BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Pengertian Penghantar Listrik Secara umum pengertian kabel adalah media penghantar tenaga listrik dari sumber tegangan listrik keperalatan yang menggunakan tenaga listrik atau menghubungkan suatu peralatan listrik ke peralatan listrik lainnya. Bahan dari kabel ini beraneka ragam, khusus sebagai pengantar arus listrik, umumnya terbuat dari tembaga dan umumnya dilapisi dengan pelindung. Selain tembaga, ada juga kabel yang terbuat dari serat optik, yang disebut dengan fiber optic cable. Namun dalam hal ini yang akan kita bahas adalah kabel yang berfungsi untuk menghantarkan energi listrik. Dalam penyaluran tenaga listrik, ada banyak faktor yang mempengaruhi baik atau tidaknya penyaluran tersebut. Bahan hantaran listrik dibagi menjadi beberapa bagian yaitu : 1. Konduktor Penghantar dalam teknik elektro adalah zat yang dapat menghantarkanarus listrik, baik berupa zat padat, cair atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka disebut konduktor. Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Pada umumnya logam bersifat konduktif. Emas, perak, tembaga, alumunium, zink, besi berturutturut memiliki tahanan jenis semakin besar. Jadi sebagai penghantar emas adalah sangat baik, tetapi karena sangat mahal harganya, maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan. a. Karakteristik Konduktor Ada 2 (dua) jenis karakteristik konduktor, yaitu: 1. Karakteristik mekanik, yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor (dari SPLN 41-8:1981, untuk konduktor 70 AAAC-S pada 6

2 7 suhu sekitar 30º C dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A). 2. Karakteristik listrik, yang menunjukkan kemampuan dari konduktor terhadap arus listrik yang melewatinya (dari SPLN : 1991, untuk konduktor 70 berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30º C, maka kemampuan maksimum dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A). b. Sifat Bahan Konduktor Bahan penghantar memiliki sifat-sifat penting, yaitu: 1. Daya Hantar Listrik Arus yang mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami hambatan dari penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut tergantung dari bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1 pada temperatur 200º C dinamakan hambatan jenis 2. Koefisien Temperatur Hambatan Telah kita ketahui bahwa dalam suatu bahan akan mengalami perubahan volume bila terjadi perubahan temperatur. Bahan akan memuai jika temperatur suhu naik dan akan menyusut jika temperatur suhu turun. 3. Daya Hantar Panas Daya hantar panas menunjukkan jumlah panas yang melalui lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam satuan Kkal/jam 0º C. Terutama diperhitungkan dalam pemakaian mesin listrik beserta perlengkapanya. Pada umumnya logam mempunyai daya hantar panas yang tinggi. 4. Daya Tegangan Tarik Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran di atas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai untuk keperluan

3 8 tersebut harus diketahui kekuatanya. Terutama menyangkut penggunaan dalam pendistribusian tegangan tinggi. 5. Timbulnya Daya Elektro-Motoris Termo Sifat ini sangat penting sekali terhadap dua titik kontak yang terbuat dari dua bahan logam yang berlainan jenis, karena dalam suatu rangkaian, arus akan menimbulkan daya elektro-motoris termo tersendiri bila terjadi perubahan temperatur suhu. 6. Daya Elektro-Motoris Termo Daya elektro-motoris termo dapat terjadi lebih tinggi, sehingga dalam pengaturan arus dan tegangan dapat menyimpang meskipun sangat kecil. Besarnya perbedaan tegangan yang dibangkitkan tergantung pada sifat-sifat kedua bahan yang digunakan dan sebanding dengan perbedaan temperaturnya. Daya elektro-motoris yang dibangkitkan oleh perbedaan temperatur disebut dengan daya elektro-motoris termo. c. Konduktivitas Listrik Sifat daya hantar listrik material dinyatakan dengan konduktivitas, yaitu kebalikan dari resistivitas atau tahanan jenis penghantar. Memberikan kemudahan suatu material untuk menghantarkan arus listrik. Satuan konduktivitas adalah (ohm meter). Konduktivitas merupakan sifat listrik yang diperlukan dalam berbagai pemakaian sebagai penghantar tenaga listrik dan mempunyai rentang harga yang sangat luas. Logam atau material yang merupakan penghantar listrik yang baik, memiliki konduktivitas listrik dengan orde 107 (ohm.m)-1 dan sebaliknya material isolator memiliki konduktivitas yang sangat rendah, yaitu antara sampai dengan (ohm.m)-1. Diantara kedua sifat ekstrim tersebut, ada material semi konduktor yang konduktivitasnya berkisar antara 10-6 sampai dengan 10-4 (ohm.m)-1. Berbeda pada kabel tegangan rendah, pada kabel tegangan menengah

4 9 untuk pemenuhan fungsi penghantar dan pengaman terhadap penggunaan, ketiga jenis atau sifat konduktivitas tersebut diatas digunakan semuanya. Konduktivitas listrik berbagai logam dan paduannya pada suhu kamar 20º C. Tabel 2.1. Hambatan Logam Jenis Logam Konduktivitas Listrik Ohm Meter Perak ( Ag ) 6,8 x Tembaga ( Cu ) 6,0 x Emas ( Au ) 4,3 x Alumunium ( Ac ) 3,8 x Kuningan ( 70% Cu 30% Zn ) 1,6 x Besi ( Fe ) 1,0 x Baja karbon ( Ffe C ) 0,6 x Baja tahan karat ( Ffe Cr ) 0,2 x Sumber: ( d. Kriteria Mutu Penghantar Konduktivitas logam penghantar sangat dipengaruhi oleh unsurunsur pemadu, impurity atau ketidak-sempurnaan dalam kristal logam, yang ketiganya banyak berperan dalam proses pembuatan pembuatan penghantar itu sendiri. Unsur-unsur pemandu selain mempengaruhi konduktivitas listrik, akan mempengaruhi sifat-sifat mekanika dan fisika lainnya. Logam murni memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik daripada yang lebih rendah kemurniannya. Akan tetapi kekuatan mekanis logam murni adalah rendah. Penghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan konduktivitas yang tinggi juga membutuhkan sifat mekanis dan fisika tertentu yang disesuaikan dengan penggunaan penghantar itu sendiri. Selain masalah teknis, penggunaan logam sebagai penghantar ternyata juga sangat ditentukan oleh nilai ekonomis logam tersebut dimasyarakat. Sehingga suatu kompromi antara nilai teknis dan ekonomi logam yang akan

5 10 digunakan mutlak diperhatikan. Nilai kompromi termurahlah yang akan menentukan logam mana yang akan digunakan. Pada saat ini, logam tembaga dan aluminium adalah logam yang terpilih diantara jenis logam penghantar lainnya yang memenuhi nilai kompromi teknis ekonomis termurah. Dari jenis jenis logam penghantar pada tabel 2.1. diatas, tembaga merupakan penghantar yang paling lama digunakan dalam bidang kelistrikan. Disamping persyaratan sifat listrik seperti konduktivitas listrik diatas, kriteria mutu lainnya yang juga harus dipenuhi meliputi seluruh atau sebagian dari sifat-sifat atau kondisi berikut ini, yaitu: 1. komposisi kimia. 2. sifat tarik seperti kekuatan tarik (tensile strength) dan regangan tarik (elongation). 3. Sifat bending atau pembengkokan. 4. diameter dan variasi yang diijinkan. 5. kondisi permukaan kawat harus bebas dari cacat, dan lain-lain. 2. Semikonduktor Bahan semikonduktor adalah bahan yang mempunyai level konduktiviti (kemampuan menghantarkan arus listrik) diantara bahan konduktor dan isolator. Kebalikan dari konduktiviti adalah resistansi, yaitu kemampuan menahan arus listrik. Semakin tinggi level konduktiviti maka semakin rendah level resistansi. Istilah resistiviti (rho, yunani) biasanya digunakan untuk membandingkan level resistansi material. Jadi bahan semikonduktor listrik lebih baik daripada isolator, tapi lebih rendah dibandingkan konduktor. 3. Isolator Dalam istilah elektronika, isolator listrik adalah sesuatu benda yang bukan merupakan benda penghantar listrik yang berguna untuk menahan penghantar listrik. Isolator dapat berupa karet, kayu, kertas, dan biasanya

