PENGARUH ARUS NETRAL TERHADAP RUGI-RUGI BEBAN PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI PLN RAYON JOHOR MEDAN Rendy F Sibarani, Ir. Syamsul Amien, MS Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA Email: rendyfsibarani@gmail.com Abstrak Kebutuhan rumah tangga pada jaringan tegangan rendah memanfaatkan tenaga listrik satu phasa. Sehingga sering sekali pembebanan pada transformator banyak dijumpai tidak seimbang/merata. Akibat ketidakseimbangan tersebut adalah mengalirnya arus pada kawat netral atau disebut arus netral. Disisi lain pemakaian beban non linier seperti peralatab elektronik oleh kebutuhan rumah tangga memberikan andil terhadap tingginya arus netral. Hal ini terjadi pada beban non linier akan muncul arus urutan nol yang memicu keluarnya arus netral atau harmonisa pada netral transformator. Arus netral ini akan mengakibatkan panas. Panas tersebut merupakan rugi-rugi yang seharusnya tidak terjadi. Pada tulisan ini dibahas mengenai pengaruh arus netral terhadap rugi-rugi beban transformator. Berdasarkan hasil pengukuran diperoleh ketidakseimbangan beban pada Trafo JH128-2 dan Trafo JH129-2 yaitu 12,66% dan 21,9% pada siang hari dan 18,89% dan 27,9% pada malam hari. Semakin besar ketidakseimbangan beban maka makin besar juga rugi-ruginya, ini dilihat dari hasil pengukuran pada siang harinya yaitu 0,63% dan 0,98%, pada malam harinya 2,53% dan 2,47%. Dan hasil pengukuran yang lain bahwa harmonisa arus tidak melebihi standar yang ditetapkan IEEE 519 (8%) dan harmonisa tegangan tidak melebihi standar yang ditetapkan IEEE 519 (5%) pada Trafo JH128-2 dan Trafo JH129-2. Adanya harmonisa terhadap netral pada Trafo JH128-2 dan Trafo JH129-2 mendekati total arus urutan nol masing-masing phasa dan arus ketiga phasa 38,3 A dan 38,2 A; dan 21,97 dan 22,62. Dari analisa harmonisa terhadap rugi-rugi pada Trafo JH128-2 dan TrafoJH129-2 relatif kecil dan dapat dikatakan pemakaian beban non linier oleh konsumen relatif sedikit juga. Kata kunci: arus netral, beban non linier, harmonisa, rugi-rugi 1. Pendahuluan Perkembangan pembangunan di segala bidang menuntut PLN selaku penyedia listrik di tanah air untuk dapat memenuhi ketersediaan listrik di tanah air dan melakukan efisiensi di segala sektor pembangunan. Salah satu langkah efisiensi yang dilakukan oleh PLN adalah menekan rugi-rugi seminimal mungkin, baik rugi-rugi teknis maupun non teknis agar dapat memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik. Namun dalam pemenuhan kebutuhan listrik tersebut, sering terjadi pembagian beban oleh Transformator Distribusi yang tidak merata/seimbang dan pemakaian beban non linier seperti peralatan elektronik oleh konsumen memberikan andil terhadap tingginya arus netral. Arus netral ini menyebabkan panas. Panas tersebut merupakan rugi-rugi secara teknis. Oleh karena itu, diperlukan suatu analisa yang memberikan hasil seberapa besar pengaruh arus netral terhadap rugi-rugi beban terhadap Transformator Distribusi dan hasil tersebut dapat diketahui oleh penulis dan pembaca. 2. Tinjauan Pustaka 1.1 Trafo Distribusi[1] Transformator distribusi merupakan alat yang memegan peran penting dalas sistem distribusi. Transformator distribusi mengubah tegangan menengah menjadi tegangan rendah. Transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator step-down 20kV/400V. Tegangan phasa ke phasa sistem jaringan tegangan rendah adalah 380V. Karena terjadi drop tegangan pada rak tegangan rendah dibuat di atas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V[1]. 1.2 Rugi-Rugi Transformator Rugi-rugi pada transformator dapat diklasifikasikan atas rugi-rugi primer, rugi-rugi sekunder dan rugi-rugi inti (besi). Rugi-rugi primer dan sekunder adalah rugi-rugi I 2 R daya nyata dalam watt. Rugi-rugi ini diakibatkan resistansi dari masing-masing belitan primer dan sekunder. Apabila transformator tidak 49 copyright@ DTE FT USU
