MINIMASI ARUS NETRAL DENGAN MENGGUNAKAN AUTOTRAFO ZIG-ZAG PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA EMPAT KAWAT Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik Oleh: JUNAIDY SIPAYUNG NIM : 080402046 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
ABSTRAK Arus netral merupakan arus balik yang mengalir pada kawat netral sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang merupakan penjumlahan vektor dari ketiga arus fasa dalam komponen simetris. Idealnya arus netral sama dengan nol pada saat beban seimbang namun pada kenyataannya penggunaan beban non linear dan beban tidak seimbang mengakibatkan adanya arus netral dan bahkan melebihi besar arus fasanya. Arus netral yang besar mengakibatkan panas yang berlebih pada generator, menimbulkan kerusakan atau kesalahan kerja dari peralatanperalatan listrik yang terhubung pada transformator. Pada penelitian ini dilakukan minimasi arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat dengan menggunakan autotrafo zig-zag. Pemasangan autotrafo zig-zag pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat dapat mengurangi arus netral pada penghantar netral sistem tiga fasa empat kawat, dimana terjadi pengurangan arus netral sebesar 99,68 % yaitu dari semula 1,209934 A menjadi 0,003809 A. Kata Kunci : arus netral, autotrafo zig-zag i
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul MINIMASI ARUS NETRAL DENGAN MENGGUNAKAN AUTOTRAFO ZIG-ZAG PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA EMPAT KAWAT. Adapun penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang wajib dipenuhi mahasiswa untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayahanda (J.Sipayung) dan Ibunda (A.T.Sihombing), Kakakku (Ernita Sipayung, Am.Keb), Adik-adikku (Akim Sipayung, Tenni Sipayung dan Novita Sipayung) dan semua sanak saudara yang selalu memberikan semangat dan mendoakan penulis dalam masa studi sampai menyelesaikan Tugas Akhir ini. Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis hendak menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane dan Ibu Syiska Yana, ST, MT selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberikan bantuan, bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama penyusunan Tugas Akhir ini. ii
2. Bapak Ir. Masykur Sj, MT dan Bapak Yulianta Siregar, ST, MT selaku Dosen Penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan saran dan masukan dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini. 3. Bapak Ir. Zulfin, MT selaku Dosen Wali penulis yang senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan. 4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim,M.Si dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Ketua Jurusan dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. 5. Seluruh staf pengajar yang telah memberikan bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro USU yang telah membantu penulis dalam urusan administrasi. 6. Keluarga besar Laboratorium Distribusi dan Transmisi FT USU : Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, Bapak Bantu Karo-Karo, Bang Haogoaro Waruhu, Bang Ahmad Suhendra, Bang Reza Budianto, Teguh, Fakhurazi, Jhon Palmer Sitorus, Fahrul, dan Doni 7. Sahabat terbaik penulis dan juga tim AOC Teknik Elektro USU : Dedi Panjaitan, Elvis Sinaga, Antonius Siswanto dan Raja Putra Sitepu yang selalu memberikan motivasi, dan dukungannya. 8. Jean, Aprido, Frederick, Daniel, Eykel, Bayu, Andry Nico, Christian, Army, Rizky, Ellis, Maria, William, Basten, Darminton, Pryandi, Junedi, Yusak, David, Safril Ramadhan, Eka Rahmat, Andri Sitorus, Dina dan seluruh teman-teman Mahasiswa Departemen Teknik Elektro FT-USU yang senantiasa memberikan motivasi khususnya angkatan 2008. iii
9. Bang Leo dan Bang Herman Salim yang sudah banyak memberi masukan kepada Penulis khususnya dalam hal program simulasi komputer. 10. Teman-teman 2nd Unggulan SMA Negeri 1 Sidikalang (Mariana, Efitri, Martina, Rugun, Gabe, Ervanny, Ester, Eva, Jerika, Valentina, Yulia, Ruccy, Bernat, Rianto, Frans, Jekson, Marwan, Midian, dan Irwan) yang senantiasa memberikan dukungan dan semangat kepada penulis. 11. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, yang telah memberikan kontribusinya kepada penulis. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi penyempurnaan Tugas Akhir ini. Penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih. Medan, Juni 2013 Penulis JUNAIDY SIPAYUNG NIM : 080402046 iv