6 11 adalah benda-benda selain golongan logam. Isolator contohnya dapat kita lihat pada setiap kabel yaitu berupa karet yang berguna untuk melapisi tembaga (logam) agar arus tetap mengalir pada tembaga. Dengan kata lain berguna untuk melindungi kita dari sengatan listrik. Oleh sebab itu isolator merupakan penghantar listrik yang paling buruk diantara konduktor maupun semikonduktor. Isolator memiliki karakteristik lebih lunak daripada logam namun tidak berair, karena sebagus apapun suatu isolator jika terkena air maka arus listrik akan dapat mengalir. Isolator memiliki daya resistansi yang tinggi terhadap arus listrik. Karena sifatnya yang resistant/ menghambat aliran arus listrik maka benda-benda tersebut disebut isolator Kabel Penghantar 1. Metode Pemilihan Kabel Sebelum memilih kabel kita harus memahami konsep dasar penggunaan kabel yaitu : a. Kapasitas dan fungsi. b. Pemilihan kabel ( harus memiliki perencanaan ). - Design layout instalasi/ single line diagram - Sambungan dan hubungan - Luas penampang kabel - Nomenklatur/ kode huruf bahan kabel - Warna standar c. Manufacturer recommendation (usia Standar Nasional (SPLN) dan/ atau Standar Internasional) d. Perawatan kabel ( recondition cable ) 2. Klasifikasikan dari bahan baku Adapun bila ditinjau dari bahan baku, penghantar dapat diklasifikasikan menjadi: a. Tembaga - Ciri-ciri: logam coklat kemerahan

7 12 - Sifat: mudah ditempa, konduktor yang baik, nonmagnetik, tahan terhadap korosi dengan peleburan dan elektrolisa. - Ilustrasi: Penyambungan kabel antara kabel jenis serabut dan kabel pejal yang tidak sesuai standar adalah salah satu penyebab short circuit yang merupakan awal dari pemicu kebakaran. - Kegunaan: membuat kabel listrik, sistem pemanas, tabung pendingin, radiator kendaraan, untuk keperluan listrik, komponen terbesar dari logam campuran kuningan ini disaring sampai kemurnian 98,8%, kotoran dikeluarkan dari bijih-bijih tembaga. b. Alumunium - Ciri-ciri: logam putih keabu-abuan. - Sifat: konduktor yang sangat baik, nonmagnetik, tahan korosi, sangat lunak dan ringan. c. Kuningan - Kuningan adalah alloy nonferrous terbuat dari campuran tembaga dan seng. - Sifat: mudah dibentuk, lebih keras dari tembaga maupun alumunium, karenanya lebih mudah dikerjakan dengan mesin. 3. Konstruksi Jenis Kabel Ada beberapa jenis kabel yang sering digunakan. Yaitu dilihat dari segi konstruksinya dan dari segi jumlah penghantar dalam satu kabel. Berikut ini adalah jenis kabel dilihat dari jenis konstruksinya : a. Penghantar pejal (solid); yaitu penghantar yang berbentuk kawat pejal yang berukuran sampai 10 mm². Tidak dibuat lebih besar lagi dengan maksud untuk memudahkan penggulungan maupun pemasangannya. b. Penghantar berlilit (stranded); penghantarnya terdiri dari beberapa urat kawat yang berlilit dengan ukuran 1 mm² mm². c. Penghantar serabut (fleksibel); banyak digunakan untuk tempat yang sulit dan sempit, alat-alat portabel, alat-alat ukur listrik dan pada kendaraan bermotor. Ukuran kabel ini antara 0,5 mm² mm².

8 13 d. Busbar; penampang penghantar ini biasanya digunakan pada PHB (Papan Hubung Bagi) sebagai rel-rel pembagi atau rel penghubung. Penghantar ini tidak berisolasi. 4. Jumlah Penghantar Adapun bila ditinjau dari jumlah penghantar dalam satu kabel, penghantar dapat diklasifikasikan menjadi: a. Penghantar simplex; ialah kabel yang dapat berfungsi untuk satu macam penghantar saja (misal: untuk fasa atau netral saja). Contoh penghantar simplex ini antara lain: NYA 1,5 mm²; NYAF 2,5 mm² dan sebagainya. b. Penghantar duplex; ialah kabel yang dapat menghantarkan dua aliran (dua fasa yang berbeda atau fasa dengan netral). Setiap penghantarnya diisolasi kemudian diikat menjadi satu menggunakan selubung. Penghantar jenis ini contohnya NYM 2 2,5 mm², NYY 2 2,5mm². c. Penghantar triplex; yaitu kabel dengan tiga pengantar yang dapat menghantarkan aliran 3 fasa (R, S dan T) atau fasa, netral dan pentanahan. Contoh kabel jenis ini: NYM 3 2,5 mm², NYY 3 2,5 mm² dan sebagainya. d. Penghantar quadruplex; kabel dengan empat penghantar untuk mengalirkan arus 3 fasa dan netral atau 3 fasa dan pentanahan. Susunan hantarannya ada yang pejal, berlilit ataupun serabut. Contoh penghantar quadruplex misalnya NYM 4 2,5 mm², NYMHY 4 2,5 mm² dan sebagainya. Jenis penghantar yang paling banyak digunakan pada instalasi rumah tinggal yang dibangun permanen saat ini adalah kabel rumah NYA dan kabel NYM. 5. Kegunaan dan Fungsi Penghantar Adapun bila ditinjau dari kegunaan dan fungsi penghantar dapat diklasifikasikan menjadi: a. Kabel Fleksibel Kabel yang disyaratkan untuk mampu melentur pada waktu digunakan, dan yang struktur dan bahannya memenuhi persyaratan. (flexible cable).

9 14 b. Kabel Tanah Jenis kabel yang dibuat khusus untuk dipasang di permukaan atau dalam tanah, atau dalam air. (underground cable). c. Keadaan Darurat Keadaan yang tidak biasa atau tidak dikehendaki yang membahayakan keselamatan manusia dan keamanan bangunan serta isinya, yang ditimbulkan oleh gangguan suplai utama listrik. d. Kabel Kedap Sifat tidak dapat dimasuki sesuatu; misalnya kedap air atau kedap debu. e. Penghantar Aktif Setiap penghantar dari sistem suplai yang mempunyai beda potensial dengan netral atau dengan penghantar yang dibumikan. Dalam sistem yang tidak memiliki titik netral, semua penghantar harus dianggap sebagai penghantar aktif (active conductor). f. Penghantar Bumi Penghantar dengan impedansi rendah, yang secara listrik menghubungkan titik yang tertentu pada suatu perlengkapan (instalasi atau sistem) dengan elektrode bumi (earth conductor). g. Penghantar Netral (N) Penghantar yang dihubungkan ke titik netral sistem dan mampu membantu mengalirkan energi listrik (neutral conductor). h. Penghantar PEN Penghantar netral yang dibumikan dengan menggabungkan fungsi sebagai penghantar proteksi dan penghantar netral. Catatan singkatan PEN dihasilkan dari penggabungan lambang PE untuk penghantar proteksi dan N untuk penghantar netral.(pen conductor). i. Penghantar Pembumian - Penghantar berimpedansi rendah yang dihubungkan ke bumi, - Penghantar proteksi yang menghubungkan terminal pembumi utama atau batang ke elektrode bumi (earthing conductor).

10 15 j. Penghantar Pilin Penghantar yang terdiri atas satu pilinan, atau sejumlah pilinan yang dipintal jadi satu tanpa isolasi di antaranya. k. Penghantar Proteksi (PE) Penghantar untuk proteksi dari kejut listrik yang menghubungkan bagian berikut: bagian konduktif terbuka, bagian konduktif ekstra, terminal pembumian utama, elektrode bumi, titik sumber yang dibumikan atau netral buatan (protective conductor). 6. Hubungan Kabel Penghantar Dengan Harmonisa Penghantar merupakan hal yang penting dalam mendistribusikan daya listrik. Selama ini penghantar di setting sesuai dengan standar pemakaian beban dan ketahanan penghantar tersebut dalam menghadapi sebuah arus beban. Dengan menghitung kuat hantar arus, maka penampang kabel dapat ditentukan sebagai berikut :... (2.1.) Tetapi, apabila sistem mengandung harmonisa, arus efektif pada sistem akan mengalami peningkatan. Karena setting awal dari penentuan penampang berdasarkan arus nominal, maka setelah sistem dilalui arus yang mengandung harmonisa, tidak lagi sesuai dengan hasil perhitungan awal. Harmonisa arus menyebabkan kabel mengalami pemanasan berlebih. Efek kulit (skin effect) dan efek proximity menyebabkan mengalami resistansi bolak-balik terlebih pada konduktor besar. Kedua efek ini merupakan fungsi dari frekuensi. Apabila arus yang mengalir banyak mengandung harmonisa frekuensi tinggi, rugi-rugi yang dibangkitkan juga akan semakin besar. Pada sistem tiga fasa empat kawat, beban-beban nonlinear menyebabkan arus urutan nol mengalir pada konduktor netral, walaupun ketiga beban seimbang. Arus-arus fasa sistem seimbang yang mengandung harmonisa dapat dinyatakan sebagai :

