BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sistem tenaga listrik dalam kondisi ideal menyalurkan daya listrik yang mempunyai gelombang arus dan tegangan sinusoida, kenyataan yang terjadi karena sifat beban tidak linier mengubah gelombang arus dan tegangan sinusoida menjadi arus dan tegangan distorsi yang mengandung harmonik. Distorsi gelombang harmonik merupakan kelipatan bulat dari frekuensi fundamental (Arrillaga J, dkk, 1997). Masri (2004), berpendapat bahwa beban pada jaring tenaga listrik terdiri dari 40% beban linear dan 60% beban tidak linier, yang mengakibatkan total distorsi harmonik arus (THD i ) mencapai 86%. Menjadi menarik bahwa jumlah pelanggan listrik rumah tangga di Jawa Tengah dan DIY tahun 2005 untuk semua golongan tarif sebanyak pelanggan, dengan pelanggan rumah tangga 450 VA sebanyak pelanggan dan 900 VA sebanyak pelanggan atau 89% dari total pelanggan. Sampai dengan bulam Mei 2015 tercatat pelanggan tenaga listrik rumah tangga 450 VA sebanyak pelanggan, dan untuk pelanggan rumah tangga kapasitas daya 900 VA sebanyak pelanggan atau sebanyak 86% dari total pelanggan listrik PLN (Persero) Jawa Tengah (PT. PLN (persero) awa Tengah). Keluaran transformator menghasilkan harmonik gasal dengan total distorsi harmonik arus (total harmonic distortion = THD) tegangan antara 2% sampai dengan 3% (Flanagan, 1993). Daut (2006) berpendapat bahwa transformator yang mencatu beban nonliniar mengakibatkan peningkatan nilai komponen harmonik dan rugi-rugi transformator secara berlebihan yang mengakibatkan meningkatnya suhu pada belitan transformator. Rugi daya transformator meningkat dengan meningkatnya arus harmonik. Fakta menunjukkan bahwa harmonik ke-3 dan kelipatannya (triplen) mengakibatkan peningkatan arus netral untuk sistem 3 fasa 4 kawat (Grady, 2005). Dampak lain adanya harmonik pada sistem satu fasa ataupun tiga fasa, menyebabkan

2 2 panas lebih pada saluran netral. Untuk pentanahan yang buruk selanjutnya terjadi tegangan antara saluran pentanahan dan netral. Hal ini akan mempengaruhi kinerja peralatan yang berbasis digital (Integral Energi, 2000). Akagi H. dkk (2007) menyatakan bahwa, tanggapan peralatan listrik terhadap sumber daya yang mengandung harmonik dapat berbeda satu sama lain. Lampu pijar dengan filamen, peralatan rumah tangga berupa pemanas dan kompor listrik, kerjanya tidak banyak dipengaruhi oleh harmonik. Keadaan lain, belitan motor listrik mengalami pemanasan lebih pada belitannya dengan adanya harmonik. Hal ini menyebabkan percepatan penurunan tingkat isolasi dan memperpendek umur motor tersebut. Penggunaan lampu jenis kompak ballast elektronik (CFL) dewasa ini telah menggantikan lampu pijar biasa pada penerangan rumah tangga, sebagai beban nonlinear lampu jenis CFL berkontribusi meningkatkan distorsi gelombang harmonik pada sistem jaringan distribusi. Meningkatnya pengguna lampu CFL dapat mendorong tingkat harmonik di atas batas yang direkomendasikan, dampaknya kualitas daya listrik pada perumahan menurun (Rayudu, R. K. dkk. 2012). Kandungan distorsi gelombang harmonik arus pada saluran transmisi tegangan tinggi 150 kv/70 kv dengan beban busur tungku peleburan baja, didapatkan hasil pengukuran harmonik arus (THD i ) pada sisi pelanggan dengan tegangan 70 kv senilai 70% (Purwadi, A., 2011). Hasil pengukuran untuk berbagai jenis beban pada tegangan menengah dan rendah 20 kv/380v jaringan di Jawa Barat dan Banten terdapat nilai THD i pada semua gardu distribusi berkisar antara 5%, sampai dengan 70%. Demikian pula untuk harmonik arus pada saluran netral di sisi tegangan rendah menunjukkan bahwa 17 dari 20 sampel yang diukur memiliki kandungan distorsi harmonik (Purwadi, A. dkk. 2011). Rele arus lebih waktu terbalik (inverse time overcurrent relay=itocr) tidak akan beroperasi dengan efektif pada saluran non sinusoida yang mengandung distorsi harmonik. Kandungan harmonik yang tinggi bahkan rele beroperasi lebih lamban (Tumiran, dkk, 2007).