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... ix BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Tujuan... 3 1.5 Manfaat... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 4 2.1 Arus Netral pada Sistem Tiga Fasa Empat Kawat... 4 2.2 Sistem Simetris dan Seimbang... 4 2.3 Sistem Tidak Simetris dan Tidak Seimbang... 6 2.4 Rasio RMS dari Penghantar Netral dan Arus Fasa pada Sistem Simetris dan Seimbang... 8 2.5 Triplen Harmonisa... 9 2.6 Beban Non Linear... 10 2.7 Pengurangan Arus Netral... 11 2.7.1 Pengurangan Arus Netral Menggunakan Zero Passing... 12 2.7.2 Pengurangan Arus Netral Menggunakan Zero Blocking... 16 v
2.8 Autotrafo Zig-zag... 19 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 24 3.1 Pengukuran... 24 3.1.1 Tempat dan Waktu... 24 3.1.2 Alat dan Bahan... 24 3.1.3 Rangkaian Pengukuran... 25 3.1.4 Prosedur Pengukuran... 26 3.2 Simulasi... 27 3.2.1 Simulasi Pengukuran Arus Sebelum Menggunakan Autotrafo Zig-zag... 27 3.2.2 Simulasi Pengukuran Arus Setelah Menggunakan Autotrafo Zig-zag... 29 BAB IV HASIL DAN ANALISIS... 33 4.1 Pengukuran Arus pada Penggunaan Beban Non Linear yang Seimbang... 33 4.2 Simulasi... 36 4.2.1 Simulasi Pengukuran Arus Sebelum Menggunakan Autotrafo Zig-zag... 36 4.2.2 Simulasi Pengukuran Arus Setelah Menggunakan Autotrafo Zig-zag... 38 BAB V PENUTUP... 44 5.1 Kesimpulan... 44 5.2 Saran... 44 DAFTAR PUSTAKA... 46 vi
DAFTAR GAMBAR No. Judul Halaman 2.1 Sistem tiga fasa simetris dan seimbang dimana tidak ada arus urutan nol... 5 2.2 Sistem tiga fasa tidak simetris dan tidak seimbang dimana ada arus urutan nol... 8 2.3 Arus netral pada grounded wye system akibat triplen harmonisa... 10 2.4 Hubungan tegangan dan arus pada beban non linier... 10 2.5 Karakteristik gelombang tegangan dan arus pada beban non linier... 11 2.6 Model pengurangan harmonisa arus sistem menggunakan zero passing... 13 2.7 Rangkaian urutan nol per fasa untuk pengurangan harmonisa arus sistem menggunakan zero passing... 14 2.8 Rangkaian belitan trafo zero blocking... 16 2.9 (a) Fluksi magnetik urutan nol... 17 2.9 (b) Fluksi magnetik urutan lainnya yang dibangkitkan pada zero blocking... 17 2.10 Rangkaian pengganti magnetik urutan nol zero blocking... 18 2.11 Hubungan autotrafo zig-zag... 19 2.12 Rangkaian ekivalen urutan nol... 21 2.13 Rangkaian ekivalen urutan nol dimana tegangan urutan nol dihubung singkat... 23 3.1 Blok diagram umum pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag... 25 vii
3.2 Rangkaian percobaan pengukuran arus... 26 3.3 Blok diagram umum simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag... 27 3.4 Model simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM... 28 3.5 Blok diagram umum simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag... 30 3.6 Model simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM... 30 4.1 Gelombang keluaran arus pada pengukuran arus akibat beban non linear yang seimbang... 35 4.2 Spektrum arus akibat penggunaan beban non linear yang seimbang. 35 4.3 Gelombang arus hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag... 36 4.4 FFT arus hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag... 37 4.5 Gelombang arus hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag... 38 4.6 FFT arus hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag... 39 viii
DAFTAR TABEL No. Judul Halaman 3.1 Data pembebanan pengukuran arus... 25 3.2 Data masukan simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM... 29 3.3 Data masukan simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM... 31 4.1 Data hasil pengukuran besar arus pada penggunaan beban non linear yang seimbang... 34 4.2 Hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zigzag... 38 4.3 Hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zigzag... 40 4.4 Hasil simulasi gelombang dan FFT arus netral sebelum dengan setelah menggunakan autotrafo zig-zag... 40 4.5 Data hasil simulasi arus netral sebelum menggunakan autotrafo zig-zag dan setelah menggunakan autotrafo zig-zag... 41 ix