dibebani, maka rugi-rugi daya pada sekunder adalah nol. Pada Gambar 1 dapat dilihat blok diagram rugi-rugi yang ada pada transformator[2]. Rugi Tembaga Rugi Besi Rugi Hysteresis Rugi Eddy Current Rugi Tembaga Sumber Kumparan Primer Fluks Bersama Kumparan Sekunder Output Rugi Fluks Bocor Rugi Fluks Bocor Gambar 1. Blok Diagram Rugi-Rugi Pada Transformator 1.2.1 Rugi Tembaga (P Cu) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut : P Cu = I 2 R (watt) (1) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. 1.2.2 Rugi Besi (Pi) Rugi inti atau rugi besi pada transformator juga adalah rugi dalam watt. Rugi inti pada transformator terdiri atas dua bagian, yaitu rugi hysteresis dan eddy current. Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan oleh fluks bolak-balik pada inti besi, sedangkan rugi eddy current, yaitu rugi yang disebabkan oleh arus pusar pada inti besi. 1.3 Arus Netral Arus netral dalam sistem distribusi tenagan listrik dikenal sebagai arus yang mengalir pada kawat netral di sistem distribusi tegangan rendah tiga phasa empat kawat. Arus yang mengalir pada kawat netralyang merupakan arus balik untuk sistem distribusi tiga phasa empat kawat adalah penjumahan vektor dari ketiga arus phasa dalam komponen simetris. Arus netral ini akan muncul jika kondisi beban yang tidak seimbang dan kondisi adanya arus harmonisa akibat beban non linier yang semakin berkembang digunakan saat ini. 1.3.1 Arus Netral Karena Beban Tidak Seimbang Dalam sistem tiga phasa empat kawat ini jumlah arus saluran sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral, jadi: I A + I B + I C = I N (2) Jika arus-arus phasa seimbang maka arus netral akan bernilai nol, tetapi jika arus-arus phasa tidak seimbang akibat pembebanan tidak seimbang, maka aka nada arus yang mengalir di kawat netral sistem (Arus netral akan mempunyai nilai dalam arti tidak nol) [3]. 1.3.2 Arus Netral Karean Adanya Harmonisa Arus netral muncul karena adanya harmonisa, yaitu berupa cacat gelombang sinus sistem dengan gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer (bilangan bulat) dari frekuensi fundamentalnya (di Indonesia aadalah 50Hz). Oleh sebab itu, semakin tinggi tingkatan harmonisanya, maka semakin tinggi frekuensinya. Harmonisa bisa muncul akibat adanya beban non linier yang terhubung ke sistem distribusi. Pada Gambar 2 terlihat bentuk gelombang harmonisa ketiga dengan fundamentalnya sehingga menghasilkan bentuk gelombang penjumlahannya[4]. Gambar 2. Hasil penjumlahan gelombang fundamental dengan harmonisa ketiga Standar harmonisa yang digunakan adalah standar IEEE 519 IEEE Recomanded Practices and Requiretment for harmonic Control in electric in Electrical Power System. Pada Tabel 1 ditunjukkan batasan harmonisa arus, sedangkan Tabel 2 menunjukkan batasan harmonisa tegangan berdasarkan IEEE 519[5]. Tabel 1. Standar distorsi arus IEEE 519 Individual harmonic order (ODD harmonics) I SC/I L <11 11 17 23 35 THD h<1 7 h< 23 h< 35 < 20 4 2 1.5 0.6 0.3 5 20-50 7 3.5 2.5 1 0.5 8 50-100 10 4.5 4 1.5 0.7 12 100-1000 12 5 5 2 1 15 >1000 15 7 6 2.5 1.4 20 50 copyright@ DTE FT USU