3 3 Alat ukur kwh meter jenis kumparan yang dipasang pasa sisi pelanggan dirancang dengan dasar fluks dari kumparan tegangan dan kumparan arus khusus untuk frekuensi tunggal 50 Hz, akibatnya untuk arus dan atau tegangan listrik dengan frekuensi selain frekuensi 50 Hz tidak dapat mengukur dengan tepat (Tumanski, 2006). Hal-hal yang telah diuraikan di atas bahwa distorsi harmonik sangat merugikan pelanggan maupun perusahaan listrik, memberikan motivasi yang kuat untuk meneliti pengurangan harmonik arus pada pelanggan tenaga listrik rumah tangga dengan judul Komparasi Kinerja Filter Untuk Mengurangi Dampak Harmonik Pada Pelanggan Listrik Rumah Tangga 450 VA dan 900 VA. 1.2 Rumusan Masalah Dari latar belakang yang telah diuraikan kiranya dapat dituliskan rumusan masalah yang berkaitan dengan kandungan harmonik pada pelanggan listrik rumah tangga kapasitas daya 450 VA dan 900 VA sebagai berikut: 1. Harmonik yang terjadi pada pelanggan listrik rumah tangga berkapasitas daya 450 VA dan 900 VA yang disebabkan oleh sekelompok beban peralatan rumah tangga yang lazim dioperasionalkan sehari-hari belum diketahui nilai dan keberagamannya. 2. Untuk mengurangi kandungan harmonik pada pelanggan rumah tangga 450 VA dan 900 VA, perlu dilakukan penambahan filter pasif L-C yang ditala pada frekuensi 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, gabungan filter-filter tersebut, filter seri berupa induktans dan filter aktif serta filter hibrid. Dalam penelitian ini dilakukan simulasi-simulasi untuk mengetahui masing-masing kinerja fiter tersebut. 3. Berdasarkan hasil simulasi, perlu dikembangkan prototipe filter harmonik yang sesuai dengan THD i pelanggan listrik rumah tangga 450 VA dan 900 VA untuk memperoleh peningkatan kualitas tenaga listrik.

4 4 1.3 Keaslian Penelitian Beberapa peneliti terdahulu yang telah melakukan pengkajian pengurangan kandungan harmonik dengan software tertentu, antara lain: 1. Rivas, D., dkk, (2003) hasil simulasi diperoleh hasil pengurangan THD i senilai 84% menjadi 6,3%. 2. Omeri, A. dkk, (2006), semula THD i senilai 23,5% dengan simulasi diperoleh THD i senilai 4.16%. 3. Jog, A. N., dkk, (2007) dengan hasil simulasi semula THD i senilai 27%, setelah melalui proses simulasi nilai THD i turun menjadi 7%. 4. Yang, H. dkk, (2007) sebelum menggunakan filter harmonik senilai THD i senilai 7,1%, dengan simulasi menghasilkan nilai THD i berkurang menjadi 6,2%. 5. Mahaleksmi, T, (2010) semula THD i senilai 48,62%, dengan simulasi diperoleh hasil THD i senilai 8,86%. 6. Dehini, R, dkk, (2010) THD i tanpa menggunakan filter senilai 26,86% dan dengan dipasang filter harmonik THD i dapat berkurang menjadi 1,02%. Dibawah ini beberapa kelompok peneliti terdahulu yang telah melakukan penelitian maupun eksperimen berbasis filter aktif. 1. Kumar, S., S., dkk, (2008), melakukan penelitian filter aktif hibrid multi-band dengan cara mereduksi jumlah sensor. Filter hibrid yang dipergunakan berupa inverter sumber tegangan yang dipasang seri dengan filter pasif. Pemisahan harmonik dilakukan dengan multiple synchronous reference frame dan metode yang digunakan adalah transformasi Park. Eksperimen menggunakan sumber tenaga listrik 3 fasa, tegangan 415 V, frekuensi 50 Hz. Komponen aktif yang dipergunakan untuk inverter sumbert tegangan adalah MOSFET. Pengendali utama menggunakan prosesor DSP TMS320F240, sensor arus menggunakan efek hall. Hasil eksperiment diperoleh dengan meyakinkan sistem terbukti mempunyai kinerja unggul dalam penapisan harmonik sesuai dengan standar IEEE

