REDUKSI ARUS HARMONISA MENGGUNAKAN TRANSFORMATOR ZIGZAG PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 100 KVA/380V 4 KAWAT

Transkripsi

1 REDUKSI ARUS HARMONISA MENGGUNAKAN TRANSFORMATOR ZIGZAG PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 100 KVA/380V 4 KAWAT 1 Hotler Simatupang, 2 Usman Baafai, 3 Marwan Ramli 1 Mahasiswa Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara 2,3 Dosen Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara ABSTRACT Harmonics, caused by household and industry loads in a distribution system, is becoming increasing in the future; this is caused by the use of linear and non-linear loads. This thesis would analyze harmonics which occurred in the transformer of electric power distribution and to design a zigzag transformer which would reduce harmonics and the result would be simulated by using MATLAB/Simulink. From the result of the measurement, it was found that THD v was still below the standard limit of IEEE (3); in this case, reduction was not needed any more, while IHD i and THD i harmonics should be considered because their value was above the IEEE standard of For R phase, order-3 it was reduced from to 2.31, for order-5 it was reduced from 7.35 to 0.16, THD i was reduced from to 3.42, for S phase order- 3 it was reduced from to 2.13, for order-5 it was reduced from 6.33 to 0.16, THD i was reduced from to 2.66, and for T phase order-3 it was reduced from to 3.4, for order-5 it was reduced from 7.21 to 0.37, and THD i was reduced from to These values had met the IEEE standard of , that is, IHD i for order-3 and 5 was below 4 and THDi was below 5; the source of I N neutral current was reduced from A to 4.07 A, and neutral current of I N load was reduced from 67.4A to A. Keywords: Zigzag Transformer, Harmonics Current, Power Factor ABSTRAK Harmonisa yang timbulkan oleh beban-beban rumah tangga maupun industri dalam suatu sistem distribusi semakin meninggkat pada masa yang akan datang. Hal ini disebabkan pemakaian beban linier dan non-linier. Tesis ini akan membahas harmonisa yang terjadi pada transformator distribusi tenaga listrik dan merancang suatu transformator zigzag yang akan mereduksi atau mengurangi harmonisa, kemudian disimulasikan dengan menggunakan MATLAB/Simulink, Dari hasil pengukuran diperoleh bahwa masih berada dibawah batasan standard IEEE yaitu 3 dalam hal ini tidak perlu lagi reduksi, sementara harmonisa dan menjadi perhatian dikarenakan nilainya berada diatas standard IEEE Untuk fasa R orde-3 dari 19,07 turun menjadi 2,31, orde-5 dari 7,35 turun menjadi 0,38, 20,71 turun menjadi 3, 42, untuk fasa S orde-3 dari 20,03 turun menjadi 2,13, orde-5 dari 6,33 turun menjadi 0,16, dari 21,24 turun menjadi 2,66, fasa T orde-3 dari 21,72 turun menjadi 3,40, orde-5 dari 7,21 turun menjadi 0,37, dari dari 24,08 turun menjadi 4,42 nilai ini telah memenuhi standar IEEE yaitu untuk orde 3, 5 dibawah 4, 5, arus netral sumber I N dari A turun menjadi 4.07 A dan arus netral beban I N dari 67,4 A turun menjadi 4,103 A. Kata kunci : transformator zigzag, arus harmonisa, faktor daya PENDAHULUAN Pengunaan beban elektonik yang meninggkat begitu pesat pada pergantian abad terutama melibatkan sektor perumahan dan industri. Hal ini merupakan indikasi yang jelas bahwa pelanggan perumahan yang bergabung dengan pelanggan industri dan komersial sebagai pembangkit arus harmonik. Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat pengoperasian pelanggan perumahan yang bergabung dengan pelanggan industri dan komersial sebagai pembangkit arus harmonik seperti, TV, komputer, audio, lampu neon, variable speed drive, tanur listrik dan induksi, bahkan transformator daya saat saturasi, dengan adanya beban non linier ini akan menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang tidak sinusoidal. Akibatnya akan terbentuk gelombang terdistorsi yang akan menghasilkan harmonisa. Bentuk gelombang yang tidak sinusoidal ini ISSN :

2 merupakan gabungan dari bentuk gelombang fundamental dan gelombang yang mengandung sejumlah komponen harmonisa. Melihat masalah harmonisa yang dihadapi konsumen, maka peneliti mencari alternatif/solusi untuk mereduksi harmonisa dan perbaikan faktor daya yaitu merancang transformator zig-zag. Tinjauan Pustaka adalah peralatan listrik yang berguna untuk mengubah nilai tegangan atau arus dari nilai yang satu ke nilai yang lainnya berdasarkan kebutuhan. Tranformator bekerja berdasarkan hukum faraday, jenis transformator sangat beragam tergantung pada tegangan kerja yang dipakai, dan untuk Apa transformator digunakan. Tegangan menengah dari gardu induk ini melalui saluran distribusi primer disalurkan ke gardu-gardu distribusi tegangan menengah. Dari saluran tegangan menengah diturunkan menjadi tegangan rendah 400/230V melalui transformator distribusi step-down, yang berfungsi untuk menurunkan tegangan menengah dari 20kV ke tegangan rendah 380/230Volt. Pembangkit TM Penaik GI TT/ET Penurun GI TM Ke GD TM Ke Pemakai TM Pembangkit Saluran Tranmisi Saluran Tranmisi Primer GD TR Saluran Tranmisi Sekunder KWM Meter Listrik Utilisasi Instalasi Pemakai TR Gambar Diagram Satu Garis Sistem Distribusi Tenaga Listrik Harmonisa pada Distribusi Dalam sistem transformator distribusi, harmonisa merupakan fenomena yang timbul dari pengoperasian pelanggan rumah tangga dan industri seperti tanur listrik, induksi, reaktansi dan lampu neon, ditambah lagi engan perangkat hiburan rumah tangga. Harmonik adalah gejala pembentukan gelombang sinusoidal dengan frekuensi yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya misalnya frekuensi dasar dari sistem tenaga listrik 50Hz dapat, maka harmonisa keduanya adalah gelombang dengan frekuensi 100Hz, harmonisa ketiganya adalah gelombang dengan frekuensi 150 Hz. Gelombang Sinusoidal dengan Frekwensi 60 Hz Jika gelombang tegangan fundamental dijumlahkan dengan harmonisa ke- tiga akan diperoleh bentuk gelombang tegangan yang nonsinusoidal. Gelombang Sinusoidal yang Terdistorsi oleh Harmonisa Ketiga Kelima dan Ketujuh Rugi-Rugi pada Sebagai akibat dari beban non linier antara tiap fasa pada sisi sekunder transformator fasa, (R,S dan T) mengalir arus di penghantar netral. Arus yang mengalir pada penghantar netral ini menyebabkan losses (rugi-rugi). Losses pada penghantar netral transformator. P N = I N 2. R N Sedangkan losses yang diakibatkan karena arus netral yang mengalir ke tanah (ground). P G = I G 2. R G Rugi-rugi sasar lain diasumsikan berubah dengan kuadrat arus rms dan frekuensi harmonik untuk faktor daya 0,8. = Faktor rugi-rugi harmonik untuk rugi-rugi sasar lain dapat dituliskan dalam bentuk yang sama seperti untuk arus eddy belitan. ISSN :

