak Seimbang ... 17

2.4.3. Perbandingan RMS Dari Arus Konduktor Netral dan Arus Fasa Pada Sistem Simetris dan Seimbang... 19

2.5. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol ... 21

2.6. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol yang Diusulkan Pada Penelitian Ini ... 24

2.6.1. Transformator Zig-Zag ... 25

2.6.2. Zero-Sequence Blocking Transformer ... 28

2.6.2.1. ZSBT dengan Inti Bentuk E dan Toroidal ... 28

2.6.2.2. ZSBT Menggunakan Tiga Buah

Transformator Satu Fasa ... 31

2.6.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Dengan Menggunakan Transformator Zig-Zag ... 34

2.6.4. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Dengan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Blocking Transformer ... 39

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ... 43

3.1. Tempat dan Waktu ... 43

3.2. Pemilihan Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer ... 43

3.2.1. Transformator Zig-Zag ... 43

3.2.2. Zero Sequence Blocking Transformer ... 45

3.3. Simulasi ... 46

3.3.1. Rangkaian Simulasi ... 47

3.4. Eksperimen ... 51

3.4.1. Bahan dan Peralatan yang Digunakan ... 51

3.4.2. Rangkaian Eksperimen ... 52

3.4.3. Teknik Pengukuran ... 54

BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 58

4.1. Hasil Simulasi dan Pembahasan ... 58

4.1.1. Tegangan Sumber Seimbang ... 58

4.1.1.1. Sebelum Pengurangan ... 58

4.1.1.2. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Seimbang... 60

4.1.1.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Seimbang... 62

4.1.2. Tegangan Sumber Tidak Seimbang ... 65

4.1.2.1. Sebelum Penggunaan Transformator Zig-Zag ... 65

4.1.2.2. Arus Harmonisa Urutan Nol Sesudah Penggunaan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Sumber Tidak Seimbang ... 67 4.1.2.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh

Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan

4.1.3. Rangkuman Hasil Simulasi ... 73

4.2. Hasil Eksperimen dan Pembahasan ... 74

4.2.1. Sebelum Pengurangan Harmonisa ... 74

4.2.2. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag ... 78

4.2.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Menggunakan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer... 84

4.2.4. Rangkuman Hasil Eksperimen ... 90

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 92

5.1. Kesimpulan ... 92

5.2. Saran ... 93

DAFTAR PUSTAKA ... 94

LAMPIRAN ... 96

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

1.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan……….. 3

2.1 Urutan Fasa Komponen Arus Harmonisa………... 12

3.1 Parameter yang Digunakan Dalam Simulasi……….. 46

3.2 Titik Pengukuran Pada Eksperimen……… 57

4.1 Nilai Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa dengan Tegangan Seimbang………. 59

4.2 Nilai Arus Fasa dan Netral Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang………. 61

4.3 Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang………... 63

4.4 Hasil Simulasi Sebelum Pengurangan Harmonisa dengan Tegangan Tidak Seimbang……….. 66

4.5 Hasil Simulasi Setelah Penggunaan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Tidak Seimbang………. 69

4.6 Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Tidak Seimbang… 72 4.7 Rangkuman Hasil Pengukuran Arus Pada Sisi Sumber Berdasarkan Simulasi……….. 74

4.8 Hasil Pengukuran Sebelum Pengurangan Harmonisa ……… 75

4.9 Hasil Pengukuran Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag……….. 79

4.10 Hasil Pengukuran Setelah Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Menggunakan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer ………... 85

4.11 Rangkuman Hasil Eksperimen……… 91

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman 2.1 Arus Netral Yang Besar Pada Sistem Yang Melayani Beban

Non Linear Satu Fasa………... 13

2.2 ` Aliran Arus Harmonisa Ketiga Pada Transformator Tiga Fasa... 14

2.3 Beban Tiga Fasa Seimbang Arus Netral Nol………... 16

2.4 Beban Tiga Fasa Nonlinear Arus Netral Lebih Besar Dari Arus Fasa………... 17

2.5 Transformator Zig-Zag……… 26

2.6 ZSBT dengan Inti Magnet Bentuk E……….. 28

2.7 ZSBT dengan Inti Magnet Toroidal……… 29

2.8 Konfigurasi ZSBT dengan Tiga Buah Transformator Satu Fasa… 31 2.9 Hubungan Tiga Transformator Satu Fasa Yang Disederhanakan... 32

2.10 Konfigurasi Sistem Distribusi Daya Tiga Fasa Empat Kawat dengan Transformator Zig-Zag………... 35

2.11 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol………. 35

2.12 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Tegangan Sumber Dihubung Singkat………... 37

2.13 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Sumber Arus Rangkaian Terbuka………... 38

2.14 Kombinasi Zero-Sequence Blocking Transformer dengan Transformator Zig-Zag………... 40

2.15 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Dari Kombinasi ZSBT dan Transformator Zig-Zag………. 41

Urutan Nol dengan Tegangan Seimbang……… 48 3.2 Rangkaian Simulasi Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Oleh Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan Seimbang……... 49 3.3 Rangkaian Simulasi Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan

Seimbang……….... 50 3.4 Rangkaian Eksperimen Sebelum Pengurangan Arus Harmonisa

Urutan Nol………. 52

3.5 Rangkaian Eksperimen Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag………. 53 3.6 Rangkaian Eksperimen Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Oleh Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator

Zig-Zag……….. 54

3.7 Diagram Penyambungan Pengukuran Oleh PQ Meter Pada

Sisi Sumber……….... 55 3.8 Diagram Penyambungan Pengukuran Oleh PQ Meter Pada

Sisi Transformator Zig-Zag………... 56 4.1 Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa

Pada Kondisi Tegangan Seimbang ………... 58 4.2 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah

Pengurangan Oleh Transformator Zig-Zag Pada Kondisi

Tegangan Seimbang………... 61 4.3 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Pada

Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan

Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag……….. 62 4.4 Spektrum Arus Fasa Dan Netral Pada Transformator Zig-Zag Pada

Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag………. 65 4.5 Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan

Harmonisa Pada Kondisi Tegangan Sumber Tidak Seimbang…... 66

4.6 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Penggunaan Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan

Tidak Seimbang……….. 69 4.7 Spektrum Arus Fasa Dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah

Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator

Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Tidak Seimbang………. 72 4.8 Sebelum Pengurangan Harmonisa Dengan Beban Seimbang:

(A) Bentuk Gelombang Arus Jala-Jala Fasa S; (B) Spektrum

Arus Harmonisanya………. 77 4.9 Sebelum Pengurangan Harmonisa: (A) Bentuk Gelombang

Arus Netral; (B) Spektrum Harmonisanya……….. 78 4.10 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator

Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Jala-Jala Fasa R

Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……… 81 4.11 Setelah Pengurangan Harmonisa Menggunakan Transformator

Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Sisi Sumber;

(B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 82 4.12 Setelah Pengurangan Harmonisa Menggunakan Transformator

Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Transformator Zig-Zag; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 83 4.13 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator

Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer: (A) Bentuk Gelombang Jala-Jala Fasa R Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 88 4.14 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator

Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 89 4.15 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator

Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer : (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Transformator Zig-Zag;

(B) Spektrum Arus Harmonisanya………... 90

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

1. Parameter Transformator... 96 2. Hasil Pengukuran Tegangan, Arus, Frekuensi, Harmonisa,

Daya dan Energi ... 102 3. Foto Dokumentasi ... 110

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sistem distribusi tiga fasa empat kawat sudah secara luas digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik pada tegangan rendah, terutama untuk melayani beban- beban satu fasa yang dipasang antara fasa dan netral. Pada sistem distribusi ini arus pada konduktor netral merupakan penjumlahan vektor dari ketiga arus fasa. Dengan beban-beban linear yang seimbang di mana arus pada masing-masing fasa mempunyai perbedaan fasa sebesar 120⁰ maka tidak ada arus netral. Pada kebanyakan sistem distribusi tenaga yang mensuplai beban-beban satu fasa besar kemungkinan terjadi ketidakseimbangan beban sehingga menimbulkan arus netral yang umumnya tidak lebih dari 20 persen dari arus beban normal pada konduktor fasa [1].

