4 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Mutakhir Terdapat

BAB II
KAJIAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Mutakhir
Terdapat beberapa penelitian sebelumnya yang tentunya mendukung
skripsi ini, dan penelitian tersebut dapat dijadikan pedoman dalam penulisan.
Penelitian yang dilakukan oleh Abdurrahman Ghifari, Agung Warsito, Susatyo
Handoko (2013), tentang Studi Harmonisa Pengaruh Kapasitor Bank Pada Sistem
Kelistrikan PT. Chandra Asri Petrochemical, TBK. Penelitian ini menggunakan
hasil simulasi software ETAP power station, dari hasil penelitiannya di dapatkan
bahwa besarnya harmonisa tegangan pada main substation akan berkurang apabila
faktor daya sistem meningkat akibat dipasang kapasitor bank. Penambahan
kapasitor bank dapat mengurangi ITHD, namun apabila terjadi resonansi yang
terjadi akibat pemasangan kapasitor bank dapat menyebabkan arus pada kapasitor
dan ITHD naik. Penelitian ini juga dilakukan pemasangan harmonic filter dengan
single tuned filter dapat mengurangi ITHD pada LV T6 sampai 73,36% dari nilai
awalnya.
Penelitian juga dilakukan oleh I Kadek Suwardana (2013), tentang
Simulasi Penentuan Penempatan Filter Aktif Shunt Untuk Mendapatkan Distorsi
Daya Yang Terkecil Di Blue Point Bay Villa & SPA. Penelitian ini dilakukan
simulasi penggunaan filter aktif shunt menggunakan software MATLAB,
pengelompokan jenis beban non linier, perhitungan daya aktif (P) dan arus beban
(IL), simulasi pada sistem sebelum dan sesudah penggunaan filter aktif, analisis
daya distorsi (D), analisis THD hasil simulasi dan pengukuran sesuai dengan
IEEE 519-1992 yang ditentukan dan analisis penempatan filter aktif shunt yang
tepat untuk menekan distorsi daya. Hasil analisis menunjukkan pemasangan filter
aktif shunt menyebabkan kandungan THD arus dan tegangan telah sesuai dengan
standar IEEE 519-1992 yang ditentukan yaitu ≤ 15%. Daya distorsi harmonisa
pada sistem mengalami penurunan dan terjadi peningkatan faktor daya mendekati
4
5
unity power factor pada feeder. Penempatan filter aktif shunt yang terbaik untuk
menurunkan THD dan distorsi daya yaitu pada SDP 2.
2.2
Sistem Tenaga Listrik
Secara umum sistem tenaga listrik terdiri dari beberapa komponen dasar
yaitu pusat pembangkit listrik (Power Plant), transmisi tenaga listrik, sistem
distribusi dan beban. Pusat pembangkit (Power Plant) merupakan tempat energi
listrik pertama kali dibangkitkan, dimana terdapat turbin sebagai penggerak mula
(Prime Mover) dan generator yang membangkitkan listrik. Setelah energi listrik
tersebut dibangkitkan maka akan dilakukannya proses transmisi tenaga listrik
yang merupakan proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga
listrik (Power Plant) sehingga dapat disalurkan sampai pada konsumen pengguna
listrik melalui sistem distribusi. Sistem distribusi merupakan subsistem tersendiri
yang terdiri dari: pusat pengatur (Distribution Control Center, DCC), saluran
tegangan menengah (6 kV dan 20 kV, yang juga biasa disebut tegangan distribusi
primer) yang merupakan saluran udara atau kabel tanah, gardu distribusi tegangan
menengah yang terdiri dari panel-panel pengatur tegangan menengah dan trafo
sampai dengan panel-panel distribusi tegangan rendah (380V, 220V) yang
menghasilkan tegangan kerja atau tegangan jala-jala yang nantinya disalurkan ke
beban untuk industri dan konsumen. Ketentuan dasar sistem tenaga listrik :
(Standar IEC dan IEEE)
1. Menyediakan setiap waktu, tenaga listrik untuk keperluan konsumen.
2. Menjaga kestabilan nilai tegangan, dimana tidak lebih toleransi ±10%
3. Menjaga kestabilan frekuensi, dimana tidak lebih toleransi ±0,1Hz
4. Harga yang tidak mahal (Efisien)
5. Standar keamanan (safety)
6. Respek terhadap lingkungan
6
Gambar 2.1. Tiga Komponen Utama dalam Penyaluran Tenaga Listrik
Sumber : Budiana, 2011
2.3
Pengertian Instalasi Listrik
Instalasi listrik merupakan saluran listrik maupun peralatan yang terpasang
baik di dalam maupun di luar bangunan untuk menyalurkan arus listrik.
Rancangan instalasi listrik harus memenuhi ketentuan PUIL 2000 dan peraturan
yang tekait dalam dokumen seperti UU NO 18 Tahun 1999 tentang jasa
konstruksi, peraturan pemerintah NO 51 tahun 1995 tetang Usaha Penunjang
Tenaga Listrik dan peraturan lainnya. (ismansyah,2009)
2.3.1
Prinsip-Prinsip Dasar Instalasi Listrik
Beberapa prinsip instalasi listrik yang harus menjadi pertimbangan pada
pemasangan suatu instalasi listrik dimaksudkan agar instalasi listrik yang
dipasang dapat digunakan secara optimum, efektif ada ifisien adapun prinsif dasar
tersebut ialah sebagai berikut :
1. Keandalan
Artinya seluruh peralatan yang dipakai pada instalasi tersebut haruslah handal
dan baik secara mekanik maupun secara kelistrikannya. Kendalan juga
berkaitan dengan sesuai tindalan pemakaian pengaman jika terjadi gangguan,
7
contohnya bila terjadi suat kerusakan atau gangguan harus mudah dan cepat
diatasi dan diperabaiki agar gangguan yang terjadi dapat diatasi.
2. Ketercapain
tinya dalam pemasangan
peralatan instalasi listrik yang relatif mudah
dijangkau oleh pengguna pada saat mengoperasikannya dan tata letak
komponen listrik tidak susah untuk di operasikan , sebagai contoh
pemasangan sakelar tidak terlalu tingggi maupun rendah.
3. Ketersediaan
Artinya kesiapan suatu instalasi listrik dalam melayani kebutuhan baik berupa
daya, peralatan maupun kemungkinan perluasan instalasi. Apabila ada
perluasan instalasi listrik tidak mengganggu sistem instalasi yang sudah ada,
tetapi kita hanya menghubungkannya pada sumber cadangan (spare) yang
telah diberikan pengaman.
4. Keindahan
Artinya, dalam pemasangan komponen atau peralatan instalasi listrik harus
ditata sedemikian rupa, sehingga dapat terlihat rapih dan indah serta tidak
menyalahi peraturan yang berlaku.
5. Keamanan
Artinya, harus mempertimbangkan faktor keamanan dari suatu instalasi listrik,
baik keamanan terhadap manusia, banguna atau harta benda, makhluk hidup
lain dan peralatan itu sendiri.
6. Ekonomis
Artinya, biaya yang dikeluarkan dalam pemasangan instalasi listrik harus
dipertimbangkan dengan teliti serta pertimbangan-pertimbangan tertentu
sehingga biaya yang dikeluarkan dapat sehemat mungkin tanpa harus
mengesampingkan hal-hal diatas.
2.3.2
Pengaruh Lingkungan
Pengaruh lingkungan kerja peralatan instalasi listrik dapat dibedakan
menjadi dua, yaitu lingkungan normal dan lingkungan tidak normal. Lingkungan
tidak normal dapat menimbulkan gangguan pada instalasi listrik yang normal.
8
Untuk itu, jika suatu instalasi atau bagian dari suatu instalasi berada pada lokasi
yang pengaruh luarnya tidak nomal, maka diperlukan perlindungan yang sesuai.