3 Batasan Harmonisa Standard Harmonisa Tegangan (IHDv) IEEE = GI TITI KUNING PENYULANG TN-06 Vp : 20 kv Merek Trafindo Jumlah fasa : 3 fasa Kapasitas : 100 kv Ip : 2,89 A Z : 4 Is : 144,34 A Vs : 400V/220V Yzn5 3 fasa 4 kabel Kabel NYY : 4X70 mm P : 15 m Zone-1 Zone-2 Zone-3 Tegangan Bus Pada PCC Distorsi Tegangan Individu () Total Distorsi Tegangan () V 69 kv kv < V 161 kv V > 161 kv Standard Harmonisa Arus (IHDi) sesuai standard IEEE Distorsi arus harmonisa maksimum dalam dari Isc/I L < h < h < kv V 23 h < 3 H 35 TDD < kv V 161kV < V < METODE Lokasi penelitian ini dilakukan pada sistem distribusi tenaga listrik BR-05 yang merupakan pelanggan PT.PLN (PERSRO) Wilayah Sumatera Utara Ranting Medan Baru, sistem kelistrikan disuplai dari Gardu Induk Titi Kuning ditransmisikan melalui penyulang TN 06 ke tegangan menengah (TM) 20 kv, diagram satu garis sistem kelistrikan transformator distribusi BR-05. MEGER PA-9* Beban Linier PCC Beban Non linier Rel Beban-beban Lain Zone-4 Diagram satu garis sistem kelist rikan pada transformator distribusi BR-05 Teknik Pengukuran Teknik pengukuran yang dilakukan yaitu dengan mengukur langsung pada panel PCC transformator BR-05 dengan menggunakan alat ukur Meger PA-9* dilakukan saat beban puncak jam Wib. MEGER PA-9* GI-TITI KUNING PENYULANG TN-06 PCC BEBAN 20 kv Distribusi BR KVA 3 Phasa 4 Kawat Rel Diagram Satu Garis Pelaksanaan Pengukuran oleh Meger PA- 9* Data hasil Pengukuran Hasil pengukuran yang diperoleh pada trasformator 100 KVA/380/220V dengan alat ukur Meger PA-9* menunjukkan bahwa harmonisa tegangan sudah memenuhi standard IEEE , sehingga tegangan tidak perlu lagi untuk direduksi. Sedangkan pada harmonisa arus melebihi standard IEEE yaitu THDi 5. ISSN :

4 Symbol Name Unit R S T V Phase voltage V 210,2 211,6 212,8 I Phase current A 102,1 86,6 8,4 S Apparent power kva 23811, , ,6 P Active power kw 23811, , ,6 Q Reactive power kvar 23811, , ,6 PF PF 0,96 0,95 0,92 Total harmonic distortion 3,02 2,55 2,88 Total harmonic distortion 20,71 21,24 24,08 Hasil Pengukuran Berdasarkan hasil pengukuran yang dilakukan dengan alat ukur Meger PA-9* untuk harmonisa tegangan dan harmonisa arus. Ordo N (V) (V) (V) () () () 100, 100, 100, 210,5 212, ,0 20,0 21,7 3 0,9 0,8 0, ,9 5,1 5,7 7,35 6,33 7,21 7 1,0 0,8 0,9 1,65 1,90 0,71 9 0,2 0,2 0,7 1,74 1,66 3, ,4 1,4 1,5 1,35 1,28 2, ,6 0,3 0,4 0,84 0,82 0, ,1 0,2 0,2 0,55 0,74 0, ,3 0,3 0,2 0,36 0,27 0, ,4 0,3 0,4 0,50 0,05 1, ,0 0,1 0,0 0,21 0,19 0, ,4 0,3 0,2 0,32 0,15 0, ,3 0,2 0,3 0,28 0,11 0, ,1 0,2 0,1 0,21 0,24 0, ,3 0,2 0,2 0,24 0,10 1, ,1 0,1 0,1 0,08 0,09 0, ,1 0,2 0,2 0,05 0,15 0, ,1 0,2 0,0 0,09 0,06 0, ,1 0,0 0,1 0,05 0,11 0, ,1 0,1 0,0 0,10 0,20 0, ,1 0,1 0,0 0,02 0,10 0, ,0 0,0 0,1 0,04 0,07 0, ,0 0,1 0,0 0,01 0,08 1, ,0 0,0 0,1 0,06 0,05 0, ,0 0,1 0,0 0,01 0,10 0,64 3,02 2,55 2,88 20,71 21,24 24,08 Gelombang Hasil Pengukuran Harmonisa Tegangan Fasa R Gelombang Hasil Pengukuran Harmonisa Tegangan Fasa S Gelombang Hasil Pengukuran Harmonisa Tegangan Fasa T Gelombang harmonisa tegangan pada fasa R, S, T dari hasil pengukuran dengan alat ukur bentuknya sinusoidal, sehingga pada harmonisa tegangan tidak perlu lagi direduksi. Gelombang Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Fasa R Gelombang Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Fasa S ISSN :