Ada kondisi dimana meskipun benar-benar seimbang, beban-beban satu fasa itu dapat menghasilkan arus netral yang cukup signifikan. Beban-beban non linear seperti penyearah, power supply, lampu fluorescent, komputer dan sebagainya menghasilkan arus harmonisa. Arus harmonisa merupakan hasil penjumlahan dari arus dengan frekuensi fundamental dan arus dengan frekuensi kelipatan bilangan bulat frekuensi fundamental. Jumlah vektor dari arus tiga fasa yang seimbang tapi mengandung harmonisa tidak sama dengan nol.

Besarnya arus netral yang terdapat pada sistem-sistem yang mempunyai beban-beban nonlinear dapat menjadi sangat besar yakni berkisar antara 60 sampai dengan 80 persen dari nilai arus fasa [1]. Bahkan berdasarkan hasil survei pada instalasi-instalasi dengan beban komputer di Amerika menunjukkan bahwa 22,6 % mempunyai arus netral yang melebihi arus fasa beban penuh [2]. Ballast induktif yang terdapat pada lampu fluorescent juga menimbulkan harmonisa yang cukup berarti pada konduktor netral, sehingga dapat menimbulkan kebakaran akibat beban lebih pada konduktor netral seperti yang dilaporkan oleh Liew [1].

Beban nonlinear tiga fasa tiga kawat membangkitkan arus harmonisa urutan positif dan negatif. Arus harmonisa ini dapat mengakibatkan terjadinya resonansi, distorsi tegangan, panas yang berlebihan, meningkatkan rugi-rugi daya, kegagalan pemakaian alat, kerusakan prematur dari perlengkapan listrik, dan lain-lain [3]. Beban nonlinear satu fasa yang umumnya dihubungkan antara konduktor fasa dan konduktor netral, menimbulkan arus harmonisa urutan nol yaitu harmonisa orde ke 3, 9, 15, 21… yang disebut juga sebagai harmonisa triplen. Arus harmonisa urutan nol yang dihasilkan oleh beban satu fasa dijumlahkan secara aljabar pada konduktor netral dan besarnya dapat mencapai sampai tiga kali lebih tinggi dibandingkan arus harmonisa urutan nol yang terdapat pada fasanya. Arus harmonisa urutan nol, juga menimbulkan masalah yang khas seperti yang ditemui pada arus harmonisa urutan positif dan negatif, dapat mengakibatkan konduktor netral mengalami beban lebih, terjadinya tegangan netral ke tanah, memperbesar distorsi tegangan fasa, dan pemanasan yang

Berbagai penelitian untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol di dalam jaringan sistem tenaga listrik telah dilaksanakan. Penelitan tersebut meliputi penggunaan filter aktif, filter elektromagnetik, filter pasif dan kombinasinya.

Beberapa metode yang menggunakan filter elektromagnetik yang pernah dilakukan dalam penelitian terdahulu diperlihatkan dalam Tabel 1.1. Pada Tabel 1.1 persentase pengurangan arus urutan nol/arus netral dimuat dalam kolom ‘hasil yang dicapai’.

Tabel 1.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan

No Peneliti Judul Metode Hasil yang

Dicapai 1 Pekik, A. D [4] A Practical Approach to

Minimize the Zero- Sequence Current Harmonics in Power Distribution Systems

Kombinasi zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: trafo zz tiga fasa)

94,4 % (eksperimen)

2 Syafrudin [5] Metode Baru Pengurangan Harmonisa Pada Sistem Distribusi Tenaga Listrik

Kombinasi zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: trafo zz tiga fasa)

94,4 % (eksperimen)

3 Qipeng Song [6] A Novel Approach to Eliminate Zero-sequence Harmonic Current

Kombinasi zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa fasa)

90 % ( simulasi)

No Peneliti Judul Metode Hasil yang Dicapai 4 Qipeng Song [7] Zero-Sequence Harmonic

Current Minimization Using Zero-Blocking Reactor and Zig-zag Transformer

Kombinasi zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa)

5 Syafrudin [8] Zero Sequence Harmonics Current Minimization Using Zero-Blocking Transformer and Shunt LC Passive Filters

Kombinasi zero sequence blocking transformer dengan filter pasif LC (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama) 6 Hadzer, C. M

[9]

A Study on Zero-passing Transformer in Harmonics Reduction

Kombinasi

transformator Y-Δ dan filter LC

96 % (eksperimen)

7 Hurng-Liahng Jou [10]

Analysis of Zig-Zag Transformer Applying in the Three-Phase Four- Wire Distribution Power System

Transformator zig-zag (Jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa)

95,41%

( simulasi)

8 Fernando N [11] Three-Phase

Electromagnetic Filter for Zero-Sequence Harmonics

Filter eletromagnetik:

tiga buah inti magnetik satu fasa

9 Bhim Sing [12] Magnetic for Neutral Current Compensationn in Three-Phase Four-Wire Distribution System

Trafo zz, trafo YΔ, trafo scott, trafo hubungan T, trafo star- polygon

10 S.Ranjith Kumar [13]

Zig Zag Transformer performance analysis on harmonic reduction in distribution load

Transformator zig-zag (Jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa)

92,59 % ( simulasi)

11 Aitor Laka [14] Novel Zero-Sequence Blocking Transformer (ZSBT) Using Three Single-Phase Transformers

Zero sequence blocking transformer

(Jenis zsbt: tiga buah transformator satu fasa)

Lanjutan Tabel 1.1

Pada penelitian sebelumnya zero sequence blocking transformer yang digunakan terdiri dari satu buah transformator tiga fasa dimana ketiga kumparan fasanya dililit pada inti yang sama [4], [5], [6], [7] dan [8]. Kelemahan dari zero sequence blocking transformer seperti ini adalah jika digunakan pada daya yang besar

akan memerlukan konduktor yang besar pula sehingga sulit mendapatkan distribusi kumparan yang simetris.

Pada penelitian ini diusulkan penggunaan zero sequence blocking transformer dengan menggunakan tiga buah transformator satu fasa dan transformator zig-zag untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol. Keuntungan dari zero sequence blocking transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa ini adalah

sederhana dalam pembuatannya dan jika salah satu transformator mengalami kerusakan mudah dilakukan penggantian. Selanjutnya transformator zig-zag yang digunakan juga menggunakan tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

Dengan belitan bifilar ini transformator tersebut mempunyai reaktansi bocor yang rendah, sekaligus berarti impedansi urutan nol yang rendah pula, sehingga cocok digunakan untuk melalukan arus harmonisa urutan nol dari beban kembali ke beban.