Pengaruh luar yang tidak diimbangi dengan peralatan yang memadai akan
menyebabkan rusaknya peralatan dan bahan dapat
membahayakan manusia.
Demikian juga pengaruh kondisi tempat akan dipasangnya suatu instalasi listrik,
misalnya dalam suatu industri apakah penghantar tersebut harus ditanam atau
dimasukan jalur penghantar untuk menghindari tekanan mekanis. Oleh karena itu,
pada pemasangan-pemasangan instalasi listrik hendaknya mempunyai rencana
perhitungan dan analisa yang tepat.
2.4
Panel Hubung Bagi (PHB)
PHB adalah panel berbentuk lemari (cubicle), yang dapat dibedakan
sebagai (Sutarno, 2011) :
1. Panel Utama/MDP (Main Distribution Panel) yang berfungsi sebagai penerima
listrik dari trafo dan memungkinkan pembagian distribusi listrik ke beberapa
sirkuit dengan menggunakan ACB (Air Circuit Breaker) untuk memutuskan
sirkuit di setiap rangkaian dan mendistribusikan listrik tersebut ke SDP (Sub
Distributian Panel).
2. Panel Cabang/SDP (Sub Distribution Panel) adalah panel yang berfungsi untuk
mendistribusikan listrik dari MDP (Main Distribution Panel) ke peralatan
listrik lainnya sesuai dengan kebutuhan.
3. Panel Beban/SSDP (Subsub Distribution Panel)
Untuk PHB sistem tegangan rendah, hantaran utamanya merupakan kabel
feeder dan biasanya menggunakan NYFGBY. Di dalam panel biasanya busbar/rel
dibagi menjadi dua segmen yang saling berhubungan dengan saklar pemisah, yang
satu mendapat saluran masuk dari APP (pengusaha ketenagalistrikan) dan satunya
lagi dari sumber listrik sendiri (genset). Dari kedua busbar didistribusikan ke
beban secara langsung atau melalui SDP dan atau SSDP. Tujuan dari pembagian
busbar menjadi dua segmen adalah jika sumber listrik dari PLN mati akibat
gangguan ataupun karena pemeliharaan, maka suplai ke beban tidak akan
terganggu dengan adanya sumber listrik sendiri (genset) sebagai cadangan.
9
2.5
Penghantar dalam Instalasi Listrik
Bahan penghantar kabel instalasi listrik merupakan sebuah bahan yang
berfungsi sebagai penghubung dan penghantar aliran listrik dari satu komponen
listrik ke komponen listrik yang lain. Bahan penghantar yang biasanya digunakan
dalam instalasi listrik harus memenuhi syarat dan sesuai dengan tujuan
penggunaanya, serta telah diuji mutunya oleh lembaga yang berwenang. Ukuran
penghantar listrik dinyatakan dalam ukuran luas penampang inti penghantar dan
dinyatakan dengan satuan mm2. ( Hapiddin, 2009)
Tembaga dan alumunium merupakan jenis bahan penghantar yang biasanya
digunakan sebagai penghantar aliran listrik. Bahan tembaga yang digunakan
sebagai penghantar listrik harus memiliki kemurnian minimal 99%. Tahanan jenis
bahan tembaga yang diisyaratkan tidak melebihi 0,017241 ohm.mm2/m pada suhu
20o C atau sama dengan daya hantar 50 siemen 100%
IACS (International
Annealid Copper Standard). Koefisien suhu pada suhu awal 20o C adalah 0,04%
per derajat celcius. Jika terjadi kenaikan suhu 20o C, akan terjadi kenaikan tahanan
jenis 4% luas penampang penghantar tembaga harus memenuhi standar
internasional.Pada kabel instalasi listrik berselubung, terdapat beberapa huruf
untuk memberikan kode pada kabel tersebut antara lain: (Hapiddin, 2009)
a. N
: kabel standar dengan penghantar tembaga.
b. NA
: kabel standar dengan penghantar Alumunium.
c. Y
: kabel dengan isolasi atau selubung PVC.
d. F
: kabel dengan perisai kawat pipih.
e. R
: kaber dengan perisai kawat baja bulat.
f. Gb
: Kabel spiral pita baja.
g. Re
: Kabel pengantar padat bulat.
h. Rm
: Kabel penghantar bulat padat banyak.
i. Se
: Kabel penghantar padat bentuk sektor.
j. Sm
: Kabel penghantar kawat banyak bentuk sektor.
10
Tabel 2.1. Kemampuan Penghantaran Arus Kabel Instalasi Berbahan Tembaga,Berisolasi,
dan Berselubung PVC
Kemampuan Hantar Arus
Luas Penampang
Kemampuan Hantar Arus
Nominal Maksimum
Nominal Kabel
Maksimum
Pengaman
Mm2
Ampere (A)
Ampere (A)
1,5
19
20
2,5
25
25
4
34
35
6
44
50
10
6
63
16
82
80
25
108
100
35
134
125
50
167
160
70
207
224
95
249
250
120
291
300
150
334
355
185
380
355
240
450
425
300
520
500
Sumber : Rusmadi, 2006
Adapun nilai tegangan nominal kabel berdasarkan warna selubung luar
kabel yang berbahan PVC telah dibakukan, dalam PUIL ayat 720 G1, seperti
tercantum dalam tabel 2.2 berikut.
Tabel 2.2 Tegangan Nominal Kabel Berdasarkan Warna Selubung Luar Kabel PVC
Jenis Kabel
Tegangan Nominal
Warna Selubung Luar
Kabel berselubung PVC
untuk instalasi tetap
500V
Putih
500V
Hitam
Kabel berselubung PVC
0,6 / 1KV
Hitam
Kabel berselubung PVC
Diatas 1 KV
Merah
(misalnya ,NYM)
Hantaran udara berselubung
PVC(misalnya,NYMT)
Sumber : Rusnadi, 2006
11
Jenis Kabel Instalasi yang digunakan dalam instalasi listrik rumah adalah
jenis kawat tembaga, bukan dengan kabel serabut. Ada berbagai jenis kabel kawat
tembaga yang digunakan dalam instalasi listrik rumah, seperti tipe kabel
NYA,NYM dan NYY. ( Hapiddin, 2009).
PUIL 2011 ayat 2.2.2.2 menetapkan bahawa setiap konduktor harus
mempunyai KHA yang tidak kurang dari arus yang mengalir di dalamnya. Untik
itu KHA harus dianggap tidak kurang dari kebutuhan maksimum yang ditentukan
dalam PUIL 2011 ayat 2.3.2 untuk sirkit utama dan sirkit cabang, atau dalam
PUIL 2011 ayat 2.3.4 untuk sirkit utama atau sirkit cabang dengan cara
pengukuran atau pembatasan, atau dalam PUIL ayat 2.3.5 untuk sirkit akhir.
Untuk kabel dilindungi oleh bahan isolasi keseluruhannya.
2.5.1 Kabel NYFGBY
Kabel NYFGBY/NYRGbY/NYBY merupakan Kabel ini dirancang khusus
untuk instalasi tetap dalam tanah yang ditanam langsung tanpa memerlukan
perlindungan tambahan (kecuali harus menyeberang jalan). Pada kondisi normal
kedalaman pemasangan dibawah tanah adalah 0,8 meter.
Gambar 2.2 Kabel NYFGBY
2.5.2 Kabel NYY
Kabel NYY memiliki lapisan isolasi PVC yang biasanya berwarna hitam,
ada yang berinti 2, 3 atau 4 . kabel NYY merupakan kabel Instalasi listrik yang
dipergunakan untuk instalasi tertanam (kabel tanah) dan memiliki lapisan isolasi
yang lebih kaut dari kabel NYM. ( Hapiddin,2009)
12
Gambar 2.3 Kabel NYY
2.5.3 Kabel NYA
Kabel NYA jenis kabel tembaga berinti tunggal dan berlapis bahan isolasi
PVC, yang biasa digunakan untuk instalasi luar/kabel udara. Kode warna isolasi
pada kabel NYA terdiri atas warna merah, kuning, biru dan hitam. Jenis kabel ini
banyak digunakan dalam instalasi listrik perumahan karena harganya yang relatif
murah . akan tetapi, kabel NYA merupakan jenis kabel yang mudah cacat dan
mudah terkelupas dikarenakan isolasinya yang hanya 1 lapis. Kabel NYA adalah
kabel tipe udara sehingga tidak terlalu tahan terhadap air dan udara lembab.