11 16... (2.2.)...(2.3.)...(2.4.) Arus netral adalah penjumlahan dari arus-arus fasa, dinyatakan sebagai :... (2.5.) Dari persamaan di atas terlihat bahwa pada penghantar netral akan mengalir arus-arus harmonisa yang mempunyai urutan nol, yaitu harmonisa ketiga, kesembilan, kelima-belas dan seterusnya. Dari persamaan ini juga, ada peluang bahwa arus netral dapat berharga lebih besar dari arus fasanya. Padahal dalam kebanyakan desain instalasi, kawat netral hanya dibuat sedikit lebih besar dari kawat fasa atau bahkan lebih kecil dari kawat fasa bila instalatur mengasumsikan beban seimbang. Akibatnya, kawat netral akan mengalami pemanasan yang sangat berlebih. Panas yang dibangkitkan dapat memutuskan konduktor, menimbulkan kebakaran atau merusak komponen lain seperti isolator busbar dan sebagainya. Pada gambar di bawah ini adalah menunjukkan suatu gelombang sinus yang kaya akan kandungan harmonisa pada sistem tiga fasa empat kawat yang mensupply beban penyearah dengan beban seimbang yang terhubung bintang. Arus hasil percobaan memiliki nilai arus efektif sebesar 10,2 A. (a) Kurva arus fasa R (b) Spektrum frekuensi arus fasa R Gambar 2.1. Kurva Arus dan Spektrum mengandung Harmonisa Sedangkan pada kawat netral terukur arus sebesar 17,7 A. Dari spektrum frekuensi pada gambar di bawah tampak bahwa arus yang mengalir pada kawat netral adalah arus-arus harmonisa urutan nol seperti

12 17 yang dijelaskan di atas, yaitu arus harmonisa ketiga, kesembilan, dan kelima-belas. Berarti frekuensi fundamental arus netral adalah frekuensi harmonisa orde ketiga dari arus fasa, yaitu 3 50 Hz. (b) Kurva arus netral (b) Spektrum frekuensi arus netral Gambar 2.2. Kurva dan Spektrum Arus Netral Permasalahan kelistrikan yang terjadi di atas merupakan permasalahan yang cukup besar. Beberapa peneliti permasalahan kelistrikan berasumsi bahwa penyebab kebakaran yang banyak terjadi pada instalasi listrik dikarenakan oleh besarnya arus pada penghantar netral, daripada hubung singkat. Karena apabila terjadi hubung singkat, maka paling tidak salah satu dari komponen proteksi arus lebih (MCB dan Fuse) akan mengalami trip, sehingga mencegah arus lebih pemanasan lebih lanjut. Lain halnya arus lebih dan pemanasan lebih yang terjadi pada penghantar netral yang tidak memiliki pengaman. Bila sampai terjadi, pengantar netral putus akibat pemanasan berlebih, maka dapat terjadi hunting pada tegangan beban. Penyelesaian masalah pada kasus ini adalah penggantian kabel netral dengan penghantar yang lebih besar, sehingga penghantar tersebut mampu untuk dapat dialiri arus harmonisa urutan nol tersebut Jenis Kabel Pada Instalasi Listrik Jenis kabel pada instalasi listrik di Indonesia adalah sebagai berikut: 1. Kabel NYA Kabel NYA berinti tunggal, berlapis bahan isolasi PVC, untuk instalasi luar/ kabel udara. Kode warna isolasi ada warna merah, kuning,

13 18 biru, kuning loreng hijau dan hitam. Kabel tipe ini umum dipergunakan di perumahan karena harganya yang relatif murah. Lapisan isolasinya hanya 1 lapis sehingga mudah cacat, tidak tahan air (NYA adalah tipe kabel udara) dan mudah digigit tikus. Agar aman memakai kabel tipe ini, kabel harus dipasang dalam pipa/ conduit jenis PVC atau saluran tertutup. Sehingga tidak mudah menjadi sasaran gigitan tikus, dan apabila ada isolasi yang terkelupas tidak tersentuh langsung oleh orang. Gambar 2.3. Bentuk Kabel NYA 2. Kabel NYM Kabel NYM memiliki lapisan isolasi PVC (biasanya warna putih atau abu-abu), ada yang berinti 2, 3 atau 4. Kabel NYM memiliki lapisan isolasi dua lapis, sehingga tingkat keamanannya lebih baik dari kabel NYA (harganya lebih mahal dari NYA). Kabel ini dapat dipergunakan di lingkungan yang kering dan basah, namun tidak boleh ditanam. Gambar 2.4. Bentuk Kabel NYM

14 19 3. Kabel NYAF Kabel NYAF merupakan jenis kabel fleksibel dengan penghantar tembaga serabut berisolasi PVC. Digunakan untuk instalasi panel-panel yang memerlukan fleksibelitas yang tinggi. Gambar 2.5. Bentuk Kabel NYAF 4. Kabel NYY Kabel NYY memiliki lapisan isolasi PVC (biasanya warna hitam), ada yang berinti 2, 3 atau 4. Kabel NYY dipergunakan untuk instalasi tertanam (kabel tanah), dan memiliki lapisan isolasi yang lebih kuat dari kabel NYM (harganya lebih mahal dari NYM). Kabel NYY memiliki isolasi yang terbuat dari bahan yang tidak disukai tikus. Gambar 2.6. Bentuk Kabel NYY 5. Kabel NYFGbY Kabel NYFGbY ini digunakan untuk instalasi bawah tanah, di dalam ruangan di dalam saluran-saluran dan pada tempat-tempat yang terbuka dimana perlindungan terhadap gangguan mekanis dibutuhkan, atau untuk tekanan rentangan yang tinggi selama dipasang dan dioperasikan.

15 20 Gambar 2.7. Bentuk Kabel NYFGbY 6. Kabel ACSR Kabel ACSR merupakan kawat penghantar yang terdiri dari aluminium berinti kawat baja. Kabel ini digunakan untuk saluran-saluran transmisi tegangan tinggi, dimana jarak antara menara/ tiang berjauhan, mencapai ratusan meter, maka dibutuhkan kuat tarik yang lebih tinggi, untuk itu digunakan kawat penghantar ACSR. Gambar 2.8. Bentuk Kabel ACSR 7. Kabel AAAC Kabel ini terbuat dari aluminium-magnesium-silicon campuran logam, keterhantaran elektris tinggi yang berisi magnesium silicide, untuk memberi sifat yang lebih baik. Kabel ini biasanya dibuat dari paduan aluminium AAAC mempunyai suatu anti karat dan kekuatan yang baik, sehingga daya hantarnya lebih baik. Gambar 2.9. Bentuk Kabel AAAC

16 21 8. Kabel ACAR Kabel ACAR yaitu kawat penghantar aluminium yang diperkuat dengan logam campuran, sehingga kabel ini lebih kuat daripada kabel ACSR. Gambar Bentuk Kabel ACAR 9. Kabel BC (Bar Cable) Kabel ini dipilin/ stranded, disatukan. Ukuran/ tegangan maksimal = / 500 V. Pemakaian = saluran diatas tanah dan penghantar pentanahan. Gambar Bentuk Kabel BC 2.4. Kuat Hantar Arus (KHA) Kemampuan Hantar Arus suatu kabel dapat dinyatakan sebagai kemampuan maksimum kabel untuk dilalui arus secara terus-menerus tanpa menyebabkan kerusakan pada kabel tersebut. Menurut Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2000 pasal penghantar sirkit akhir yang menyuplai motor tunggal tidak boleh mempunyai KHA kurang dari 125% arus pengenal beban penuh. Untuk menentukan besarnya KHA dapat menggunakan persamaan : KHA = 1,25 In. Jika KHA telah diketahui maka untuk menentukan luas penampang dipilih kabel yang memiliki nilai yang diatasnya (pada tabel 2.2). Untuk kabel daya diperhatikan juga rating MCB yang dipilih. Jika nilai KHA

17 22 masih dibawah rating MCB, maka ditetapkan rating MCB sebagai nilai KHA minimal yang digunakan. Dengan tujuan apabila terjadi gangguan, kabel masih dapat menghantarkan arus sebelum MCB memutuskan rangkaian. Dibawah ini adalah tabel untuk menentukan luas penampang penghantar. Diambil dari tabel pada PUIL Tabel 2.2. Tabel Menentukan Luas Penampang Penghantar 2.5. Aplikasi Penghantar Pada Distribusi Listrik Selama ini ada pemahaman bahwa yang dimaksud transmisi adalah proses penyaluran energi listrik dengan menggunakan tegangan tinggi saja. Bahkan ada yang memahami bahwa transmisi adalah proses penyaluran energi listrik dengan menggunakan tegangan tinggi dan melalui saluran udara (over head line). Namun sebenarnya, transmisi adalah proses penyaluran energi listrik dari satu tempat ketempat lainnya, yang besaran

