PENGARUH HARMONISA TERHADAP ARUS NETRAL TRANSFORMATOR DISTRIBUSI (APLIKASI PADA R.S.U SARI MUTIARA MEDAN)

Transkripsi

1 PENGARUH HARMONISA TERHADAP ARUS NETRAL TRANSFORMATOR DISTRIBUSI (APLIKASI PADA RSU SARI MUTIARA MEDAN) Frederick Sakaja Ginting, Satria Ginting dan Surya Tarmizi Kasim Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA 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 nonlinier 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 RSU 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 bolakbalik yang tersedia di jalajala 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 membahas analisa harmonisa yang muncul pada transformator distribusi dengan menggunakan deret fourier secara terperinci 2 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 Transformator Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang mampu mengubah maupun untuk menyalurkan energi listrik arus bolakbalik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik arus bolakbalik yang lain 11 DTE FT USU

2 SINGUDA ENSIKOM VOL 1 NO 1/Januari 2013 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 bolakbalik maka fluks bolakbalik 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 lilitan Ф = Perubahan fluks magnetik (Weber/detik) Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I M tidak seluruhnya merupakan fluks bersama (Ф M ), sebagian mencakup kumparan primer (Ф 1 ) atau mencakup kumparan sekunder saja (Ф 2 ) dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Ф 1 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X 1 dan fluks bocor Ф 2 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai X 2 sedang rugi tahanan ditunjukan dengan R 1 dan R 2 [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 rugirugi transformator distribusi menurut SPLN 50 tahun 1997 dapat dilihat pada Tabel 1 [3] Tabel 1 Nilai rugirugi transformator distribusi Rating Rugi Besi (Watt) Rugi Tembaga (Watt) 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 No Golonga Batas Daya Dilayani n Tarif 1 S1 / TR 220 VA TARIF S Sosial S2 / TR S2 / TR S2 / TR 450 VA 900 VA 1300 VA 5 S2 / TR 2200 VA 6 S2 / TR > 2200 VA TARIF R Perumahan S3 / TM > R1 / TR s/d 450 VA 2 R1 / TR 900 VA 3 R1 / TR 1300 VA 4 R1 / TR 2200 VA 5 R2 / TR > 2200 VA 12 DTE FT USU

3 SINGUDA ENSIKOM VOL 1 NO 1/Januari 2013 TARIF B ( Bisnis ) TARIF I Industri TARIF P Perkantoran 6600 VA 6 R3 / TR > 6600 VA 1 B1 / TR s/d 450 VA 2 B1 / TR 900 VA 3 B1 / TR 1300 VA 4 B1 / TR 2200 VA 5 B2 / TR > 2200 VA 6 B3 / TM > I1 / TR s/d 450 VA 2 I1 / TR 900 VA 3 I1 / TR 1300 VA 4 I1 / TR 2200 VA 5 I1 / TR > 2200 VA s/d 14 6 I2 / TR > 14 7 I3 / TM > I4 / TT > P1 / TR s/d 450 VA 2 P1 / TR 900 VA 3 P1 / TR 1300 VA 4 P1 / TR 2200 VA 5 P1 / TR > 2200 VA P2 / TM > 200 Harmonisa adalah gejala pembentukan gelombanggelombang 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 Harmonic Order SCR I SC /I L n<1 1 11< n< n < n< Total Harm onic Disto rtion <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5, ,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8, ,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12, ,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 > ,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 13 DTE FT USU

4 SINGUDA ENSIKOM VOL 1 NO 1/Januari 2013 Tabel 4 Standar harmonisa tegangan IEEE 519 Maximum System Voltage Distortion Below kv 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 RSU 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 BUS 1 BUS 2 20KV X = 2, /0,4 KV X = 0,045 PQA 40 X = 0,0975 Rumah Sakit sc = 9699 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 2730 Juli 2012 di jalan Kapten Muslim No 79 Medan seperti pada Tabel 5 Tabel 5 Data kandungan harmonisa arus Phasa Harmonik IHD Arus ke : (A) Urutan 3 5,387 3,895 Nol 5 4,556 3,294 Negatif 7 0,773 0,559 Positif 9 0,516 0,373 Nol R 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 3 12,854 5,776 Nol 5 3,605 1,62 Negatif 7 3,558 1,599 Positif 9 6,752 3,034 Nol S 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 3 5,317 3,376 Nol 5 5,493 3,488 Negatif 7 0,734 0,466 Positif 9 0,317 0,201 Nol T 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 3 141,69 32,374 Nol 5 47,62 10,88 Negatif 7 20,444 4,671 Positif 9 39,916 9,12 Nol N 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 14 DTE FT USU

