PENGARUH HARMONISA TERHADAP ARUS NETRAL
TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
(APLIKASI PADA R.S.U SARI MUTIARA MEDAN)
Frederick Sakaja Ginting, Satria Ginting dan Surya Tarmizi KasimKonsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: [email protected], [email protected]
Abstrak
Penyaluran energi listrik dari pusat pembangkit ke konsumen dikatakan baik apabila menggunakan frekuensi yang konstan serta bekerja pada level tegangan tertentu. Akan tetapi hal tersebut sangat jarang terpenuhi akibat beberapa faktor, salah satunya adalah akibat hadirnya harmonisa pada sistem tenaga listrik. Harmonisa dalam sistem tenaga listrik diakibatkan oleh pemakaian beban non-linier dimana didalamnya terdapat komponen semikonduktor. Sebagai salah satu komponen dalam sistem tenaga listrik, transformator distribusi juga akan merasakan dampak hadirnya harmonisa tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh harmonisa terhadap arus netral transformator distribusi. Berdasarkan hasil pengukuran dan proses analisis menunjukkan THD arus di Transformator R.S.U Sari Mutiara melebihi standar dimana phasa R melebihi sebesar 2,172%, phasa S sebesar 11,533% dan phasa T sebesar 2,746%, sedangkan untuk THD tegangan tidak ada yang melebihi standar IEEE 519, selain itu besar arus urutan nol pada phasa R (3,487 A), S (6,761 A), T (3,316 A) dan phasa Netral (13,561 A). Sedangkan besar arus netralnya tergantung dari besar komponen harmonisa ganjil kelipatan 3, dimana menunjukkan bahwa harmonisa memberikan penambahan yang cukup besar terhadap besar arus netral.
Kata Kunci: transformator, harmonisa, arus netral 1. Pendahuluan
Perkembangan teknologi telah membuat penggunaan energi listrik semakin meningkat. Hal ini dibuktikan dengan semakin banyaknya pemakaian peralatan listrik terutama peralatan elektronik yang terdapat pada rumah sakit. Untuk mengoperasikan peralatan elektronik tersebut diperlukan sumber tegangan arus searah (DC Power Supplies). Umumnya tegangan DC ini didapatkan dari tegangan bolak-balik yang tersedia di jala-jala sistem dengan cara menyearahkannya. Oleh karena itu peralatan elektronik merupakan beban non linier yang menghasilkan harmonisa bagi sistem distribusi listrik. Pengaruh harmonisa pada transformator distribusi adalah pembebanan lebih pada kawat netral.
Tujuan dari penulisan ini adalah untuk mengetahui nilai kandungan arus harmonisa dan pengaruhnya terhadap arus netral transformator distribusi.
Adapun batasan masalah dari percobaan yang dilakukan adalah:
1. Tidak membahas analisa harmonisa yang muncul pada transformator distribusi dengan menggunakan deret fourier secara terperinci.
2. Tidak membahas cara penanganan untuk mengurangi harmonisa pada transformator distribusi.
3. Pembahasan pegaruh harmonisa terhadap transformator distribusi difokuskan pada arus netral.
4. Harmonisa yang dibahas adalah harmonisa tegangan dan harmonisa arus.
5. Standar harmonisa yang digunakan berdasarkan standar IEEE 519.
2. Transformator
Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang mampu mengubah maupun untuk menyalurkan energi listrik arus bolak-balik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik arus bolak-balik yang lain
Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Berdasarkan letak kumparan terhadap inti [1], transformator terdiri dari dua macam konstruksi, yaitu tipe inti dan tipe cangkang.