18 23 tegangannya adalah Tegangan Ultra Tinggi (UHV), Tegangan Ekstra Tinggi (EHV), Tegangan Tinggi (HV), Tegangan Menengah (MHV), dan Tegangan Rendah (LV). Sedangkan Transmisi Tegangan Tinggi, adalah: 1. Berfungsi menyalurkan energi listrik dari satu gardu induk ke gardu induk lainnya. 2. Terdiri dari konduktor yang direntangkan antara tiang-tiang (tower) melalui isolator-isolator, dengan sistem tegangan tinggi. 3. Standar tegangan tinggi yang berlaku di Indonesia adalah: 30 KV, 70 KV dan 150 KV. Beberapa hal yang perlu diketahui: 1. Transmisi 30 KV dan 70 KV yang ada di Indonesia, secara berangsurangsur mulai ditiadakan (tidak digunakan). 2. Transmisi 70 KV dan 150 KV ada di Pulau Jawa dan Pulau lainnya diindonesia. Sedangkan transmisi 275 KV dikembangkan di Sumatera. 3. Transmisi 500 KV ada di Pulau Jawa. Di Indonesia, kosntruksi transmisi terdiri dari: 1. Menggunakan kabel udara dan kabel tanah, untuk tegangan rendah, tegangan menengah dan tegangan tinggi. 2. Menggunakan kabel udara untuk tegangan tinggi dan tegangan ekstra tinggi. Berikut ini disampaikan pembahasan tentang transmisi ditinjau dari klasifikasi tegangannya: 1. Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi (SUTET) 200 Kv Kv 2. Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) 30 Kv 150 Kv 3. Saluran Kabel Tegangan Tinggi (SKTT) 30 Kv 150 Kv 4. Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM) 6 Kv 30 Kv 5. Saluran Kabel Tegangan Menengah (SKTM) 6 Kv 20 Kv 6. Saluran Udara Tegangan Rendah (SUTR) 40 Volt 1000 Volt 7. Saluran Kabel Tegangan Rendah (SKTR) 40 Volt 1000 Volt

19 Karakteristik Beban Beban perumahan/ gedung umumnya teridiri dari kombinasi bebanbeban linier dan beban nonlinier, yakni : a. Karakteristik Beban Linier Beban linier merupakan beban listrik yang digunakan jika tidak berpengaruh pada bentuk gelombang (sinus) sumbernya, karena naik dan turunnya arus (gelombang) sesuai atau proposional dengan bentuk gelombang tegangan. Bila tegangan sumber sinusoidal maka arus yang melewati beban harus sinusoidal juga. Beban linier tidak mempengaruhi karakteristik pada tegangan, arus, frekuensi, dan bentuk gelombang, artinya bentuk tidak berubah (tetap). Untuk mengetahui karakteristik beban linier dapat diwakili dengan beban R, L seperti pada Gambar Gambar Rangkaian Pengganti untuk Beban Linier (Masri, Syafrudin, 2004 : 1) Gambar Bentuk Gelombang dan Arus Beban Linier (Masri, Syafrudin, 2004 : 1)

20 25 Gambar Spektrum Arus Harmonisa Beban Linier (Masri, Syafrudin, 2004 : 2) Contoh-contoh beban listrik linier: 1. Pemanasan Resistif 2. Lampu-lampu Pijar 3. Motor-motor induksi dengan putaran konstan 4. Motor-motor sinkron b. Karakteristik Beban Nonlinier Beban nonlinier adalah beban yang bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya. Beban nonlinier menarik arus dengan bentuk nonsinusoidal, walaupun disuplai dari sumber tegangan sinusoidal. Untuk mengetahui karaktristik beban nonlinier satu fasa dapat diambil suatu pendekatan dengan menggunakan rangkaian penyearah satu fasa gelombang penuh yang dilengkapi dengan kapasitor perata tegangan DC seperti pada Gambar Adanya kapasitor C ini dimaksudkan untuk mendapatkan tegangan DC yang relatif murni yang dikehendaki untuk operasi komponen elektronik. Namun akibatnya arus pada jala-jala sistem Is hanya akan mengalir pada saat terjadi pengisian muatan kapasitor C, yaitu di daerah puncak gelombang tegangan jala-jala, sehingga bentuk gelombang arus Is tidak proporsional lagi terhadap tegangannya (non-linier) dan

21 26 mengalami distorsi (non-sinusoidal), seperti yang diperlihatkan pada Gambar Gambar Rangkaian Pengganti untuk Beban Non-linier (Masri, Syafrudin, 2004 : 2) Gambar Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Beban Non-linier (Masri, Syafrudin, 2004 : 2) Gambar Spektrum Arus Harmonisa Beban Non-linier (Masri, Syafrudin, 2004 : 2)

22 27 Secara teoritis, besarnya arus harmonisa orde h berbanding terbalik dengan orde harmonisa, yaitu : (2.6.) Dengan demikian arus dari beban elektronik satu fasa akan terdiri dari arus fundamental IF yang sama dengan Is1 dan sejumlah komponen arus harmonisa Ish. Spektrum arus harmonisa dari beban elektronik ini diperlihatkan pada Gambar Karena arus jala-jala Is berbentuk gelombang bolak-balik yang simetris, maka hanya komponen arus harmonisa orde ganjil (harmonisa orde ke 3, 5, 7, ) saja yang dibangkitkannya. Contoh-contoh Beban Listrik Nonlinier: 1. Static power converter 2. Electronic ballast 3. Variabel Frekuensi 4. Arc furnace 5. Komputer, printer, semikonduktor switching Beban non linier terbagi atas 2 (dua) beban: a. Beban non linier yang di industri : 1. Tiga fasa power converter 2. DC-Drive 3. AC-Drive b. Beban nonlinier umum/komersil : 1. Electronic ballast 2. Lampu hemat energi (LHE) 3. Komputer 4. Alat-alat elektronik 5. Alat-alat ukur 6. Air Condition (AC) 7. Penerangan gedung pada umumnya

23 Harmonisa Harmonisa atau harmonik adalah gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan [Nanan Tribuana dan Wanhar, 1999]. Distorsi gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dengan frekuensi dasarnya (fundamental). Hal ini disebut frekuensi harmonik yang timbul pada bentuk gelombang aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan harmonik [Jon Marjuni Kadang, 2006]. Harmonisa juga biasanya didefinisakan sebagai distorsi yang bersifat periodik serta steady state pada gelombang arus dan gelombang tegangan yang terjadi dalam sistem tenaga [Gary W Chang dan Paulo F. Ribeiro, ---] Pasokan arus dan tegangan dari sistem transmisi umumnya berupa gelombang sinusoidal murni, namun dengan keanekaragaman beban saat ini, pasokan tegangan dan arus yang semula sinusoidal murni dapat terdistorsi. Cacat gelombang arus atau tegangan ini disebut cacat harmonik, cacat gelombang arus disebabkan oleh beban yang nonlinier seperti Lampu (selain lampu pijar), Automatic/Variable speed drive (ASD), DC-drive, Power rectifier, Pemanas Induksi, Furnaces, UPS, Computer dan lain-lain. Arus harmonik yang melalui impedansi dari sistem akan dapat menyebabkan tegangan harmonik pada titik beban tersebut [Jemjem Kurnaen dan Sidik Prasetyo, ---]. Bentuk gelombang arus dan tegangan sinusoidal murni ditunjukkan berikut ini: Gambar Gelombang Sinus Arus dan Tegangan [C. Sankaran, 2002]

24 29 Dan gambar berikut ini memperlihatkan gelombang sinus yang terdistorsi oleh harmonik ke 3. Gambar Gelombang Harmonik [Jemjem Kurnen dan Sidik Prasetyo, ---] 2.8. Standar Harmonisa Standar harmonisa berdasarkan stardar IEEE Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa. Yang pertama adalah batasan untuk harmonisa arus. Dan yang kedua adalah batasan untuk harmonisa tegangan. Untuk standar harmonisa arus, ditentukan oleh rasio Isc/I L. Isc adalah arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of Common Coupling), sedangkan I L adalah arus beban fundamental nominal. Sedangkan untuk standar harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai. (Ned Mohan, 1994). Standar harmonisa arus dapat dilihat pada Tabel 2.3. sedangkan standar harmonisa tegangan dapat dilihat pada Tabel 2.4. Tabel 2.3. Maximum Harmonics Current Distortion Harmonic Orde (Odd Harmonic) Isc / IL <11 11=<h<23 17=<h<23 23=<h<35 35=<h THD (%) < >

25 30 Dimana : Isc = Arus Maksimum Hubung Singkat pada PCC ( Point of Common Coupling ) IL = Arus Beban Maksimum ( fundamental frequency ) pada PCC. (Ned Mohan.1994) Tabel 2.4. Maximum Harmonics Voltage Distortion Maximum Voltage Distortion Maximum Distortion System Voltage Below 69 kv kv >138 Individual Harmonics ( % ) Total Harmonics ( % ) Deret Fourier Dalam menganalisa besarnya nilai jumlah gelombang antara gelombang asli dan harmonisanya dapat digunakan analisis deret fourier. Gelombang dikatakan memenuhi syarat jika gelombang tersebut periodik dengan perioda T bila f(t) =f (t + T) untuk semua (t). Jika f(t) periodik, maka deret fourier adalah [Jusmin Susanto dan Hernadi Buhron, ---]... (2.7.) dengan koefisien masing masing adalah:... (2.8.)... (2.9.)... (2.10.) Dimana n adalah orde harmonisa, yaitu bilangan 1, 2, 3 dst. Pada kasus di sistem tenaga listrik, umumnya orde yang dominan adalah orde ganjil saja (1, 3, 5, dst.). Orde n=1 menyatakan komponen dasar atau fundamental dari gelombang. Suku a 0 menyatakan komponen dc atau nilai rata-rata dari gelombang, yang mana umumnya komponen ini tidak muncul