Penelitian akan dilakukan dengan menggunakan simulasi dengan program PSIM dan dengan melakukan eksperimen di laboratorium.

1.2. Perumusan Masalah

Munculnya arus harmonisa urutan nol pada konduktor netral pada sistem

seimbang atau beban nonlinear. Kedua karena tegangan sumber yang tidak seimbang atau tegangan sumber terdistorsi. Kehadiran arus harmonisa urutan nol ini akan menimbulkan masalah pada kualitas daya. Oleh karena itu arus harmonisa urutan nol ini perlu dikurangi hingga arus pada konduktor netral mencapai maksimum 20 % dari arus fasa [1].

Penelitian ini mengidentifikasi permasalahan dan mengajukan solusi sebagai berikut:

1. Untuk mencegah arus harmonisa urutan nol mengalir dari sumber ke beban digunakan zero sequence blocking transformer yang dipasang seri pada jala-jala di sisi sumber.

2. Untuk memaksa arus harmonisa urutan nol kembali ke beban, digunakan transformator zig-zag (disebut juga sebagai zero passing transfomer).

3. Untuk menghindari kebutuhan diameter konduktor yang besar untuk daya besar serta kemudahan perbaikan kerusakan, digunakan tiga buah transformator satu fasa untuk zero sequence blocking transformer.

4. Untuk melalukan arus harmonisa urutan nol dari beban kembali ke beban diperlukan belitan dengan reaktansi bocor rendah, sehingga digunakan belitan bifilar pada transformator satu fasa yang akan membentuk transformator zig-zag.

1.3. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan utama pada penelitian ini adalah untuk mengetahui bagaimana pengurangan komponen arus harmonisa urutan nol pada konduktor fasa dan netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat jika digunakan zero sequence blocking transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa yang dihubungkan

secara khusus dan transformator zig-zag yang juga menggunakan tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

1.4. Batasan Masalah

Untuk penyederhanaan penyelesaian masalah, maka perlu dilakukan pembatasan bahasan masalah, yaitu sebagai berikut:

1. Analisis dilakukan untuk kondisi sistem distribusi tenaga listrik dalam keadaan mantap (steady-state).

2. Pengurangan arus harmonisa urutan nol hanya dilakukan pada sistem distribusi tenaga listrik tegangan rendah tiga fasa empat kawat.

3. Pengurangan arus harmonisa urutan nol dilakukan di jala-jala sistem dan pada sisi beban.

4. Analisis pengurangan arus harmonisa dilakukan dengan bantuan simulasi dengan program PSIM dan eksperimen menggunakan beban nonlinear sebagai pembangkit arus harmonisa urutan nol pada sistem.

5. Tidak dilakukan perhitungan secara ekonomis.

1.5. Manfaat

Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah:

1. Memaparkan suatu konsep yang dapat digunakan sebagai suatu alternatif untuk mengurangi arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat.

2. Peralatan-peralatan yang dibuat dalam penelitian ini dapat dimanfaatkan untuk praktikum mahasiswa pada Laboratorium Transmisi dan Distribusi Departemen Teknik Elektro FT USU.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Umum

Pada umumnya sistem distribusi daya listrik menyediakan tegangan yang relatif konstan dengan bentuk gelombang yang sinusoidal bebas dari harmonisa.

Pada sistem tenaga, harmonisa didefenisikan sebagai komponen dengan bentuk gelombang sinusoidal yang memiliki frekuensi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental [3]. Akan tetapi bentuk gelombang sinusoidal ini tidak dapat bertahan pada sisi beban disebabkan semakin lusasnya penggunaan beban-beban nonlinear. Harmonisa timbul justru disebabkan adanya beban-beban nonlinear berupa peralatan-peralatan listrik berbasis elektronik. Beban nonlinear ini menarik arus jala- jala sistem secara tidak linear sehingga menyebabkan bentuk gelombang arus jala-jala sistem terdistorsi menjadi nonsinusoidal yang banyak mengandung harmonisa.

Permasalahan harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik sudah dirasakan sejak tahun 1970-an, sejak diperkenalkannya penggunaan konverter-konverter statis untuk sistem kendali kecepatan motor-motor listrik [5]. Sejak awal tahun 1980-an terjadi lonjakan yang tinggi penggunaan peralatan elektronik yang merupakan beban nonlinear bagi sistem, hal ini membuat arus jala-jala menjadi sangat terdistorsi dan kandungan harmonisanya semakin tinggi. Kenaikan tingkat kandungan harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik ini telah mendatangkan berbagai persoalan

harmonisa yang serius, terutama pada sistem distribusi untuk industri-industri dan gedung-gedung bertingkat.

Pada bab ini akan dijelaskan kontribusi arus urutan nol yang dihasilkan oleh beban nonlinear sebagai sumber arus pada konduktor netral pada sistem distribusi tenaga listrik, metode yang sudah pernah dan yang diusulkan untuk minimisasi arus urutan nol pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat serta analisis dari masing- masing peralatan yang digunakan pada metode tersebut.

2.2. Harmonisa dan Komponen Urutan Fasa

Komponen simetris sudah umum digunakan untuk membantu menguraikan perilaku sistem tiga fasa. Sistem tiga fasa diubah ke dalam tiga sistem fasa-tunggal sehingga lebih mudah untuk dianalisis. Metode komponen simetris dapat digunakan untuk menganalisis respons sistem terhadap arus harmonisa asalkan diperhatikan agar tidak melanggar asumsi-asumsi dasar dari metode ini.

Menurut teorema Fortescue [15], tiga fasor tak seimbang dari sistem tiga fasa dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang. Himpunan seimbang komponen itu adalah:

1. Komponen urutan positif terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 120º, dan mempunyai urutan fasa yang sama seperti fasor aslinya.

2. Komponen urutan negatif terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 120º dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya.

3. Komponen urutan nol terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan dengan penggeseran fasa nol antara fasor yang satu dengan fasor yang lain.

Pada sistem tiga fasa yang seimbang, urutan fasa harmonisa dapat ditentukan dengan mengalikan nomor orde harmonisa h dengan arah perputaran fasa urutan positif [3]. Sebagai contoh, untuk harmonisa ke 2 yaitu h = 2, kita mendapatkan 2 x (0, -120°, +120°) atau (0°, 120°, -120°), yang merupakan urutan negatif. Untuk harmonisa yang ketiga, yaitu h = 3, kita mendapatkan 3 x (0°, -120°, +120°) atau (0°, 0°, 0°), yang merupakan urutan nol. Urutan fasa untuk semua orde harmonisa yang lain dapat ditentukan dengan cara yang sama.

Secara lengkap urutan fasa komponen arus harmonisa pada sistem distribusi daya listrik tiga fasa dapat diberikan seperti pada Tabel 2.1 dengan frekuensi fundamental adalah 50 Hz.