Jika memakai kabel NYA dalam instalasi listrik untuk pengamanan kabel
harus dipasang dalam pipa/conduit jenis PVC atau saluran tertutup. Hal tersebut
dilakukan agar kabel tidak mudah terkelupas akibat bergesekan dengan benda
lain. Jika isolasi kabel terkelupas, kawat kabel tersebut tidak akan tersentuh oleh
manusia. ( Hapiddin, 2009)
Gambar 2.4 Kabel NYA
2.6 Kualitas Daya Listrik
Kualitas daya listrik merupakan tenaga listrik yang handal, energi listrik
yang memiliki kualitas baik dan memenuhi standar, serta mempunyai kontribusi
yang sangat penting bagi kehidupan masyarakat. Kualitas daya listrik juga dapat
diartikan sebagai hubungan dari daya listrik dengan peralatan listrik. Jika
13
peralatan listrik dapat bekerja handal tanpa mengalami tekanan dan juga kerugian,
maka dapat dikatakan peralatan listrik tersebut memiliki kualitas daya yang baik.
Begitu pula sebaliknya, jika peralatan listrik bekerja kurang handal atau gagal
fungsi serta mengalami kerugian saat pengoperasiaannya maka dapat dikatakan
peralatan listrik tersebut memiliki kualitas daya yang buruk. Pada dasarnya,
tegangan berbentuk sinusoidal yang memiliki amplitudo dan frekuensi
yang
sesuai dengan standar (pada umumnya) atau spesifikasi sistem. Namun pada
kenyataanya, sumber daya listrik tidak ada yang ideal dan pada umumnya daya
listrik dapat menyimpang dengan cara-cara berikut (Dugan,dkk, 2003) :
1. Peak variation atau RMS adalah 2 hal yang penting dalam membedakan jenis
dari peralatan.
2. Swell adalah Saat dimana tegangan RMS melebihi dari tegangan nominal
sebesar 10 – 80 % pada 0.5 cycle sampai 1 menit.
3. Dip atau Sag adalah kejadian dimana tegangan RMS di bawah tegangan
nominal sebesar 10-90 % dalam 0.5 cycle sampai 1 menit.
4. Kenaikan tegangan yang sangat singkat disebut “spikes”, “impulse” atau
“surja”, yang umumnya disebabkan oleh switch off-nya beban induktif yang
besar atau (yang sering terjadi) karena petir.
5. Under voltage adalah saat dimana tegangan nominal turun di bawah 90%
selama lebih dari 1 menit.
6. Overvoltage terjadi saat tegangan nominal meningkat sampai di atas 110%
selama lebih dari 1 menit.
7. Variasi frekuensi.
8. Variasi gelombang (biasanya menggambarkan harmonisa).
2.6.1 Konsep Kualitas Daya Listrik
Kualitas daya listrik menjadi perhatian lebih saat ini yang semakin
meningkat seiring dengan peningkatan penggunaan energi listrik dan utilitas
kelistrikan. Istilah kualitas daya listrik telah menjadi isu penting pada industri
tenaga listrik sejak akhir 1980-an. Kualitas daya listrik merupakan suatu konsep
yang memberikan gambaran tentang baik atau buruknya mutu daya listrik akibat
14
adanya beberapa jenis gangguan yang terjadi pada sistem kelistrikan (Dugan, dkk
1996).
Empat alasan utama, para ahli di bidang tenaga listrik memberikan perhatian
lebih pada isu kualitas daya listrik (Dugan, dkk 1996), yaitu :
1.
Saat ini pertumbuhan beban-beban listrik bersifat lebih peka terhadap
kualitas daya listrik seperti halnya sistem kendali dengan berbasis pada
mikroprosesor dan perangkat elektronika daya.
2.
Meningkatnya efisiensi sistem daya listrik secara keseluruhan, sehingga
menimbulkan terjadinya peningkatan penggunaan peralatan yang memiliki
tingkat efisiensi tinggi, seperti pengaturan kecepatan motor listrik dan
penggunaan kapasitor untuk perbaikan faktor daya. Penggunaan peralatan
tersebut dapat mengakibatkan peningkatkan tingkat harmonik pada sistem
daya listrik, dimana para ahli mengkhawatirkan dampak harmonisa tersebut
di masa mendatang yang dapat menurunkan kemampuan dari sistem daya
listrik itu sendiri.
3.
Meningkatnya kesadaran pengguna energi listrik mengenai masalah kualitas
daya listrik. Para pengguna utilitas kelistrikan menjadi lebih pandai dan
bijak dalam persoalan seperti interupsi, sags, dan peralihan transien dan
merasa berkepentingan untuk meningkatkan kualitas distribusi daya
listriknya.
4.
Sistem tenaga listrik yang satu sama lainnya saling berhubungan dalam
suatu jaringan
interkoneksi, dimana sistem tersebut memberikan suatu
konsekuensi bahwa kegagalan dari setiap komponen dapat mengakibatkan
kegagalan pula pada komponen yang lainnya.
2.6.2 Jenis-Jenis Permasalahan Kualitas Daya Listrik
Ada beberapa jenis-jenis permasalahan dalam kualitas daya listrik seperti
(Dugan, dkk 1996):
2
Gejala Peralihan (Transient), yakni gejala perubahan variabel (tegangan,
arus dan lain-lain) yang terjadi selama masa transisi dari keadaan operasi
lunak (steady state) menjadi keadaan yang lainnya.
15
3
Gejala Perubahan Tegangan Durasi Pendek (Short-Duration Variations),
yakni gejala perubahan nilai tegangan dalam waktu yang begitu singkat yaitu
kurang dari 1 (satu) menit.
4
Gejala Perubahan Tegangan Durasi Panjang (Long-Duration Variations),
yakni gejala perubahan nilai tegangan, dalam waktu yang lama yaitu lebih
dari 1 (satu) menit.
5
Ketidakseimbangan Tegangan, yakni gejala perbedaan besarnya tegangan
dalam sistem tiga fasa serta sudut fasanya.
6
Distorsi Gelombang, yakni gejala penyimpangan suatu gelombang (tegangan
dan arus) dari bentuk idealnya berupa gelombang sinusoidal
7
Fluktuasi Tegangan, yakni gejala perubahan besarnya tegangan secara
sistematik.
8
Gejala Perubahan Frekuensi Daya yakni gejala penyimpangan frekuensi daya
listrik pada suatu sistem tenaga listrik.
2.7
Teori Harmonisa
Berdasarkan Standart IEC (International Electrotechnical Commission)
1000.4-11, gangguan harmonisa tergolong kedalam Distorsi Bentuk Gelombang
(Dugan, dkk 1996). Pengertian harmonik menurut International Electrotechnical
Commision (IEC) 6100-2-1- 1990 didefenisikan yakni tegangan ataupun arus
sinusoidal yang mempunyai kelipatan frekuensi sistem pasokan tenaga listriknya
sebagaimana yang dirancang untuk dioperasikan ( 50 Hz ataupun 60 Hz). Hampir
sama dengan IEC, Institute of Electrical and Electronic Engineering (IEEE) Std
1159-1995 mendefenisikan harmonik sebagai tegangan ataupun arus sinusoida
yang mempunyai kelipatan bulat dari frekuensi dimana sistem tenaga listrik
pasokannya dirancang untuk dioperasikan (atau disebut juga dengan terminologi:
frekuensi fundamental, yaitu pada umumnya 50 Hz atau 60 Hz (Syahwil,dkk
2010). Selain itu, harmonisa ialah gangguan yang terjadi karena adanya distorsi
gelombang arus dan gelombang tegangan dalam sistem distribusi tenaga listrik.