Transformator terdiri atas dua buah kumparan ( primer dan sekunder ). Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi).
e
= - N Ф (Volt) (1)Dimana:
e
= Gaya gerak listrik (Volt) N = Jumlah lilitanФ
= Perubahan fluks magnetik (Weber/detik) Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan IM tidak seluruhnya merupakan fluks bersama (ФM), sebagian mencakup kumparan primer (Ф1) atau mencakup kumparan sekunder saja (Ф2) dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Ф1 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X1 dan fluks bocor Ф2 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai X2 sedang rugi tahanan ditunjukan dengan R1 dan R2[2], dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian transformator ideal
3. Harmonisa pada Transformator Distribusi
Suatu sistem tenaga listrik terdiri dari tiga bagian utama : pusat pembangkit listrik, saluran transmisi, dan sistem distribusi. Pemakaian energi yang diberikan kepada para pelanggan bukanlah menjadi tanggung jawab PLN.
Berbagai nilai dari rugi-rugi transformator distribusi menurut SPLN 50 tahun 1997 dapat dilihat pada Tabel 1 [3].
Tabel 1. Nilai rugi-rugi transformator distribusi KVA Rating Rugi Besi (Watt) Rugi Tembaga (Watt) 25 50 100 160 200 250 315 400 500 800 1000 1250 1600 75 150 300 400 480 600 770 930 1100 1750 2300 2500 3000 425 800 1600 2000 2500 3000 3900 4600 5500 9100 12100 15000 18100 Tujuan utama dari adanya alat transformator distribusi dalam sistem tenaga listrik adalah untuk mendistribusikan tenaga listrik dari gardu induk ke sejumlah pelanggan. Pada Tabel 2 adalah klasifikasi pelanggan listrik yang dilayani oleh PLN [4].
Tabel 2. Klasifikasi beban pelanggan listrik PLN Beban Yang Dilayani No Golonga n Tarif Batas Daya TARIF S Sosial 1 S-1 / TR 220 VA 2 3 4 5 6 S-2 / TR S-2 / TR S-2 / TR S-2 / TR S-2 / TR 450 VA 900 VA 1300 VA 2200 VA > 2200 VA s/d 200 KVA S-3 / TM > 200 KVA TARIF R Perumahan 1 R-1 / TR s/d 450 VA 2 R-1 / TR 900 VA 3 R-1 / TR 1300 VA 4 R-1 / TR 2200 VA 5 R-2 / TR > 2200 VA –
6600 VA 6 R-3 / TR > 6600 VA TARIF B ( Bisnis ) 1 B-1 / TR s/d 450 VA 2 B-1 / TR 900 VA 3 B-1 / TR 1300 VA 4 B-1 / TR 2200 VA 5 B-2 / TR > 2200 VA s/d 200 KVA 6 B-3 / TM > 200 KVA TARIF I Industri 1 I-1 / TR s/d 450 VA 2 I-1 / TR 900 VA 3 I-1 / TR 1300 VA 4 I-1 / TR 2200 VA 5 I-1 / TR > 2200 VA s/d 14 KVA 6 I-2 / TR > 14 KVA s/d 200 KVA 7 I-3 / TM > 200 KVA 8 I-4 / TT > 30000 KVA TARIF P Perkantoran 1 2 3 4 5 P-1 / TR P-1 / TR P-1 / TR P-1 / TR P-1 / TR s/d 450 VA 900 VA 1300 VA 2200 VA > 2200 VA s/d 200 KVA P-2 / TM > 200 KVA Harmonisa adalah gejala pembentukan gelombang-gelombang sinus dengan frekuensi kelipatan (integer) dari frekuensi fundamental. Gelombang harmonisa ini akan menumpang pada gelombang sinus murni (frekuensi fundamental) sehingga akan terbentuk cacat gelombang (distorsi) yang merupakan hasil penjumlahan gelombang sinus murni dengan gelombang harmonisa seperti Gambar 2 [5].
Gambar 2. Gelombang hasil penjumlahan gelombang fundamental dengan harmonisa ketiga
Triplen harmonisa adalah kelipatan ganjil dari harmonisa ketiga ( h = 3, 9, 15, 21, 27, ...). Hal ini menjadi penting untuk diperhatikan khususnya pada sistem bintang yang ditanahkan (grounded wye systems) karena adanya arus yang mengalir pada kawat netral. Arus pada kawat netral akan menjadi overload karena arus antar fasanya tidak saling menghilangkan. Untuk lebih memahami mengenai triplen harmonisa ini, perhatikan Gambar 3 berikut ini [6].