5 Matlab/Simulink untuk mengetahui hasil gelombang dan spectrum harmonisa dari pengukuran. Gelombang Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Fasa T Gambar Simulasi Menggunakan Trasnformator Zig-zag Gelombang Hasil Pengukuran Harmonisa Arus pada Saluran Netral Peracangan Zig-zag zig-zag di rancang pada sekunder transformator, diagram satu garis perancangan transformator zigzag pada sistem. GI-TITI KUNING PENYULANG TN-06 PCC BEBAN 20 kv Distribusi BR KVA 3 Phasa 4 Kawat zig-zag Rel Diagram Satu Garis Rancangan Zig-zag Simulasi menggunakan Zig-zag Berdasarkan pengukuran yang dilakukan dengan menggunakan Alat Ukur Meger PA-9*, diperoleh THD i untuk fasa R 20,71, fasa S 21,24, dan fasa T 24,08. Data ini diperoleh berdasarkan pengukuran yang dilakukan saat beban puncak jam wib. Hasil pengukuran selanjutnya disimulasikan dengan menggunakan software Simulasi menggunakan transformator zig-zag dimana arus netral beban 4,103 A dan arus netral transformator zigzag sebesar 0,04604 A menjadi inconmingnya terletak pada belitan sekunder transfrormator zig-zag. Selanjutnya out going dari transformator zig-zag dikoneksikan ke jaringan fasa R, S, dan T. Prinsip kerja dari transformator zig-zag untuk mereduksi harmonisa yaitu dengan cara mengembalikan kembali arus harmonisa yang mengalir pada line netral ke fasa sumber 4,07 A. HASIL DAN PEMBAHASAN Besaran nilai yang terbaca pada display dan block parameter yang terdapat pada simulasi. Data ini diperoleh berdasarkan pengukuran, lalu disimulasikan dengan menggunakan transformator zig-zag untuk mereduksi harmonisa. No Parameter Satuan Hasil Simulasi 1 Tegangan Fasa R (VR) V Tegangan Fasa S (VS) V Tegangan Fasa T (VT) V Arus Sumber Netral (IN) A 4,07 5 Arus Sumber Fasa R (IR) A 53,55 6 Arus Sumber Fasa S (IS) A 53,31 7 Arus Sumber Fasa T (IT) A 53,21 8 Arus Beban Netral (IN) A 4,103 9 Arus Beban Fasa R (IR) A 53,13 10 Arus Beban Fasa S (IS) A 52,87 ISSN :

6 11 Arus Beban Fasa T (IT) A 52,78 12 Harmonisa Arus Fasa R 3,42 (I_THDI_R) 13 Harmonisa Arus Fasa S 2,66 (I_THDI_S) 14 Harmonisa Arus Fasa T (I_THDI_T) 4,42 Hasil harmonisa arus individual berdasarkan hasil simulasi menggunakan transformator zig-zag dengn software simulink/matlab, masing-masing fasa terdapat dua kondisi sebelum harmonisa arus direduksi dan kondisi setelah direduksi dengan menggunakan transformator zig-zag. Ordo Sebelum di Reduksi N R () S () T () R () Setelah di Reduksi S () Std IEEE T () R S T ,07 20,03 21,72 2,31 2,13 3, ,35 6,33 7,21 0,38 0,16 0, ,65 1,90 0,71 0,06 0,07 0, ,74 1,66 3,13 0,01 0,02 0, ,3 1,28 2,22 0,01 0,01 0, ,84 0,82 0,09 0,01 0,01 0, ,55 0,74 0,71 0,01 0,01 0, T HD 20,71 21,24 24,08 3,42 2,66 4,42 Hasil simulasi nilai arus netral yang akan menuju transformator zig-zag adalah A. Dari keluaran transformator zig-zag pada chanel A1+ di koneksikan ke jaringan fasa R dengan besaran arus 1,306 A. Begitu juga selanjutnya dari chanel B1+ menuju fasa S dengan besaran arus 1,313 A. Untuk fasa T