Dasarnya, harmonisa itu merupakan pembentukan gelombang-gelombang dengan
16
frekuensi berbeda. Dimana ini merupakan perkalian bilangan bulat dengan
frekuensi fundamentalnya atau frekuensi dasarnya.
Gambar 2.5 Gelombang Fundamental, Gelombang Harmonisa dan Gelombang
Terdistorsi.
Sumber : Suryajaya, 2011
2.7.1 Sumber harmonisa
Terjadinya gangguan harmonisa pada sistem tenaga listrik di industri
disebabkan karena banyaknya pemakaian peralatan yang merupakan beban–beban
non linier, seperti: inverter, converter, dan lain sebagainya.
Gambar 2.6 Penurunan Derajat Tegangan pada Jaringan yang Disebabkan Beban Non
Linier.
Sumber : Ferracci, Ph, 2001
Ada empat sebab dasar yang menyebabkan terjadinya harmonisa dalam
bentuk gelombang non linier, yaitu (Susiono, 1999) :
1.
Sumber arus dan tegangan non sinusoidal, dan elemen-elemen rangkaian
(resistor, induktor, dan kapasitor) adalah linier (independent).
17
2.
Sumber arus dan tegangan sinusoidal, sedangkan elemen-elemen
rangkaian mengandung elemen nonlinier.
3.
Sumber arus dan tegangan non sinusoidal, sedangkan elemen-elemen
rangkaian nonlinier.
4.
Sumber arus dan tegangan yang berupa sumber DC, sedangkan
rangkaiannya mengandung elemen yang berubah secara periodik.
2.7.2
Pengaruh Harmonisa Dalam Sistem Tenaga Listrik
Ada beberapa akibat yang ditimbulkan oleh adanya harmonisa dalam
sistem tenaga listrik, antara lain adalah:
1.
Dengan adanya harmonisa akan meningkatkan nilai efektif (RMS) arus
listrik, sehingga rugi-rugi tembaga (I2R) juga semakin meningkat.
2.
Dengan adanya harmonisa yang berfrekuensi lebih tinggi, akan
meningkatkan rugi-rugi inti (histeresis dan arus pusar) pada mesin-mesin
listrik (misalnya transformator).
3.
Harmonisa akan meningkatkan nilai efektif tegangan sehingga akan
meningkatkan kerapatan medan magnet pada inti besi yang juga akan
meningkatkan rugi-rugi inti (transformator).
4.
Dengan meningkatnya rugi-rugi pada poin pertama sampai dengan poin
ketiga di atas, suhu kerja peralatan juga semakin tinggi dan pada
akhirnya akan mengurangi umur peralatan. Selain itu, meningkatnya
rugi-rugi akan menurunkan efisiensi peralatan.
5.
Tegangan efektif yang meningkat akibat adanya harmonisa ini juga akan
meningkatkan kuat medan listrik yang dipikul oleh isolasi peralatan.
6.
Menimbulkan panas yang berlebih pada isolasi kapasitor.
7.
Dengan adanya harmonisa, efek kulit (skin effect) akan meningkat pada
kabel sehingga menaikkan resistansi AC (Rac) yang dapat meningkatkan
rugi-rugi.
8.
Alat proteksi tidak bekerja secara tepat. Sekring dapat bekerja pada arus
di bawah nominalnya, relai bisa bekerja pada selang waktu yang lebih
cepat ataupun lebih lambat dibanding dengan waktu yang diharapkan
18
ketika bekerja pada frekuensi fundamental. Oleh karena itu, dalam
merencanakan alat proteksi, faktor harmonisa harus juga diperhitungkan.
9.
Menimbulkan kesalahan pengukuran pada alat ukur.
10.
Menimbulkan interfrensi pada saluran komunikasi radio, telepon, PLC
(Power Line Carrier) melalui kopling induktif.
11.
2.7.3
Memperburuk faktor daya.
Interharmonisa
Interharmonisa merupakan arus atau tegangan yang mempunyai komponen
frekuensi yang bukan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi daya (misalnya, 50
atau 60 Hz). Interharmonisa ini dapat ditemukan dalam jaringan sistem tenaga
listrik untuk semua klasifikasi tegangan. Sumber utama dari distorsi gelombang
interharmonisa ialah berasal dari konverter frekuensi statis, cycloconverter, motor
induksi, dan juga peralatan yang dapat menimbulkan busur api. Sinyal pembawa
pada saluran tenaga listrik juga dapat disebut sebagai interharmonisa Hal ini dapat
dilihat dengan adanya pengaruh sinyal pembawa pada saluran daya, adanya flicker
yang terlihat secara visual pada lampu fluoressent, atau dengan adanya
pencahayaan secara busur listrik seperti yang terjadi pada layar perangkat
komputer. (Ngabei, 2013)
Proses konversi frekuensi dapat dihasilkan ,yang nilainya tergantung dari
perubahan beban. Interharmonisa dapat pula muncul sebagai frekuensi diskrit atau
sebagai spektrum pita lebar. Interharmonisa arus dapat membangkitkan resonansi
yang cukup tinggi pada sistem tenaga listrik sebagai akibat adanya perubahan
frekuensi interharmonisa menjadi frekuensi yang digunakan dalam sistem tenaga.
2.7.4 Orde Harmonisa
Orde Harmonisa adalah perbandingan frekuensi harmonisa dengan
frekuensi dasar (Ghifari, dkk, 2013), dapat kita definisikan dengan sebuah
persamaan berikut :
n = ƒn/F ……………………………………………………………………..(2.1)
Keterangan :
19
n : Orde harmonisa
ƒ : Frekuensi dasar harmonisa ke-n (Hz)
F : Frekuensi dasar (Hz)
Gelombang dengan frekuensi dasar tidak dianggap sebagai harmonisa, yang
dianggap sebagai harmonisa adalah orde ke-2 sampai ke-n.
2.7.5
Spektrum Harmonisa
Spektrum harmonisa adalah pendistribusian dari semua amplitudo dari
komponen harmonisa sebagai fungsi dari orde harmonisanya diilustrasikan dari
screenshot etap (Ghifari, dkk, 2013).
Gambar 2.7 Bentuk Spektrum Harmonisa
Sumber : Ghifari, dkk, 2013
Gambar diatas bisa kita lihat bahwa spektrum merupakan perbandingan
antara arus atau frekuensi harmonisa terhadap arus atau tegangan frekuensi dasar.
Spektrum digunakan sebagai dasar perencanaan pembuatan filter yang akan
digunakan untuk mereduksi harmonisa.
2.7.6 Harmonisa Pada Jaringan Distribusi
Untuk mempermudah dalam menganalisa persoalan harmonisa pada
jaringan distribusi, maka representasi suatu jaringan bisa dinyatakan dalam model
20
jaringan dengan beban nonlinier seperti pada Gambar 2.8 di bawah ini. (Susiono,
1999)
Beban Nonlinier
Sumber Arus
Gambar 2.8 Representasi Jaringan Distribusi dengan Beban Non Linier
Sumber : Susiono, 1999
Pada penyulang distribusi radial dan pada penyulang yang melayani
kawasan industri, kecendrungan arus harmonisa akan mengalir dari beban
(sumber harmonik) ke arah sistem sumber daya (power source). Hal ini terjadi
karena, impedansi sumber biasanya relatif lebih kecil dari pada impedansi sumber
harmonik sehingga sebagian besar arus harmonik mengalir ke arah sumber daya,
seperti pada Gambar 2.9 di bawah ini.
