BAB II DASAR TEORI. mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Transformator Distribusi Transformator merupakan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain (belitan primer ke belitan sekunder) melalui sebuah gandengan magnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaannya dalam sistem tenaga memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh [1]. Dalam bidang tenaga listrik pada umumnya pemakain transformator dapat dikelompokkan dalam : 1. Transformator Daya, transformator ini biasanya digunakan di pembangkit tenaga listrik, untuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi. 2. Transformator distribusi, transformator ini pada umumnya digunakan pada sub distribusi tenaga listrik, yaitu untuk menurunkan tegangan transmisi menjadi tegangan distribusi.

2 3. Transformator Instrument, transformator ini gunanya digunakan sebagai alat instrument pengukuran yang terdiri dari transformator arus (current transformer) dan transformator tegangan (potential transformer). Suatu sistem tenaga listrik terdiri dari tiga bagian utama yaitu pusat pembangkit listrik, saluran transmisi dan sistem distribusi. Suatu sistem distribusi yang menghubungkan semua beban terjadi pada stasiun pembantu atau substation, dimana dilaksanakan transformasi tegangan. Pada umumnya pusat pembangkit tenaga listrik berada jauh dari pengguna tenaga listrik. Untuk mentransmisikan tenaga listrik dari pembangkit ini, maka diperlukan penggunaan tegangan tinggi 150 kv atau tegangan ekstra tinggi 500 kv. Setelah saluran transmisi mendekati pusat pemakaian tenaga listrik, yang dapat merupakan suatu daerah industri atau suatu kota, tegangan melalui gardu induk diturunkan menjadi tegangan menengah 20 kv. Tegangan menengah dari gardu induk ini melalui saluran distribusi primer untuk disalurkan ke gardu-gardu distribusi atau pemakai tegangan menengah. Dari saluran distribusi primer, tegangan menengah diturunkan menjadi tegangan rendah 400/230 V melalui gardu distribusi. Tegangan rendah dari gardu distribusi disalurkan melalui saluran tegangan rendah ke komsumen tegangan rendah. Bentuk sederhana dari sistem distribusi tenaga listrik dapat ditunjukkan oleh Gambar 2.1 sebagai berikut [2]:

3 Pembangkit Listrik TM Pembangkit Transformator Penaik GI TT/TET Saluran Transmisi Transformator Penurun GI Ke Pemakai TM TM Ke GD Saluran Distribusi Primer GD TR Saluran Distribusi Sekunder kwh meter Utilisasi Instalasi Pemakai TR Gambar 2.1 Sistem Tenaga Listrik Spesifikasi Umum Rugi-rugi Transformator Distribusi Berbagai nilai dari rugi-rugi transformator distribusi menurut SPLN 50 tahun 1997 dapat dilihat pada Tabel 2.1 berikut ini [3]:

4 Tabel 2.1 Nilai Rugi-Rugi Transformator Distribusi KVA Rating Rugi Besi (Watt) Rugi Tembaga (Watt) Klasifikasi Beban Transformator Distribusi Tujuan utama dari adanya alat transformator distribusi dalam sistem tenaga listrik adalah untuk mendistribusikan tenaga listrik dari gardu induk ke sejumlah pelanggan atau konsumen. Pada Tabel 2.2 berikut ini adalah klasifikasi pelanggan listrik yang dilayani oleh PLN [3]:

5 Tabel 2.2 Klasifikasi Beban Pelanggan Listrik PLN Beban Yang Dilayani No Golongan Tarif Batas Daya 1 S-1 / TR 220 VA 2 S-2 / TR 450 VA TARIF S 3 S-2 / TR 900 VA ( Sosial ) 4 S-2 / TR 1300 VA 5 S-2 / TR 2200 VA 6 S-2 / TR > 2200 VA s/d 200 KVA S-3 / TM > 200 KVA 1 R-1 / TR s/d 450 VA 2 R-1 / TR 900 VA TARIF R ( Perumahan ) 3 R-1 / TR 1300 VA 4 R-1 / TR 2200 VA 5 R-2 / TR > 2200 VA 6600 VA 6 R-3 / TR > 6600 VA 1 B-1 / TR s/d 450 VA 2 B-1 / TR 900 VA TARIF B ( Bisnis ) 3 B-1 / TR 1300 VA 4 B-1 / TR 2200 VA 5 B-2 / TR > 2200 VA s/d 200 KVA 6 B-3 / TM > 200 KVA