Tabel 2. Standar distorsi tegangan IEEE 519 System Voltage Maximum Below 68- >138 Distortion (in 69 kv 138 kv %) kv Individual Harmonic 3.0 1.5 1.0 Total Harmonic 5.0 2.5 1.5 Pengaruh harmonik pada transformator sering tanpa disadari dan tidak diantisipasi keberadaannya sampai terjadi gangguan yang penyebabnya tidak jelas. Frekuensi harmonik yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadi rugi-rugi daya[6]. 2. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan di wilayah sekitar Johor Medan dengan mengambil sampel dua (2) transformator distribusi (JH128-2 dan JH129-2) pada tanggal 8 Desember 2014 untuk mengukur ketidakseimbangan beban dan kandungan harmonisa. Untuk pengukuran arus netral diakibatkan beban tidak seimbang dilakukan pada siang hari (pukul 12.00-14.00 WIB) dan malam hari (pukul 18.00-19.00 WIB). Sedangkan pengukuran arus netral karena harmonisa diakibatkan beban-beban non linier dilakukan pada malam hari (pukul 18.00-19.00 WIB). Alat ukur yang digunakan adalah tang amper meter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3. Tang amper meter Penelitian ini dilakukan dengan mengambil data hanya berupa arus pada tiap phasa, arus kandungan harmonisa, tegangan, impedansi, dan cos φ seperti yang diperliharkan pada Gambar 4. Gambar 4. Pengamatan pengukuran beban, arus dan tegangan transformator distribusi JH128-2 Langkah-langkah yang digunakan untuk mengolah data[1,2,7] : 1. Menghitung arus beban penuh (I FL) dan arus hubung singkat (I SC). I FL = (3) S = daya trafo (kva) V = tegangan pada sisi sekunder (kv). I SC = (4) % %Z = persen impedansi trafo 2. Menghitung pembebanan trafo % Pembebanan = x 100% (5) I PHASA= arus phasa (A) 3. Menghitung ketidakseimbangan pada trafo distribusi I RATA-RATA = (6) dimana arus phasa dalam keadaan seimbang (I) sama dengan arus rata-rata, maka koefsien a, b dan c diperoleh : a =, b =, c = (7) Pada keadaan seimbang besarnya koefisien a, b dan c adalah 1, maka rata-rata ketidakseimbangan beban dalam adalah = { } x 100% (8) 4. Menghitung rugi-rugi akibat beban tidak seimbang P 2 = I N R N (9) I N = arus netral (A) R N = tahanan pada kawat netral (ohm) 51 copyright@ DTE FT USU
5. Menghitung THD (Total Harmonic Distortion) pada trafo distribusi Untuk menganalisa THD ini, dipakai standar IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. 6. Menghitung pengaruh harmonisa pada kawat netral trafo THD arus urutan nol = + + +. (10) THD = Total Harmonic Distortion IHD = Individual Harmonic Distortion Dan besar arus urutan nol masing-masing phasa adalah I urutan nol = THD arus urutan nol x Arus beban phasa (11) 7. Menghitung pengaruh harmonisa terhadap rugi-rugi beban P LL = I + I xh P EC-R (p.u) (12) P EC-R = faktor eddy current loss h = angka harmonisa I h = arus harmonisa 3. Hasil dan Analisis Dari hasil pengukuran yang dilakukan, maka dapat diperoleh data sebagai berikut: 1. Trafo JH128-2 Daya : 250 kva Teg Kerja : 20 kv//400 V Impedansi : 4% Data-data pada trafo dilihat pada Tabel 3 dan Tabel 4. Tabel 3. Data pembebanan trafo distribusi JH128-2 pada siang hari LWBP Siang hari UTARA SELATAN R 111 73 S 117 70 T 100 44 N 17 29 Tabel 4. Data pembebanan trafo distribusi JH128-2 pada malam hari WBP Malam hari UTARA SELATAN R 139 87 S 153 81 T 