BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sistem distribusi tiga fasa empat kawat sudah secara luas digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik pada tegangan rendah, terutama untuk melayani bebanbeban satu fasa yang dipasang antara fasa dan netral. Pada sistem distribusi ini arus pada konduktor netral merupakan penjumlahan vektor dari ketiga arus fasa. Dengan beban-beban linear yang seimbang di mana arus pada masing-masing fasa mempunyai perbedaan fasa sebesar 120 0 maka tidak ada arus netral. Pada kebanyakan sistem distribusi tenaga yang mensuplai beban-beban satu fasa besar kemungkinan terjadi ketidakseimbangan beban sehingga menimbulkan arus netral yang umumnya tidak lebih dari 20 persen dari arus beban normal pada konduktor fasa [1]. Ada kondisi dimana meskipun benar-benar seimbang, beban-beban satu fasa itu dapat menghasilkan arus netral yang cukup signifikan. Beban-beban non linear seperti penyearah, power supply, lampu fluorescent, komputer dan sebagainya menghasilkan arus harmonisa. Arus harmonisa merupakan hasil penjumlahan dari arus dengan frekuensi fundamental dan arus dengan frekuensi kelipatan bilangan bulat frekuensi fundamental. Jumlah vektor dari arus tiga fasa yang seimbang tapi mengandung harmonisa tidak sama dengan nol. 1
Besarnya arus netral yang terdapat pada sistem-sistem yang mempunyai beban-beban nonlinear dapat menjadi sangat besar yakni berkisar antara 60 sampai dengan 80 persen dari nilai arus fasa [1]. Bahkan berdasarkan hasil survei pada instalasi-instalasi dengan beban komputer di Amerika menunjukkan bahwa 22,6 % mempunyai arus netral yang melebihi arus fasa beban penuh [2]. Ballast induktif yang terdapat pada lampu fluorescent juga menimbulkan harmonisa yang cukup berarti pada konduktor netral, sehingga dapat menimbulkan kebakaran akibat beban lebih pada konduktor netral seperti yang dilaporkan oleh Liew [1]. Beban nonlinear tiga fasa tiga kawat membangkitkan arus harmonisa urutan positif dan negatif. Arus harmonisa ini dapat mengakibatkan terjadinya resonansi, distorsi tegangan, panas yang berlebihan, meningkatkan rugi-rugi daya, kegagalan pemakaian alat, kerusakan prematur dari perlengkapan listrik, dan lain-lain [3]. Beban nonlinear satu fasa yang umumnya dihubungkan antara konduktor fasa dan konduktor netral, menimbulkan arus harmonisa urutan nol yaitu harmonisa orde ke 3, 9, 15, 21 yang disebut juga sebagai harmonisa triplen. Arus harmonisa urutan nol yang dihasilkan oleh beban satu fasa dijumlahkan secara aljabar pada konduktor netral dan besarnya dapat mencapai sampai tiga kali lebih tinggi dibandingkan arus harmonisa urutan nol yang terdapat pada fasanya. Arus harmonisa urutan nol, juga menimbulkan masalah yang khas seperti yang ditemui pada arus harmonisa urutan positif dan negatif, dapat mengakibatkan konduktor netral mengalami beban lebih, terjadinya tegangan netral ke tanah, memperbesar distorsi tegangan fasa, dan pemanasan yang berlebihan pada transformator [3].
Berbagai penelitian untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol di dalam jaringan sistem tenaga listrik telah dilaksanakan. Penelitan tersebut meliputi penggunaan filter aktif, filter elektromagnetik, filter pasif dan kombinasinya. Beberapa metode yang menggunakan filter elektromagnetik yang pernah dilakukan dalam penelitian terdahulu diperlihatkan dalam Tabel 1.1. Pada Tabel 1.1 persentase pengurangan arus urutan nol/arus netral dimuat dalam kolom hasil yang dicapai. Tabel 1.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan No Peneliti Judul Metode 1 Pekik, A. D [4] A Practical Approach to Minimize the Zero- Sequence Current Harmonics in Power Distribution Systems 2 Syafrudin [5] Metode Baru Pengurangan Harmonisa Pada Sistem Distribusi Tenaga Listrik 3 Qipeng Song [6] A Novel Approach to Eliminate Zero-sequence Harmonic Current transformer dan transformator zig-zag inti yang sama, jenis trafo zz: trafo zz tiga fasa) transformer dan transformator zig-zag inti yang sama, jenis trafo zz: trafo zz tiga fasa) transformer dan transformator zig-zag inti yang sama, jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa fasa) Hasil yang Dicapai 94,4 % (eksperimen) 94,4 % (eksperimen) 90 % ( simulasi)
