ANALISIS PENGARUH HARMONISA TERHADAP FAKTOR-K PADA TRANSFORMATOR

ANALISIS PENGARUH HARMONISA TERHADAP FAKTOR-K PADA TRANSFORMATOR Eka Rahmat Surbakti, Masykur Sj Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: ekarahmatsurbakti@gmail.com Abstrak Harmonisa adalah gelombang sinus arus dan tegangan yang mempunyai frekuensi kelipatan integer (bilangan bulat) dari frekuensi dasarnya. Dalam sistem distribusi tenaga listrik harmonisa ini akan menghasilkan nilai faktor-k pada transformator. Nilai faktor-k ini sangat dipengaruhi oleh frekuensi sehingga akan mengakibatkan bertambahnya rugi estimasi pada transformator. Dalam paper ini pengukuran harmonisa dilakukan pada tiga buah trnsformator distribusi milik PT PLN (Persero) Cabang Medan, rayon Kota Medan. Data hasil pengukuran dibandingkan dengan standar yang ditetapkan oleh IEEE std 519. THD arus dari ketiga transformator telah melebihi standar yaitu diatas 15% untuk orde < 11 dan diatas 7% untuk orde 11 h <17 sedangkan THD tegangan dari ketiga transformator tidak melebihi standar yaitu masih dibawah 5%. Nilai faktor-k terbesar yang dihasilkan arus harmonisa terjadi pada transformator 609 yaitu pada phasa R sebasar 27.918, pada phasa S sebesar 36.461 dan pada phasa T sebesar 19.933. Kata Kunci: harmonisa, faktor-k, transformator distribusi 1. Pendahuluan Pemakain peralatan listrik seperti computer, mesin las, televisi, mesin foto kopi dan sebagainya yang merupakan beban nonlinier sudah menjadi hal yang biasa dewasa ini. Beban non-linier ini merupakan sumber harmonisa yang bersifat merugikan pada sistem tenaga listrik. Salah satu komponen dalam sistem distribusi ketenagalistrikan adalah transformator distribusi. Transformator distribusi merupakan alat yang memegang peranan penting sehingga sangat penting untuk dilakukan penelitian untuk menjaga kualitas kerja dari transformator distribusi. Oleh karena itu perlu dilakukan analisis yang memberikan hasil seberapa besar pengaruh harmonisa terhadap faktor-k pada transformator distribusi. Dari analisis ini akan diketahui bagaimana pengaruh harmonisa terhadap faktor-k pada transformator dan pengaruhnya terhadap kapasitas transformator tersebut. Penelitian ini dilakukan terhadap tiga transformator distribusi milik PT PLN (Persero) Cabang Medan, rayon Medan Kota. Harmonisa yang dibahas meliputi harmonisa arus dan harmonisa tegangan dimana harmonisa arus yang digunakan adalah harmonisa ganjil yaitu orde ke-3 s/d orde ke-15. 2. Harmonisa pada Transformator Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet. Kerja transformator yang berdasarkan induksi electromagnet menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa tipe inti dan tipe cangkang. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi) [1]. -58- copyright @ DTE FT USU

e = - N Ф (Volt) (1) Dimana: e = Gaya gerak listrik (Volt) N = Jumlah lilitan Ф = Perubahan fluks magnetik (Weber/detik) Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I M tidak seluruhnya merupakan fluks bersama (Ф M ), sebagian hanya mencakup kumparan primer (Ф 1 ) atau mencakup kumparan sekunder saja (Ф 2 ). Dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Ф 1 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X 1 dan fluks bocor Ф 2 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai X 2 sedang rugi tahanan ditunjukan dengan R 1 dan R 2, dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti Gambar 