ABSTRAKSI ANALISIS DISTORSI HARMONIK PADA SISTEM DISTRIBUSI DAN REDUKSINYA MENGGUNAKAN TAPIS HARMONIK DENGAN BANTUAN ETAP POWER STATION 4. 0 TUGAS AKHIR Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Menyelesaikan Program Studi Strata 1 Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhamadiyah Surakarta Disusun oleh : MUKHSIN AKHSIN JAELANI NIM : D400 040 027 FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2008
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Pada penyaluran energi listrik dari tingkat pembangkit sampai tingkat beban, seringkali terdapat gangguan gangguan yang bisa berupa ketidak seimbangan tegangan pada fasa, gangguan interkoneksi pada saluran transmisi maupun distribusi, gangguan secara mekanis dan gangguan gangguan lainnya. Salah satu gangguan yang jarang sekali diperhatikan adalah gangguan karena adanya distorsi harmonik pada sistem distribusi tenaga listrik. Keberadaan harmonik dalam sistem tenaga listrik, secara substansial membutuhkan penggunaan peralatan tertentu seperti alat pengontrol beban dan alatalat penghasil frekuensi lainnya. Fungsi dari peralatan tersebut adalah untuk mengetahui, mendeteksi dan mengawasi adanya distorsi harmonik pada sistem agar bisa melihat sejauh mana tingkat kandungan distorsi harmonik yang terkandung pada sebuah sistem. Apakah masih dalam batas toleransi yang di ijinkan oleh lembaga insinyur listrik dan elektronika IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers ) atau tidak, sehingga adanya distorsi harmonik tersebut tidak menyebabkan terganggunya kinerja pada sebuah sistem, terutama pada sistem distribusi. Pertimbangan yang penting pada saat mengevaluasi adanya pengaruh harmonik pada sebuah sistem distribusi adalah naiknya tegangan pada sebuah sistem. Masalah yang ditimbulkan akibat distorsi harmonik tersebut adalah adanya
tambahan rugi rugi pada penghantar berupa panas, yang pada level tertentu bisa menimbulkan gagalnya sebuah sistem isolasi. Adanya distorsi bentuk gelombang arus dan tegangan pada sistem tenaga listrik, sudah lama ada sejak dikenalnya keberadaan sistem tenaga AC (Alternating Current). Pada saat ini, peralatan-peralatan yang menimbulkan harmonik telah berkembang dengan pesat baik dari segi kualitas maupun kuantitas produknya. Peralatan ini banyak menggunakan bahan semi konduktor seperti dioda, silicon controlled rectifier (SCR), transistor dan peralatan semi konduktor lainnya. Bahan semi konduktor inilah yang menyebabkan terjadinya distorsi arus dan tegangan, karena antara tegangan yang masuk pada sistem tidak sebanding dengan tegangan keluarannya atau mengalami distorsi. Prinsip dasar harmonik adalah gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan. Pada dasarnya, 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 juga orde harmonik. Misalkan frekuensi dasar/ fundamental suatu sistem tenaga listrik adalah 50 Hz, maka harmonik kedua adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 100 Hz, harmonik ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 150 Hz dan seterusnya. Gelombang- gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/asli sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang gelombang harmoniknya.
Abbreau et al (2003) mengamati bahwa pada sistem tenaga listrik terisolasi yang terhubung dengan beban nonlinear akan menghasilkan arus harmonik yang menyebabkan distorsi gelombang arus dan tegangan. Tegangan harmonik juga dapat menyebabkan kenaikan arus pada penghantar netral sehingga mengakibatkan kenaikan rugi-rugi daya (Carpinelli, 2004). Harmonik dapat menyebabkan pemutusan beban yang sensitif, penurunan keakuratan alat ukur, kegagalan kapasitor tenaga, pemanasan lebih pada transformator dan penghantar netral (Grady and Santosa, 2001). Harmonik juga mempengaruhi biaya pemakaian energi listrik (Talacek and Watson, 2002), resonansi dalam sistem tenaga listrik (Rao et al, 1998) dan penurunan faktor daya listrik (Wolfe and Hurley, 2002). Dengan adanya distorsi harmonik, maka perlu dipasang filter harmonik yang fungsinya untuk mengurangi dan menekan semaksimal mungkin distorsi harmonik tersebut. Tujuan pokok dari filter harmonik adalah untuk mereduksi amplitudo gelombang pada frekuensi harmonik tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Pada sistem tenaga listrik yang bersifat dinamis, jika terjadi gangguan harus segera dilakukan usaha untuk mengembalikan sistem kekondisi normal. Pada kondisi itu, beban bisa diatur sedemikian rupa. Pada saat kondisi kritis/tegangan sistem mengalami susut tegangan, kendala beban dapat diatasi namun kendala keamanan sistem kadang tidak dapat diatasi. Kondisi ini dapat dikatakan sebagai kondisi darurat, maka harus dikembalikan kekondisi normal dalam waktu yang sesingkat mungkin dengan resiko pemadaman sesaat di wilayah yang sistem tenaga listriknya mengalami kondisi kritis. Kondisi kritis merupakan suatu kondisi dimana pada suatu daerah mengalami susut tegangan sekitar 5% dari tegangan nominal sistem.