Karena bentuk gelombang yang terdistorsi pada sistem tenaga hanya terdiri dari komponen harmonisa ganjil [3], maka urutan fasa dari harmonisa ganjil dapat disimpulkan sebagai berikut:

a. Urutan positif: h = 6k + 1 dengan k = 0, 1, 2 …...

b. Urutan negatif: h = 6k + 5

Tabel 2.1 Urutan Fasa Komponen Arus Harmonisa

No Orde harmonisa ke-h Frekuensi (Hz) Urutan fasa

1 1 (fundamental) 50 Positif

2 2 (dua) 100 Negatif

3 3 (tiga) 150 Nol

4 4 (empat) 200 Positif

5 5 (lima) 250 Negatif

6 6 (enam) 300 Nol

7 7 (tujuh) 350 Positif

8 8 (delapan) 400 Negatif

9 9 (sembilan) 450 Nol

10 10 (sepuluh) 500 Positif

11 11 (sebelas) 550 Negatif

12 12 (duabelas) 600 Nol

13 13 (tigabelas) 650 Positif

14 dan seterusnya

2.3. Harmonisa Triplen

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya bahwa harmonisa triplen merupakan perkalian bilangan ganjil dengan harmonisa ketiga ( h = 3, 9, 15, 21, …).

Harmonisa triplen patut mendapat perhatian khusus sebab responnya sering sangat berbeda dari harmonisa lainnya. Harmonisa triplen menjadi persoalan penting untuk sistem hubungan wye yang dibumikan ketika arus mengalir pada netral. Dua masalah khusus yang dapat ditimbulkan adalah pembebanan berlebih pada netral dan

interferensi telepon. Sering terjadi peralatan mengalami gangguan sebab tegangan fasa ke netral terdistorsi oleh harmonisa triplen yang menimbulkan jatuh tegangan pada konduktor netral.

Gambar 2.1 mengilustrasikan suatu sistem dengan beban-beban nonlinear satu fasa yang benar-benar seimbang dimana terdapat komponen arus fundamental dan harmonisa ketiga. Penjumlahan arus pada titik N menghasilkan komponen arus fundamental pada netral adalah nol, tetapi komponen harmonisa ketiga adalah tiga kali dari yang terdapat pada arus fasa karena mereka sefasa.

Gambar 2.1 Arus Netral yang Besar Pada Sistem yang Melayani Beban Nonlinear Satu Fasa [3]

Hubungan kumparan transformator mempunyai pengaruh yang sangat berarti terhadap aliran arus harmonisa triplen yang berasal dari beban nonlinear satu fasa.

Dua kasus ditunjukkan dalam Gambar 2.2. Pada transformator hubungan wye-delta (atas), ditunjukkan bahwa arus harmonisa ketiga menuju ke sisi wye. Karena sefasa, maka ketiga arus tersebut dijumlahkan pada netral. Pada sisi delta arus tersebut hanya

bersirkulasi dan tidak keluar. Pada transformator hubungan wye-wye dibumikan (bawah) arus harmonisa ketiga mengalir dari sistem tegangan rendah ke sistem tegangan tinggi.

Gambar 2.2 Aliran Arus Harmonisa Ketiga Pada Tranformator Tiga Fasa [3]

2.4. Analisis Arus Konduktor Netral

Dalam analisis arus konduktor netral berikut ditinjau suatu sistem tiga fasa empat kawat mensuplai beban-beban satu fasa yang dihubungkan antara fasa dan netral. Arus beban diasumsikan pada kondisi mantap (steady-state) dan hanya mengandung harmonisa ganjil saja.

2.4.1. Sistem simetris dan seimbang

Dengan menggunakan deret Fourier dapat diturunkan persamaan untuk arus fasa yang simetris dan seimbang pada suatu sistem distribusi tiga fasa empat kawat [16].

𝐼𝐼_𝑎𝑎(𝑡𝑡) = 𝐼𝐼1sin(𝑤𝑤𝑡𝑡 + 𝜑𝜑₁ ) + 𝐼𝐼₃sin(3𝑤𝑤𝑡𝑡 + 𝜑𝜑₃) + 𝐼𝐼5sin(5𝑤𝑤𝑡𝑡 + 𝜑𝜑₅) + … .. (2.1) 𝐼𝐼_𝑏𝑏(𝑡𝑡) = 𝐼𝐼1sin(𝑤𝑤𝑡𝑡 −^2𝜋𝜋₃ + 𝜑𝜑₁) + 𝐼𝐼₃sin �3 �𝑤𝑤𝑡𝑡 −^2𝜋𝜋₃� + 𝜑𝜑₃� + 𝐼𝐼₅sin �5 �𝑤𝑤𝑡𝑡 −

^2𝜋𝜋₃� +𝜑𝜑5� +…….. (2.2)

𝐼𝐼𝑐𝑐(𝑡𝑡) = 𝐼𝐼1sin �𝑤𝑤𝑡𝑡 −^4𝜋𝜋₃ + 𝜑𝜑1 � + 𝐼𝐼3sin �3 �𝑤𝑤𝑡𝑡 −^4𝜋𝜋₃� + 𝜑𝜑3� + 𝐼𝐼5sin �5 �𝑤𝑤𝑡𝑡 −

4𝜋𝜋

3� + 𝜑𝜑5� + … .. (2.3) Dengan menjumlahkan ketiga arus pada masing-masing fasa maka diperloeh persamaan arus pada konduktor netral,

𝐼𝐼_𝑛𝑛(𝑡𝑡) = 𝐼𝐼_𝑎𝑎(𝑡𝑡) + 𝐼𝐼_𝑏𝑏(𝑡𝑡) + 𝐼𝐼_𝑐𝑐(𝑡𝑡)

= 3. 𝐼𝐼₃sin(3𝑤𝑤𝑡𝑡 + 𝜑𝜑₃) (2.4) Dapat dilihat bahwa harmonisa pertama (h = 6k + 1, dengan h adalah orde

harmonisa dan k = 0,1,2....) pada arus fasa merupakan komponen urutan positif, harmonisa ketiga (h = 6k + 3) merupakan komponen urutan nol dan harmonisa kelima (h = 6k + 5) adalah komponen urutan negatif. Dari Persamaan (2.4) dapat dilihat bahwa arus pada konduktor netral hanya terdiri dari harmonisa ketiga saja.

Jika arus fasa tidak mengandung harmonisa, misalnya pada beban-beban linear yang

seimbang, maka berdasarkan Persamaan (2.4) arus konduktor netral sama dengan nol dan hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Beban Tiga Fasa Seimbang Arus Netral Nol [17]

Beban non linier satu fasa umumnya dipasang pada fasa dan netral. Walaupun kondisi seimbang pada setiap fasanya, maka akan ada arus mengalir pada konduktor netralnya. Dengan bentuk gelombang arus tidak sinusoidal, penjumlahan dari tiga arus pada fasanya, meskipun dengan nilai rms yang sama, bisa berbeda dari nol.

Sebagai contoh arus-arus dengan nilai rms yang sama namun mempunyai bentuk gelombang persegi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4 [17] akan menghasilkan suatu arus netral yang signifikan.

Gambar 2.4 Beban Tiga Fasa Nonlinear Arus Netral Lebih Besar Dari Arus Fasa [17]

2.4.2. Sistem tidak simetris dan tidak seimbang

Dengan menggunakan transformasi Fortescue [16] suatu sistem yang tidak simetris dan tak seimbang dapat ditulis sebagai penjumlahan komponen-komponen urutan positif, negatif dan nol. Pada Persamaan (2.5) transformasi Fortescue diterapkan untuk harmonisa ke-h pada arus fasa.