6 1 I-1 / TR s/d 450 VA 2 I-1 / TR 900 VA TARIF I ( Industri ) 3 I-1 / TR 1300 VA 4 I-1 / TR 2200 VA 5 I-1 / TR > 2200 VA s/d 14 KVA 6 I-2 / TR > 14 KVA s/d 200 KVA 7 I-3 / TM > 200 KVA 8 I-4 / TT > KVA 1 P-1 / TR s/d 450 VA 2 P-1 / TR 900 VA TARIF P 3 P-1 / TR 1300 VA ( Perkantoran ) 4 P-1 / TR 2200 VA 5 P-1 / TR > 2200 VA s/d 200 KVA P-2 / TM > 200 KVA P-3 / TR LPJU Keterangan : S = Pelanggan Listrik Sosial R = Pelanggan Listrik Perumahan B = Pelanggan Listrik Bisnis I = Pelanggan Listrik Industri

7 P = Pelanggan Listrik Perkantoran TR = Tegangan Rendah TM = Tegangan Menengah TT = Tegangan Tinggi LPJU = Lampu Penerangan Jalan Umum Rugi-Rugi Transformator [1] Secara umum rugi-rugi ynag terjadi pada transformator dapat digambarkan dalam sebuah blok diagram, seperti ditunjukkan Gambar 2.2 dibawah ini. Rugi tembaga Rugi tembaga Sumber Kumparan Primer Fluks bersama Kumparan ssekunder Keluar an Rugi fluks bocor Rugi besi: Histeresis dan Arus eddy Gambar 2.2 Block Diagram Rugi-Rugi pada Transformator

8 Rugi Tembaga (P cu ) Rugi tembaga adalah rugi yang disebabkan arus beban mengalir pada kawat penghantar dapat ditulis sebagai berikut: P cu = I 2 R (watt)... (2.1) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban Rugi Besi (P i ) Rugi besi terdiri atas: a. Rugi Histeresis (P h ), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai berikut: P h = K h f B maks (watt)... (2.2) K h = konstanta B maks = fluks maksimum (weber) b. Rugi Arus Eddy (P e ), yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi yang dinyatakan sebagai berikut: 2 P e = K e f 2 B maks (watt)... (2.3) K e = konstanta B maks = fluks maksimum (weber) Komponen rugi-rugi trafo ini meningkat dengan kuadrat dari frekuensi arus penyebab eddy current. Oleh karena itu, ini menjadi komponen yang sangat penting dari rugi-rugi trafo yang menyebabkan pemanasan oleh harmonisa.

9 Jadi rugi besi (rugi inti) adalah: P i = P h + P e (watt)... (2.4) Peningkatan rugi inti yang disebabkan oleh harmonisa bergantung pada pengaruh harmonisa pada tengangan yang diberikan dan rancangan dari inti trafo. Semakin besar distorsi tengangan maka semakin tinggi pula eddy current dilaminasi inti. 2.2 Faktor-K Sebuah transformator standart (K-1) tidak dirancang pada penggunaan beban non-linear yang mengandung arus harmonisa. Apabila transformator standar dipaksa untuk digunakan pada beban non-linear, maka akan terjadi panas berlebih dan gagal sebelum waktunya. Dengan alasan tersebut maka untuk mengatasi beban non-linear telah dirancang transformator khusus untuk menangani arus harmonisa yang terjadi. K-faktor transformator berbeda dari standar. Transformator ini memiliki kapasitas termal tambahan untuk mentoleransi efek pemanasan dari arus harmonisa karena memiliki nilai impendasi yang rendah. Transformator K-faktor jauh lebih mahal dari transformator standar, karena transformator jenis ini didesain menggunakan bahan material yang berkualitas. Penggunaan K-faktor transformator adalah cara yang baik untuk memastikan bahwa transformator tidak akan mengalami kegagalan akibat panas berlebih arus harmonisa.

10 Nilai dari faktor-k ini sangat dipengaruhi oleh frekuensi yang mengakibatkan bertambahnya rugi estimasi pada transformator. Faktor-k ini didefinisikan sebagai penjumlahan dari kuadrat arus harmonisa dalam p.u dikali dengan kuadrat dari urutan harmonisa. Dibentuk dengan persamaan berikut [4]: K = h=1 (I 2 h h 2 )... (2.5) Persamaan 2.20 dapat juga dinyatakan sebagai berikut: K = h2 2 h=1 I h I 2 h=1 h... (2.6) Dimana : I h = Harga arus harmonisa ke-h h = Orde harmonisa (2,3,4,5,...) Transformator khusus dirancang untuk digunakan dengan beban non-linear ditandai "cocok untuk beban arus non-sinusoidal dengan K-faktor yang tidak melebihi" dimana standar rating K-factor adalah 4,9,13,20,30,40,50. Ketika k-faktor melebihi 4, menjadi perlu untuk menggunakan K-rated transformer atau derate a standard transformer. Faktor derating untuk standar non-harmonic transformator dapat dihitung dengan menggunakan metode dari IEEE C , yaitu [5]: D = K... (2.7) Dimana : K = Faktor-k