Untuk menghindari hal tersebut, perlu dilakukan prediksi untuk memperkirakan kondisi pengoperasian dengan cara analisis aliran beban pada sistem tenaga listrik saat kondisi normal. Kemudian dilakukan analisis harmonik dengan menambahkan beban nonlinear sebagai sumber harmonik. Seperti telah diketahui, bahwa fenomena bentuk gelombang tegangan dan gelombang arus dalam sistem tenaga listrik AC, digambarkan sebagai gelombang sinusoidal murni. Dengan perkembangan beban listrik yang semakin besar dan komplek terutama penggunaan beban listrik tak linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombangnya. Beban linier adalah beban listrik yang perilaku kerjanya tidak menyebabkan berubahnya bentuk gelombang sinusiodal pada (frekuensi fundamental 50 Hz) dari sistem suplai arus bolak balik. Beban nonlinier adalah beban listrik yang mendapat suplai daya dari sistem jaringan, tetapi akan menyebabkan bentuk gelombang sistem suplai arus bolak-balik tidak sinusiodal murni lagi. Distorsi pada bentuk gelombang arus dan tegangan suatu sistem jaringan tenaga listrik bila melebihi limit yang di ijinkan, akan menimbulkan kerugian pada sistem jaringan tersebut. Beban nonlinear yang terhubung pada sistem distribusi, menjadi sumber dari adanya distorsi gelombang arus dan tegangan, karena tersusun atas bahan-bahan semi konduktor, sehingga perlu dilakukan pemasangan filter harmonik pada sistem distribusi tersebut. 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang tersebut diatas, maka disusun suatu rumusan masalah sebagai berikut:
1. Pengaruh nilai dan lokasi beban nonlinear terhadap distorsi harmonik sistem. 2. Spektrum gelombang harmonik sebelum dan sesudah pemasangan filter harmonik. 3. Pengaruh pemasangan filter harmonik terhadap distorsi harmonik, tegangan dan rugi rugi daya nyata untuk beban yang berbeda. 1.3. Batasan Masalah Agar penulisan tugas akhir ini dapat terfokus dan bahasannya tidak terlalu melebar serta sesuai dengan substansinya, maka dibatasi penulisan permasalahan sebagai berikut: 1. Sistem distribusi yang di teliti adalah sistem distribusi 18 bus 2. Pemasangan jenis tipe beban nonlinear yang berbeda beda pada beberapa lokasi pembebanan. 3. Pengaruh beban nonlinear terhadap distorsi harmonik sistem. 4. Pemasangan filter harmonik pada beberapa lokasi pembebanan dan mensimulasikannya dengan bantuan Software ETAP Power Station 4.0.0. 5. Membandingkan distorsi harmonik sebelum pemasangan filter harmonik dengan setelah adanya pemasangan filter harmonik. 6. Membuat analisis dari hasil penelitian yang disertai diagram single line, bentuk spektrum gelombang dan tabel. 1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Mengetahui spektrum gelombang harmonik sebelum dan sesudah pemasangan filter harmonik. 2. Mengetahui pengaruh nilai dan lokasi beban nonlinear terhadap distorsi harmonik sistem. 3. Mengetahui pengaruh pemasangan filter harmonik terhadap distorsi harmonik, tegangan dan rugi rugi daya nyata untuk beban yang berbeda. 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dengan adanya penelitian ini antara lain: 1. Dengan adanya penelitian ini, diharapkan dapat menjadikan acuan untuk membuat sebuah perangkat filter harmonik yang bisa meredam adanya distorsi harmonik. 2. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan tambahan informasi tentang Software ETAP Power Station sebagai program simulasi yang mempunyai berbagai fasilitas yang mendukung untuk simulasi sebuah sistem, misalnya untuk mengetahui nilai distorsi harmonik pada sebuah sistem, terutama pada sistem distribusi. 3. Dengan adanya penelitian ini, diharapkan bisa menjadi acuan untuk perencanaan sebuah sistem, terutama sistem distribusi yang sebelumnya sudah disimulasikan terlebih dahulu sebelum diasumsikan dalam bentuk/wujud yang sebenarnya di lapangan, sehingga mempermudah dalam