Gambar 2.9 Aliran Arus Harmonik
Sumber : Susiono, 1999
Apabila pada saluran tersebut terpasang impedansi yang relatif rendah pada
frekuensi harmonik, maka lintasan arus harmonik akan berubah, hal seperti ini
misalnya terjadi karena pemasangan bangku kapasitor (capasitor bank) untuk
perbaikan faktor daya pada beban. Kejadian seperti ini ditunjukkan oleh Gambar
2.10 di bawah ini. (Susiono,1999)
21
Altered Path
Normal Path
Harmonic Source
Gambar 2.10 Perubahan Lintasan Arus Harmonik
Sumber : Susiono, 1999
Beban non linier umumnya berupa komponen semikonduktor, sehingga
sebagian besar harmonik merupakan fenomena yang timbul akibat bekerjanya
suatu peralatan elektronik, misalnya komputer, TV, motor listrik berpengaturan
kecepatan, lampu hemat energi dengan ballast elektronik, dan lainnya.
2.7.7
Standar harmonisa
Yang dijadikan standar harmonisa yakni IEEE 519-1992. Ada dua kriteria
yang dapat mengevaluasi harmonisa yaitu Distorsi harmonisa arus (THDi) dan
harmonisa tegangan (THDv). Harmonisa juga memiliki batas yang dapat
ditentukan dari perbandingan arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of
Common Coupling), dan IL merupakan arus beban fundamentalnya. Batas
harmonisa tegangan sendiri ditentukan dari besarnya tegangan sistem yang
terpasang. Standar harmonisa yang diizinkan untuk arus dan tegangan berdasarkan
IEEE 519-1992 dapat dilihat pada table dibawah ini (Dugan. dkk, 2003) :
Tabel 2.3 Current Distortion Limits untuk General Distribution System
Maximum Harmonics Current Distortion In % IL
Individual Harmonic Order (Odd Harmonics)
Isc / IL
<11
11=<h<17
17=<h<23
23=<h<35
35=<h
THD
<20
4
2
1.5
0.6
0.3
5
20-50
7
3.5
2.5
1
0.5
8
50-100
10
4.5
4
1.5
0.7
12
100-1000
12
5.5
5
2
1
15
>1000
15
7
6
2.5
1.4
20
Sumber : IEEE Std519-1992
22
THD arus harmonisa yang urutan genap dibatasi oleh 25% dari harmonisa
yang urutan ganjil diatas. Distorsi arus yang ditimbulkan oleh sebuah penyearah
setengah gelombang dc tidak diizinkan atau tidak termasuk pada tabel diatas.
Dengan :
Isc = Max short circuit current di PCC (Point of Common Coupling)
IL = Max load current (arus beban fundamental) di PCC
Menurut IEEE Standard 519-1992, untuk mengetahui standar batas
maksimum THDi pada utility, maka harus diketahui terlebih dahulu rasio hubung
singkat (short-circuit ratio). SCratio yang dapat dicari dengan menggunakan rumus:
SCratio =
𝐼𝑠𝑐
𝐼𝐿
………………………………………………………………(2.6)
Dimana, Isc (Arus hubung singkat) dapat dicari dengan rumus :
Isc 
KVA  100
3  KV  Z (%)
…………………………………….……...(2.7)
Sedangkan IL (Arus beban maksimum) dapat dicari dengan rumus :
IL=
𝐾𝑊
𝑃𝐹. 3.𝐾𝑉
………………………………………………………..(2.8)
Keterangan:
ISC
= Arus hubung singkat maksimum pada PCC
IL
= Arus beban maksimum
KW = Total daya aktif
Voltage at PCC
TabeL 2.5 Voltage Distortion Limits
Total Harmonic Distortion THD
Individual Voltage Distortion (%)
(%)
69 kV and below
3.0
5.0
69 kV – 161 kV
1.5
2.5
161 kV
1.0
1.5
Sumber : IEEE Std519-1992
23
2.7.8 Total harmonic distortion (THD)
Distorsi harmonisa atau harmonic distortion disebabkan oleh peralatanperalatan nonlinier dalam suatu sistem tenaga listrik. Peralatan yang dikategorikan
kedalam beban non linier yakni apabila mempunyai output yang nilainya tidak
sebanding dengan tegangan yang diberikan (Dugan, dkk, 1996).
Gambar 2.14 Beban Non Linier
Sumber : Dugan, dkk, 1996
Gambar 2.15 merupakan ilustrasi dari konsep dengan kasus tegangan
masukan sinusoidal diberikan pada resistor nonlinear, dimana arus dan tegangan
bervariasi sesuai dengan kurva yang ditampilkan. Selain itu tegangan masukan
berupa sinusoidal sempurna, tetapi arus yang dihasilkan berupa gelombang
terdistorsi. Peningkatan tegangan walaupun hanya beberapa persen dapat
menyebabkan terjadinya penggandaan arus dan akan menghasilkan bentuk
gelombang yang berbeda. Hal ini merupakan sumber dari distorsi harmonisa
dalam sistem tenaga listrik (Dugan, dkk, 1996).
Gambar 2.15 Gelombang Terdistorsi
Sumber: Dugan, dkk, 1996
Gambar
2.16
memperlihatkan
bentuk
gelombang
terdistorsi
yang
merupakan penjumlahan dari beberapa gelombang sinusoidal yang memiliki
24
variasi frekuensi yang berbeda. Gelombang sinusoidal yang mempunyai frekuensi
berbeda ini merupakan hasil kelipatan dari bilangan bulat dengan frekuensi
fundamentalnya. Dan jumlah dari gelombang sinusoidal disebut dengan deret
fourier, di mana Fourier tersebut merupakan nama matematikawan besar yang
berhasil menemukan suatu konsep yang dapat menjelaskan tentang gelombang
terdistorsi tersebut.
Nilai Distorsi Harmonisa Total (THD) dari suatu gelombang dapat dihitung
dengan menggunakan rumus :
𝑇𝐻𝐷 =
ℎ 𝑚𝑎𝑥
ℎ =2
𝑀ℎ2
𝑀1
.................................................................... …….. (2.2)
Dimana Mh adalah nilai rms komponen harmonisa h dari kuantitas M.
Kuantitas M dapat berupa besaran tegangan V maupun besaran arus I, sehingga
THDv nilai distorsi harmonisa total tegangan dan THDI distorsi harmonisa total
arus listrik, dimana :
𝑇𝐻𝐷𝑉 =
𝑇𝐻𝐷𝐼 =
ℎ 𝑚𝑎𝑥
ℎ =2
𝑉ℎ2
𝑉1
ℎ 𝑚𝑎𝑥
ℎ =2
𝐼1
𝐼ℎ2
……………………………………………….......(2.3)
..................................................................... ……...(2.4)
Nilai rms dari total bentuk gelombang bukanlah penjumlahan dari setiap
komponen harmonisa, tetapi akar kuadrat dari penjumlahan kuadratnya.
Hubungan THD dengan nilai rms dari gelombang adalah :
𝑟𝑚𝑠 =
ℎ 𝑚𝑎𝑥
ℎ=1
𝑀ℎ2 = 𝑀1 + 1 + 𝑇𝐻𝐷2 ................................. ……...(2.5)
Tegangan harmonisa selalu digunakan sebagai pedoman untuk nilai dasar
dari bentuk gelombang sesaat. Hal ini dikarenakan tegangan mempuyai persentase
perbedaan yang kecil, dimana THD tegangan adalah pendekatan dari jumlah yang
sebenarnya. Hal ini tidak berlaku untuk arus listrik, karena sebuah arus yang
mempunyai nilai kecil dapat menghasilkan THD yang tinggi, sehingga tidak dapat
digunakan untuk menggambarkan keadaan suatu sistem (Dugan, dkk, 1996)
Standar harmonisa berdasarkan standar IEEE 519-1992. Ada dua kriteria
yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa. Yaitu batasan untuk
25
harmonisa arus, dan batasan untuk harmonisa tegangan. Untuk standard
harmonisa arus, ditentukan oleh rasio Isc/IL. Isc adalah arus hubung singkat SC
yang ada pada PCC (Point of Common Coupling) dan IL adalah arus beban
maksimum. Dan untuk standard harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan
sistem yang dipakai.
