bab i pendahuluan

1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sistem tenaga listrik dalam kondisi ideal menyalurkan daya listrik yang
mempunyai gelombang arus dan tegangan sinusoida, kenyataan yang terjadi karena
sifat beban tidak linier mengubah gelombang arus dan tegangan sinusoida menjadi
arus dan tegangan distorsi yang mengandung harmonik. Distorsi gelombang
harmonik merupakan kelipatan bulat dari frekuensi fundamental (Arrillaga J, dkk,
1997).
Masri (2004), berpendapat bahwa beban pada jaring tenaga listrik terdiri dari
40% beban linear dan 60% beban tidak linier, yang mengakibatkan total distorsi
harmonik arus (THDi) mencapai 86%. Menjadi menarik bahwa jumlah pelanggan
listrik rumah tangga di Jawa Tengah dan DIY tahun 2005 untuk semua golongan tarif
sebanyak 6.085.753 pelanggan, dengan pelanggan rumah tangga 450 VA sebanyak
3.995.857 pelanggan dan 900 VA sebanyak 1.419.682 pelanggan atau 89% dari total
pelanggan. Sampai dengan bulam Mei 2015 tercatat pelanggan tenaga listrik rumah
tangga 450 VA sebanyak 5.123.158 pelanggan, dan untuk pelanggan rumah tangga
kapasitas daya 900 VA sebanyak 3.192.998 pelanggan atau sebanyak 86% dari total
pelanggan listrik PLN (Persero) Jawa Tengah (PT. PLN (persero) awa Tengah).
Keluaran transformator menghasilkan harmonik gasal dengan total distorsi
harmonik arus (total harmonic distortion = THD) tegangan antara 2% sampai dengan
3% (Flanagan, 1993). Daut (2006) berpendapat bahwa transformator yang mencatu
beban nonliniar mengakibatkan peningkatan nilai komponen harmonik dan rugi-rugi
transformator secara berlebihan yang mengakibatkan meningkatnya suhu pada belitan
transformator. Rugi daya transformator meningkat dengan meningkatnya arus
harmonik. Fakta menunjukkan bahwa harmonik ke-3 dan kelipatannya (triplen)
mengakibatkan peningkatan arus netral untuk sistem 3 fasa 4 kawat (Grady, 2005).
Dampak lain adanya harmonik pada sistem satu fasa ataupun tiga fasa, menyebabkan
2
panas lebih pada saluran netral. Untuk pentanahan yang buruk selanjutnya terjadi
tegangan antara saluran pentanahan dan netral. Hal ini akan mempengaruhi kinerja
peralatan yang berbasis digital (Integral Energi, 2000).
Akagi H. dkk (2007) menyatakan bahwa, tanggapan peralatan listrik terhadap
sumber daya yang mengandung harmonik dapat berbeda satu sama lain. Lampu pijar
dengan filamen, peralatan rumah tangga berupa pemanas dan kompor listrik, kerjanya
tidak banyak dipengaruhi oleh harmonik. Keadaan lain, belitan motor listrik
mengalami pemanasan lebih pada belitannya dengan adanya harmonik. Hal ini
menyebabkan percepatan penurunan tingkat isolasi dan memperpendek umur motor
tersebut.
Penggunaan lampu jenis kompak ballast elektronik (CFL) dewasa ini telah
menggantikan lampu pijar biasa pada penerangan rumah tangga, sebagai beban nonlinear lampu jenis CFL berkontribusi meningkatkan distorsi gelombang harmonik
pada sistem jaringan distribusi. Meningkatnya
pengguna lampu CFL dapat
mendorong tingkat harmonik di atas batas yang direkomendasikan, dampaknya
kualitas daya listrik pada perumahan menurun (Rayudu, R. K. dkk. 2012).