108 44 N 45 45 2. Trafo JH129-2 Daya : 160 kva Teg Kerja : 20 kv//400 V Impedansi : 4% Data-data pada trafo dilihat pada Tabel 5 dan Tabel 6. Tabel 5. Data pembebanan trafo distribusi JH129-2 pada siang hari LWBP Siang hari TIMU R 1 TIMU R 2 BARA T 1 BARA T 2 R 27 18 14 20 S 17 20 26 20 T 9 15 19 12 N 18 13 27 8 Tabel 6. Data pembebanan trafo distribusi JH129-2 pada malam hari WBP Malam hari TIMUR 1 TIMUR 2 BARAT 1 BARAT 2 R 27 51 27 31 S 43 37 46 32 T 3 35 35 20 N 38 17 19 12 Persamaan yang digunakan untuk menghitung adalah persamaan 3-9.Dari Tabel 7 dapat dilihat bahwa semakin besar ketidakseimbangan besar maka semakin besar juga rugi-rugi yang dihasilkan oleh trafo itu sendiri. Tabel 7. Hasil perhitungan ketidakseimbangan dan rugi-rugi kedua trafo Kode Trafo Wakt u Ketidakseimban gan beban PN (kw PN JH12 8-2 JH12 9-2 ) Siang 12,66 1,01 6 Mala 18,89 3,69 m 8 Siang 21,9 1,26 7 Mala 27,90 2,32 m 3 0,4 8 1,7 4 0,9 8 1,8 1 Dari Tabel 8, kandungan harmonisa tegangan dan arus tidak melebihi standar IEEE 519 (harmonisa tegangan 5% dan harmonisa arus 8%). 52 copyright@ DTE FT USU
Phas a Tabel 8. Data harmonisa trafo JH128-2 Aru Teganga cos THD s n Volt φ V (A) THD I R 224,4 226 0,85 1,3 6,66 S 224,4 234 0,85 1,4 6,80 T 224,4 152 0,85 1,1 5,95 Dari Tabel 9 digunakan untuk menghitung arus urutan nol pada Tabel 10. Tabel 9. Data kandungan harmonisa arus trafo JH128-2 Phasa R S T N I N = 82 A THD = 46,99 % Urutan Harmonisa IHD Arus (A) Urutan Polaritas 3 6,19 14 Nol 9 1,76 4 Nol 15 0,44 1 Nol 3 6,41 15 Nol 9 1,28 3 Nol 15 0,42 1 Nol 3 5,26 8 Nol 9 1,77 2,7 Nol 15 0,46 0,7 Nol 3 46,34 25 Nol 9 4,63 3,8 Nol 15 1,43 1,2 Nol persamaan 10 dan persamaan 11.Dari Tabel 10 terlihat bahwa total arus harmonisa urutan nol pada masing-masing phasa adalah 38,30 A. Nilai ini mendekati arus urutan nol pada netralnya yaitu 38,2 A. Tabel 10. Pengaruh harmonisa terhadap netral trafo JH128-2 Phasa I URUTAN THD Arus Urutan Nol NOL (A) R 14,55 6,44 S 15,30 6,54 T 8,45 5,56 Netral 38,20 46,59 persamaan 12. Dari Tabel 11 terlihat adanya komponen harmonisa menyebabkan rugi-rugi I 2 R dan rugi eddy current pada masing-masing phasa bertambah. rugi-rugi I 2 R pada phasa R sebesar 0,085%, pada phasa S sebesar 0,08% dan pada phasa T sebesar 0,157%. rugi eddy current pada phasa R sebesar 0,017%, pada phasa S sebesar 0,001% dan phasa T sebesar 0,043%. Tabel 11. Perhitungan rugi-rugi beban pada tiap phasa trafo JH128-2 Phasa P LL I 2 R eddy current R 1,011028 0,000857 0,00017121 S 1,010081 0,000806 0,00001083 T 1,012010 0,001576 0,00043472 Dari Tabel 12, kandungan harmonisa tegangan dan arus tidak melebihi standar IEEE 519 (harmonisa tegangan 5% dan harmonisa arus 8%). Phasa Tabel 12. Data harmonisa trafo JH129-2 Tegangan Volt Arus (A) cos φ THD V THD I R 235,8 136 0,8 2,1 6,54 S 235,8 158 0,8 2,4 5,02 T 235,8 93 0,8 1,8 6,63 Dari Tabel 13 digunakan untuk menghitung arus urutan nol pada Tabel 14. Tabel 13. Data kandungan harmonisa arus trafo JH129-2 Phasa Urutan IHD Arus Urutan Harmonisa (A) Polaritas 3 6,10 8,03 Nol R 9 1,69 2,3 Nol 15 0,15 0,2 Nol 3 4,43 7,9 Nol S 9 1,26 2,0 Nol 15 0,13 0,2 Nol 3 6,13 5,7 Nol T 9 2,04 1,9 Nol N I N = 65 A THD = 37,99 % 15 0,53 0,5 Nol 3 26,24 17,6 Nol 9 21,07 13,7 Nol 15 9,07 5,9 Nol persamaan 10 dan persamaan 11.Dari Tabel 14 terlihat bahwa total arus harmonisa urutan nol pada masing-masing phasa adalah 21,97 A. Nilai ini mendekati arus urutan nol pada netralnya yaitu 22,62 A. Tabel 14. Pengaruh harmonisa terhadap netral trafo JH129-2 I Phasa URUTAN THD Arus Urutan Nol NOL (A) R 8,60 6,33 S 7,42 4,71 T 5,95 6,48 Netral 22,62 34,85 53 copyright@ DTE FT USU