2.7.9
Permasalahan teknis yang ditimbulkan oleh harmonisa
2.7.9.1 Konsep daya
Bila arus dan tegangan dapat dinyatakan secara umum sebagaimana
persamaan (2.8) dan (2.9) sebagai : (Buhron, 2001)

v(t )   ah cos(ho  h )
............................................ ...……(2.9)
h 1

i(t )   bh cos(ho   h )
…………………………...….…(2.10)
h 1
Daya aktif dapat dinyatakan sebagai :

Ptotal   a h bh cos(  h   h )
............................................ …….(2.11)
h 1
Daya nyata dinyatakan sebagai :

S total   a h bh
.............................................. …….(2.12)
h 1
Bila daya reaktif diturunkan dengan cara yang sama sebagaimana
mendapatkan daya aktif P, maka didapat :

Qtotal   a h bh sin(  h   h )
............................................... …….(2.13)
h 1
Definisi daya reaktif pada persamaan (2.13) di atas belum disepakati secara
bulat oleh para insinyur listrik. Salah satunya dikarenakan apabila kita terapkan
persamaan “standar” untuk daya tampak (apparent power):
S  P2  Q2
Dimana :
S = Daya Semu (VA)
……………………………………(2.14)
26
P = Daya Aktif (Watt)
Q = Daya Reaktif (Var)
ternyata P dan Q tidak memenuhi persamaan di atas. Untuk itu, diintrodusir satu
besaran lain, yaitu daya distorsi D, yang dinyatakan sebagai:
D  S 2  P2  Q2
……………………………………(2.15)
Dari ulasan singkat di atas, tampak bahwa definisi daya, khususnya daya
reaktif yang normal harus ditinjau ulang akibat kehadiran harmonisa. Nilai dari
daya distorsi juga dapat dinyatakan sebagai berikut:
D
=
Vrms  I 22  I 32  ...  I h2
…………………………………………(2.16)
Hubungan antara daya semu, daya aktif, daya reaktif dan daya distorsi dapat
dilihat dari hubungan tetahedron dibawah ini:
Gambar 2.11 Tetahedron Yang Menyatakan Hubungan Antara Daya S, P, Q dan D
Sumber : Buhron, 2001
Gambar diatas menunjukkan bahwa dengan adanya daya distorsi, maka
terjadi perubahan nilai daya semu dari S1 menjadi S dan juga daya reaktif dari Q1
menjadi Q (Sumber : Septiawan, 2012).
2.7.9.2 Konsep faktor daya
Jika arus dan tegangan berbentuk sinusoidal, maka faktor daya diartikan
sebagai cosinus sudut yang dibentuk antara simpangan nol (zero-crossing)
tegangan dan simpangan nol arus, dengan nol tegangan sebagai acuan (Buhron,
2001). Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.20 di bawah ini.
27
Gambar 2.12 Kurva Arus dan Tegangan Pada Beban Linier
Sumber : Buhron, 2001
Bila arus dan atau tegangan tidak sinusoidal, seperti pada gambar di atas,
definisi tersebut tidak lagi dapat digunakan.
Permasalahan akan timbul jika salah satu atau kedua besaran tidak
sinusoidal sebagaimana yang diperlihatkan pada gambar di atas, terlebih lagi
apabila besaran-besaran memiliki beberapa simpangan nol. Jadi untuk
menyelesaikan permasalahan mengenai faktor daya, ada dua definisi yang umum
digunakan yang berkaitan dengan bentuk arus dan atau tegangan yang tidak
sinusoidal, yaitu true power factor (tpf atau pf saja). (Sutanto; Buhron, 2001)
tpf 
Ptotal seluruh frekuensi
Vrms I rms
……………………………………….(2.17)
dan displacement power factor (dpf),
dpf 
Pfundamental
V1 I 1
………………………………………...(2.18)
True power factor (tpf) merupakan ukuran dari kemampuan daya rangkaian,
dengan mencakup seluruh komponen harmonisa. Nilai tpf adalah selalu lebih kecil
atau sama dengan dpf (yaitu dalam kasus arus dan tegangan sinusoidal).
2.7.9.3 Tegangan sistem
Arus sumber yang tidak berbentuk sinusoidal dapat menyebabkan
terjadinya cacat tegangan pada tegangan sistem. Dalam domain waktu, fenomena
cacat tegangan dapat berupa puncak dan lembah yang terpotong dapat dijelaskan
sebagai berikut, yakni arus yang ditarik dari sumber hanya mengalir ketika
28
gelombang tegangan berada di sekitar puncak dan lembah. Dengan begitu, jatuh
tegangan pada feeder juga hanya terjadi ketika tegangan berada di sekitar puncak
dan lembah. Jatuh tegangan ini ditandai dengan pemotongan (clipping) tegangan
yang hanya terjadi di sekitar puncak dan lembah (Yuliana, 2009).
V
in
R
j314.n.L
Vs
VPCC
Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Feeder
Sumber : Buhron, 2001
Seperti yang tampak pada Gambar 2.21 feeder memiliki elemen resistif dan
induktif. Apabila efek kulit (skin effect) dan efek proximity dapat diabaikan, maka
elemen resistif secara ideal memiliki sifat yang bernilai konstan untuk setiap nilai
frekuensi dari DC hingga infinit. Dengan demikian, elemen resistif memberikan
kontribusi jatuh tegangan yang tetap untuk setiap komponen frekuensi. Perilaku
yang berbeda terjadi pada elemen induktif, yang disebabkan oleh reaktansi
induktif yang bervariasi terhadap frekuensi, dari nol pada DC hingga infinit pada
frekuensi infinit. Dengan demikian, elemen induktif memberikan kontribusi jatuh
tegangan yang berbeda untuk setiap komponen frekuensi. Reaktansi induktif
untuk setiap komponen frekuensi dapat dinyatakan sebagai :
X n  j 2. .n.50.L  j314.n.L ………………………………………(2.19)
Jatuh tegangan V untuk setiap komponen dapat dituliskan sebagai :
Vn = In.Zn ……………………………………………………...(2.20)
dimana In adalah nilai-nilai efektif komponen arus harmonisa dan Zn = R +
j314.n.L. Dari persamaan (2.20) tersebut tampak bahwa jatuh tegangan
bergantung pada nilai efektif komponen-komponen arus harmonisa dan impedansi
pada frekuensi harmonisa.
29
2.8 Penyearah (Rectifier)
Sumber utama dari harmonisa adalah penyearah. Jika dilihat dari segi
pengendalian. Penyearah dibagi menjadi dua jenis yakni :
1. Penyearah tak terkendali (dengan dioda)
2. Penyearah terkendali (dengan thyristor)
Penyearah
yang pertama dan kedua mengintrodusir harmonisa dalam
jumlah yang besar. Penyearah kedua, selain untuk menghasilkan harmonisa, juga
mempunyai faktor daya yang sangat rendah. Sedangkan penyearah pertama,
khususnya dari jenis satu phasa ialah penyumbang harmonisa terbesar dari sektor
perumahan. Peralatan elektronik yakni meliputi televisi, printer, scanner,
komputer, monitor, oven microwave, dan lainnya menggunakan penyearah jenis
ini pada seksi front-end-nya. Pada Gambar 2.17 ditampilkan topologi penyearah
pertama. Penyearah tak terkendali tiga phasa sangat sering ditemui pada sektor
industri. Penyearah ini sangat lazim dijumpai pada seksi front-end pengendali
putaran motor-motor asinkron tiga phasa dalam semua sektor industri
induktor perata arus
(optional)
vs
C
beban
Vo
Gambar 2.16 Topologi Penyearah Tak-Terkendali Satu Phasa
Sumber: Dugan, dkk, 2003
Sedangkan penyearah jenis kedua, yaitu penyearah terkendali biasa
digunakan dalam sektor industri yang menggunakan pengendalian putaran motor
DC dengan penyearah. Pada Gambar 2.18 diperlihatkan topologi dan bentuk arus
penyearah terkendali tiga phasa.