hal perawatan, pemeliharaan dan juga dalam hal perbaikan jika suatu saat mengalami gangguan. 1.6. Metode penelitian Dalam penyusunan tugas akhir ini, metode penelitian yang akan di lakukan diantaranya: 1. Pengambilan data Data yang digunakan untuk penelitian ini adalah berupa data sistem jaringan distribusi dan data pendukung lainnya : a. Data sistem jaringan distribusi Merupakan data yang sudah ada untuk di simulasikan dengan program ETAP Power Station versi 4.0.0, yang berupa parameter bus/ rel, penghantar/feeder, kapasitor, juga parameter beban non linear yang akan dijadikan sebagai sumber harmonik pada sistem jaringan distribusi. b. Data pendukung Berupa studi literatur, dalam hal ini dilakukan dengan mempelajari berbagai referensi yang memuat masalah aliran beban, masalah distorsi harmonik dan acuan referensi lain yang masih berkaitan dengan penelitian yang sedang dilakukan. 2. Analisis data Analisis data dilakukan setelah mendapatkan hasil dari simulasi Software ETAP. Dari hasil tersebut dapat diketahui besarnya pengaruh beban nonlinear pada sebuah sistem distribusi juga bentuk tampilan bentuk
gelombangnya, sehingga diharapkan bisa dipelajari cara untuk mengatasi adanya distorsi harmonik tersebut. Analisis harmonik dilakukan setelah mendapatkan data hasil dari simulasi aliran beban. Analisis ini dilakukan dengan cara membuat variasi pemasangan filter harmonik setelah sistem distribusi tersebut mengalami distorsi harmonik. Pada penelitian ini, disimulasikan suatu kasus dimana pada sistem jaringan distribusi diberikan sumber harmonik berupa beban nonlinear. Penelitian ini juga menggunakan komponen filter harmonik yang fungsinya untuk mengurangi distorsi harmonik tersebut, sehingga diperoleh suatu jaringan distribusi dengan tegangan yang lebih stabil, bentuk gelombang arus dan tegangan yang sinusoidal, serta mempunyai nilai distorsi harmonik (THD) yang kecil. Tahapannya dibagi dalam 3 kondisi/ studi kasus: 1. Studi kasus pertama : simulsai sistem distribusi 18 bus tanpa beban nonlinear maupun filter harmonik 2. Studi kasus kedua : simulasi sistem distribusi 18 bus dengan penambahan type beban nonlinear yang berbeda-beda pada bus tertentu 3. Studi kasus ketiga : simulasi sistem distribusi 18 bus dengan type beban nonlinear yang berbeda dengan penambahan filter harmonik. 3. Konsultasi Bimbingan
Konsultasi dilakukan dengan dosen pembimbing yang telah diminta oleh penulis dan konsultasi bimbingan dilakukan selama proses penyusunan Tugas Akhir. 1.7. Sistematika Penulisan Penulisan tugas akhir ini menggunakan sistematika yang tersusun dalam beberapa bab yaitu: BAB I : PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, pembatasan masalah, maksud dan tujuan penelitian, manfaat dari penelitian, serta sistematika penulisan yang di lakukan. BAB II : LANDASAN TEORI Bab ini didasarkan pada studi literatur yang berisi tentang teori studi aliran beban, teori harmonik dan juga membahas data-data yang dibutuhkan untuk analisis, gambaran dari sistem tenaga listrik yang digunakan untuk analisis dan perancangan, serta contoh hasil analisis yang disertai bentuk single line, bentuk spektrum gelombang dan tabel. BAB III : METODE PENELITIAN Bab ini membahas tata cara pelaksanaan analisis dan perancangan, dimulai dari bahan dan perlengkapan pendukung yang harus disiapkan, tahap yang harus dilakukan sampai akhir penelitian. BAB IV : HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi tentang hasil penelitian yang telah dilakukan menggunakan program ETAP Power Station dan pembahasan hasil simulasi sistem distribusi 18 bus standar IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers ) serta hasil dari simulasi yang disertai bentuk single line, bentuk spektrum gelombang dan tabel. BAB V : PENUTUP Bab ini berisi kesimpulan dan saran pengembangan penelitian untuk penelitian serupa dimasa yang akan datang. DAFTAR PUSTAKA