PENGARUH HARMONIK PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI Oleh : CRISTOF NAEK HALOMOAN TOBING 0404030245 Sistem Transmisi dan Distribusi DEPARTEMEN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2008
I. PENDAHULUAN PENGARUH HARMONIK PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI Kecenderungan penggunaan beban beban elektronik dalam jumlah besar dalam selang waktu kira kira duapuluh tahun terakhir pada saat ini telah menimbulkan masalah yang tidak terkirakan sebelumnya. Berbeda dengan beban beban listrik yang menarik arus sinusoidal (sebentuk dengan tegangan yang menyuplainya), beban beban elektronik menarik arus dengan bentuk nonsinusoidal, walaupun disuplai dari sumber tegangan sinusoidal. Beban yang memiliki sifat ini disebut sebagai beban nonlinier. Arus yang tidak berbentuk sinusoidal tersebut mengintrodusir komponen arus frekuensi tinggi yang terinjeksi ke jala jala, yang dikenal dengan nama arus harmonik (karena itu fenomena ini seringkali disebut dengan polusi harmonik). Arus harmonik ini ternyata menimbulkan sangat banyak implikasi negatif, baik bagi pelanggan maupun power provider. Kerugian akibat harmonisa mencakup aspek teknis, biaya dan keandalan. II. Fenomena Harmonik Sistem tenaga listrik dirancang untuk beroperasi pada frekuensi 50 atau 60Hz. Akan tetapi pada aplikasinya beberapa beban menyebabkan munculnya arus/ tegangan yang frekuensinya merupakan kelipatan 50/60Hz. Frekuensi 50/60Hz disebut dengan frekuensi fundamental dan kelipatannya disebut frekuensi harmonik atau harmonik saja, seperti ditunjukkan pada tabel 1. Dalam prakteknya keberadaan harmonik ini membawa kerugian pada berbagai alat, salah satunya adalah transformator distribusi, harmonik adalah gejala pembentukan gelombang gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan
perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya. Hal ini disebut frekuensi harmonik yang timbul pada bentuk gelombang aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan harmonik. Misalnya, frekuensi dasar suatu sistem tenaga listrik adalah 50Hz, maka harmonik keduanya adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 100Hz, harmonik ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 150Hz dan seterusnya. Gelombang gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang harmoniknya. Harmonik urutan genap biasanya memiliki rms yang lebih kecil dibandingkan harmonik urutan ganjil. Jumlah antara frekuensi fundamental dan kelipatannya, akan menyebabkan frekuensi fundamental tidak lagi berbentuk sinus murni, tetapi mengalami distorsi. Gambar 1 menunjukkan sebuah gelombang sinus yang terdistorsi akibat adanya hamonik pertama, ketiga, dan kelima. Nampak bahwa bentuk gelombang berubah sama sekali dari bentuk sebuah gelombang sinus. Hal ini akan menyebabkan perubahan pada nilai besaran besaran gelombang tersebut (misalnya nilai rms). Fenomena harmonik pada sistem tenaga listrik pertama kali diteliti oleh Steinmetz pada tahun 1916 (Grady 2002). Dia memberi perhatian pada harmonic ketiga yang munculpada sistem 3 fase. Kemunculan harmonik ketiga tersbut disebabkan oleh kejenuhan inti besi pada trafo dan mesin listrik. Sekitar tahun 1930 1940 masalah harmonik ketiga ini dapat diatas dengan baik. Pada era sekarang, penyebab munculnya harmonik sebagian besar adalah elektronika daya.