1dibawah ini [1]: Gambar 1. Rangkaian transformator ideal Salah satu pengaruh dari arus harmonisa adalah timbulnya nilai faktor-k. Semakin besar nilai arus harmonisa yang timbul maka nilai faktor-k juga akan tinggi. Nilai dari faktor-k ini sangat dipengaruhi oleh frekuensi yang mengakibatkan bertambahnya rugi estimasi transformator. Faktor-k ini didefinisikan sebagai penjumlahan dari kuadrat arus harmonisa dalam p.u dikali dengan kuadrat dari urutan harmonisa. Dibentuk dengan persamaan sebagai berikut [2]: K = (2) Dimana: K = faktor-k 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 C57.100-1986, yaitu [3]:. D =. Dimana: D = derating factor K = faktor-k (3) Harmonisa didefenisikan sebagai gelombang-gelombang sinus (arus dan tegangan) yang mempunyai frekuensi kelipatan integer (bilangan bulat) dari frekuensi fundamentalnya.(di Indonesia adalah 50 Hz) [4]. 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. 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 sebagai berikut [5]: Gambar 2 Gelombang fundamental yang terdistorsi harmonisa ke-3 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 -59- copyright @ DTE FT USU

untuk harmonisa arus (%THD I ) seperti ditunjukkan oleh Tabel 1 dan batasan harmonisa tegangan (%THD V ) seperti ditunjukkan oleh Tabel 2 sebagai berikut [6]: Tabel 1 Standar harmonisa arus IEEE 519 [6] I SC/I L n< 11 11< n<1 7 Harmonic Order 17 n <23 23 n <35 35 Total Harmonic Distortion <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 20-50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 50-100 10 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 100-1000 12 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 >1000 15 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Tabel 2 Standar harmonisa tegangan IEEE 519 [6] Maximum Distortion Individual Harmonic Total Harmonic Below 69 kv System Voltage 69 161 >161 kv kv 3,0 1,5 1,0 5,0 2,5 1,5 Adapun peralatan yang digunakan dalam melakukan pengukuran pada trafo tersebut adalah Power Quality Analyzer Fluke 435, laptop dan kabel penghubung. Alat ukur Power Quality Analyzer Fluke 435 dapat ditujukkan oleh Gambar 4 sebagai Gambar 4 Power Quality Analyzer Fluke 435 Adapun gambar penempatan alat ukur pada ketiga trafo dapat ditunjukkan oleh Gambar 5 sebagai 3. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan terhadap tiga buah trafo tiang pada tanggal 01 Maret 2013 milik PT PLN (Persero) Cabang Medan, area Medan Kota. pertama dengan kode gardu 609 terletak di Jalan Utama Gang Tengah, kedua dengan kode gardu 676 terletak di Jalan Halat depan Jalan Semen dan trafo ketiga dengan kode gardu 705 terletak di Jalan Halat Gang Makmur. Pada penelitian ini akan dilakukan alir penelitian seperti Gambar 3 sebagai Pengambilan data Gambar 5 Blok diagram pengukuran Menghitung besar arus beban penuh 4. Hasil Pengukuran dan Analisis Menghitung arus hubung singkat Bandingkan THD arus dan THD tegangan dari pengukuran dengan standar IEEE std 519-1992 Menghitung nilai faktor -k (K) dari ketiga transformator Menghitung derating factor (D) dari ketiga transformator Gambar 3 Diagram alir penelitian Setelah dilakukan pengukuran maka data yang diperoleh akan analisa untuk mengetahui nilai faktor-k dari ketiga transformator distribusi. Data dan analisa hasil pengukuran dari ketiga transformator dapat dilihat sebagai a. dengan kode gardu 609 Pengambilan data harmonisa arus pada trafo ini dilakukan pada pukul 11.30 WIB seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 3 sebagai -60- copyright @ DTE FT USU