26 31 dalam jaringan sistem arus bolak-balik. Bila gelombang arus atau tegangan berbentuk sinusoidal sempurna, maka orde n=1 saja yang ada. Gelombang yang cacat (terdistorsi) memiliki koefisien-koefisien dengan indeks h. Amplitudo harmonisa biasa dinyatakan sebagai: [Jusmin Susanto dan Hernadi Buhron, ---]... (2.11.) Nilai-nilai c sebagai fungsi n seringkali dikenal dengan spektrum frekuensi gelombang. Tingkat kecacatan seringkali dinyatakan dengan Total Harmonic Disotortion (THD), yang dinyatakan sebagai (pada contoh ini misalkan untuk arus): [Jusmin Susanto dan Hernadi Buhron, ---]... (2.12.) Dan untuk tegangan: [Jusmin Susanto dan Hernadi Buhron, ---]]... (2.13.) Dengan I rms dapat dinyatakan dengan identitas Parseval: [Jusmin Susanto dan Hernadi Buhron, ---]... (2.14.) Istilah-Istilah Harmonik Berikut ini adalah pengertian dan persamaan yang terdapat dalam analisis harmonik : Komponen Harmonik Komponen harmonik adalah gelombang sinusoida yang mempunyai frekuensi perkalian antara bilanagan bulat dengan frekuensi dasar Orde Harmonik Orde Harmonik adalah perbandingan frekuensi harmonik dengan frekuensi dasar, dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :

27 32... (2.15.) Keterangan: n = orde harmonik = frekuensi harmonik ke-n F = frekuensi dasar Gelombang dengan frekuensi dasar tidak dianggap sebagai harmonik, yang dianggap sebagai harmonik adalah orde ke-2 sampai ke-n Spektrum Spektrum adalah distribusi dari semua amplitudo komponen harmonik sebagai fungsi dari orde harmoniknya, dan diilustrasikan menggunakan histogram. Jadi spektrum merupakan perbandingan arus dan tegangan frekuensi harmonik terhadap arus atau tegangan frekuensi dasar Total Harmonic Distortion (THD) THD menyatakan besarnya distorsi yang ditimbulkan oleh semua komponen harmonik, dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :... (2.16.) Keterangan: THD = Total Harmonic Distortion = nilai rms arus atau tegangan harmonik Ke-n = nilai rms arus atau tegangan pada frekuensi dasar THD dapat dinyatakan sebagai suatu nilai potensi pemanasan akibat harmonik relatif terhadap gelombang frekuensi dasar Total Demand Distortion (TDD) Tingkat distorsi arus dapat dilihat dari nilai THD, namun hal tersebut dapat saja salah saat diinterpretasikan. Aliran arus yang kecil dapat memiliki nilai THD yang tinggi namun tidak menjadi ancaman yang dapat merusak sistem. Beberapa analisis mencoba untuk menghindari kesulitan seperti ini dengan melihat THD pada arus beban puncak frekuensi dasar dan bukan

28 33 melihat sampel sesaat pada frekuensi dasar. Hal ini disebut total demand distortion atau distorsi permintaan total (TDD) dan masuk dalam Standar IEEE , tentang Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. TDD dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :... (2.17.) Keterangan: = arus harmonik orde ke-n = arus beban puncak pada frekuensi dasar yang diukur pada PCC (Point of Common Coupling) Terdapat dua cara untuk mengukur, pertama yaitu pada beban yang telah terpasang pada sistem lalu dihitung nilai rata-rata dari arus beban maksimum dari 12 bulan pengukuran. Sedangkan untuk sistem yang baru, harus diperkirakan berdasarkan profil beban yang akan dipasang Nilai rms Niilai rms yang dihasilkan oleh gelombang arus /tegangan yang terdistorsi harmonik dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :... (2.18.) Keterangan: = nilai rms dari arus atau tegangan ke-h Kuantitas Listrik Pada Kondisi Non-Sinusoida Seperti telah dijelaskan sebelumnya, bahwa distorsi harmonik dapat menghasilkan gelombang non-sinusoida hasil superposisi gelombang pada frekuensi dasar dengan gelombang harmoniknya. Oleh karena itu, kuantitas listrrik seperti arus dan tegangan pada kondisi non-sinusoida juga harus diperhitungkan komponen harmoniknya. Untuk nilai rms dan tegangan saat kondisi non-sinusoida dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :

29 34... (2.19.) Keterangan: = tegangan atau arus pada kondisi non sinusoida T = periode v(t) dan i(t) (detik) = tegangan atau arus rms pada frekuensi dasar Pada dasarnya, daya listrik yang dikirimkan dari sumber ke beban adalah daya kompleks. Dalam daya kompleks itu terdapat komponen daya aktif (daya nyata) yaitu daya yang diserap oleh beban untuk melakukan kerja yang sesungguhnya dan daya reaktif yaitu daya yang tidak terlihat sebagai kerja nyata dan biasanya dipengaruhi oleh komponen reaktif seperti induktor. Daya aktif (P), daya rektif (Q), dan daya kompleks (S) pada kondisi non-sinusoida dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :... (2.20.)... (2.21.)... (2.22.) Keterangan: P = daya aktif pada kondisi non-sinusoida (Watt) Q = daya reaktif pada kondisi non-sinusoida (VAR) S = daya kompleks pada kondisi non-sinusoida (VA) = daya aktif pada frekuensi dasar (Watt) = daya reaktif pada frekuensi dasar (VAR) D = distorsi daya akibat harmonik (VA) Untuk faktor daya pada kondisi non-sinusoida dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :... (2.23.) Untuk menunjukan hubungan antara daya-daya pada kondisi nonsinusoida tersebut, dapat digunakan diagram vektor tiga dimensi seperti berikut :

30 35 D P Q S Gambar Hubungan Komponen Daya pada Kondisi Non-Sinusoida P dan Q mewakili komponen S yang biasa terdapat pada kondisi sinusoida murni, sedangkan D menunjukkan kontribusi tambahan terhadap daya kompleks akibat harmonik Penyebab Timbulnya Harmonik Pada sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban nonlinier. Beban linier memberikan bentuk gelombang keluaran linear artinya arus yang mengalir sebanding dengan perubahan tegangan. Sedangkan beban nonlinier memberikan bentuk gelombang keluaran arus yang tidak sebanding dengan tegangan dasar sehingga gelombang arus maupun tegangannya tidak sama dengan gelombang masukannya. Beban nonlinier umumnya merupakan komponen semikonduktor yang pada proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap setengah siklus gelombang atau beban yang membutuhkan arus yang tidak tetap pada setiap periode waktunya. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan/ distorsi gelombang arus yang tidak sinusoida. Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter beban-beban nonlinier yang terpasang. Perubahan bentuk gelombang ini tidak berkaitan dengan sumber tegangannya. (a) (b) Gambar Permodelan beban nonlinier sebagai sumber harmonik (a). Model gelombang dasar, (b). Model gelombang harmonik

31 36 Sumber harmonik secara garis besar terdiri dari 2 jenis yaitu peralatan yang memiliki kondisi saturasi dan peralatan elektronika dasar. Peralatan yang memiliki kondisi saturasi biasanya memiliki komponen yang bersifat megnetik seperti transformator, mesin-mesin listrik, tanur busur listrik, peralatan yang menggunakan power supply, dan magnetic ballast. Peralatan elektronika daya seperti tiristor, dioda, dan lain-lain. Contoh peralatan yang menggunakan komponen elektronika daya adalah konverter statik, konverter PWM, inverter, pengendali motor listrik, electronic ballast, dan sebagainya. Pada rumah tangga, beban nonlinier terdapat pada peralatan seperti lampu hemat energi, televisi, video player, AC, komputer, dan kulkas/ dispenser Akibat Yang Ditimbulkan Harmonik Setiap komponen sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonik walaupun dengan akibat yang berbeda. Namun demikian komponen tersebut akan mengalami penurunan kinerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Salah satu dampak yang umum dari gangguan harmonik adalah panas lebih pada kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonik ketiga yang dibangkitkan oleh peralatan listrik satu phase. Pada keadaan normal, arus beban setiap phase dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban tidak linier satu phase akan menimbulkan harmonik kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen harmonik (harmonik ke-3, ke-9, ke-15 dan seterusnya) yang sering disebut zero sequence harmonik. Harmonik ini tidak menghilangkan arus netral tetapi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus phase [Nanan Tribuana dan Wanhar, 1999]. Tabel 2.5. Polaritas dari Komponen Harmonik [Nanan Tribuana dan Wanhar, 1999]. Harmonik Frekuensi (Hz) Urutan