Rangkaian elektronika daya digunakan secara luas pada Switching Power Supplies, UPS, komputer, printer, lampu fluorescent yang menggunakan elektronik ballast, kendali kecepatan motor, motor induksi, batere charge, proses eletroplating, dll. Elektronika daya digunakan banyak pihak karena efisien dan mudah dikendalikan. Akan tetapi elektronika daya menarik arus AC non sinusoidal dari sumber AC. Bila arus ini bereaksi dengan impedansi sistem maka akan membangkitkan tegangan/arus harmonik. Tidak sebagaimana fenomena transient yang hilang dalam beberapa mikro detik atau fenomena voltage sag yang hilang pada beberapa milidetik, harmonik merupakan kejadian yang berlangsung periodis dan berbentuk steady state (Dugan, 1996). Kemunculan harmonik secara terus menerus akan menyebabkan distorsi pada gelombang sinus tegangan/arus. Sumber Harmonik pada Sistem Distribusi Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non linier. 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 non linier yang umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor, dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter komponen semi konduktor dalam peralatan elektronik. Perubahan bentuk gelombang ini tidak terkait dengan sumber tegangannya. Pengaruh Harmonik pada Komponen Sistem Distribusi 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 (lihat Tabel 1). Harmonik ini tidak menghilangkan arus netral tetapi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus phasa. Harmonik pertama urutan polaritasnya adalah positif, harmonik kedua urutan polaritasnya adalah negatif dan harmonik ketiga urutan polaritasnya adalah nol, harmonik keempat adalah positif (berulang berurutan sampai seterusnya). Akibat yang dapat ditimbulkan oleh urutan polaritas komponen harmonik (lihat Tabel 2) 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. Selain itu, ada beberapa akibat yang dapat ditimbulkan oleh adanya harmonik dalam sistem tenaga listrik, antara lain: 1. Timbulnya getaran mekanis pada panel listrik yang merupakan getaran resonansi mekanis akibat harmonik arus frekuensi tinggi, 2. Harmonik dapat menimbulkan tambahan torsi pada kwh meter jenis elektromekanis yang menggunakan piringan induksi berputar. Sebagai akibatnya, puratan piringan akan lebih cepat atau terjadi kesalahan ukur kwh meter karena piringan induksi tersebut dirancang hanya untuk beroperasi pada frekuensi dasar, 3. Interferensi frekunsi pada sistem telekomunikasi karena biasanya kabel untuk keperluan telekomunikasi ditempatkan berdekatan dengan kawat netral. Triplen harmonik pada kawat netral dapat memberikan induksi harmonik yang mengganggu sistem telekomunikasi, 4. Pemutusan beban. Pemutus beban dapat bekerja dibawah arus pengenalnya atau mungkin tidak bekerja pada arus pengenal. Pemutus beban yang dapat terhindar dari gangguan harmonik pada umumnya adalah pemutus beban yang mempunyai respon terhadap arus rms sebenarnya (true rms current) atau kenaikan temperatur karena arus lebih. Identifikasi Harmonik Untuk mengidentifikasi kehadiran harmonik pada sistem distribusi, dapat diketahui melalui langkah langkah sebagai berikut: 1. Identifikasi Jenis Beban Jenis beban yang dipasok, misalnya peralatan apa yang dipakai oleh konsumen. Bila banyaknya peralatan yang mempunyai komponen utama terbuat dari bahan semikonduktor seperti komputer dan alat bantunya, pengatur kecepatan motor, atau peralatan lain yang menggunakan arus searah maka dapat diperkirakan masalah harmonik ada diintalasi konsumen tersebut. 2. Pemeriksaan Transformator Untuk transformator yang memasok beban non linier apakah ada kenaikan temperaturnya tidak normal. Arus sekunder transformator baik phase maupun
netral perlu dilihat. Bandingkan arus netralnya dengan arus phase pada keadaan beban tidak seimbang. Apabila arus netralnya lebih besar maka dapat diperkirakan adanya trilen harmonik dan kemungkinan turunnya kinerja transformator. 3. Pemeriksaan Tegangan Netral Tanah Terjadinya arus lebih pada kawat netral (untuk sistem 3 phase dan 4 kawat) dapat diktahui dengan melihat tegangan netral tanah pada keadaan berbeban. Apabila tegangan yang terukur lebih besar dari 2 Volt maka terdapat indikasi adanya masalah harmonik pada beban tersebut. Apabila indikasi indikasi adanya harmonik telah diketahui maka perlu dilakukan langkah langkah untuk mengatasi masalah gangguan harmonik antara lain dengan mengetahui harmonik untuk menentukan harmonik harmonik yang dominan dan sumber utamanya. Usaha usaha Untuk Mengurangi Harmonik Ada beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi pengaruh harmonik pada sistem distribusi antara lain: 1. Memperbesar Kawat Netral Setiap sistem distribusi biasanya memakai sistem 3 phase empat kawat, yaitu 3 kawat untuk ketiga phase dan 1 kawat lagi untuk netral. Apabila beban yang dipasok non linier sehingga pengaruh harmonik lebih dominan maka untuk mengatasi panas lebih pada kawat netral akibat pengaruh harmonik sebaiknya ukuran kawat netral diperbesar dari ukuran standarnya. Begitu juga pada panelpanel listrik disarankan kawat netral untuk sistem pentanahannya diperbesar dari ukuran standarnya. 