Tabel 3 Hasil pengukuran harmonisa arus pada transformator 609 Harmonik Phasa IHD Arus (A) Urutan ke: 3 53.4 19.758 Nol 5 37.2 13.764 Negatif 7 34.0 12.58 Positif Tabel 4 Hasil pengukuran harmonisa arus pada transformator 676 Harmonik Phasa IHD Arus (A) Urutan ke: 3 44.6 8.474 Nol 5 18.9 3.591 Negatif 7 10.0 1.9 Positif R 9 44.2 16.354 Nol R 9 16.4 3.116 Nol 11 33.3 12.321 Negatif 11 7.1 1.349 Negatif 13 7.2 2.664 Positif 13 8.9 1.691 Positif 15 21.2 7.844 Nol 15 3.4 0.646 Nol 3 81.1 3.244 Nol 3 32.8 3.28 Nol 5 75.6 3.024 Negatif 5 24.3 2.43 Negatif 7 67.2 2.688 Positif 7 14.1 1.41 Positif S 9 59.2 2.368 Nol S 9 21.3 2.13 Nol 11 52.7 2.108 Negatif 11 15.9 1.59 Negatif 13 30.5 1.22 Positif 13 6.7 0.67 Positif 15 12.6 0.504 Nol 15 9.5 0.95 Nol 3 45.6 9.12 Nol 3 40.1 5.614 Nol 5 36.6 7.32 Negatif 5 14.9 2.086 Negatif 7 13.1 2.62 Positif 7 2.6 0.364 Positif T 9 21.1 4.22 Nol T 9 17.0 2.38 Nol 11 30.6 6.12 Negatif 11 7.8 1.092 Negatif 13 22.3 4.46 positif 13 5.1 0.714 positif 15 4.6 0.92 Nol 15 7.3 1.022 Nol b. dengan kode gardu 676 Pengambilan data harmonisa arus pada trafo ini dilakukan pada pukul 14.20 WIB seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 4 sebagai c. dengan kode gardu 705 Pengambilan data harmonisa arus pada trafo ini dilakukan pada pukul 15.00 WIB seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 5 sebagai -61- copyright @ DTE FT USU

Tabel 5 Hasil pengukuran harmonisa arus pada transformator 705 Phasa R S T Harmonik ke: IHD Arus (A) Urutan 3 40.8 2.856 Nol 5 12.5 0.875 Negatif 7 11.9 0.833 Positif 9 32.2 2.254 Nol 11 16.8 1.176 Negatif 13 1.9 0.133 Positif 15 12.0 0.84 Nol 3 90.5 2.715 Nol 5 73.3 2.199 Negatif 7 38.3 1.149 Positif 9 48.9 1.467 Nol 11 54.9 1.647 Negatif 13 34.6 1.038 Positif 15 8.9 0.267 Nol 3 54.5 4.36 Nol 5 21.6 1.728 Negatif 7 18.2 1.456 Positif 9 34.0 2.72 Nol 11 18.2 1.456 Negatif 13 8.6 0.688 positif 15 16.5 1.32 Nol Berikut ini akan dihitung Arus Beban Penuh (I FL ) dan Arus Hubung Singkat (I SC ) pada ketiga transformator. Ketiga transformator disuplai dari penyulang yang sama yaitu penyulang TT5 dengan nilai megavoltampere hubung-singkat (MVA sc ) yang sama yaitu sebesar 68.240 kva. Adapun nilai perhitungan yang dilakukan dapat ditunjukkan oleh Tabel 6 sebagai Tabel 6 Perhitungan Arus Beban Penuh (I FL ) dan Arus Hubung Singkat (I SC ) I FL = (A) I SC = ( ) (A) 609 144.33 98495.96 676 230.94 98495.96 705 144.33 98495.96 Berikut ini akan dianalisis THD arus dan THD tegangan pada masing-masing transformator berdasarkan standar IEEE519. Didalam perhitungan arus hubung singkat (I SC ) yang digunakan adalah arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of Comman Caupling) sedangkan IL adalah arus beban nominal. Adapun hasil analisis yang dilakukan dapat ditunjukkan oleh Tabel 7 dan Tabel 8 sebagai Tabel 7 Analisa THD arus transformator Traf o ph asa I L I SC/I L Ran ge Analisa THD arus orde <11 R 37 3465 >10 609 S 4.4 3205 00 >10 4.7 00 T 20 6410 >10.9 00 R 19 6748 >10.3 00 676 S 10 1282 >10 1.9 00 T 14 9158 >10.5 00 R 7 1831 >10 7 00 705 S 3 4273 >10 9.7 00 T 8 1602 >10 7.4 00 Analisa THD arus orde 11 h <17 R 37 3465 >10.4 00 609 S 4 3205 >10 4.7 00 T 20 6410 >10.9 00 R 19 6748 >10.3 00 676 S 10 1282 >10 1.9 00 T 14 9158 >10.5 00 R 7 1831 >10 7 00 705 S 3 4273 >10 9.7 00 T 8 1602 >10 7.4 00 Peng ukura n Stand ar Keteran gan 52.10 15 Melebihi 48.15 15 Melebihi 46.11 15 Melebihi 85.7 15 Melebihi 142.5 15 Melebihi 63.53 15 Melebihi 54.77 15 Melebihi 131.9 15 Melebihi 8 70.17 15 Melebihi 11.88 15 Melebihi 19.69 15 Melebihi 11.84 15 Melebihi 40.13 15 Melebihi 62.18 15 Melebihi 38.14 15 Melebihi 20.73 15 Melebihi 65.50 15 Melebihi 26.03 15 Melebihi Dari Tabel 7 dapat dilihat bahwa THD arus pada setiap transformator telah melebihi standar IEEE 519. Tabel 8 Analisa THD tegangan transformator 609 676 Pha sa V THD Pengukuran V THD Standar Keterangan R 1.7 5.0 Tidak melebihi S 1.4 5.0 Tidak melebihi T 1.3 5.0 Tidak melebihi R 2.1 5.0 Tidak melebihi S 1.9 5.0 Tidak melebihi -62- copyright @ DTE FT USU

705 T 1.9 5.0 Tidak melebihi R 1.8 5.0 Tidak melebihi S 1.7 5.0 Tidak melebihi T 2.2 5.0 Tidak melebihi Dari Tabel 7 dapat dilihat bahwa THD tegangan pada setiap transformator tidak ada yang melebihi standar IEEE 519. Berikut ini adalah perhitungan Faktor-k (K) dan derating factor (D) serta penurunan kapasitas pada setiap transformator. Tabel 9 Perhitungan Faktor-k (K) dan derating factor (D) Phasa Faktor-k (K) Derating factor (D) Penurunan kapasitas 609 676 705 trafo R 27.918 0.222 77.8 S 36.461 0.178 82.2 T 19.933 0.288 71.2 R 6.658 0.575 42.5 S 10.972 0.435 56.5 T 6.319 0.590 41.0 R 13.923 0.372 62.8 S 33.692 0.190 81.0 T 17.441 0.318 68.2 Dari Tabel 9 dapat dilihat bahwa nilai faktor-k dari ketiga transformator sangat besar shingga perlu dilakukan derating ulang terhadap ketiga transformator agar transformator dapat bekerja secara maksimal. Penurunan kapasitas dari masing-masing transformator dapat ditunjukkan oleh grafik pada Gambar 6 sebagai 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 609 676 705 Phasa R Phasa S Phasa T Gambar 6 Penurunan kapasitas dari masingmasing transformator 1. THD arus dari ketiga trafo saat pengukuran pada tanggal 01 Maret 2013 telah melebihi standar yang ditetapkan IEEE std 519 yaitu diatas 15% untuk orde <11 dan diatas 7% untuk orde 11 h <17. 2. THD tegangan dari ketiga transformator saat pengukuran pada tanggal 01 Maret 2013 tidak melebihi standar IEEE std 519 yaitu masih dibawah 5%. 3. Nilai faktor-k terbesar yang dihasilkan arus harmonisa terjadai pada transformator 609 yang diukur pada tanggal 01 Maret 2013 pukul 11.30 WIB yaitu pada phasa R sebesar 27.918, phasa S sebesar 36.461 dan phasa T sebesar 19.933. 6. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Rehmuli Surbakti dan Sumartin Pa selaku orang tua penulis, Ir. Masykur Sj, MT selaku dosen pembimbing, juga Ir. Eddy Warman, Syiska Yana, ST, MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan paper ini, serta teman-teman penulis yang sudah memberikan dukungan selama pembuatan paper ini. 7. Daftar Pustaka [1]. Zuhal. 1995. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia. [2]. De La Rosa, Francisco C., Harmonics and Power Systems, CRC Press, New York: 2006. [3]. Wakileh, GJ, Power System Harmonics, Fundamental and Filter Design, Springer Velag Press: 2001. [4]. Dugan, Roger C., Electric Power System Quality, Edisi Kedua, McGraw-Hill: 2004. [5]. C.Sankaran,Power Quality, USA: CRC Press LLC,2002. [6]. IEEE std 519-1992. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. 5. Kesimpulan Setelah melakukan analisis dari data yang diperoleh, maka dapat diambil kesimpulan sebagai -63- copyright @ DTE FT USU