32 37 Akibat yang dapat ditimbulkan oleh urutan polaritas komponen harmonik antara lain tingginya arus netral pada sistem 3 phase 4 kawat (sisi sekunder transformator) karena arus urutan nol (zero sequence) dan arus ini akan terinduksi ke sisi primer transformator dan akan berputar pada sisi primer transformator yang biasanya memiliki belitan delta (D). Hal ini akibat pada kawat netral tidak memiliki peralatan pemutus arus untuk proteksi tegangan atau arus lebih. Pengaruh harmonik pada transformator sering tanpa disadari dan diantisipasi keberadaannya sampai terjadi gangguan yang penyebabnya tidak jelas. Hal ini dapat juga terjadi bila perubahan konfigurasi atau jenis beban yang dipasok. Transformator dan peralatan induksi lainnya, selalu terpengaruh oleh harmonik karena trafo itu sendiri dirancang sesuai dengan frekuensi kerjanya. selain itu transformator juga merupakan media utama antara pembangkit dengan beban. Frekuensi harmonik yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadi kerugian daya [Nanan Tribuana dan Wanhar, 1999]. Umumnya harmonisa pada arus membawa dampak lebih jika dibandingkan dengan harmonisa pada tegangan. Pada sistem distribusi listrik, dampak utama yang ditimbulkan dari pengaruh harmonisa pada arus adalah mengakibatkan bertambahnya harga nilai rms fundamental. [DA Bradley, 1985] Masing-masing elemen membangkitkan distorsi yang spesifik. Nilai rms lebih besar dapat menyebabkan pemanasan yang lebih tinggi pada konduktor. Nilai puncak lebih besar dapat mengganggu kerja alat ukur sehingga terjadi kesalahan pembacaan. Sedangkan frekuensi mempengaruhi impedansi kabel dimana semakin tinggi frekuensi (biasanya pada frekuensi diatas 400 Hz) berarti semakin sering kabel menerima tegangan puncak sehingga semakin besar tegangan jatuh yang terjadi. Fenomena resonansi dapat terjadi pada frekuensi tertentu dan dapat menyebabkan arus meningkat.

33 Efek Khusus Harmonik Pada Sistem Tenaga Listrik Secara khusus, efek yang ditimbulkan oleh harmonik pada sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi : 1. Efek Negatif Jangka Pendek a. Tegangan harmonik dapat mengganggu kontrol yang digunakan pada sistem elektronik. Sebagai contoh, harmonik mengganggu controller yang digunakan pada elektronika daya. Yang terganggu adalah pada saat kondisi putus hubungan dari tiristor. b. Harmonik dapat menyebabkan kesalahan pada peralatan pengukuran listrik yang menggunakan prinsip induski magnetik. Sebagai contoh, kesalahan dari alat ukur kelas 2 akan meningkat 0,3 % sebagai akibat dari harmonik ke-5 dengan ratio tegangan dan arus 5 %. Sebuah alat ukur di desain dan disesuaikan untuk beroperasi pada rangkaian yang mempunyai frekuensi dan tegangan standar dengan sedikit atau tidak ada distorsi bentuk gelombang. Pengaruh harmonik terhadap akurasi alat ukur adalah ; - Alat ukur menjadi sensitif terhadap frekuensi. - Medan magnet dari koil tegangan dalam sebuah alat ukur nonlinier dan mengandung beberapa komponen harmonik yang seharusnya dari kompensasi alat. Diyakini bahwa torsi tambahan akan terbentuk, meskipun tidak ada tegangan dan arus harmonik pada jaringan distribusi. - Alat ukur tidak mengukur komponen energi DC yang seharusnya. c. Harmonik juga dapat mengganggu alat-alat pengaman dalam sistem tenaga listrik seperti relay. Kerena sifat relay yang sensitif terhadap perubahan arus dan frekuensi maka relay bisa salah beroperasi karena terjadi perubahan frekuensi ataupun arus walaupun tidak ada gangguan. Selain itu, harmonik dapat menyebabkan perubahan impedansi, arus dan tegangan dari sistem. Sedangkan relay jarak bekerja berdasarkan prinsip impedansi dan arus.

34 39 d. Pada mesin-mesin berputar seperti generator dan motor, torsi mekanik yang diakibatkan oleh arus harmonik dapat menyebabkan getaran dan suara pada mesin-mesin tersebut. Torsi sesaat dihasilkan oleh interaksi antara fluks celah udara (sebagian besar komponen dasar) dan fluks yang dihasilkan oleh arus harmonik di dalam rotor. Torsi ini dapat mempengaruhi bentuk kurva torsi kecepatan pada motor. e. Bila ada sistem komunikasi yang dekat dengan sistem tenaga listrik maka sistem tersebut dapat terganggu oleh harmonik. Biasanya sistem kontrol dari sistem telekomunikasi yang terganggu oleh harmonik. 2. Efek Yang Bersifat Kontinu Efek yang bersifat kontinu ini dapat menyebabkan pemanasan pada peralatan listrik. a. Pemanasan Kapasitor Kapasitor sangat sensitif terhadap perubahan beban. Jika terjadi harmonik maka rugi-rugi daya meningkat. Ketika harmonik terjadi, beban akan semakin reaktif sehingga kapasitor harus memacu lebih banyak daya reaktif kepada sistem. Dan satu lagi yang harus diperhatikan adalah terjadinya resonansi. Saat terjadi resonansi, impedansi sistem hanya resistif yang sangat kecil. Sehingga arus yang masuk akan sangat besar dan dapat mengakibatkan kerusakan. b. Pemanasan pada Mesin-mesin Listrik Tegangan non-sinusoida yang ditetapkan pada mesin listrik dappat menimbulkan masalah-masalah sebagai berikut : - Meningkatkan rugi inti dan rugi belitan - Pemanasan lebih Tegangan atau arus harmonik meningkatkan rugi daya pada gulungan stator dan rotor. Rugi pada penghantar stator dan rotor lebih besar daripada resistansi DC-nya, karena adanya efek arus eddy dan efek kulit. Rugi daya tambahan merupakan efek harmonik yang paling serius

35 40 dalam mesin arus bolak-balik. Rugi-rugi ini tergantung pada spektrum frekuensi dari tegangan yang ditetapkan. Arus harmonik menimbulkan panas lebih. Bila mesin dioperasikan terus-menerus pada kondisi ini, maka umur mesin akan berkurang dan lebih jauh dapat mengakibatkan kerusakan. c. Pemanasan pada Transformator Transformator sangat rentan terhadap pengaruh harmonik. Transformator dirancang sesuai dengan frekuensi kerjanya. Frekuensi harmonik yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi dan pada akhirnya mengakibatkan kerugian daya. Pengaruh utama harmonik pada transformator adalah : - Panas lebih yang dibangkitkan oleh arus beban yang mengandung harmonik. - Kemungkinan resonansi paralel transformator dengan kapasitansi sistem. Transformator distribusi yang mencatu daya ke beban non-linear menimbulkan arus harmonik kelipatan tiga ganjil. Harmonik ini dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari satu fasa. Akibatnya terjadi peningkatan temperatur pada kawat netral. Sebagai dampak lanjutnya, akan terjadi sirkulasi arus urutan nol pada beliatan delta transformator sehingga temperaturnya akan meningkat. Peningkatan temperatur ini akan menurunkan efisiensi transformator dan lebih jauh lagi dapat mengakibatkan kerusakan. Rugi-rugi yang terjadi pada transformator adalah rugi-rugi inti dan rugi-rugi belitan. Rugi-rugi inti karena fluks yang dibangkitkan di dalam inti bila transformator dieksitasi. Rugi-rugi belitan yang terdiri dari R dan stay losses dibangkitkan oleh arus yang mengalir melalui transformator.

36 41 d. Pemanasan pada Kabel dan Peralatan lainnya Rugi-rugi kabel yang dilewati oleh arus harmonik akan semakin besar. Hal ini disebabkan meningkatnya resistansi dari tembaga akibat meningkatnya frekuensi (efek kulit). Akibatnya akan terjadi pemanasan pada kawat penghantar. Ada dua mekanisme dimana arus harmonik dapat menyebabkan pemanasan dalam penghantar yang lebih besar dari nilaai arus RMS yang diharapkan. Mekanisme pertama disebabkan distribusi arus dalam penghantar, termasuk efek kulit (Skin Effect) dan efek kedekatan (Proximity Effect). Skin Effect disebabkan distribusi arus dipermukaan lebih besar daripada di dalam penghantar, sehingga resistansi efektif meningkat, skin effect meningkat dengan kenaikan frekuensi dan diameter penghantar. Sedangkan Proximity Effect disebabkan medan magnet penghantar mengganggu distribusi arus pada penghantar-penghantar yang berdekatan. Mekanisme kedua disebabkan arus yang tinggi pada penghantar netral pada sistem distribusi satu fasa. Beberapa beban seperti power supply switch mode menghasilkan arus harmonik ketiga yang cukup berarti. Untuk beban konverter, arus harmonik ketiga dalam rangkaian satu fasa menghasilkan arus netral yang lebih besar dari arus fasanya. Karena penghantar netral biasanya sama ukurannya dengan penghantar fasa, maka penghantar netral menjadi berbeban lebih dan akhirnya terjadi panas lebih. Cara yang paling umum untuk mengatasi hal ini adalah dengan memperbesar ukuran penghantar netral dua kali atau lebih besar dari penghantar fasanya Dasar Pengontrolan Harmonik Ketika sebuah sistem tenaga listrik mengalami permasalahan distorsi harmonik, ada beberapa cara dasar untuk mengatasinya, yaitu dengan : 1. Mengurangi arus harmonik yang dihasilkan oleh beban. 2. Menambahkan filter untuk mengalihkan arus harmonik dari sistem, memblok arus yang memasuki sistem, atau melokalisir arus harmonik.