Gambar 3. Arus netral pada grounded wye systems akibat triplen harmonisa
Sistem pada Gambar 3 merupakan sistem yang seimbang dan diasumsikan komponen harmonisa ketiga hadir dalam sistem. Diharapkan arus pada fasa A, B, dan C akan saling menghilangkan agar tidak ada arus yang mengalir pada konduktor netral. Akan tetapi, pada konduktor netral mengalir arus triplen harmonik dari ketiga fasa yang saling menjumlahkan yang besarnya tiga kali dari arus triplen pada setiap fasanya [9].
Standar yang digunakan adalah standar dari IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineering), yaitu IEEE 519 yang menyediakan panduan pembatasan harmonisa arus [7] dan tegangan [8].
Tabel 3. Standar harmonisa arus IEEE 519
SCR ISC/IL
Harmonic Order Total
Harm onic Disto rtion (%) n<1 1 11< n<1 7 17 ≤n <2 3 23≤ n<3 5 ≥3 5 <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 20-50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 50-100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 100-1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 >1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0
Tabel 4. Standar harmonisa tegangan IEEE 519 Maximum Distortion (%) System Voltage Below 69 kV 69 – 161 kV >161 kV Individual Harmonic 3,0 1,5 1,0 Total Harmonic 5,0 2,5 1,5
4. Pengaruh Harmonisa Terhadap Arus Netral
Meningkatnya penggunaan energi listrik khususnya pada rumah sakit yang dapat ditandai dengan penggunaan perangkat non linier dapat menyebabkan harmonisa. Efek munculnya harmonisa pada transformator distribusi terdapat pada kawat netral yang dapat menimbulkan pemanasan dan kemampuan hantar penyulang berkurang apabila melebihi standar IEEE 519. Oleh karena itu akan dibahas pengaruh harmonisa yang terdapat pada kawat netral.
Gambar penempatan alat ukur pada R.S.U Sari Mutiara diperlihatkan pada Gambar 4, dimana alat ukur yang digunakan adalah Power Quality Analyzer Fluke 434/435. Gambar 5 menunjukkan alat ukur Power Quality Analyzer Fluke 434/435. PQA BUS 1 BU S 2 KVAsc = 9699 20KV X = 2,91 800 KVA 20 /0 ,4 KV X = 0, 045 40 KVA X = 0,0975 Rumah Sakit
Gambar 4. Penempatan alat ukur PQA
Gambar 5. Power Quality Analyzer (Fluke)
Data dalam penelitian ini diperoleh dari RSU Sari Mutiara Medan yang dibantu oleh staf PLN cabang Lubuk Pakam dalam mengukur kandungan harmonisa pada transformator distribusi pada tanggal 27-30 Juli 2012 di jalan Kapten Muslim No. 79 Medan seperti pada Tabel 5.