5 SINGUDA ENSIKOM VOL 1 NO 1/Januari Analisa Perhitungan Dari Gambar 4 didapat data one line diagram RSU Sari Mutiara Medan sebagai berikut : sc = 9699 Base Daya = KVbase sisi Tegangan Tinggi = 20 KV KVbase sisi Tegangan Rendah = 0,4 KV Reaktansi peralatan berdasarkan base yang dipilih : X pu(2) = X 1 x Trafo : X pu(2) = 0,045 x Transmisi : X pu = X (Ω) x x x (2) = 0,5625 pu (3) X TLA = 2,91 x = 0,07275 pu X TLB = 0,0975 x = 6,09375 pu, Beban : Z b = (4) Z b =, = 0, Z b = 0,004cos j0,004sin20 0 X b = j0,004sin20 0 X b = 0,004sin20 0 x = 0,0855 pu, Sumber : X s = (5) X s = = 1,031 pu V FN = V TH =, = 1,0 pu, X Y = X S + X TLA + X PU(2) (6) X Y = 1, , ,5625 = 1,66625 pu X Z = Xb + X TLB (7) X Z = 0, ,09375 pu X TH = X FN = (8) X TH = X FN =,, = 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 I sc = =, = 0,7619 pu I sc = I sc(pu) x, I sc = 0,7619 x = 10997,079, I FL = (9) (10) I FL = = 1154,7, 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 (% ) standard / Lebi h Analisa THD Arus Orde < 11 R 9,5 < 20 7,1 4 3,1 S 9,5 < 20 15,3 4 11,3 T 9,5 < 20 7,6 4 3,6 Analisa THD Arus Orde 1116 R 9,5 < 20 0,7 2 S 9,5 < 20 5,9 2 3,9 T 9,5 < 20 0,8 2 Analisa THD Arus Orde 1722 R 9,5 < 20 0,4 1,5 S 9,5 < 20 1,1 1,5 T 9,5 < 20 0,4 1,5 THD Arus Total R 9,5 < 20 7,1 5 2,1 S 9,5 < 20 16,5 5 8,5 T 9,5 < 20 7,7 5 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, 15 DTE FT USU

6 SINGUDA ENSIKOM VOL 1 NO 1/Januari ,3 % untuk phasa S dan 3,6% untuk phasa T Analisa THD arus orde 1116 phasa R dan T tidak melebihi standar sedangkan phasa S melebihi standar sebesar 3,9% Analisa THD arus orde 1722 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 R 5, Juli S 11, T 5,8 5 N 147, Juli Juli Juli 2012 R 5,88 5 S 9,75 5 T 5,25 5 N 85 5 R 5,3 5 S 11,25 5 T 5,5 5 N 50 5 R 5,7 5 S 9,5 5 T 5,25 5 N Dari hasil pengukuran selama 4 hari mulai tanggal 2730 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 RSU 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 2730 Juli 2012 melebihi standar IEEE 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 ke3, harmonisa ke5, harmonisa ke7, harmonisa ke9, dan harmonisa ke10 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, MSi 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 temanteman 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 PTPLN [5] Setiadji, Julius Sentosa, dkk Pengaruh Harmonisa Pada Gardu Trafo Tiang Daya 100 di PLN APJ Surabaya Selatan Jurnal Teknik Elektro Vol7, No1 Maret 2007 Hal 112 [6] Irianto, Chairul Gagarin, dkk Mengurangi Harmonisa Pada Transformator 3 Fasa JETRI Vol7, No2 Februari 2008 Hal [7] Dugan, Roger C Electrical Power Systems Quality, The McGrawHill Companies, 2004 [8] Kusko, Alexander Power Quality In Electrical Systems The McGrawHill Companies, 2007 [9] Thomas, M Gruzs A Survey Of Neutral Currents In Three Phase Computer Power Systems, Vol26, No4 July DTE FT USU