37 42 3. Merubah respon frekuensi dengan menggunakan induktor, dan kapasitor Mengurangi Arus Harmonik Pada Beban Sedikit sekali yang dapat dilakukan terhadap peralatan beban yang ada untuk mengurangi kuantitas harmonik yang dihasilkan. Suatu transformator yang overeksitasi dapat dikembalikan kepada kondisi normal dengan menurunkan tegangan yang diberikan kepadanya, sedangkan peralatan arcing dan kebanyakan converter elektronika daya sudah fix kondisinya sesuai dengan karakteristik rancangannya. Berbeda dengan PWM drives yang men-charge DC bus kapasitor langsung dari line tanpa ada impedansi tambahan, menambahkan suatu reaktor pada line secara seri dapat secara signifikan mengurangi harmonik. Hubungan transformator dapat digunakan untuk mengurangi harmonik pada sistem tiga fasa. Hubungan delta pada transformator dapat memblok aliran arus urutan nol harmonik (khususnya triplen harmonik) dari line Filter Harmonik Filter Shunt bekerja dengan menshort-circuitkan arus harmonik sedekat mungkin kepada sumber distorsi secara praktis. Hal ini menjaga agar tetap jauh dari sistem. Ini merupakan tipe filter yang banyak diaplikasikan karena pertimbangan ekonomis dan juga karena filter cenderung memperhalus tegangan pada sisi beban sebaik cara memindahkan/ meredam arus harmonik. Pendekatan lain adalah dengan filter seri yang dapat memblok arus harmonik. Cara semacam ini merupakan rangkaian paralel-tuned yang memberikan impedansi yang besar kepada arus harmonik. Filter semacam ini jarang digunakan karena sulit untuk mengisolasinya dari jalur listrik dan tegangan pada sisi beban dapat sangat terdistorsi. Aplikasi yang umum digunakan adalah pada sisi netral kapasitor terhubung bintang yang ditanahkan yang dapat memblok aliran dari arus triplen harmonik.

38 Memodifikasi Respon Frekuensi Sistem Respon sistem yang merugikan terhadap harmonik dapat dimodifikasi dengan beberapa metoda : 1. Menambah filter shunt. Filter ini tidak hanya meredam arus harmonik, tetapi juga seringkali merubah respom sistem. 2. Menambah reaktor untuk memperbaiki. Resonansi yang merugikan biasanya terjadi antara induktansi sistem dengan kapasitor yang digunakan sebagai perbaikan faktor daya sistem. Reaktor harus diletakkan di antara kapasitor dan sistem. Metoda untuk meletakkan reaktor secara seri dengan kapasitor dapat menghindari terjadinya resonansi sistem tanpa menyetel kapasitor untuk membuat filter. 3. Mengubah ukuran dari kapasitor. Hal ini merupakan pilihan terakhir yang mahal bagi kedua sisi, penyedia listrik dan pelangggan industri. 4. Memindahkan kapasitor pada titik dengan impedansi hubung singkat yang berbeda atau pada titik dengan losses terbesar. Bagi penyedia listrik hal ini dapat menimbulkan masalah yakni menimbulkan interferensi telepon walaupun hal ini dapat mengatasi masalah respon sistem Identifikasi Harmonik Untuk mengantisipasi harmonik, perlu dilakukan langkah-langkah pengidentifikasian maslah dengan peralatan ukur yang memadai. Ada dua cara untuk membentuk transformasi fourier dari gelombang tegangan dan arus pada sistem tenaga listrik. Cara pertama adalah dengan menggunakan penganalis spektrum (spectrum analyzer) dan mengukur harmonik pada kondisi online. Namun cara ini tidak meberikan informasi sudut fasa harmonik. Metode lain adalah dengan mengukur contoh gelombang dan menyimpan gelombang tersebut dalam daerah waktu (time domain) sebagai data diskrit dan menghitung komponen harmonik secara digital dengan menggunakan mikroprosessor dalam kondisi offline.

39 44 Selain cara-cara lain di atas, keberadaan harmonik dapat diidentifikasi dengan cara sederhana, yaitu : 1. Identifikasi jenis beban 2. Pemeriksaan arus sekunder transformator 3. Pemeriksaan tegangan netral-tanah Bila banyak peralatan yang mempunyai komponen utama terbuat dari bahan semikonduktor seperti: komputer, pengatur kecepatan motor, dan peralatan lain yang menggunakan arus searah, maka diperkirakan masalah harmonik ada di instalasi itu. Pengukuran arus sekunder transformator perlu dilakukan, baik fasa maupun netral. Bila arus netral lebih besar dari arus fasa, maka dapat diperkirakan adanya triplen harmonik dan kemungkinan turunnya efisiensi transformator. Dengan melakukan pengukuran tegangan netral-tanah pada keadaan berbeban maka terjadinya arus lebih pada kawat netral (untuk sistem 3 fasa 4 kawat) dapat diketahui. Bila tegangan terukur lebih besar dari dua volt, maka terdapat indikasi adanya masalah harmonik pada beban Sumber-Sumber Harmonisa Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban nonlinier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedensi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non linier adalah bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengan siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi). Beban nonlinier yang umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semikonduktor, dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Proses kerja ini akan menghasilkan

40 45 gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal [Nanan Tribuana dan Wanhar, 1999]. Berikut adalah sumber-sumber yang menghasilkan harmonisa: 1. Lampu Flourescent Lampu fluorescent sering juga disebut lampu TL. Pada dasarnya lampu fluorescent termasuk dalam kelompok lampu merkuri tekanan rendah. Hal ini disebabkan dalam tabung lampu fluoresen dimasukkan merkuri, dan gas didalam tabung saat lampu bekerja adalah rendah, hanya kira-kira 0,0039 atm, sedangkan tekanan gas dalam tabung lampu merkuri kira-kira 10 atm. Lampu fluoresen tidak bekerja berdasarkan pemijaran filament sebagaimana halnya dalam lampu pijar, tetapi lampu fluoresen menghasilkan cahaya berdasarkan terjadinya pelepasan electron dalam tabung lampu [R.Panjaitan, ---]. Gambar Lampu Flourescent (TL) Konstruksi tabung lampu fluorescent terdiri dari gelas dimana dinding bagian dalam dilapisi serbuk phosphor sehingga tabung kelihatan berwarna putih susu. Bentuk tabung lampu fluoresen ada yang memanjang dan melingkar. Panjang tabung tergantung dari besar daya, mulai dari panjang 35 cm untuk 10 W sampai dengan panjang 150 cm untuk 60 W. Pada kedua ujung tabung dipasang filamen tungsten yang dilapisi suatu bahan yang dapat beremisi, biasanya terdiri dari barium, strontium, dan calcium. Untuk lampu tabung (Discharge Lamp) filamen ini disebut juga elektroda, karena salah satu dari filamen harus berfungsi katoda dan yang lainnya anoda. Kedalam tabung diisikan merkuri dan gas argon dimana merkuri akan

41 46 berfungsi untuk menghasilkan radiasi ultraviolet sedangkan gas argon befungsi sebagai keperluan start [R.Panjaitan, ---]. Gambar Konstruksi lampu fluorescent [R.Panjaitan, ---]. Berdasarkan cara kerjanya, rangkaian lampu fluorescent terdiri dari dua macam yaitu : rangkaian dengan starter (Switch start circuit) dan rangkaian tanpa starter (Starterless circuit). Lampu fluorescent jenis switchstart masih terbagi lagi, yaitu jenis glow yang bekerja berdasarkan tegangan dan jenis termis yang bekerja berdasarkan arus. Lampu fluorescent yang sering digunakan di masyarakat adalah dalam rangkaian switch-start jenis glow karena dianggap lebih praktis dan murah [R.Panjaitan, ---]. Gambar Rangkaian lampu fluorescent [R.Panjaitan, ---]. Starter terdiri dari bimetal yang diletakkan di dalam tabung gelas kecil dan diisi dengan gas argon. Dalam keadaan tidak bekerja (off) bimetal starter membuka. Oleh karena itu, starter ini berfungsi sebagai tombol NO (Normally Open). Kapasitor C dan resistor R yang ditempatkan dalam tabung luar starter berfungsi untuk mengurangi interferensi radio (gangguan gelombang radio) [R.Panjaitan, ---].