Lanjutan Tabel 1.1 No Peneliti Judul Metode 4 Qipeng Song [7] Zero-Sequence Harmonic Current Minimization Using Zero-Blocking Reactor and Zig-zag Transformer 5 Syafrudin [8] Zero Sequence Harmonics Current Minimization Using Zero-Blocking Transformer and Shunt LC Passive Filters 6 Hadzer, C. M [9] A Study on Zero-passing Transformer in Harmonics Reduction transformer dan transformator zig-zag inti yang sama, jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa) transformer dengan filter pasif LC inti yang sama) Kombinasi transformator Y-Δ dan filter LC Hasil yang Dicapai 96 % (eksperimen) 7 Hurng-Liahng Jou [10] Analysis of Zig-Zag Transformer Applying in the Three-Phase Four- Wire Distribution Power System 8 Fernando N [11] Three-Phase Electromagnetic Filter for Zero-Sequence Harmonics 9 Bhim Sing [12] Magnetic for Neutral Current Compensationn in Three-Phase Four-Wire Distribution System Transformator zig-zag (Jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa) Filter eletromagnetik: tiga buah inti magnetik satu fasa Trafo zz, trafo YΔ, trafo scott, trafo hubungan T, trafo starpolygon 95,41% ( simulasi) 10 S.Ranjith Kumar [13] Zig Zag Transformer performance analysis on harmonic reduction in distribution load Transformator zig-zag (Jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa) 92,59 % ( simulasi) 11 Aitor Laka [14] Novel Zero-Sequence Blocking Transformer (ZSBT) Using Three Single-Phase Transformers Zero sequence blocking transformer (Jenis zsbt: tiga buah transformator satu fasa)
Pada penelitian sebelumnya zero transformer yang digunakan terdiri dari satu buah transformator tiga fasa dimana ketiga kumparan fasanya dililit pada inti yang sama [4], [5], [6], [7] dan [8]. Kelemahan dari zero transformer seperti ini adalah jika digunakan pada daya yang besar akan memerlukan konduktor yang besar pula sehingga sulit mendapatkan distribusi kumparan yang simetris. Pada penelitian ini diusulkan penggunaan zero transformer dengan menggunakan tiga buah transformator satu fasa dan transformator zig-zag untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol. Keuntungan dari zero sequence blocking transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa ini adalah sederhana dalam pembuatannya dan jika salah satu transformator mengalami kerusakan mudah dilakukan penggantian. Selanjutnya transformator zig-zag yang digunakan juga menggunakan tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar. Dengan belitan bifilar ini transformator tersebut mempunyai reaktansi bocor yang rendah, sekaligus berarti impedansi urutan nol yang rendah pula, sehingga cocok digunakan untuk melalukan arus harmonisa urutan nol dari beban kembali ke beban. Penelitian akan dilakukan dengan menggunakan simulasi dengan program PSIM dan dengan melakukan eksperimen di laboratorium. 1.2. Perumusan Masalah Munculnya arus harmonisa urutan nol pada konduktor netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat disebabkan oleh dua hal. Pertama karena beban tidak
seimbang atau beban nonlinear. Kedua karena tegangan sumber yang tidak seimbang atau tegangan sumber terdistorsi. Kehadiran arus harmonisa urutan nol ini akan menimbulkan masalah pada kualitas daya. Oleh karena itu arus harmonisa urutan nol ini perlu dikurangi hingga arus pada konduktor netral mencapai maksimum 20 % dari arus fasa [1]. Penelitian ini mengidentifikasi permasalahan dan mengajukan solusi sebagai berikut: 1. Untuk mencegah arus harmonisa urutan nol mengalir dari sumber ke beban digunakan zero transformer yang dipasang seri pada jala-jala di sisi sumber. 2. Untuk memaksa arus harmonisa urutan nol kembali ke beban, digunakan transformator zig-zag (disebut juga sebagai zero passing transfomer). 3. Untuk menghindari kebutuhan diameter konduktor yang besar untuk daya besar serta kemudahan perbaikan kerusakan, digunakan tiga buah transformator satu fasa untuk zero transformer. 4. Untuk melalukan arus harmonisa urutan nol dari beban kembali ke beban diperlukan belitan dengan reaktansi bocor rendah, sehingga digunakan belitan bifilar pada transformator satu fasa yang akan membentuk transformator zig-zag.
1.3. Tujuan Penelitian Adapun tujuan utama pada penelitian ini adalah untuk mengetahui bagaimana pengurangan komponen arus harmonisa urutan nol pada konduktor fasa dan netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat jika digunakan zero transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa yang dihubungkan secara khusus dan transformator zig-zag yang juga menggunakan tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar. 1.4. Batasan Masalah Untuk penyederhanaan penyelesaian masalah, maka perlu dilakukan pembatasan bahasan masalah, yaitu sebagai berikut: 1. Analisis dilakukan untuk kondisi sistem distribusi tenaga listrik dalam keadaan mantap (steady-state). 2. Pengurangan arus harmonisa urutan nol hanya dilakukan pada sistem distribusi tenaga listrik tegangan rendah tiga fasa empat kawat. 3. Pengurangan arus harmonisa urutan nol dilakukan di jala-jala sistem dan pada sisi beban. 4. Analisis pengurangan arus harmonisa dilakukan dengan bantuan simulasi dengan program PSIM dan eksperimen menggunakan beban nonlinear sebagai pembangkit arus harmonisa urutan nol pada sistem. 5. Tidak dilakukan perhitungan secara ekonomis.
1.5. Manfaat Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah: 1. Memaparkan suatu konsep yang dapat digunakan sebagai suatu alternatif untuk mengurangi arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat. 2. Peralatan-peralatan yang dibuat dalam penelitian ini dapat dimanfaatkan untuk praktikum mahasiswa pada Laboratorium Transmisi dan Distribusi Departemen Teknik Elektro FT USU.