5 5 2. Miret., J., dkk (2009), eksperimen dilakukan menggunakan filter aktif yang diaplikasikan pada sistem tenaga listrik satu fasa tegangan 110 V, frekuensi 60 Hz dan daya nominal 500 VA. Eksperimen menggunakan prototipe filter aktif yang dibangun dengan 4.5 SEMIKRON jembatan penuh sebagai konverter daya dan DSP TMS 320F2812 sebagai pengendali. Hasil akhir dari eksperimen diperoleh kesimpulan bahwa karakteristik unjuk kerja dari sistem pengendalian harmonik yang diusulkan memberikan reduksi yang tinggi arus harmonik pada grid, mempunyai kepekaan yang rendah terhadap distorsi tegangan dan variasi frekuensi pada jaringan, namun bagus untuk tanggapan transien yang disebabkan oleh beban. 3. Wei, Z., dkk (2011), meneliti filter aktif hibrid dengan model filter aktif dipasang seri dengan filter pasif. Komponen utama pada filter aktif menggunakan IGBT. Sistem kerjanya menggunakan injeksi arus yang dikendalikan oleh DSP. Kesimpulan yang didapat adalah dapat menekan arus harmonik dan dapat mengkompensasi daya reaktif kapasitif. 4. Wei, Zao., dkk, (2011), melakukan eksperimen di China dengan tegangan grid 10 kv. Prinsip operasi yang digunakan adalah filter pasif yang ditala pada frekuensi 100 Hz dan 250 Hz yang digunakan untuk menekan harmonik yang disebabkan oleh beban tidak linier dan kompensasi daya reaktif pada grid. Filter aktif dengan kapasitas rendah dipasang secara seri dengan filter pasif yang terhubung dengan jaringan melalui kopling transformator. Pengendalian injeksi arus dilakukan dengan logika Fuzzy yang dikombinasikan pengendali integral. Kesimpulan dari eksperimen adalah THD i yang terdiri dari harmonik ke-5 dan ke-7 semula tanpa menggunakan filter adalah 11,8%, setelah dipasang filter nilai THD I turun menjadi 7,3%, dan faktor daya meningkat semula 0,86 menjadi 0, Kumar, B. S., dkk, (2012) menyampaikan bahwa, algoritma PSO yang diaplikasikan pada filter aktif hibrid dengan konfigurasi rangkaian filter pasif dipasang seri dengan filter aktif. Tujuan perancangan dimaksudkan untuk mengkompensasi THD pada sistem kelistrikan 3 fasa 4 kawat tegangan 10

6 6 kv. Kesimpulan dari Teknik pengendalian yang diusulkan mumuaskan untuk pengurangan harmonik, terutama untuk kondisi beban yang tidak seimbang. Walaupun berbagai penelitian terkait telah dilakukan, akan tetapi penelitian kandungan harmonik pada pelanggan listrik rumah tangga dengan kapasitas daya terpasang 450 VA dan 900 VA sampai saat ini belum memperoleh jawaban yang memuaskan. Penelitian yang dilakukan dalam disertasi ini berbeda dengan penelitian yang dilakukan oleh peneliti-peneliti terdahulu yang mayoritasnya adalah dalam bentuk studi dengan pemodelan dengan program komputer tertentu maupun dengan desain/eksperimen di laboratorium. Pada penelitian ini dilakukan dengan mengambil data pada sampel pelanggan tenaga listrik rumah tangga 450 VA dan 900 VA masing-masing kelompok daya dan lokasi berkisar antara 12 sampai dengan 27 pelanggan. Hasil pengukuran dihitung dan menghasilkan berbedaan nilai yang tidak signifikan, sehingga diputuskan untuk diambil sebanyak 10 (sepuluh) pelanggan untuk kelompok beban 900 VA dan 450 VA yang sebelumnya telah ditentukan melalui survei secara langsung. Perbedaan daya terpasang 900 VA dan 450 VA pada pelanggan rumah tangga, ada indikasi berbedaan jumlah peralatan yang dioperasikan dalam waktu yang bersamaan, sehingga pada penelitian ini akan membuktikan apakah terdapat perbedaan nilai THD i yang signifikan untuk kelompok pelanggan rumah tangga yang berlangganan daya listrik 900 VA dan 450 VA. Berdasarkan hasil survei awal, bahwa beban listrik pada pelanggan banyak menggunakan peralatan yang belum secara nyata ditera kandungan harmoniknya, bahkan banyak pelanggan listrik mengunakan peralatan listrik hasil reka ulang tanpa melalui proses peneraan. Hal ini dikuatkan dengan hasil wawancara dengan para pelanggan, terutama untuk lampu penerangan jenis lampu CFL. Berdasar dari hasil peneliti-peneliti yang telah dibahas sebelumnya, mayoritas peneliti menggunakan simulasi filter hibrid dengan sofware tertentu untuk beban tenaga listrik skala industri yang konfigurasi jaringannya tidak disebutkan, sehingga