Tabel 5. Data kandungan harmonisa arus Phasa Harmonik ke : IHD (%) Arus (A) Urutan R 3 5,387 3,895 Nol 5 4,556 3,294 Negatif 7 0,773 0,559 Positif 9 0,516 0,373 Nol 11 0,607 0,439 Negatif 13 0,433 0,313 Positif 15 0,107 0,077 Nol 17 0,273 0,197 Negatif 19 0,369 0,267 Positif 21 0,152 0,11 Nol S 3 12,854 5,776 Nol 5 3,605 1,62 Negatif 7 3,558 1,599 Positif 9 6,752 3,034 Nol 11 5,298 2,381 Negatif 13 2,67 1,2 Positif 15 0,498 0,224 Nol 17 0,763 0,343 Negatif 19 0,701 0,315 Positif 21 0,596 0,268 Nol T 3 5,317 3,376 Nol 5 5,493 3,488 Negatif 7 0,734 0,466 Positif 9 0,317 0,201 Nol 11 0,479 0,304 Negatif 13 0,589 0,374 Positif 15 0,302 0,192 Nol 17 0,142 0,09 Negatif 19 0,354 0,225 Positif 21 0,315 0,2 Nol N 3 141,69 32,374 Nol 5 47,62 10,88 Negatif 7 20,444 4,671 Positif 9 39,916 9,12 Nol 11 25,473 5,82 Negatif 13 6,758 1,544 Positif 15 3,782 0,864 Nol 17 4,324 0,988 Negatif 19 3,935 0,899 Positif 21 6,548 1,496 Nol
4.1 Analisa Perhitungan
Dari Gambar 4 didapat data one line diagram R.S.U Sari Mutiara Medan sebagai berikut :
KVAsc = 9.699 KVA Base Daya = 10.000 KVA
KVbase sisi Tegangan Tinggi = 20 KV KVbase sisi Tegangan Rendah = 0,4 KV Reaktansi peralatan berdasarkan base yang dipilih : Xpu(2) = X1 x ( ) ( ) x ( ) ( ) (2) Trafo : Xpu(2) = 0,045 x . x = 0,5625 pu Transmisi : Xpu = X(Ω) x . (3) XTL-A = 2,91 x . . = 0,07275 pu XTL-B = 0,0975 x . , . = 6,09375 pu Beban : Zb = (4) Zb = , = 0,004200 Zb = 0,004cos200 + j0,004sin200 Xb = j0,004sin200 Xb = 0,004sin200 x . , . = 0,0855 pu Sumber : Xs = (5) Xs = . . = 1,031 pu VFN = VTH = , , = 1,0 pu XY = XS + XTL-A + XPU(2) (6) XY = 1,031 + 0,07275 + 0,5625 = 1,66625 pu XZ = Xb + XTL-B (7) XZ = 0,0855 + 6,09375 pu XTH = XFN = (8) XTH = XFN = , , , , = 1,3124
Dari hasil perhitungan dapat dibuat diagram reaktansi pada Gambar 6 dan rangkain ekivalen pada Gambar 7.
Gambar 6. Diagram reaktansi
Gambar 7. Rangkaian ekivalen Isc = = , = 0,7619 pu Isc = Isc(pu) x ( ) √ . , ( ) (9) Isc = 0,7619 x . √ . , = 10.997,079 IFL= ( ) √ . ( ) (10) IFL= √ . , = 1.154,7 SCR = (11) SCR = . , . , = 9,524
Berdasarkan hasil perhitungan maka didapat standar SCR < 20 pada Tabel 6.
Tabel 6. Analisa THD arus Ph as a IS C / IL Ran ge Pen guk uran h < 11 (%) Sta nda rd h (% ) Melebihi standard / Tidak Lebi h (%)
Analisa THD Arus Orde < 11
R 9,5 < 20 7,1 4 Melebihi 3,1 S 9,5 < 20 15,3 4 Melebihi 11,3 T 9,5 < 20 7,6 4 Melebihi 3,6 Analisa THD Arus Orde 11-16
R 9,5 < 20 0,7 2 Tidak
Melebihi - S 9,5 < 20 5,9 2 Melebihi 3,9 T 9,5 < 20 0,8 2 Tidak
Melebihi - Analisa THD Arus Orde 17-22
R 9,5 < 20 0,4 1,5 Tidak Melebihi - S 9,5 < 20 1,1 1,5 Tidak Melebihi - T 9,5 < 20 0,4 1,5 Tidak Melebihi - THD Arus Total R 9,5 < 20 7,1 5 Melebihi 2,1 S 9,5 < 20 16,5 5 Melebihi 8,5 T 9,5 < 20 7,7 5 Melebihi 2,7 Dari Tabel 6 dapat dilihat analisa THD arus orde < 11 phasa R, S dan T melebihi standar IEEE 519 sebesar 3,1% untuk phasa R,