42 47 Gambar a) Konstruksi starter b) Rangkaian starter c) Bentuk starter Ballast yang digunakan dalam lampu fluorescent terdiri dari induktor yang dihubungkan seri dengan salah satu elektroda. Ballast berfungsi untuk membatasi arus apabila lampu sudah menyala normal [R.Panjaitan, ---]. Gambar Konstruksi Ballast [R.Panjaitan, ---]. Untuk memperbaiki faktor daya (cos φ) lampu fluorescent digunakan kapasitor AC dengan kapasitansi tergantung pada besar daya lampu. Untuk mendapatkan faktor daya daya lagging (terbelakang), kapasitor dihubungkan paralel dengan lampu. Sedangkan kalau dihubungkan seri dengan lampu akan menghasilkan faktor daya leading (terdahulu) [R.Panjaitan, ---]. 2. Lampu Hemat Energi Lampu hemat energi (LHE) atau compact flourescent adalah salah satu bentuk pengembangan dari lampu flourescent. Lampu hemat energi ini terdiri dari ballast elektronik dan tabung gelas [Jon Marjuni Kadang, 2006].

43 48 Gambar Lampu Hemat Energi (LHE) Lampu hemat energi ini memiliki bentuk yang lebih kecil dan lebih sederhana jika dibandingkan dengan lampu flourescent. Dikatakan lebih kecil karena ukuran tabung lampu yang digunakan relatif lebih kecil dan lebih sederhana kerena pada umumnya pada sebuah rangkaian lampu ini telah terdapat ballast dengan bentuk yang lebih kecil dan praktis (integral ballast) baik itu magnetis maupun elektronik, dan ballast tersebut dipasang permanent dengan lampu [Jon Marjuni Kadang, 2006]. Gambar Konstruksi Lampu Hemat Energi [Jon Marjuni Kadang, 2006]. Proses kerja ballast elektronik dimana menggunakan prinsip switching akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Yaitu arus/ elektron-elektron yang mengalir dari sisi elektroda positif menuju elektroda negatif yang bebrbenturan dengan gas argon

44 49 dan merkuri yang terionisasi tentulah mempunyai besaran-besaran yang berubah-ubah setiap saat sesuai kondisi benturan sehingga impedansi lampu yang terdiri dari unsur-unsur R-L-C merupakan fungsi waktu yang tidak linier [Jon Marjuni Kadang, 2006]. 3. Peralatan Elektronik Terdapat banyak peralatan elektronik yang termasuk beban nonlinier dan menjadi penyebab timbulnya harmonisa. Peralatan-peralatan elektronik tersebut sangat dibutuhkan dalam kehidupan sehari-hari, baik itu yang digunakan untuk keperluan rumah tangga, perkantoran, pertokoan, maupun industri. Berikut ini beberapa contoh peralatan elektronik yang digunakan dalam rumah tangga, pertokoan, perkantoran, maupun industri. Gambar Komputer (kiri) dan Laptop (kanan) Gambar Televisi (kiri) dan Printer (kanan) Gambar Lemari Es (kiri) dan Air Conditioner (kanan)

45 50 4. Uninterruptible Power Supply (UPS) Uninterruptible power supply atau biasa disingkat UPS adalah perangkat yang biasanya menggunakan baterai backup sebagai catuan daya alternatif, untuk dapat memberikan suplai daya yang tidak terganggu untuk perangkat elektronik yang terpasang. UPS merupakan sistem penyedia daya listrik yang sangat penting dan diperlukan sekaligus dijadikan sebagai benteng dari kegagalan daya serta kerusakan sistem dan hardware. UPS akan menjadi system yang sangat penting dan sangat diperlukan pada banyak perusahaan penyedia jasa telekomunikasi, jasa informasi, penyedia jasa internet dan banyak lagi. [Wikipedia, 2012] Gambar Uninterruptible Power Supply tampilan depan (kiri) dan belakang (kanan) UPS bekerja berdasarkan kepekaan tegangan. UPS akan menemukan penyimpangan jalur voltase (line voltage) misalnya kenaikan tajam, kerendahan, gelombang dan juga penyimpangan yang disebabkan oleh pemakaian dengan alat pembangkit tenaga listrik yang murah. Karena gagal, UPS akan berpindah ke operasi on-battery atau baterai hidup sebagai reaksi kepada penyimpangan untuk melindungi bebannya (load). Jika kualitas listrik kurang, UPS mungkin akan sering berubah ke operasi on-battery. Kalau beban bisa berfungsi dengan baik dalam kondisi tersebut, kapasitas dan umur baterai dapat bertahan lama melalui penurunan kepekaan UPS.

46 51 5. Penyearah Pada saat ini penyearah adalah merupakan sumber utama dari timbulnya harmonisa. Peralatan elektronik yang dijumpai di rumah tinggal menggunakan penyearah satu fasa gelombang penuh tak terkendali. Semua peralatan elektronik, yang meliputi televisi, printer, scanner, UPS, komputer, monitor, lampu fluorescent dengan ballast elektronik, lampu hemat energi dll. menggunakan penyearah jenis satu fasa gelombang penuh tak terkendali [Hera Heriani, 2008]. Sebuah penyearah adalah rangkaian yang dapat mengkonversikan sinyal AC menjadi sinyal DC. Penyearah tak terkendali adalah suatu sistem penyearahan sinyal yang memiliki karakteristik gelombang keluaran hanya bergantung pada komponen itu sendiri, Contoh dari rangkaian penyearah tak terkendali adalah rangkaian penyearah satu fasa gelombang penuh. Pada gambar di bawah ini diperlihatkan penyearah tak terkendali [Hera Heriani, 2008]. Gambar Penyearah tak-terkendali satu fasa gelombang penuh [Hera Heriani, 2008]. Dengan bentuk gelombang seperti gambar di bawah ini : Gambar Bentuk gelombang DC [Hera Heriani, 2008]. Bentuk gelombang diatas memiliki efek pada cacat gelombang arus pada sisi input penyearah. Berikut ini adalah bentuk gelombang dan spektrum

47 52 yang dihasilkan oleh penyearah pada sisi input penyearah [Hera Heriani, 2008]. (a) Arus input penyearah (b) spektrum arus input penyearah Gambar Arus input (a) dan spektrum harmonisa (b) [Hera Heriani, 2008]. Untuk penyearah tak terkendali tiga fasa banyak dijumpai dalam sektor industri. Penyearah ini sangat lazim dijumpai pada pengendali putaran motor-motor asinkron tiga fasa dalam semua sektor industri [Hera Heriani, 2008] Rugi Daya Pada Penghantar Rugi-rugi pada penghantar tidak dapat dihilangkan karena setiap penghantar mempunyai nilai tahanan jenis yang menyebabkan adanya daya terserap pada penghantar. Nilai rugi-rugi pada penghantar dapat dihitung dengan rumus :...(2.24.)...(2.25.)...(2.26.) Dimana R dapat dihitung dengan rumus :...(2.27.) Dengan : = L meter kabel pada suhu t derajat C, dalam ohm t L = resistans pada 70º C, dalam ohm/km = suhu penghantar, dalam derajat C = panjang penghantar, dalam m

48 53 Dibawah ini adalah tabel untuk resistansi penampang penghantar pada suhu 70º. Diambil dari SNI Tabel 2.6. Data Umum Konduktor untuk Resistan Insulasi Minimum pada 70º C Luas Penampang Nominal Konduktor ( ) 0,75 1 1,5 2, Resistan Insulasi Minimum pada 70º C (MΩ/km) 0,011 0,010 0,010 0,009 0,007 0,006 0,0056 0,0046 0,0044 Rugi-rugi penghantar dapat ditekan dengan menggunakan penggunaan penampang yang sesuai sehingga rugi-rugi yang terjadi tidak melebihi nilai standar yang ditentukan. Selain itu penyeimbangan beban juga akan mempengaruhi nilai rugi-rugi yang terjadi pada penghantar Alat Ukur Dalam Pengukuran Harmonisa Alat ukur Power Quality Analyzer Hioki Clamp On merupakan sebuah alat ukur yang dapat mengukur parameter-parameter listrik utama seperti KVA, KVAR, kw, pf, frekuensi, tegangan dan arus. Alat ini juga dapat mengukur kandungan harmonisa. Pengukuran dengan menggunakan alat ini tergolong mudah dan cepat karena dapat dibawa dengan tangan dan dapat dihubungkan dengan personal komputer ataupun laptop. Gambar Power Quality Analyzer Hioki Clamp On

49 54 Berikut ini adalah berbagai macam rangkaian penggunaan Power Quality Analyzer Hioki Clamp On : Gambar Rangkaian Penggunaan Power Quality Analyzer Hioki Clamp On untuk Pengukuran Satu Fasa Gambar Rangkaian penggunaan Power Quality Analyzer Hioki Clamp On untuk Pengukuran Tiga Fasa Tiga Kawat Gambar Rangkaian Lain Penggunaan Power Quality Analyzer Hioki Clamp On Untuk Pengukuran Tiga Fasa Tiga Kawat

50 Gambar Tampilan di Komputer 55