7 7 berdasarkan uraian tersebut diatas, penelitian ini cukup menarik, penting dan perlu dengan keaslian dan keterbaruan serta kontribusi penelitian ini terletak pada: 1. Hingga saat ini, belum ada hasil rekayasa filter harmonik untuk kapasitas daya 450 VA dan 900 VA yang dipasang pada pelanggan rumah tangga. 2. Filter aktif yang diajukan disesuaikan dengan hasil olah data dari hasil pengukuran harmonik secara riil dari pelanggan. 3. Kontribusi yang diberikan dapat meghasilkan prototipe filter yang sesui dengan kondisi THD pada pelanggan listrik 900 VA dan 450 VA, sehingga pada saatnya nanti dapat mengurangi kandungan harmonik pelanggan rumah tangga yang dimaksud. 1.4 Tujuan Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini untuk : 1. Mengukur kandungan harmonik (THD = total harmonic distortion) yang dihasilkan dari pelanggan rumah tangga dengan kapasitas daya terpasang 450 VA dan 900 VA dengan lokasi rumah tangga dengan jaringan distribusi terpisah dengan industri dan se-jaringan distribusi dengan industri. 2. Melakukan simulasi-simulasi filter pasif L-C ditala tunggal pada frekuensi 150 Hz, 250 Hz dan 350 Hz dan gabungan filter-filter tersebut dan filter seri berupa induktans serta filter aktif dan hibrid untuk mengurangi kandungan harmonik. 3. Merancang prototipe filter harmonik yang sesuai dengan kondisi THD i pelanggan listrik rumah tangga 900 VA dan 450 VA, sehingga dapat membantu untuk meningkatkan kualitas tenaga listrik. 1.5 Manfaat Penelitian Penelitian yang akan dilakukan ini akan dapat memberikan nilai tambah atau keuntungan bagi pembangunan negara Indonesia, dan juga memberikan sumbangan bagi perkembangan ilmu pengetahuan, karena hanya melalui penelitian ilmu

8 8 pengetahuan memberikan manfaat yang semakin besar bagi kehidupan dan kesejahteraan manusia Manfaat untuk pembangunan negara Dalam era pembangunan di bidang ketenaga-listrikan di Indonesia, sistem tenaga listrik yang bebas dari kandungan harmonik sangat penting dalam rangka menciptakan sistem tenaga listrik yang berkualitas. Filter harmonik dimaksudkan untuk menekan kandungan harmonik pada sistem kelistrikan rumah tangga, sehingga harmonik tidak mengganggu ke-pelanggan lain dan juga mengganggu kerja transformator distribusi, perlatan-peralatan proteksi dan mengurangi suhu penghantar serta menurunkan arus harmonik triplen pada penghantar netral. Kondisi tersebut bilamana dibiarkan akan berdampak pada umur peralatan dan kerugian-kerugian lain yang diatanggung oleh Perusahaan Listrik ataupun pelanggan rumah tangga yang menggunakan sistem kelistrikan tersebut. Oleh karena itu, penekanan arus listrik yang mengandung harmonik untuk pelanggan tenaga listrik rumah tangga harus diteliti dengan baik. Kemudian dari hasil penelitian yang diperoleh akan dapat dirancang filter harmonik yang selanjutnya akan dipasangkan pada pelanggan listrik rumah tangga dengan maksud untuk menekan arus dan tegangan listrik yang mengandung harmonik. Dengan cara ini, kualitas tenaga listrik akan meningkat, rugi daya dan rusaknya peralatan yang disebabkan oleh komponen harmonik arus dan tegangan listrik dapat diminimalkan Manfaat untuk ilmu pengetahuan Suatu ilmu pengetahuan dapat dikembangkan dengan baik apabila ada kontribusi dari peneliti untuk memperkaya khasanah ilmu penetahuan tersebut. Hanya melalui penelitian-penelitian, hal-hal yang berkaitan dengan ilmu pengetahuan, watak/karakteristik suatu peralatan dapat diketahui dengan baik. Hasil penelitian ini diharapkan nantinya dapat digunakan untuk memperkaya ilmu pengetahuan, lebihlebih yang berkaitan dengan pengurangan kandungan harmonik pada sistem kelistrikan rumah tangga.

9 9 Kontribusi sumbangan hasil penelitian bagi pembangunan dan ilmu pengetahuan berupa: 1. Informasi nilai THD v dan THD i untuk beban rumah tangga dengan daya terpasang 900 VA dan 450 VA dapat dipergunakan untuk mengevaluasi dan membuat standar harmonik yang diijinkan suatu produk pada peralatan-peralatan yang dioperasikan dengan tenaga listrik di Indonesia. 2. Memberikan sumbangan pemikiran khususnya untuk perusahaan listrik agar dapat memberikan pelayanan kepada pelanggan dengan kualitas daya yang memadai sesuai dengan peraturan yang berlaku. 3. Meningkatkan kualitas tenaga listrik untuk pelanggan dan sekaligus perusahaan tenaga listrik. 4. Menyampaikan informasi hasil penelitian dan rancangan filter harmonik kepada pihak-pihak yang membutuhkan, sehingga penggunaan energi listrik dapat efektif, kerusakan peralatan dan kerugian daya listrik pada perusahaan listrik dapat minimal.