persamaan 12. Dari Tabel 15 terlihat adanya komponen harmonisa menyebabkan rugi-rugi I 2 R dan rugi eddy current pada masing-masing phasa bertambah. rugi-rugi I 2 R pada phasa R sebesar 0,22%, pada phasa S sebesar 0,09% dan pada phasa T sebesar 0,49%. rugi eddy current pada phasa R sebesar 0,03%, pada phasa S sebesar 0,01% dan phasa T sebesar 0,06%. Tabel 15. Perhitungan rugi-rugi beban pada tiap phasa trafo JH129-2 Phasa P LL I 2 R eddy current R 1,012571 0,002206 0,00036566 S 1,011001 0,000984 0,00017585 T 1,015586 0,004903 0,00068375 4. Kesimpulan Dari hasil analisa data yang diperoleh dari percobaan yang dilakukan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Ketidakseimbangan beban pada trafo JH128-2 dan trafo JH129-2 yaitu sebesar 12,66% dan 21,9% pada siang hari dan 18,89% dan 27,90% pada malam hari. 2. Semakin besar ketidakseimbangan beban maka semakin besar juga rugi-ruginya, ini dilihat dari hasil pengukuran pada siang hari yaitu 0,63% dan 0,98%, pada malam hari yaitu 2,53% dan 2,47%. 3. Harmonisa arus dan tegangan pada trafo JH128-2 dan trafo JH129-2 tidak melebihi standar IEEE 519 (harmonisa tegangan 5% dan harmonisa arus 8%). 4. Adanya harmonisa terhadap netralnya, pada trafo JH128-2 mendekati total arus urutan nol masing-masing phasa dan arus ketiga phasa yaitu 38,3 A dan 38,2 A, sedangkan pada trafo JH129-2 mendekati total arus urutan nol masing-masing phasa dan arus ketiga phasa yaitu 21,97 A dan 22,62 A. 5. Pada kedua trafo, urutan harmonisa ganjil yang diperoleh urutan harmonisa ketiga yang merupakan harmonisa yang dominan dan diikuti dengan harmonisa kelima, ketujuh, dan seterusnya dengan nilai harmonisa yang semakin mengecil. 6. Harmonisa yang terjadi pada masingmasing fasa pada kedua trafo mempengaruhi rugi-rugi daya, dimana pertambahan rugi I 2 R yang lebih besar dibandingkan pertambahan rugi eddy current. 7. rugi I 2 R dan rugi eddy current yang relatif kecil pada kedua trafo, dapat dikatakan bahwa pemakaian beban non linier oleh konsumen relatif kecil. 5. Daftar Pustaka [1] Nainggolan, Elis Pahala, Studi Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses Pada Transformator Distribusi Studi Kasus: T. PLN (Persero) Cabang Medan, Rayon Medan Kota, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2010. [2] Poerba, Ade Dodiputera, Pengaruh Harmonisa Terhadap Rugi-Rugi Pada Trafo Tiang Daya 160 kva Aplikasi: PT. PLN (Persero) Cabang Medan, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2009. [3] Stevenson, Jr,William D, Analisis Sistem Tenaga Listrik, Edisi Keempat, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1983. [4] Chapman S.J, Electric Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGaw-Hill Book Company, 2005. [5] Kadir, Abdul, Distribusi Dan Utilisasi tenaga Listrik, Universitas Indonesia, Jakarta,2000. [6] Hasugian, Hotbe, Analisis Pengaruh Harmonisa Terhadap Panas Pada Belitan Transformator Distribusi, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2013. [7] Peranginangin, Roy Hakim, Studi Analisis Pengaruh Harmonisa Terhadap Transformator Distribusi Aplikasi: PT. PLN (Persero) Cabang Medan, Rayon Medan Kota, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2009. 54 copyright@ DTE FT USU