� 𝐼𝐼̅

_𝑎𝑎,ℎ

𝐼𝐼̅

_𝑏𝑏,ℎ

𝐼𝐼̅

_𝑐𝑐,ℎ

� = � 1 1 1

1 𝑎𝑎

²

𝑎𝑎

1 𝑎𝑎 𝑎𝑎

²

� � 𝐼𝐼̅

_0,ℎ

𝐼𝐼̅

_1,ℎ

𝐼𝐼̅

_2,ℎ

�

(2.5)

� 𝐼𝐼̅

_0,ℎ

𝐼𝐼̅

_1,ℎ

𝐼𝐼̅

_2,ℎ

� =

¹₃

� 1 1 1

1 𝑎𝑎 𝑎𝑎

²

1 𝑎𝑎

²

𝑎𝑎 � � 𝐼𝐼̅

_𝑎𝑎,ℎ

𝐼𝐼̅

_𝑏𝑏,ℎ

𝐼𝐼̅

_𝑐𝑐,ℎ

�

(2.6)

dengan 𝑎𝑎 = 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 �𝑗𝑗^2𝜋𝜋₃ �

Arus pada konduktor netral merupakan penjumlahan arus ketiga fasa dan diberikan oleh

𝐼𝐼̅

_𝑁𝑁,ℎ

= 𝐼𝐼̅

_𝑎𝑎,ℎ

+ 𝐼𝐼̅

_𝑏𝑏,ℎ

+ 𝐼𝐼̅

_𝑐𝑐,ℎ

= (1 + 𝑎𝑎 + 𝑎𝑎²)𝐼𝐼̅1,ℎ + (1 + 𝑎𝑎 + 𝑎𝑎²)𝐼𝐼̅2,ℎ + 3𝐼𝐼̅0,ℎ = 3𝐼𝐼̅0,ℎ (2.7) Karena (1 + 𝑎𝑎 + 𝑎𝑎² = 0) maka jumlah komponen urutan positif dan juga

jumlah komponen urutan negatif adalah sama dengan nol, jadi hanya jumlah komponen urutan nol saja yang menghasilkan arus pada konduktor netral.

Dari Persamaan (2.7) dapat dilihat bahwa arus pada konduktor netral hanya terdiri dari komponen urutan nol dari arus fasa. Pada jaringan yang simetris dan seimbang komponen urutan nol ini bersesuaian dengan harmonisa orde ketiga.

Dengan mensubstitusikan arus urutan nol orde h dari Persamaan (2.6) ke dalam Persamaan (2.7) memberikan:

𝐼𝐼̅_𝑁𝑁,ℎ = 3𝐼𝐼̅_0,ℎ = 3^{∗ 1}₃�𝐼𝐼̅𝑎𝑎,ℎ + 𝐼𝐼̅_𝑏𝑏,ℎ + 𝐼𝐼̅_𝑐𝑐,ℎ� = 𝐼𝐼̅𝑎𝑎,ℎ + 𝐼𝐼̅_𝑏𝑏,ℎ+ 𝐼𝐼̅_𝑐𝑐,ℎ (2.8) dengan :

𝐼𝐼

𝑎𝑎,ℎ

, 𝐼𝐼

𝑏𝑏,ℎ

, 𝐼𝐼

𝑐𝑐,ℎ adalah amplitudo harmonisa arus ke h berturut-turut pada

fasa A, B dan C Dengan mengasumsikan

𝐼𝐼̅_𝑎𝑎,ℎ = 𝐼𝐼_𝑎𝑎,ℎ𝑒𝑒^{𝑗𝑗𝜑𝜑𝑎𝑎 ℎ} , 𝐼𝐼̅_𝑏𝑏,ℎ = 𝐼𝐼_𝑏𝑏,ℎ𝑒𝑒^{𝑗𝑗𝜑𝜑𝑏𝑏 ,ℎ} , 𝐼𝐼̅_𝑐𝑐,ℎ = 𝐼𝐼_𝑐𝑐,ℎ𝑒𝑒^{𝑗𝑗𝜑𝜑𝑐𝑐 ,ℎ},

dengan :

𝜑𝜑_𝑎𝑎,ℎ, 𝜑𝜑𝑏𝑏,ℎ, 𝜑𝜑𝑐𝑐,ℎ adalah sudut fasa harmonisa arus ke h berturut-turut pada fasa A, B dan C

maka 𝐼𝐼̅𝑁𝑁,ℎ diberikan oleh:

𝐼𝐼̅_𝑁𝑁,ℎ = �𝐼𝐼_𝑎𝑎,ℎ cos𝜑𝜑_𝑎𝑎,ℎ + 𝐼𝐼_𝑏𝑏,ℎ cos𝜑𝜑_𝑏𝑏,ℎ+ 𝐼𝐼_{𝑐𝑐,𝑖𝑖} cos𝜑𝜑_𝑐𝑐,ℎ� +

𝑗𝑗(𝐼𝐼𝑎𝑎,ℎ sin𝜑𝜑𝑎𝑎,ℎ+ 𝐼𝐼𝑏𝑏,ℎ sin𝜑𝜑𝑏𝑏,ℎ+ 𝐼𝐼𝑐𝑐,ℎ sin𝜑𝜑𝑐𝑐,ℎ) (2.9) Dari persamaan di atas, amplitudo I_N,h dan sudut fasa φ_N,h dari harmonisa

ke-h dari arus pada konduktor netral dapat dihitung. Amplitudo IN,h dari harmonisa ke-h dari arus pada konduktor netral adalah:

𝐼𝐼𝑁𝑁,ℎ = ��𝐼𝐼𝑎𝑎,ℎ cos𝜑𝜑𝑎𝑎,ℎ+ 𝐼𝐼𝑏𝑏,ℎ cos𝜑𝜑𝑏𝑏,ℎ+ 𝐼𝐼𝑐𝑐,ℎ cos𝜑𝜑𝑐𝑐,ℎ�²+ �𝐼𝐼𝑎𝑎,ℎ sin𝜑𝜑𝑎𝑎,ℎ+ 𝐼𝐼𝑏𝑏,ℎ sin𝜑𝜑𝑏𝑏,ℎ+ 𝐼𝐼𝑐𝑐,ℎ sin𝜑𝜑𝑐𝑐,ℎ�² (2.10) Sudut fasa φ_N,h harmonisa ke-h dari arus pada konduktor netral:

𝜑𝜑𝑁𝑁,ℎ = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑐𝑐𝑡𝑡𝑎𝑎 �^{Im (𝐼𝐼̅}_{Re (𝐼𝐼̅}^{𝑁𝑁,ℎ)}

𝑁𝑁,ℎ)� (2.11)

Jika harmonisa (amplitudo dan sudut fasa) dari arus-arus fasa diketahui, kandungan harmonisa dari arus pada konduktor netral dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.10) and (2.11).