dikoneksikan pada chanel C1+ dengan menghasilkan arus 1,322 A. Dari data tersebut bisa diartikan bahwa arus netral dikembalikan lagi ke jaringan dengan menggunakan bantuan dari transformator zig-zag. Gelombang FFT Harmonisa Arus Fasa R Arus perbandingan hasil reduksi harmonisa dengan menggunakan transformator zig-zag dimana terjadi penurunan nilai untuk masingmasing fasa setelah penerapan transformator zig-zag. Dari penurunan nilai harmonisa arus pada masing-masing fasa, gelombang arus yang dihasilkan oleh masing-masing fasa setelah harmonisa arus direduksi dengan menggunakan transformator zig-zag. Gelombang FFT Harmonisa Arus Fasa S Gelombang FFT Harmonisa Arus Fasa T Gelombang Harmonisa Arus Setelah Menggunakan Trafo Zig-zag KESIMPULAN ISSN :

7 Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan dengan menggunakan simulasi Matlab/Simulink dapat disimpulkan. 1. zig-zag yang efektif mereduksi harmonis tergantung dari besarnya impedansi belitan urutan nol pada transformator tersebut untuk menghantarkan arus dari beban melalui netral menuju kembali ke saluran beban. 2. Simulasi pemasangan transformator zig-zag berdasarkan standard IEEE efektif mereduksi harmonisa, baik harmonisa individu maupun yaitu Tabel 4.2 dapat dilihat untuk fasa R orde-3 berkurang dari 19,07 menjadi 2,31, orde-5 berkurang dari 7,35 menjadi 0,16, berkurang dari 20,71 menjadi 3, 42, untuk fasa S orde-3 dan 5 berkurang dari 20,035 menjadi 2,13, orde-5 berkurang dari 6,33 menjadi 0,16, berkurang dari 21,245 menjadi 2,66 dan untuk fasa T orde-3 berkurang dari 21,72 menjadi 3,4, orde-5 berkurang dari 7,21 menjadi 0,37, berkung dari 24,08 menjadi 4,42 nilai ini telah memenuhi standar IEEE yaitu untuk orde-3 dan 5 dibawah 4 dan yaitu dibawah Arus sumber netral berkurang dari 59,95 menjadi 4.07 A dan arus beban netral berkurang dari 67,4 A menjadi A setelah penerapan transformator zig-zag. IEEE, Selangor Malaysia, June Francisco C. De La Rosa, Harmonics and Power System, Taylor and fancis group, NewYork, Halasz, S. Csonka, G. Hassan, A.A.M, Sinusoidal PWM techniques with additional zero-sequence harmonics, Industrial Electronics, Control and Instrumentation, IECON '94., 20th International Conference on, Page(s): vol.1. 5-Sept P. N. Enjeti, W. Shireen, P. Packebush, and I. J. Pitel, Analysis and design of a new active power filter to cancel neutral current harmonics in three-phase fourwire electric distribution systems, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 30, pp , P Jayaprakash, Bhim Singh, D P Kothari, Reduction in Rating of Voltage Source Converter of DSTATCOM using a Zig-zag Transformer, IEEE, 2012 Qipeng Song, Zhongdong Yin, Jinhui Xue and Lixia Zhou, Zero- Sequence Harmonics Current Minimization Using Zero-Blocking Reactor and Zig-Zag Transformer, DRPT Nanjing China, 6-9 April S.Ranjith Kumar, S.Surendhar, Ashish Negi and P.Raja, Zig Zag Transformer performance analysis on harmonic reduction in distribution load, IEEE, Pahang, Malaysia, June 21-22, T.A. Short, Electric Power Distribution Handbook, CRC Press LLC, DAFTAR PUSTAKA Azhar Ahmad, Rosli Omar and Marizan Sulaiman, Application of Zigzag Transformer to Mitigate Triplen Harmonics in 3 Phasa 4 Wire Electrical Distribution System, ISSN :