11 Pemilihan K-factor rating dapat juga dilakukan berdasarkan tipe beban yang disuplai oleh transformator. Tabel 2.3 menunjukkan gambaran singkat tentang K-factor rating berdasarkan tipe dari beban [6]. Tabel 2.3 K- Factors for various types of Loads Load K-Factor Electric discharge lighting K-4 UPS with optional input filtering K-4 Welders K-4 Induction heating equipment K-4 PLCs and solid state controls (other than variable speed drives) K-4 Telecommunications equipments (e.g PBX) K-13 UPS without input filtering K-13 Multiwire receptacle circuits in general care areas of health care facilities and K-13 classrooms of schools, etc Multiwire receptacle circuits supplying inspection or testing equipment on an K-13 assembly or production line Mainframe computer loads K-20 Solid state motor drives (variable speed drives) K-20 Multiwire receptacle circuits in critical care areas and operating/recovery K-20 rooms or hospital

12 2.3 Harmonisa Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul dari pengoperasian beban listrik yang sebagian besar diakibatkan dari beban non linear, dimana akan terbentuk gelombang yang berfrekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamentalnya, dalam hal ini 50Hz, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan yang idealnya adalah sinusiodal murni akan cacat akibat distorsi harmonisa yang terjadi. Harmonisa didefenisikan sebagai gelombang-gelombang sinus (arus dan tegangan) yang mempunyai frekuensi kelipatan integer (bilangan bulat) dari frekuensi fundamentalnya.(di Indonesia adalah 50 Hz) [7]. Jika frekuensi pada 50/60 Hz (Indonesia menggunakan 50 Hz) dikatakan sebagai frekuensi fundamental/ frekuensi dasar (f), maka jika gelombang tersebut mengalami distorsi atau dikatakan harmonisa bila mengalami kelipatan frekuensi dari frekuensi dasarnya, misalnya harmonik kedua (2f) pada 100 Hz, ketiga (3f) 150 Hz dan harmonisa ke-n memiliki frekuensi nf seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.3. Gelombang-gelombang ini akan menumpang pada gelombang frekuensi dasarnya dan akan terbentuk gelombang cacat yang merupakan penjumlahan antara gelombang murni dengan gelombang harmonisa ke-3 seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.4 sebagai berikut [8]:

13 V1 Fundamental V1 sin wt 1 cycle V2 Second Harmonic V2 sin 2wt 1 cycle V3 Third Harmonic V3 sin 3wt 1 cycle Gambar 2.3 Gelombang Fundamental, Harmonisa kedua dan Harmonisa ketiga V (t) Fundamental Third Harmonic Fundamental + Third Harmonic µ 2µ wt Gambar 2.4 Gelombang Fundamental yang terdistorsi Harmonisa Ke-3 Pada Gambar 2.4 ditunjukkan bahwa gelombang harmonisa yang ketiga terbentuk menjadi tiga periode gelombang yang berulang pada saat gelombang yang berulang pada saat gelombang yang fundamentalnya masih berlangsung dalam satu periode. Hal ini juga untuk gelombang yang lainnya, seperti gelombang harmonisa yang ke lima juga terbentuk menjadi lima periode gelombang yang lebih kecil lagi amplitudonya saat gelombang harmonisa yang fundamental dari gelombang tersebut masih berlangsung dalam satu periode.

14 2.3.1 Karakteristik Beban [2] Alat-alat pemakaian tenaga listrik secara umum dapat dibagi dalam empat kelompok besar : penerangan, tenaga, pemanasan/pendingin dan elektronik. Data kelompok penerangan termasuk lampu-lampu pijar dan flouresen, neon, uap merkuri, uap sodium dan lampu metal halide. Beban Tenaga umumnya terdiri atas berbagai jenis motor listrik dan untuk beban pemanasan banyak terdapat pada industri sedangkan radio, televisi, sinar-x, peralatan laser, komputer, peralatan digital, penyearah, osilator dan alat-alat lampu yang dioperasikan dengan elektronik. Secara umum dalam sistem ketenagalistrikan, pemakaian tenaga listrik pada empat kelompok besar diatas tidak megkonsumsi tenaga listrik pada pada waktu yang bersamaan. Pemakaian beban untuk keperluan penerangan adalah yang paling sederhana, karena pada umumnya tenaga listrik hanya digunakan mulai pukul sampai dengan pukul Pemakaian beban untuk keperluan tenaga (industri kecil dan besar), umumnya bekerja 24 jam untuk industri besar dan industri kecil hanya bekerja pada siang hari saja. Sehingga untuk perubahan beban pada industri besar terjadi pada saat pagi saja, dan nilainya sangat kecil, selebihnya hampir kontiniu, sedangkan untuk industri kecil perubahan beban sangat mencolok antara siang dan malam. Pemakaian beban untuk daerah komersil dan untuk keperluan rumah tangga bervariasi. Beban puncak untuk keperluaan rumah tangga terjadi antara pukul sampai dengan pukul