Kandungan distorsi gelombang harmonik
arus pada saluran transmisi
tegangan tinggi 150 kV/70 kV dengan beban busur tungku peleburan baja, didapatkan
hasil pengukuran harmonik arus (THDi) pada sisi pelanggan dengan tegangan 70 kV
senilai 70% (Purwadi, A., 2011). Hasil pengukuran untuk berbagai jenis beban pada
tegangan menengah dan rendah 20 kV/380V jaringan di Jawa Barat dan Banten
terdapat nilai THDi pada semua gardu distribusi berkisar antara 5%, sampai dengan
70%. Demikian pula untuk harmonik arus pada saluran netral di sisi tegangan rendah
menunjukkan bahwa 17 dari 20 sampel yang diukur memiliki kandungan distorsi
harmonik (Purwadi, A. dkk. 2011).
Rele arus lebih waktu terbalik (inverse time overcurrent relay=ITOCR) tidak
akan beroperasi dengan efektif pada saluran non sinusoida yang mengandung distorsi
harmonik. Kandungan harmonik yang tinggi bahkan rele beroperasi lebih lamban
(Tumiran, dkk, 2007).
3
Alat ukur kWh meter jenis kumparan yang dipasang pasa sisi pelanggan
dirancang dengan dasar fluks dari kumparan tegangan dan kumparan arus khusus
untuk frekuensi tunggal 50 Hz, akibatnya untuk arus dan atau tegangan
dengan frekuensi
selain
listrik
frekuensi 50 Hz tidak dapat mengukur dengan tepat
(Tumanski, 2006).
Hal-hal yang telah diuraikan di atas bahwa distorsi harmonik sangat
merugikan pelanggan maupun perusahaan listrik, memberikan motivasi yang kuat
untuk meneliti pengurangan harmonik arus pada pelanggan tenaga listrik rumah
tangga dengan judul Komparasi Kinerja Filter Untuk Mengurangi Dampak
Harmonik Pada Pelanggan Listrik Rumah Tangga 450 VA dan 900 VA.
1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang yang telah diuraikan kiranya dapat dituliskan rumusan
masalah yang berkaitan dengan kandungan harmonik pada pelanggan listrik rumah
tangga kapasitas daya 450 VA dan 900 VA sebagai berikut:
1.
Harmonik yang terjadi pada pelanggan listrik rumah tangga berkapasitas daya
450 VA dan 900 VA yang disebabkan oleh sekelompok beban peralatan rumah
tangga yang lazim dioperasionalkan sehari-hari belum diketahui nilai dan
keberagamannya.
2.
Untuk mengurangi kandungan
harmonik
pada pelanggan rumah tangga 450
VA dan 900 VA, perlu dilakukan penambahan filter pasif L-C yang ditala pada
frekuensi 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, gabungan filter-filter tersebut, filter seri
berupa induktans dan filter aktif serta filter hibrid. Dalam penelitian ini dilakukan
simulasi-simulasi untuk mengetahui masing-masing kinerja fiter tersebut.
3.
Berdasarkan hasil simulasi, perlu dikembangkan prototipe filter harmonik yang
sesuai dengan THDi
pelanggan
listrik rumah tangga 450 VA dan 900 VA
untuk memperoleh peningkatan kualitas tenaga listrik.
4
1.3 Keaslian Penelitian
Beberapa peneliti terdahulu yang telah melakukan pengkajian pengurangan
kandungan harmonik dengan software tertentu, antara lain:
1.
Rivas, D., dkk, (2003) hasil simulasi diperoleh hasil pengurangan THDi senilai
84% menjadi 6,3%.
2.
Omeri, A. dkk, (2006), semula THDi senilai 23,5% dengan simulasi diperoleh
THDi senilai 4.16%.
3.
Jog, A. N., dkk, (2007) dengan hasil simulasi semula THDi senilai 27%, setelah
melalui proses simulasi nilai THDi turun menjadi 7%.
4.
Yang, H. dkk, (2007) sebelum menggunakan filter harmonik senilai THDi senilai
7,1%, dengan simulasi menghasilkan nilai THDi berkurang menjadi 6,2%.
5.