30
R
S
Io
T
Gambar 2.17 Topologi Penyearah Terkendali Tiga Fasa
Sumber: Dugan, dkk, 2003
Bentuk arus penyearah terkendali tiga phasa hampir sama dengan bentuk
arus penyearah tak terkendali tiga phasa, terkecuali mempunyai beda phasa
terbelakang terhadap tegangan
Harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik akan mengakibatkan
penurunan kinerja pada komponen tersebut. Timbulnya harmonisa ketiga ini dapat
mengkibatkan panas yang berlebih pada kawat netral dan transformator, hal ini
yang merupakan dampak paling umum akibat adanya harmonisa. Pembebanan
yang seimbang, arus beban dari beban linier akan saling mengurangi sehingga
dengan begitu arus netralnya akan menjadi nol. Tidak sama halnya pada keadaan
tak seimbang dengan beban non linier, akan muncul harmonisa ganjil kelipatan
tiga. Harmonisa ini yang akan membuat arus netral menjadi semakin besar,
sehingga rugi-rugi daya akan bertambah besar juga.
Orde harmonisa
Tabel 2.5 Polaritas dari Komponen Harmonisa
1
2
3
4
5
6
Frekuensi (Hz)
50
100
150
200
250
Urutan
+
-
0
+
-
7
8
9
300
350
400
450
0
+
-
0
Sumber : Suryajaya, 2011
Harmonisa yang urutan positif akan mengakibatkan medan magnet putar
arah maju pada motor dan ini juga mengakibatkan panas pada jaringan distribusi,
begitu pula sebaliknya dengan harmonisa yang urutan negatif. Sedangkan
harmonisa yang urutan nol akan menimbulkan panas berlebih, selain itu akan
mengakibatkan arus netral menjadi meningkat.
31
2.9 Beban linier dan beban non linier
2.9.1
Beban Linier
Beban linear adalah beban yang impedansinya selalu konstan sehingga
arus selalu berbanding lurus dengan tegangan setiap waktu (De La Rosa, 2006).
Beban linear ini mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan bahwa arus berbanding
lurus dengan tegangan. Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban linier akan
sama dengan bentuk gelombang tegangan, apabila diberi tegangan sinusoidal,
maka arus yang mengalir ke beban linier juga merupakan sinusoidal sehingga
tidak terjadi distorsi dan tidak menimbulkan harmonisa. Beberapa contoh beban
linier adalah lampu pijar, pemanas, resistor, dan lain-lain. Gambar 2.11 berikut
adalah contoh bentuk gelombang arus dan tegangan dengan beban linear (De La
Rosa, 2006).
Gambar 2.18 Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Beban Linier
Sumber : Dugan, dkk, 2003
2.9.2
Beban Non Linier
Beban non linier adalah beban yang impedansinya tidak konstan dalam
setiap periode tegangan masukan. Impedansinya yang tidak konstan, maka arus
yang dihasilkan tidaklah berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan,
sehingga beban non linear tidaklah mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan arus
berbanding lurus dengan tegangan (De La Rosa, 2006).
Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban non linier tidak sama
dengan bentuk gelombang tegangan sehingga terjadi cacat (distorsi). Gambar 2.12
berikut ini adalah beberapa contoh beban non linear untuk keperluan rumah
tangga maupun industri (Rusli, 2009).
32
Gambar 2.19 Jenis Beban Non Linear
Sumber: Rusli, 2009
Gambar 2.19 berikut adalah contoh bentuk gelombang tegangan dan arus
dengan beban non linear.
Gambar 2.20 Gelombang Arus dan Tegangan Beban Non Linier.
Sumber : Suryajaya, 2011
Gambar 2.21 Arus Yang Diserap Oleh Beban Non Linier
Sumber : Dugan ,dkk, 2003
Kecendrungan penggunaan beban-beban elektronika dalam jumlah besar
akan menimbulkan masalah yang tidak terelakkan sebelumnya. Berbeda dengan
beban-beban listrik yang menarik arus sinusoidal, beban-beban elektronik menarik
33
arus dengan bentuk non sinusoidal walaupun disupalai oleh tegangan sinusoidal.
Beban yang memiliki sifat ini disebut sebagai beban non linear (Rusli, 2009).
Beban non linier adalah peralatan yang menghasilkan gelombanggelombang arus yang berbentuk sinusoidal berfrekuensi tinggi yang disebut
dengan arus harmonisa. Arus harmonisa ini menimbulkan banyak implikasi pada
peralatan sistem tenaga listrik, misalnya rugi-rugi jaringan akan meningkat,
pemanasan yang tinggi pada kapasitor, transformator, dan pada mesin-mesin
listrik yang berputar serta kesalahan pada pembacaan alat ukur RMS.
2.10 Pemanfaatan Filter Harmonisa
Suatu teknologi elektronika daya untuk menghasilkan komponen arus
spesifik yang bertujuan untuk meredam arus harmonisa yang dihasilkan oleh
beban non linier disebut juga Filter harmonisa. Filter harmonisa biasanya
dipasang pada transformator distribusi atau panel kontrol utama.dengan
penambahan filter harmonisa pada suatu sismtem tenaga listrik yang mengandung
suber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan
dapat di tekan sekecil mungkin. Secara umum filter harmonisa ada 3 tipe, yaitu
filter aktif, filter pasif dan filter hybrid.
2.10.1 Filter Harmonisa Pasif
Untuk meredam distosri harmonisa dalam sistem tenaga, maka kita perlu
mengunakan filter harmonisa yaitu filter pasif. Filter pasif terdiri dari induktor,
kapasitor, resistor (R,L,C) dan unsur-unsur tahanan untuk meredam marmonisa.
Teknik filter pasif yang menggunakan double tuned filter atau Type-C filter yang
memiliki impedansi yang rendah untuk arus harmonisa pada frekuensi tertentu
atau frekuensi tinggi atau band-pass filters (damped filters) dapat memfilter
harmonisa di atas frekuensi tertentu (frequency bandwidth).
34
Gambar 2.22 Model Filter Pasif
(sumber: sastrakusuma, 2009)
Filter pasif secara ekonomi relatif murah dibandingkan dengan metoda lain
untuk meredam distorsi harmonisa. Bagaimanapun, semua mempunyai kelemahan
atau kerugian karena berpotensi saling berinteraksi dengan sistem tenaga, dan
penting sekali untuk menganalisa semua interaksi sistem yang mungkin terjadi
saat mereka dirancang.
Filter pasif bekerja sangat efisien bila filter tersebut
dipasang dilokasi pembangkit harmonisa (beban non linier). Frekuensi resonansi
harus dihindari dari setiap harmonisa atau pada frekuensi harmonisa lain yang
dihasilkan oleh beban. Filter umumnya di tuning lebih rendah dari frekuensi
harmonisa untuk keamanan sistem. Rancangan filter pasif harus memperhatikan
perkembangan sumber arus harmonisa atau konfigurasi dari beban sebab akan
menyebabkan beban lebih yang dapat berkembang menjadi panas yang
berlebihan. Perancangan filter pasif memerlukan suatu pengetahuan yang tepat
dari beban pembangkit harmonisa pada sistem tenaga. Banyak simulasi yang
dilakukan untuk menguji kriteria di bawah kondisi beban yang berubah sesuai
topologi jaringan tersebut.
1. Double tuned filter adalah filter harmonisa yang terdiri 2 buah single
tuned filter yang digunakan untuk mengurangi harmonisa 2 buah orde
35
harmonisa diantara orde harmonisa yang ada. Didalam perhitungan
penentuan nilai L dan C mengacu pada 2 buah orde harmonisa
tersebut.