2.4.3. Perbandingan RMS dari arus konduktor netral dan arus fasa pada sistem simetris dan seimbang

Untuk sistem yang simetris dan seimbang, perbandingan rms antara arus konduktor netral terhadap arus fasa naik dengan meningkatnya harmonisa ketiga dan dengan menurunnya harmonisa pertama dan kelima pada arus fasa. Arus pada konduktor netral tidak mungkin melebihi tiga kali dari arus fasa. Perbandingan antara arus pada konduktor netral dan fasa diberikan oleh [16]

𝐼𝐼_𝑁𝑁

𝐼𝐼_{𝑓𝑓𝑎𝑎𝑓𝑓𝑎𝑎}

=

^{�∑(3𝐼𝐼6𝑘𝑘+3)2}

�∑(𝐼𝐼_6𝑘𝑘+1)²+∑(𝐼𝐼_6𝑘𝑘+3)²+∑(𝐼𝐼_6𝑘𝑘+5)² (2.12) di mana :

I_N : nilai rms dari total arus pada konduktor netral I fasa : nilai rms dari total arus pada konduktor fasa

I6k+1, I6k+3, I6k+5 : nilai rms dari harmonisa pertama, ketiga, dan kelima

Jika kita tinjau pada suatu kasus ini dimana arus fasa mengandung harmonisa ganjil I2n+1 dimana I2n+1 = qⁿ x I1 (0 ≤q ≤1, n = 1,2,...) atau I3 = q x I1, I5 = q² x I1, I7 = q³ x I₁, I₉ = q⁴ x I_{1,… … .,} maka nilai rms dari arus fasa adalah:

I_fasa = �1 + 𝑞𝑞² + 𝑞𝑞⁴+ 𝑞𝑞⁶ + … *𝐼𝐼1 = ¹

�1−𝑞𝑞² 𝐼𝐼1 (2.13)

dan nilai rms dari arus pada konduktor netral adalah : 𝐼𝐼𝑁𝑁 = 3* �𝑞𝑞² + 𝑞𝑞⁸ + 𝑞𝑞¹⁴ + … *𝐼𝐼1

=

^3∗𝑞𝑞

�1−𝑞𝑞⁶

𝐼𝐼

₁ ^(2.14)

Perbandingan rms dari arus pada konduktor netral dan arus fasa adalah:

𝐼𝐼_𝑁𝑁

𝐼𝐼_{𝑓𝑓𝑎𝑎𝑓𝑓𝑎𝑎} = 3𝑞𝑞 �^1−𝑞𝑞_1−𝑞𝑞² ₆ = 3𝑞𝑞 �_{(1−𝑞𝑞2} ^1−𝑞𝑞_)(1+𝑞𝑞² _{2 +𝑞𝑞4)} = ^3𝑞𝑞

�1+𝑞𝑞² +𝑞𝑞⁴ (2.15) Nilai maksimum dari perbandingan rms dari arus pada konduktor netral dan arus fasa dapat dicari saat q = 1 (seluruh harmonisa pada arus fasa memiliki besar yang sama) dan sebanding dengan √3.

2.5. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Sejauh ini penanggulangan permasalahan akibat harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik secara umum dilakukan dengan tiga cara:

1. Menghindari akibat harmonisa secara langsung pada komponen sistem yang bersangkutan.

2. Mengurangi arus harmonisa di sisi jala-jala sistem.

3. Mengurangi kandungan arus harmonisa pada sumbernya.

Untuk menghindari akibat harmonisa secara langsung pada komponen sistem yang bersangkutan biasanya dilakukan dengan cara derating, yaitu membebani atau mengoperasikan komponen-komponen sistem tersebut, misalnya trafo dan generator atau konduktor netral, di bawah rating nominalnya, atau memperbesar kapasitas komponen sistem tersebut. Misalnya memperbesar kapasitas trafo dan generator atau menambah dan memperbesar ukuran konduktor netral sistem. Cara derating seperti ini hanya dapat mencegah kerusakan akibat harmonisa pada komponen yang bersangkutan saja, tetapi tidak mengurangi kandungan harmonisa pada sistem secara keseluruhan sehingga akibat harmonisa bentuk lainnya tidak dapat ditanggulangi.

Penanggulangan dengan cara kedua yaitu meminimisasi atau menghilangkan komponen arus harmonisa di sisi jala-jala sistem dengan menggunakan:

1. Filter daya aktif

2. Filter pasif seri atau shunt LC,

3. Peralatan elektromagnetic seperti trafo Y-∆, autotrafo zig-zag, trafo scott (T), dan trafo zero-blocking

Penanggulangan dengan menggunakan filter daya aktif untuk meminimasi atau mengurangi arus harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik dilakukan dengan menggunakan komponen-komponen semikonduktor yang dapat dikendalikan.

Prinsip kerjanya adalah menginjeksikan ke jala-jala arus yang mempunyai magnitud yang sama dan berlawanan fasa dengan arus harmonisa yang ingin dikurangi. Cara ini sangat efektif akan tetapi harganya sangat mahal dibandingkan dengan cara lainnya [7].

Penanggulangan dengan menggunakan filter pasif dan elektromagnetik memerlukan biaya yang kecil dan strukturnya sederhana. Filter pasif dapat berupa komponen-komponen pasif R, L, dan C yang disusun sedemikian rupa sehingga memberikan impedansi yang rendah atau tinggi terhadap satu atau lebih arus harmonisa dengan frekuensi tertentu. Filter elektromagnetik terdiri dari peralatan- peralatan electromagnetic seperti trafo Y-∆, autotrafo zig-zag, trafo scott (T), dan trafo zero-blocking [5], [12]. Filter ini mempunyai prinsip kerja yang sama dengan filter pasif. Suatu keuntungan penggunaan filter elektromagnetik adalah tidak memerlukan penalaan seperti yang ditemukan pada filter pasif.

Ada tiga macam cara pemasangan filter elektromagnetik yang bertujuan untuk mengurangi arus urutan nol pada jala-jala:

1. Filter dihubung seri antara sumber dan beban

2. Filter dihubung paralel antara fasa dan netral 3. Filter dihubung seri dan paralel

Filter yang dihubungakan seri antara sumber dan beban menyediakan impedansi urutan nol yang besar dan impedansi urutan positif dan negatif yang kecil sehingga arus urutan nol tidak dapat melewati filter ini sementara arus urutan lainnya dapat. Filter semacam ini berfungsi sebagai zero-blocking. Filter yang dihubung paralel antara fasa dan netral menyediakan impedansi urutan nol yang kecil dan impedansi urutan lainnya yang besar sehingga arus urutan nol dipaksa mengalir melalui filter ini kembali ke beban. Filter semacam ini berfungsi sebagai zero- passing. Jika dilakukan kombinasi antara cara pertama dan kedua maka arus urutan

nol yang berasal dari sumber tidak dapat mengalir ke beban dan sebaliknya arus urutan nol yang berasal dari beban tidak dapat mengalir ke sumber sehingga arus pada konduktor netral pada sisi sumber dapat dikurangi.

Ada dua metode kombinasi antara zero-blocking dan zero-passing yang pernah diteliti oleh peneliti terdahulu yaitu:

1. Kombinasi transformator zig-zag dan zero sequence blocking transformer [4], [6], [7].

2. Kombinasi zero sequence blocking transformer dan filter shunt LC [8].

Suatu metode preventif yang cukup baik untuk mengurangi kandungan arus harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik adalah dengan cara mengurangi atau menghilangkan arus harmonisa langsung pada sumbernya (beban nonlinear). Hal ini

Akan tetapi sebagian besar peralatan-peralatan listrik penghasil harmonisa tidak dilengkapi dengan filter tersebut. Sebagian pabrikan menyediakan filter untuk produknya tetapi hanya sebagai komponen tambahan saja, artinya harga filter tersebut terpisah dari harga komponen utamanya.

2.6. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol yang Diusulkan Pada Penelitian Ini

Pada penelitian ini akan diusulkan pengurangan arus harmonisa urutan nol pada sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat dengan cara:

1. Mengalirkan arus harmonisa urutan nol yang ditimbulkan oleh beban nonlinear langsung kembali ke sumbernya dengan menggunakan transformator zig-zag yang dibentuk dari tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar

2. Mengurangi komponen arus harmonisa urutan nol pada jala-jala sistem yang tidak dapat dikurangi oleh transformator zig-zag dengan menggunakan zero sequence blocking transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa

dengan demikian kandungan arus harmonisa urutan nol di jala-jala sistem akan berkurang sehingga arus pada konduktor netral juga akan berkurang.