2. Menurunkan Kapasitas Transformator Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi pengaruh harmonik pada sistem distribusi adalah dengan mengurangi kapasitas suplai daya transformator (derating fransformator). Dalam menentukan besarnya pengurangan kapasitas transformator ada metode sederhana yang dapat dipergunakan yaitu dengan memakai persamaan sebagai berikut: KVA baru = THDF x KVA pengenal...persamaan (1) di mana THDF adalah Transformator Harmonic Derating Factor, THDF = [1,414 x (arus phase rms) / (arus puncak phase sesaat)] x 100% = [(1,414 x 1/3 x (Ir + Is + It)rms / 1/3 x (Ir + Is + It)puncak] x 100%
3. Penyearah PWM Berbeda dengan penyearah konvensional yang menarik arus berupa pulsa pulsa pendek dengan amplituda tinggi (penyearah dioda dengan kapasitor perata) ataupun berupa pulsa pulsa gelombang persegi (penyearah thyristor atau dioda dengan perata arus atau beban induktif), penyearah dengan teknik modulasi lebar pulsa menarik arus dengan bentuk yang mendekati sinusoidal sempurna. Selain itu, arus yang ditarik juga sefasa dengan tegangan sumbernya. Dengan demikian penyearah dapat dimodelkan sebagai beban resistif, sehingga untuk apapun jenis bebannya, penyearah tidak membutuhkan kapasitor perbaikan faktor daya. Ada terdapat beberapa topologi dasar penyearah PWM, salahsatunya adalah penyearah dengan topologi dasar boost (Kazerani et.al., 1991), yang diperlihatkan pada gambar 2. L D i s ~ V s V 1 C beban Q - + I 1 (a) topologi rangkaian daya V 1 + - comp Q I 1 (b) topologi kontrol Gambar 2. Penyearah PWM dengan topologi boost Dalam rangkaian ini, arus sumber digunakan sebagai sinyal umpan balik, sementara tegangan berperan sebagai nilai referensi. Dengan cara seperti ini, maka bentuk arus sumber akan dipaksa sama dengan bentuk tegangan. Apabila bentuk tegangan masukan sinusoidal, maka bentuk arus juga akan sinusoidal. Akibat proses switching yang terjadi, arus akan memiliki komponen komponen frekuensi tinggi di sekitar frekuensi switchingnya. Komponen komponen frekuensi tinggi ini dapat dengan mudah dihilangkan dengan filter frekuensi tinggi sederhana. Pada gambar 2(a) dan 2(b) diperlihatkan simulasi arus dan tegangan masukan serta spektrum frekuensi arus masukan. Tampak bahwa arus telah sangat mendekati bentuk sinusoidal serta sefasa dengan tegangan.
4. Transformator Penggeser Fasa (Penyearah Polifasa) Penggunaan transformator penggeser fasa pada aplikasi penyearah polifasa merupakan salah satu cara yang ampuh dalam meminimisasi harmonisa yang dibangkitkan oleh penyearah tersebut. Metoda ini mengubah sistem tiga fasa menjadi sistem dengan fasa banyak; enam, sembilan atau duabelas fasa. Ada banyak konfigurasi penggeser fasa yang dapat digunakan. Secara umum semakin banyak fasa yang digunakan dalam penyearahan, semakin rendah kandungan harmonisa yang dibangkitkan. Contoh topologi transformator penggeser fasa dari sistem tiga menjadi enam fasa diperlihatkan pada gambar 3-phase line voltage R S T T T" S' T' 15 o 15 o phase winding R' S' T' R" zag winding R zig winding R' R" S" T" interphase reactor C interphase reactor dc load voltage current S S" (a) Gambar 3. pulsa dengan transformator penggeser fasa (b) profil tegangan dan arus Pada gambar diperlihatkan arus yang ditarik dari jala jala sudah lebih mendekati bentuk sinusoidal, sehingga kandungan harmonisanya relatif rendah. Bandingkan dengan gambar 4. tegangan arus Gambar 4. Tegangan dan arus penyearah tiga fasa tak terkendali
III. Kesimpulan Seberapa level harmonik (misal THD) yang diijinkan menjadi penting untuk diketahui sehingga Transformator distribusi bisa awet tanpa banyak menambah komponen penapis harmonik tambahan, memperbesar kawat tanah dan menurunkan kapasitas Transformator. Untuk itu penelitian lebih lanjut perlu dilakukan untuk mengetahui level yang diijinkan pada sebuah Transformator distribusi pada kondisi kondisi tertentu. Kemajuan teknologi, yang ditandai dengan luasnya penggunaan peralatan elektronik, menyimpan masalah harmonisa yang ternyata dapat merugikan terhadap semua pihak. Kerugian mencakup gangguan dan kegagalan operasi, penurunan keandalan, peningkatan rugi rugi dan penurunan efisiensi, penurunan kapasitas layanan, tagihan yang hilang dan biaya yang terbuang percuma. Beberapa solusi teknis dan solusi kebijaksanaan yang mungkin diambil, masih membutuhkan penelaahan lebih lanjut untuk memperhitungkan konsekuensi untung ruginya. IV. Referensi: [1] Z.H Wang, X.G. Yin, et al, Pseudo parallel Genetic Algorithm for Reactive Power Optimization, IEEE Trans. on Power System, 2003 [2] Momoh, J,A., El Hawary ME, Adapa, R.A., A review of selected optimal power flow literature to 1993, part I: Nonlinear and Quadratic Programming Approaches, IEEE Trans Power System, 14(1), pp 96 104, 1999 http://www.elektroindonesia.com