2. Third-orde filter adalah jenis filter high pass yang digunakan hanya
melewatkan frekuensi diatas frekuensi cut-off juga. Third-orde highpass filter adalah filter frekuensi tinggi yang lebih efektif dalam memfilter, tetapi memiliki rugi-rugi daya yang lebih besar dibanding
second-orde high-pass filter.
Filter pasif selalu menyediakan kompensasi daya reaktif sampai batas
tertentu sesuai besar Volt-Ampere dan tegangan dari bank kapasitor yang
digunakan, mereka dapat dirancang untuk dua tujuan yaitu sebagai filter dan
kompensasi faktor daya yang diinginkan. Jika saringan lebih dari satu digunakan
sebagai contoh, sebuah double tuned filter untuk harmonisa ke 5 dan sebuah lagi
untuk harmonisa ke 7, atau harmonisa ke 11 dan ke 13. yang terpenting yang perlu
diingat bahwa filter pasif menyediakan kompensasi daya reaktif.
Filter pasif merupakan suatu kombinasi rangkaian seri sebuah induktansi
dan sebuah kapasitansi. Pada kenyataannya, tidak ada sebuah resistor yang secara
fisik dipasang, tapi dalam perhitungan resistor selalu ada dalam rangkaian seri,
tahanan dalam dari reaktor yang terhubung secara seri terkadang menimbulkan
panas yang berlebih pada filter. Semua arus harmonisa pada frekuensi bersamaan
dengan tuned filter akan didapat impedansi rendah yang melalui filter tersebut
(sastrakusuma, 2009).
2.10.2 Single Tuned dan Double Tuned Filter
Double tuned filter mempunyai nilai impedamsi yang kecil jika
frekuensinya besar. Sehingga Filter ini harus mempertimbangkan parameter
kaitannya dengan frekuensi harmonisa. Bebarapa aspek berkaitan dengan factor
kualitas pada single tuned filter yaitu:
1. Tahanan R pada filter harmonisa single tuned filter adalah nilai tahanan
dari kumparan reaktor.
2. Tahanan R dapat juga digunakan untuk setiap faktor kualitas dari filter dan
36
menyediakan suatu cara untuk mengendalikan jumlah arus harmonisa yang
diinginkan yang melaluinya.
3. Besar nilai Q menyiratkan mengenai frekuensi resonansi filter dan oleh
karena itu filter dilakukan pada nilai paling besar dari frekuensi harmonisa.
Gambar 2.9 menunjukkan gambar rangkaian ekivalen Double tuned filter yang
terdiri dari dua buah single tuned filter dihubung paralel.
Gambar 2.23 Double Tuned Filter
(Sumber : sastrakusuma, 2009)
Single tuned filter yang terdiri dari kapasitor (C) dihubung seri dengan induktor
(L) dan tahanan (R). Penggunaan double tuned filter yaitu:
1. Digunakan pada High Voltage Direct Current (HVDC) stasiun modern
pada sistem tegangan tinggi dimana kapasitor utama C lebih besar agar
lebih mudah untuk mengoptimalkan biaya /kVAR
2. Menurunkan pembangkitan daya reaktif di cabang transmisi tenaga yang
lebih indah.
3. Masing-Masing filter pada dua harmonisa untuk mengurangi filter cabang
dan rugi-rugi filter.
37
2.10.3 Type-C Filter
Untuk meredam harmonisa frekuensi rendah, Type C filter tepat untuk
digunakan karena tidak ada rugi-rugi daya fundamental, derating VAR dan juga
tepat untuk memfilter pada harmonisa yang tinggi. Type C filter mempunyai dua
kapasitor dengan sebuah kapasitor dihubung secara seri dengan resistor dan
induktor seperti Gambar 2.11. Dua kapasitor pada Type C filter mempunyai
kapasitansi dalam (µF). Di dalam perencanaan untuk menentukan sebuah highpass filter sebagai peredam harmonisa, maka ada berapa aspek yang harus
dipertimbangkan yaitu:
a. Dari Karakteristik yang terbentuk antara impedansi terhadap frekuensi, maka
Type C filter akan memerlukan suatu perhatian yang sangat khusus
dibandingkan dengan single tuned filter.
b. Peredaman arus harmonisa yang menggunakan Type-C filter memerlukan
ukuran yang berbeda terhadap komponen filter, terutama sekali bank
kapasitor, bandingkan dengan single tuned filter. Sebagai contoh, sebuah
kapasitor bank sebesar 3-MVAR yang digunakan untuk filter harmonisa ke
lima dari 50Hz dalam aplikasinya boleh tidak mencapai nilai frekuensi 300
Hz.
c. Double tuned filter merupakan filter yang sederhana dalam aplikasinya, filter
tersebut dapat mengurangi rugi-rugi daya pada frekuensi dasarnya.
d. Third order filter memiliki kerugian operasi yang lebih besar dibandingkan
dengan double tuned filter karena kurang efektif dalam meredam harmonisa.
Untuk menyederhanakan rancangan filter, Kapasitor (C) dan induktor (L)
dari Type-C filter terjadi resonans seri pada frekuensi dasar untuk mengurangi
kerugian daya pada frekuensi fundamental. Type-C passive filter secara rangkaian
dapat dilihat pada Gambar 2.11, dimana kapasitor (C ) dihubung seri dengan
kapasitor (C ) dan induktor (L), kemudian induktor (L) dan kapasitor (C )
diparalel dengan resistor (R) yang tujuannya untuk damping filter.
38
Gambar 2.11. Rangkaian Type-C Filter
(sumber: Sastrakusuma, 2009)
Type-C filter secara luas digunakan untuk harmonisa low pass orde. Type-C filter
merupakan pengembangan dari high-pass filter orde ke-3. Faktor utama untuk
menentukan parameter komponen yaitu:
1. Daya reaktif pada frekuensi fundamental.
2. Kondisi resonansi.
3. Frekuensi resonansi.
4. Persyaratan peredaman.
2.11
ETAP (Electric Transient and Analysis Program)
ETAP (Electric Transient and Analysis Program) merupakan perangkat
lunak yang dapat mendukung sistem tenaga listrik. Dan perangkat ini mampu
bekerja dalam keadaan offline untuk simulasi tenaga listrik, online untuk
pengelolaan data real-time atau digunakan untuk mengendalikan sistem secara
real-time. Fitur yang terdapat dalam ETAP bermacam-macam antara lain, yang
digunakan untuk menganlisa pembangkit tenaga listrik, sistem transmisi maupun
sistem distribusi tenaga listrik. ETAP juga dapat digunakan untuk membuat
proyek sistem tenaga listrik dalam bentuk single line diagram (diagram satu garis)
dan juga jalur sistem pentanahan untuk berbagai bentuk analisis, antara lain:
39
hubung singkat, aliran daya, starting motor, trancient stability, koordinasi relay
proteksi dan sistem harmonisasi. Proyek dari sistem tenaga listrik memiliki
masing-masing elemen rangkaian yang dapat diedit langsung dari diagram satu
garis dan atau jalur sistem pentanahan. Yang dapat mempermudahkan hasil
perhitungan analisis dapat ditampilkan pada single line diagram (Operation
Technology, 2001).
Harmonisa
analysis
pada
ETAP
memberikan
fasilitas
untuk
mensimulasikan, memodelkan dan menganalisis fenomena harmonisa pada sistem
tenaga listrik. Metode yang digunakan untuk menganalisa harmonisa adalah
harmonics load flow method dan harmonics frequency scan method. Dengan
menggunakan kedua metode ini dan kombinasinya, harmonisa yang muncul akan
dihitung dan dibandingkan dengan batas/standar dari industri dan permasalahan
yang muncul pada sistem tenaga khususnya pada kualitas daya.
40