Mahaleksmi, T, (2010) semula THDi
senilai 48,62%, dengan
simulasi
diperoleh hasil THDi senilai 8,86%.
6.
Dehini, R, dkk, (2010) THDi tanpa menggunakan filter senilai 26,86% dan
dengan dipasang filter harmonik THDi dapat berkurang menjadi 1,02%.
Dibawah ini beberapa kelompok peneliti terdahulu yang telah melakukan
penelitian maupun eksperimen berbasis filter aktif.
1.
Kumar, S., S., dkk, (2008), melakukan penelitian filter aktif hibrid multi-band
dengan cara mereduksi jumlah sensor. Filter hibrid yang dipergunakan berupa
inverter sumber tegangan yang dipasang seri dengan filter pasif. Pemisahan
harmonik dilakukan dengan multiple synchronous reference frame dan metode
yang digunakan adalah transformasi Park. Eksperimen menggunakan sumber
tenaga listrik 3 fasa, tegangan 415 V, frekuensi 50 Hz. Komponen aktif yang
dipergunakan untuk inverter sumbert tegangan adalah MOSFET. Pengendali
utama menggunakan prosesor DSP TMS320F240, sensor arus menggunakan
efek hall. Hasil eksperiment diperoleh dengan meyakinkan sistem terbukti
mempunyai kinerja unggul dalam penapisan harmonik sesuai dengan standar
IEEE 519-1992.
5
2.
Miret., J., dkk (2009), eksperimen dilakukan menggunakan filter aktif yang
diaplikasikan pada sistem tenaga listrik satu fasa tegangan 110 V, frekuensi 60
Hz dan daya nominal 500 VA. Eksperimen menggunakan prototipe filter aktif
yang dibangun dengan 4.5 SEMIKRON jembatan penuh sebagai konverter daya
dan DSP TMS 320F2812 sebagai pengendali. Hasil akhir dari eksperimen
diperoleh kesimpulan bahwa karakteristik unjuk kerja dari sistem pengendalian
harmonik yang diusulkan memberikan reduksi yang tinggi arus harmonik pada
grid, mempunyai kepekaan yang rendah terhadap distorsi tegangan dan variasi
frekuensi pada jaringan, namun bagus untuk tanggapan transien yang disebabkan
oleh beban.
3.
Wei, Z., dkk (2011), meneliti filter aktif hibrid dengan model filter aktif dipasang
seri dengan filter pasif. Komponen utama pada filter aktif menggunakan IGBT.
Sistem kerjanya menggunakan injeksi arus yang dikendalikan oleh DSP.
Kesimpulan yang didapat adalah dapat menekan arus harmonik dan dapat
mengkompensasi daya reaktif kapasitif.
4.
Wei, Zao., dkk, (2011), melakukan eksperimen di China dengan tegangan grid 10
kV. Prinsip operasi yang digunakan adalah filter pasif yang ditala pada frekuensi
100 Hz dan 250 Hz yang digunakan untuk menekan harmonik yang disebabkan
oleh beban tidak linier dan kompensasi daya reaktif pada grid. Filter aktif dengan
kapasitas rendah dipasang secara seri dengan filter pasif yang terhubung dengan
jaringan melalui kopling transformator. Pengendalian injeksi arus dilakukan
dengan logika Fuzzy yang dikombinasikan pengendali integral. Kesimpulan dari
eksperimen adalah THDi yang terdiri dari harmonik ke-5 dan ke-7 semula tanpa
menggunakan filter adalah 11,8%, setelah dipasang filter nilai THD I turun
menjadi 7,3%, dan faktor daya meningkat semula 0,86 menjadi 0,95.
5.
Kumar, B. S., dkk, (2012) menyampaikan bahwa, algoritma PSO
yang
diaplikasikan pada filter aktif hibrid dengan konfigurasi rangkaian filter pasif
dipasang seri dengan filter aktif. Tujuan
perancangan dimaksudkan untuk
mengkompensasi THD pada sistem kelistrikan 3 fasa 4 kawat tegangan 10
6
kV. Kesimpulan dari Teknik pengendalian yang diusulkan mumuaskan untuk
pengurangan harmonik, terutama untuk kondisi beban yang tidak seimbang.