Metode pengurangan arus harmonisa urutan nol yang diusulkan pada penelitian ini adalah dengan menggunakan kombinasi transformator zig-zag dan zero

terdiri dari tiga buah transformator satu fasa yang dihubungkan paralel dan transformator zig-zag juga terdiri dari tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

Pada bagian berikut pertama sekali akan dibahas mengenai pengurangan arus harmonisa urutan nol oleh transformator zig-zag dan kedua kombinasi antara zero sequence blocking transformer dengan transformator zig-zag.

2.6.1. Transformator zig-zag

Hubungan transformator zig-zag, sesuai dengan namanya, diperoleh dengan menghubungkan tiga buah transformator satu fasa secara zig-zag seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 [11], [13]. Pada gambar tersebut terminal A, B, dan C masing- masing dihubungkan paralel dengan ke tiga fasa jala-jala dan terminal N dihubungkan paralel dengan titik netral dari suatu sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat. Pada sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat arus urutan nol tiga fasa (𝑖𝑖_{𝑎𝑎𝑎𝑎}(𝑡𝑡), 𝑖𝑖𝑏𝑏𝑎𝑎(𝑡𝑡), 𝑖𝑖𝑐𝑐𝑎𝑎(𝑡𝑡)) mempunyai magnitud dan fasa yang sama seperti yang dinyatakan oleh:

𝑖𝑖_{𝑎𝑎𝑎𝑎}(𝑡𝑡) = 𝑖𝑖_{𝑏𝑏𝑎𝑎}(𝑡𝑡) = 𝑖𝑖_{𝑐𝑐𝑎𝑎}(𝑡𝑡) (2.16)

Arus netral merupakan penjumlahan dari arus urutan nol tiga fasa yaitu:

𝑖𝑖𝑛𝑛(𝑡𝑡) = 3 𝑖𝑖𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑡𝑡) (2.17)

C

V_CN

a2 c1

A V_AN

b2

a1

B

V_BN N

b1 c2 i_za

izb

izc

A

B

C

a1 a2

b1 b2

c1 c2

N in

Arus masukan mengalir menuju dot pada kumparan primer adalah sama dengan arus keluaran yang keluar dari dot pada kumparan sekunder sebab kumparan primer dan sekunder mempunyai perbandingan belitan 1 : 1, sehingga

(a) Hubungan Transformator Zig-Zag

(b) Diagram Fasor Tegangan Gambar 2.5 Transformator Zig-Zag

𝑖𝑖𝑧𝑧𝑎𝑎(𝑡𝑡) = 𝑖𝑖𝑧𝑧𝑏𝑏 (2.18)

𝑖𝑖_{𝑧𝑧𝑏𝑏}(𝑡𝑡) = 𝑖𝑖_{𝑧𝑧𝑐𝑐}(𝑡𝑡) (2.19) 𝑖𝑖_{𝑧𝑧𝑐𝑐}(𝑡𝑡) = 𝑖𝑖_{𝑧𝑧𝑎𝑎}(𝑡𝑡) (2.20)

Persamaan (2.18) – (2.20) menunjukkan bahwa arus tiga fasa mengalir melalui kumparan-kumparan transformator adalah sama. Hal ini berarti bahwa transformator zig-zag dapat menyediakan jalan untuk arus urutan nol. Agar transformator zig-zag dapat efektif mengalirkan arus urutan nol maka ia harus mempunyai impedansi urutan nol yang kecil. Impedansi urutan nol pada transformator satu fasa yang digunakan pada tranformator zig-zag adalah reaktansi bocornya [18]. Cara terbaik untuk mendapatkan reaktansi bocor yang kecil adalah dengan menggunakan transformator satu fasa dengan belitan bifilar. Belitan bifilar adalah sepasang kawat yang berisolasi dililit secara simultan pada suatu inti [19].

Gambar 2.5(b) menunjukkan diagram fasor tegangan pada transformator zig- zag. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa tegangan pada masing-masing kumparan adalah 1 √3⁄ dari tegangan fasa ke netral. Rating kVA dari masing-masing transformator satu fasa yang membentuk transformator zig-zag dapat dihitung berdasarkan hasil perkalian tegangan rms dan arus rms pada masing-masing kumparan.

I

a

I

^bc

I

I

a

I

c

I

b

c b

a

φ φ

φ + +

2.6.2. Zero-sequence blocking transformer

Zero-sequence blocking transformer (ZSBT) adalah suatu peralatan elektro

magnetik yang digunakan untuk menahan komponen arus urutan nol. ZSBT mempunyai impedansi yang besar terhadap komponen arus urutan nol dan mempunyai impedansi yang kecil terhadap komponen arus urutan positif dan negatif.

Ditinjau dari cara menggulung kumparannya, ada tiga jenis ZSBT yaitu [14]:

a. Digulung pada inti bentuk E;

b. Digulung pada inti toroidal;

c. Menggunakan tiga buah transformator satu fasa.

2.6.2.1. ZSBT dengan inti bentuk E dan toroidal

ZSBT yang menggunakan inti bentuk E dan inti toroidal berturut-turut diperlihatkan pada Gambar 2.6 dan 2.7. Pada kedua jenis ZSBT tersebut, ketiga kumparan mempunyai jumlah lilitan yang sama.

Gambar 2.6. ZSBT dengan Inti Magnet Bentuk E

Gambar 2.7 ZSBT dengan Inti Magnet Toroidal [14]

Tegangan pada tiap kumparan, misalnya

𝑣𝑣

_𝑎𝑎^, dihitung dengan menggunakan hukum Faraday:

𝑣𝑣

𝑎𝑎

= 𝐿𝐿

^{𝑑𝑑𝑖𝑖}_{𝑑𝑑𝑡𝑡}^𝑎𝑎

+ 𝐿𝐿

𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑖𝑖_𝑏𝑏

𝑑𝑑𝑡𝑡

+ 𝐿𝐿

𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑖𝑖_𝑐𝑐

𝑑𝑑𝑡𝑡

(2.21) di mana,

L = induktansi sendiri fasa a, diasumsikan sama untuk semua kumparan, L0 = induktansi bersama antar kumparan.