15 2.3.2 Jenis Jenis Harmonisa [8] Harmonisa pertama disebut juga frekuensi dasar (fundamental). Jika frekuensi gelombang harmonisanya sama dengan dua kali frekuensi dasarnya maka disebut harmonisa kedua, jika frekuensi gelombang harmonisanya sama dengan tiga kali frekuensi fundamental maka disebut harmonisa ketiga dan seterusnya. Apabila frekuensi fundamental adalah 50 Hz maka harmonisa keduanya mempunyai frekuensi 100 Hz, harmonisa ketiganya mempunyai frekuensi 150 Hz, dan seterusnya. Perbandingan frekuensi harmonik dengan frekuensi dasar ini disebut dengan orde harmonik. Berdasarkan dari urutan/ordenya, harmonisa dapat dibedakan menjadi harmonisa ganjil dan harmonisa Genap. Sesuai dengan namanya harmonisa ganjil adalah harmonisa ke 1, 3, 5, 7, 9, dan seterusnya. Sedangkan harmonisa Genap merupakan harmonisa ke 2, 4, 6, 8 dan seterusnya. Namun harmonisa pertama tidak dapat dikatakan sebagai hamonisa ganjil, karena merupakan komponen frekuensi fundamental dari gelomabang periodik. Sedangkan harmonisa 0 (nol) mewakili konstanta atau komponen DC dari gelombang. Pada suatu sistem tenaga listrik tiga phasa yang seimbang diasumsikan mempunyai urutan phasa R,S,T (a,b,c), dimana besar arus dan tegangan pada setiap phasa selalu sama dan berbeda sudut 120 o listrik satu sama lain. Sehingga berdasarkan urutan phasanya, harmonisa dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu :

16 1. Harmonisa urutan Positif Harmonisa urutan positif ini mempunyai urutan phasa yang sama seperti fasor aslinya yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, dan saling berbeda phasa (R,S,T atau a,b,c). Gambar 2.5 menunjukkan fundamental fasor merupakan harmonisa urutan positif. Dimana harmonisa positif ini terdiri dari harmonisa ke-1, ke-4, ke-7, ke-10, dan seterusnya. I c1 Positive phase sequence I a1 I b1 Gambar 2.5 Fundamental Fasor 2. Harmonisa urutan Negatif Harmonisa urutan negatif memilki urutan phasa yang berlawanan dengan fasor aslinya yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, dan saling berbeda phasa (R,T,S atau a,c,b)seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6. Dimana harmonisa negatif ini terdiri dari harmonisa ke-2, ke- 5, ke-8, dan seterusnya.

17 I b5 Negative phase sequence I a5 I c5 Gambar 2.6 Fasor Harmonik Urutan Negatif 3. Harmonisa urutan Kosong/Nol (zero sequence) Harmonisa urutan Nol ini memiliki fasor yang sama besarnya dan sephasa satu sama lain (beda phasa satu sama lain 0 0 ), harmonisa ini juga biasa disebut triplen harmonics. Harmonisa urutan nol terdiri dari harmonisa ke- 3, ke-6, ke-9, dan seterusnya seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.7 sebagai berikut: Zero phase sequence I a3, I b3, I c3 Gambar 2.7 Fasor Harmonik Urutan Nol Dari jenis-jenis harmonisa berdasarkan urutan phasa diatas maka dapat disimpulkan dalam Tabel 2.4 sebagai berikut:

18 Tabel 2.4 Urutan Polaritas Harmonisa pada sistem tiga phasa Harmonisa Ke Frekuensi (Hz) Urutan Sumber Harmonisa Harmonisa bisa muncul dari beban-beban yang terhubung ke sistem distribusi. Beban-beban pada sistem tenaga listrik dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu beban linier dan beban non-linier yang akan dijelaskan sebagai berikut [7]: 1. Beban Linear. Beban linear adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluran yang linear, artinya arus yang mengalir sebanding dengan impendansi dan perubahan tegangan. Pada beban yang linear, bentuk gelombang arus akan mengikuti bentuk gelombang tegangannya. Kalau bentuk gelombang tegangan sumbernya sinusiodal, maka gelombang arus yang mengalir juga akan sinusoidal 2. Beban Non Linear. Baban non linear adalah bentuk gelombang keluarnanya tidak sebanding dengan tegangan dalam setengah siklus sehingga bentuk gelombang arus

19 maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukkannya (mengalami Distorsi). Dari dua macam beban diatas, yang paling mampu menjadi sumber Harmonisa adalah beban non linear. Hal ini disebabkan karena adanya komponen semikonduktor yang mana dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Selain itu harmonisa dapat juga ditimbulkan oleh peralatan penyearah khususnya peralatan yang menggunakan penyearah dioda dan thyristor. Dalam pemakaian konverter sebagai sumber daya listrik dapat membawa suatu kerugian pada jaringan listrik yang merusak bentuk gelombang tegangan dan arus bolak-balik sehingga tidak merupakan gelombang sinus murni. Peralatan-Peralatan yang dapat menjadi sumber harmonisa : Peralatan industri seperti: Mesin Las, UPS (Uninterruptible Power Suplies), Kontrol Kecepatan Kotor dan sebagainya. Perlengkapan kantor seperti: Komputer, Mesin Fotocopy, Mesin Fax, Air Conditioning Load, Elevator, Drive dan sebagainya. Perlengkapan rumah tangga seperti: Televisi, Microwave, Lampu dan sebagainya Indeks Harmonisa Dalam menganalisa harmonik terdapat beberapa indeks yang penting untuk menggambarkan efek dari harmonik pada komponen sistem tenaga.

20 Total Harmonic Distortion (THD) Total Harmonic Distortion (THD) didefenisikan sebagai persentase total komponen harmonik terhadap komponen fundamentalnya. Indeks ini digunakan untuk mengukur deviasi bentuk gelombang periodik yang mengandung harmonik dari gelombang sinus sempurna. Pada saat terjadi gelombang sinus sempurna maka nilai THD adalah nol. Berikut ini adalah rumus THD untuk tegangan dan arus [4]. THD untuk gelombang tegangan adalah : THD V = h=2 V 2 h V 1... (2.8) Dimana : V 1 = Harga rms tegangan fundamental V h = Harga rms tegangan harmonisa ke-h h = 2,3,4,5,... THD untuk gelombang arus adalah : THD I = h=2 I 2 h I 1... (2.9) Dimana : I 1 = Harga rms arus fundamental

21 I h = Harga arus harmonisa ke-h h = 2,3,4,5, Individual Harmonic Distortion (IHD) [8] Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah perbandingan antara nilai Root Mean Square (RMS) dari harmonic individual dengan nilai RMS fundamental. IHD ini berlaku untuk tegangan dan arus. IHD n = I h I 1... (2.10) Dimana : I n = Harga harmonisa ke-h I 1 = Harga rms arus fundamental h = 2,3,4,5,... Menurut standar Institute of Electronics Engineers (IEEE), IHD 1 akan selalu bernilai 100% Standar Harmonisa [9] Standar harmonisa yang digunakan adalah standar IEEE 519 IEEE Recommended Practices and Requiretment for harmonic Control in electric in Electrical Power System, ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa yaitu: batasan untuk harmonisa arus (%THD I ) dan batasan harmonisa tegangan (%THD V ).

22 %THD I adalah persentase jumlah total arus yang terdistorsi oleh harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. Untuk menentukan %THD I tergantung dari besarnya rasio dari Isc/IL. Isc adalah arus hubng singkat yang ada pada PCC (Point of Comman Coupling ) sedangkan IL adalah arus beban nominal. %THDV adalah persentase jumlah total tegangan yang terdistorsi oleh harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. %THD V ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai. Pada tabel 2.5 ditunjukkan batasan harmonisa arus berdasarkan IEEE 519, sedangkan tabel 2.6 menunjukkan batasan harmonisa tegangan. Tabel 2.5 Standar Distorsi Arus Untuk Sistem Distribusi Maximum harmonic current distortion in % IL Individual harmonic order (ODD harmonics) Isc/IL < h <17 17 h < h < 35 H 35 TDD < >

23 Tabel 2.6 Standar Distorsi Tegangan System voltage Maximum distortion (in %) Below 69 kv kv > 138 kv Individual harmonic Total harmonic