Walaupun berbagai penelitian terkait telah dilakukan, akan tetapi penelitian
kandungan harmonik pada pelanggan listrik rumah tangga dengan kapasitas daya
terpasang 450 VA dan 900 VA sampai saat ini belum memperoleh jawaban yang
memuaskan. Penelitian yang dilakukan dalam disertasi ini berbeda dengan penelitian
yang dilakukan oleh peneliti-peneliti terdahulu yang mayoritasnya adalah dalam
bentuk studi dengan pemodelan dengan program komputer tertentu maupun dengan
desain/eksperimen di laboratorium.
Pada penelitian ini dilakukan dengan mengambil data pada sampel pelanggan
tenaga listrik rumah tangga 450 VA dan 900 VA masing-masing kelompok daya dan
lokasi berkisar antara 12 sampai dengan 27 pelanggan. Hasil pengukuran dihitung
dan menghasilkan berbedaan nilai yang tidak signifikan, sehingga diputuskan untuk
diambil sebanyak 10 (sepuluh) pelanggan untuk kelompok beban 900 VA dan 450
VA yang sebelumnya telah ditentukan melalui survei secara langsung. Perbedaan
daya terpasang 900 VA dan 450 VA pada pelanggan rumah tangga, ada indikasi
berbedaan jumlah peralatan yang dioperasikan dalam waktu yang bersamaan,
sehingga pada penelitian ini akan membuktikan apakah terdapat perbedaan nilai
THDi yang signifikan
untuk
kelompok pelanggan rumah
tangga
yang
berlangganan daya listrik 900 VA dan 450 VA.
Berdasarkan hasil survei awal, bahwa beban listrik pada pelanggan banyak
menggunakan peralatan yang belum secara nyata ditera kandungan harmoniknya,
bahkan banyak pelanggan listrik mengunakan peralatan listrik hasil reka ulang tanpa
melalui proses peneraan. Hal ini dikuatkan dengan hasil wawancara dengan para
pelanggan, terutama untuk lampu penerangan jenis lampu CFL.
Berdasar dari hasil peneliti-peneliti yang telah dibahas sebelumnya, mayoritas
peneliti menggunakan simulasi filter hibrid dengan sofware tertentu untuk beban
tenaga listrik skala industri yang konfigurasi jaringannya tidak disebutkan, sehingga
7
berdasarkan uraian tersebut diatas, penelitian ini cukup menarik, penting dan perlu
dengan keaslian dan keterbaruan serta kontribusi penelitian ini terletak pada:
1. Hingga saat ini, belum ada hasil rekayasa filter harmonik untuk kapasitas daya 450
VA dan 900 VA yang dipasang pada pelanggan rumah tangga.
2. Filter aktif yang diajukan disesuaikan dengan hasil olah data dari hasil pengukuran
harmonik secara riil dari pelanggan.
3. Kontribusi yang diberikan dapat meghasilkan prototipe filter yang sesui dengan
kondisi THD pada pelanggan listrik 900 VA dan 450 VA, sehingga pada saatnya
nanti dapat
mengurangi kandungan harmonik pelanggan rumah tangga yang
dimaksud.
1.4 Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini untuk :
1.
Mengukur kandungan harmonik (THD = total harmonic distortion) yang
dihasilkan dari pelanggan rumah tangga dengan kapasitas daya terpasang 450
VA dan 900 VA dengan lokasi rumah tangga dengan jaringan distribusi terpisah
dengan industri dan se-jaringan distribusi dengan industri.
2.
Melakukan simulasi-simulasi filter pasif L-C ditala tunggal pada frekuensi 150
Hz, 250 Hz dan 350 Hz dan gabungan filter-filter tersebut dan filter seri berupa
induktans serta filter aktif dan hibrid untuk mengurangi kandungan harmonik.