11,3 % untuk phasa S dan 3,6% untuk phasa T. Analisa THD arus orde 11-16 phasa R dan T tidak melebihi standar sedangkan phasa S melebihi standar sebesar 3,9%. Analisa THD arus orde 17-22 phasa R, S dan T tidak melebihi standar. THD arus total phasa R, S dan T melebihi standar sebesar 2,1% untuk phasa R, 8,5% untuk phasa S dan 2,7% untuk phasa T. Tabel 7. Rangkuman analisa spektrum gelombang arus Waktu Phasa THD (%) Standar Keterangan 27 Juli 2012 R 5,7 5 Melebihi S 11,25 5 Melebihi T 5,8 5 Melebihi N 147,5 5 Melebihi 28 Juli 2012 R 5,88 5 Melebihi S 9,75 5 Melebihi T 5,25 5 Melebihi N 85 5 Melebihi 29 Juli 2012 R 5,3 5 Melebihi S 11,25 5 Melebihi T 5,5 5 Melebihi N 50 5 Melebihi 30 Juli 2012 R 5,7 5 Melebihi S 9,5 5 Melebihi T 5,25 5 Melebihi N 140 5 Melebihi
Dari hasil pengukuran selama 4 hari mulai tanggal 27-30 Juli 2012 yang ditunjukkan pada Tabel 7 maka phasa R, S, T dan N melebihi standar IEEE 519. Phasa R, S, T dan N terdapat harmonisa akibat pemakaian beban non linier yang terdapat pada R.S.U Sari Mutiara Medan. 5. Kesimpulan
Setelah melakukan perhitungan dari data yang diperoleh, maka penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut:
1. THD arus total fasa S pada saat pengukuran tanggal 30 Juli 2012 pukul 10:00 melebihi standar yang ditetapkan oleh IEEE 519 sebesar 8,533%, sedangkan untuk THD tegangan tidak ada yang melebihi standar. 2. Hasil analisa spektrum gelombang arus
menunjukkan THD dari tanggal 27-30 Juli 2012 melebihi standar IEEE 519.
3. Kandungan harmonisa pada arus netral terbesar terjadi pada tanggal 27 Juli 2012 sebesar 147,5 A dan 30 Juli 2012 sebesar 140 A.
4. Karakteristik harmonisa arus pada transformator yang paling dominan adalah harmonisa ke-3, harmonisa ke-5, harmonisa ke-7, harmonisa ke-9, dan harmonisa ke-10. 5. Berdasarkan pengukuran pada salah satu feeder ada pengaruh harmonisa terhadap transformator distribusi.
6. Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada H. J Ginting dan K br Pinem selaku orang tua penulis, Ir. Satria Ginting, MT dan Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku dosen pembimbing, juga Ir. Eddy Warman, Ir. Masykur Sjani, MT dan Ir. A. Rachman Hasibuan, MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan paper ini, serta teman-teman penulis yang sudah memberikan dukungan selama pembuatan paper ini.
7. Daftar Pustaka
[1]. Vecchio, Robert M. 2010. Transformer
Design Principles. Taylor and Francis
Group.
[2]. Zuhal. 1995. Dasar Teknik Tenaga Listrik
dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia.
[3]. SPLN 50 Tahun 1997 tentang “ Spesifikasi Transformator Distribusi”.
[4]. Perpers No 8 Tahun 2011 tentang “Tarif
Tenaga Listrik yang Disediakan oleh PT.PLN”.
[5]. Setiadji, Julius Sentosa, dkk. Pengaruh
Harmonisa Pada Gardu Trafo Tiang Daya 100 KVA di PLN APJ Surabaya Selatan.
Jurnal Teknik Elektro Vol.7 , No.1 Maret 2007. Hal 1-12.
[6]. Irianto, Chairul Gagarin, dkk. Mengurangi
Harmonisa Pada Transformator 3 Fasa.
JETRI Vol.7, No.2 Februari 2008. Hal 53-68.
[7]. Dugan, Roger C. Electrical Power Systems
Quality, The McGraw-Hill Companies,
2004.
[8]. Kusko, Alexander. Power Quality In
Electrical Systems. The McGraw-Hill
Companies, 2007.
[9]. Thomas, M Gruzs. A Survey Of Neutral
Currents In Three Phase Computer Power Systems, Vol.26, No.4 July 1990.