Sementara itu induktansi sendiri (L) terdiri dari induktansi bocor kumparan (L_lk ) dan induktansi bersama (L₀) atau 𝐿𝐿 = 𝐿𝐿_{𝑙𝑙𝑘𝑘} + 𝐿𝐿₀ sehingga Persamaan (2.21) dapat juga dinyatakan sebagai:

𝑣𝑣𝑎𝑎 = 𝐿𝐿𝑙𝑙𝑘𝑘 𝑑𝑑𝑖𝑖_𝑎𝑎

𝑑𝑑𝑡𝑡 + 𝐿𝐿𝑎𝑎 𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑡𝑡(𝑖𝑖𝑎𝑎 + 𝑖𝑖𝑏𝑏+ 𝑖𝑖𝑐𝑐)

(2.22)

Pada sistem tiga fasa empat kawat arus urutan nol mempunyai amplitudo dan sudut fasa yang sama sehingga dapat dinyatakan sebagai:

𝑖𝑖0 = ^{(𝑖𝑖𝑎𝑎+𝑖𝑖}₃^{𝑏𝑏+𝑖𝑖𝑐𝑐)}= 𝑖𝑖𝑎𝑎0 = 𝑖𝑖𝑏𝑏0= 𝑖𝑖𝑐𝑐0

(2.23)

Dengan menganggap distribusi kumparan simetris, induktansi sendiri dan induktansi bersama untuk semua kumparan mempunyai nilai yang sama sehingga arus terbagi sama. Oleh karena itu dengan menggunakan Persamaan (2.22) dan (2.23), tegangan yang diinduksikan oleh arus urutan nol ke seluruh tiga fasa adalah:

𝑣𝑣0 = 𝐿𝐿𝑙𝑙𝑘𝑘𝑑𝑑𝑖𝑖₀

𝑑𝑑𝑡𝑡 + 3𝐿𝐿𝑎𝑎 𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑡𝑡𝑖𝑖0

(2.24) Dengan pertimbangan bahwa induktansi bersama jauh lebih besar dari induktansi bocor sehingga induktansi bocor ini dapat diabaikan maka impedansi ZSBT untuk komponen arus urutan nol adalah:

𝑍𝑍0 = (𝐿𝐿𝑙𝑙𝑘𝑘 + 3𝐿𝐿𝑎𝑎)ω ≈ 3𝐿𝐿0𝜔𝜔

(2.25) di mana ω adalah frekuensi sudut.

Arus urutan positif dan negatif adalah komponen arus sinusoidal yang membentuk sistem tiga fasa seimbang, mempunyai pergeseran fasa sebesar 120⁰ dan mempunyai magnitude yang sama. Jadi, jumlah arus fasa sesaat selalu nol.

Impedansi ZSBT untuk arus urutan positif dan negatif dapat diturunkan dari Persamaan (2.22):

𝑍𝑍₁₂ = 𝐿𝐿_{𝑙𝑙𝑘𝑘}ω (2.26) Dengan demikian ZSBT memberikan tiga kali induktansi bersama untuk arus urutan nol dan hanya induktansi bocor untuk arus urutan positif dan negatif. Perlu diketahui bahwa induktansi bersama jauh lebih besar dari induktansi bocor.

2.6.2.2. ZSBT menggunakan tiga buah transformator satu fasa

Skema umum ZSBT yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa ditunjukkan pada Gambar 2.8. Sisi primer mempunyai belitan N1 dan sekunder mempunyai belitan N2. Sisi sekunder dari masing-masing transformator dihubungkan paralel.

Gambar 2.8 Konfigurasi ZSBT Dengan Tiga Buah Transformator Satu Fasa [14]

Keuntungan dari ZSBT dengan konfigurasi seperti ini adalah sederhana dalam pembuatannya, sehingga cocok digunakan untuk daya besar [14]. Pada penggunaan daya besar, arus yang mengalir pada kumparan relatif besar sehingga memerlukan ukuran konduktor yang besar pula. Sehingga untuk memastikan bahwa komponen arus urutan positif dan negatif tidak menghasilkan flux maka diperlukan distribusi kumparan yang simetris [20]. Jadi kumparan harus digulung secara merata, hal ini sulit dilakukan disebabkan ukuran konduktor yang besar. Hal ini yang ditemukan pada kedua jenis ZSBT yang telah disebutkan pertama.

Diagram elektrikal ekivalen dari ZSBT jenis yang ketiga ini ditunjukkan dalam Gambar 2.9. L_ik adalah induktansi bocor dan L₀ adalah induktansi magnetik

dari masing-masing transformator satu fasa. Guna penyederhanan analisis, semua tahanan diabaikan dan perbandingan belitan dari masing-masing transformator adalah 1 : 1.

Gambar 2.9 Hubungan Tiga Transformator Satu Fasa yang Disederhanakan [14]

Sisi sekunder dari ZSBT dihubungkan wye sehingga jumlah arusnya sama dengan nol:

𝑖𝑖_𝑎𝑎2+ 𝑖𝑖_𝑏𝑏2+ 𝑖𝑖_𝑐𝑐2= 0

(2.27) Tegangan pada sisi sekunder

𝑣𝑣

0 dinyatakan sebagai:

𝑣𝑣0 = 𝐿𝐿0 𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑡𝑡(𝑖𝑖𝑎𝑎1− 𝑖𝑖𝑎𝑎2) = 𝐿𝐿0 𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑡𝑡(𝑖𝑖𝑏𝑏1− 𝑖𝑖𝑏𝑏2) = 𝐿𝐿0 𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑡𝑡(𝑖𝑖𝑐𝑐1− 𝑖𝑖𝑐𝑐2) (2.28) Dari Persamaan (2.27) dan (2.28), diperoleh persamaan tegangan untuk

𝑣𝑣

₀^:

𝑣𝑣0 =^𝐿𝐿₃⁰_{𝑑𝑑𝑡𝑡}^𝑑𝑑 (𝑖𝑖𝑎𝑎1+ 𝑖𝑖𝑏𝑏1+ 𝑖𝑖𝑐𝑐1) (2.29)

di mana L₀ adalah induktansi magnetik dari transformator satu fasa:

𝐿𝐿

₀

=

^𝑁𝑁_𝑅𝑅¹²

0

=

^𝑁𝑁_{𝑙𝑙𝑒𝑒}¹²

𝜇𝜇 0𝜇𝜇 𝑎𝑎𝐴𝐴

=

^{𝜇𝜇0𝜇𝜇}_𝑙𝑙^{𝑎𝑎𝐴𝐴𝑁𝑁12}

𝑒𝑒

(2.30) dengan

N1 = jumlah belitan sisi primer, 𝑙𝑙𝑒𝑒 = panjang jalur magnetik, A = luas penampang inti magnet, R0 = adalah reluktansi inti magnetik, 𝜇𝜇0 = permeabilitas ruang hampa, 𝜇𝜇_𝑎𝑎 = permeabilitas relatif material inti.

Setelah mengetahui tegangan pada sisi sekunder transformator, tegangan pada sisi primer fasa a dinyatakan sebagai:

𝑣𝑣_𝑎𝑎 = 𝐿𝐿_{𝑙𝑙𝑘𝑘𝑑𝑑𝑡𝑡}^𝑑𝑑 (𝑖𝑖_𝑎𝑎1) +^𝐿𝐿₃⁰_{𝑑𝑑𝑡𝑡}^𝑑𝑑 (𝑖𝑖_𝑎𝑎1+ 𝑖𝑖_𝑏𝑏1+ 𝑖𝑖_𝑐𝑐1)

(2.31) Persamaan (2.31) adalah sama dengan Persamaan (2.22) yang berlaku untuk dua jenis ZSBT yang pertama sehingga impedansi yang ditimbulkan oleh ZSBT yang menggunakan transformator satu fasa ini dapat disimpulkan dengan cara yang sama.

Dengan mengkombinasikan Persamaan (2.23) dan (2.31) dan dengan mengabaikan induktansi bocor, impedansi yang ditimbulkan oleh ZSBT terhadap arus urutan nol adalah impedansi magnetik dari transformator satu fasa (𝑍𝑍0= (𝐿𝐿𝑙𝑙𝑘𝑘 + 𝐿𝐿0)𝜔𝜔 ≈ 𝐿𝐿0𝜔𝜔).