3.
Merancang prototipe filter harmonik
yang sesuai dengan kondisi THDi
pelanggan listrik rumah tangga 900 VA dan 450 VA, sehingga dapat membantu
untuk meningkatkan kualitas tenaga listrik.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian yang akan dilakukan ini akan dapat memberikan nilai tambah atau
keuntungan bagi pembangunan negara Indonesia, dan juga memberikan sumbangan
bagi perkembangan ilmu pengetahuan, karena hanya melalui penelitian ilmu
8
pengetahuan memberikan manfaat yang semakin besar bagi kehidupan dan
kesejahteraan manusia.
1.5.1 Manfaat untuk pembangunan negara
Dalam era pembangunan di bidang ketenaga-listrikan di Indonesia, sistem
tenaga listrik yang bebas dari kandungan harmonik sangat penting dalam rangka
menciptakan sistem tenaga listrik yang berkualitas. Filter harmonik dimaksudkan
untuk menekan kandungan harmonik pada sistem kelistrikan rumah tangga, sehingga
harmonik tidak mengganggu
ke-pelanggan lain dan juga mengganggu kerja
transformator distribusi, perlatan-peralatan proteksi dan mengurangi suhu penghantar
serta menurunkan arus harmonik triplen pada penghantar netral. Kondisi tersebut
bilamana dibiarkan akan berdampak pada umur peralatan dan kerugian-kerugian lain
yang diatanggung oleh Perusahaan Listrik ataupun pelanggan rumah tangga yang
menggunakan sistem kelistrikan tersebut.
Oleh karena itu, penekanan arus listrik yang mengandung harmonik untuk
pelanggan tenaga listrik rumah tangga harus diteliti dengan baik. Kemudian dari hasil
penelitian yang diperoleh akan dapat dirancang filter harmonik yang selanjutnya akan
dipasangkan pada pelanggan listrik rumah tangga dengan maksud untuk menekan
arus dan tegangan listrik yang mengandung harmonik. Dengan cara ini, kualitas
tenaga listrik akan meningkat, rugi daya dan rusaknya peralatan yang disebabkan
oleh komponen harmonik arus dan tegangan listrik dapat diminimalkan.
1.5.2 Manfaat untuk ilmu pengetahuan
Suatu ilmu pengetahuan dapat dikembangkan dengan baik apabila ada
kontribusi dari peneliti untuk memperkaya khasanah ilmu penetahuan tersebut. Hanya
melalui penelitian-penelitian, hal-hal yang berkaitan dengan ilmu pengetahuan,
watak/karakteristik suatu peralatan dapat diketahui dengan baik. Hasil penelitian ini
diharapkan nantinya dapat digunakan untuk memperkaya ilmu pengetahuan, lebihlebih yang berkaitan dengan pengurangan kandungan harmonik pada sistem
kelistrikan rumah tangga.
9
Kontribusi sumbangan hasil penelitian bagi pembangunan dan ilmu
pengetahuan berupa:
1.
Informasi nilai THDv dan THDi untuk beban rumah tangga dengan daya
terpasang 900 VA dan 450 VA dapat dipergunakan untuk mengevaluasi dan
membuat standar harmonik yang diijinkan suatu produk pada peralatan-peralatan
yang dioperasikan dengan tenaga listrik di Indonesia.
2.
Memberikan sumbangan pemikiran khususnya untuk perusahaan listrik agar
dapat memberikan pelayanan kepada pelanggan dengan kualitas daya yang
memadai sesuai dengan peraturan yang berlaku.
3. Meningkatkan kualitas tenaga listrik untuk pelanggan dan sekaligus perusahaan
tenaga listrik.
4. Menyampaikan informasi hasil penelitian dan rancangan filter harmonik kepada
pihak-pihak yang membutuhkan, sehingga penggunaan energi listrik dapat
efektif, kerusakan peralatan dan kerugian daya listrik pada perusahaan listrik
dapat minimal.