ANALISIS PENGARUH BEBAN HARMONISA ( LAMPU HEMAT ENERGI ) TERHADAP KONDUKTOR Reza Perkasa Alamsyah Departermen Teknik Elektro Universitas Indonesia Abstrak- Lampu Hemat Energi ( LHE ) memiliki effisiensi yang tinggi , akan tetapi LHE menghasilkan distorsi Harmonisa yang cukup besar yang disebabkan oleh karateritik kerja ballast elektronik . Distorsi harmonisa ini dapat menyebabkan beberapa kerugian pada sistem instalasi listrik diantaranya dapat menyebabkan rugi-rugi pada penghantar listrik.Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh beban harmonisa terhadap rugirugi dari penghantar Dalam penelitian ini, dilakukan pengujian terhadap kabel NYM 2 x1.5 mm2 yang digunakan sebagai penghantar untuk Lampu Hemat Energi ( LHE ) sebagai beban harmonisa.Variasi distorsi harmonisa bertujuan untuk menganalisis kontribusi rugi-rugi yang dihasilkan beban dan pengaruhya terhadap penghantar .Dari hasil penelitian ini diketahui bahwa beban harmonisa berpengaruh terhadap terhadap persentase rugi-rugi yang dihasilkan oleh penghantar akibat adanya arus harmonisa.Dari hasil penelitian ini diketahui bahwa distorsi harmonik yang ditimbulkan oleh LHE mempengaruhi kontribusi rugi-rugi pada penghantar. Kata Kunci: Distorsi Harmonisa , Penghantar , Lampu Hemat Energi. oleh para konsumen. Beban puncak terjadi pada 1. waktu sekitar pukul 17:00 – 21.00 dimana salah satu PENDAHULUAN beban yang umumnya digunakan pada waktu Kabel sebagai penghantar berperan sangat penting dalam sistem penyaluran tenaga listrik mulai tersebut adalah dari pembangkit, sistem transmisi, distribusi sampai pelanggan rumah tangga.Salah satu upaya yang ke konsumen listrik (perumahan).Oleh karena itu dilakukan oleh Produsen Listrik ( PLN ) bekerjasama kabel harus mampu mengalirkan arus listrik secara dengan pemerintah dan pihak swasta ( Produsen konstan diakibatkan Lampu ) untuk meningkatkan effisiensi penggunaan seminimal mungkin. Krisis energi listrik yang energi listrik pada sektor penggunaan listrik rumah melanda Indonesia menyebabkan beberapa persoalan tangga dalam bidang ketanaga listrikan, hal ini dikarenakan penggunaan lampu hemat energi menggantikan daya terpasang dari produsen listrik (PLN) sudah lampu pijar. Lampu hemat energi yang digunakan hampir tidak mencukupi memikul beban puncak adalah jenis lampu flouresence yang menggunakan sehingga terkadang dilakukan pemadaman bergilir. ballast elektronik sebagai pembatas arus. Ballast Upaya yang dapat dilakukan untuk mengatasi krisis elektronik mempunyai tingkat effisiensi yang baik energi selain dengan pemadaman bergilir adalah karena perbandiangan daya yang diserap dengan dengan membangun pembangkit baru baik dalam cahaya yang dihasilkan cukup baik ( lumen/watt ) skala besar ( seperti PLTA ) maupun dalam skala sehingga hal ini menyebabkan penggunaan lampu kecil melakukan hemat energi bisa meningkatkan effisiensi. Akan peningkatan effisiensi dari peralatan yang digunakan tetapi lampu hemat energi mempunyai beberapa ( dengan seperti rugi-rugi PLTMH yang ) serta adalah beban penerangan pada jenis dengan merancang program 1 Universitas Indonesia karateristik diantaranya adalah dihasilkannya distorsi terutama apabila konduktor menghantarkan jumlah harmonisa arus dan tegangan . Harmonisa arus dan arus tegangan yang dihasilkan oleh lampu hemat energi elektromagnetis lebih kuat dibandingkan dengan memberikan permasalahan baru dalam sistem tenaga tekanan ( stress ) karena berat materialnya. Harus listrik diantaranya peningkatan rugi-rugi pada saluran disadari bahwa titik lebur tembaga lebih tinggi dari penghantar pada allumunium sehingga tembaga dapat dipakai , rugi-rugi ini disebabkan oleh yang besar karena biasanya tekanan meningkatnya arus rms dan meningkatnya tahanan pada temparatur operasional yang lebih tinggi. penghantar akibat frekuensi harmonisa yang lebih Kemampuan tembaga (Cu) untuk menahan panas dan tinggi dari frekuensi fundamental dimana efek yang tekanan elektromagnetis akibat pembeban yang ditimbulkan dikenal sebagai efek kulit ( skin effect ) berlebihan juga merupakan suatu pertimbangan dari dan efek kedekatan ( proximity effect ) . Dalam segi tulisan ini dilakukan pengukuran tingkat harmonisa pertimbangan adalah biaya isolasi yang lebih besar yang dihasilkan oleh beberapa lampu hemat energi untuk allumunium. Karena untuk menghantarkan serta perpaduan dengan lampu sorot dan dilakukan arus yang sama diameter konduktor alumunium lebih analisa terhadap rugi-rugi yang dihasilkan pada besar daripada tembaga sehingga luas permukaan penghantar ( kabel instalasi ) supaya diketahui jadi lebih besar yang menyebabkan biaya isolasi juga kontribusi rugi-rugi akibat lampu hemat energi semakin meningkat. Titik cair yang tinggi dari terhadap rugi-rugi penghantar. tembaga (Cu) serta daya hantar arus listrik yang keamanan . Faktor lain yang menjadi tinggi mengurangi kemungkinan kerusakan yang 2. disebabkan oleh pemanasan titik ( hot spot ) atau TEORI DASAR [1] 2.1 Penghantar / Kabel pada Instalasi Rumah . Secara garis besar penghantar terdiri dari 2 lompatan api ( flash over ) yang tiba-tiba saat pengoperasian.Apabila (dua ) jenis material yang secara komersial cocok dan banyak diperlukan penghantar/kabel yaitu untuk tembaga pembakaran apabila terjadi penyalaan ( api ) yang tiba-tiba. Panas yang berlebihan akan menyebabkan kerapatannya sebesar 8.91 g/cm3 sehingga jauh lebih atau lebih berat persatuan pemanasan terhadap material-material sekelilingnya , volumenya udara , dan peralatan lainnya . dibandingkan dengan allumunium yang hanya 2.7 3 g/cm yang karena itu tembaga pada umumnya dapat menahan dan Alumunium (Al) . Kekurangan tembaga adalah solid pemanasan sangat tinggi maka tembaga akan diuapkan , oleh keperluan (Cu) terjadi 2.2 Harmonisa [2] dengan demikian untuk volume yang sama Harmonisa adalah gangguan yang terjadi tembaga mempunyai berat lebih dari 3 ( tiga ) kali pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya lipat dari berat penghantar allumunium. Untuk distorsi menyalurkan arus listrik yang sama besarnya maka gelombang arus dan tegangan. Pada dasarnya, harmonisa adalah gejala pembentukan konduktor dengan material allumunium tetap akan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda lebih ringan dibandingan dengan tembaga meskipun yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan untuk itu konduktor allumunium akan mempunyai frekuensi dasarnya. Hal ini disebut frekuensi diameter lebih besar dari pada tembaga . Selain dari harmonisa yang timbul pada bentuk gelombang masalah berat yang mendapatkan perhatian maka aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi yang lebih penting adalah masalah jarak antar fasa 2 Universitas Indonesia dasar disebut angka urutan harmonisa atau orde 3.Distorsi Harmonisa (THD) harmonisa. Misalnya, frekuensi dasar suatu sistem Total Harmonic Distortion (THD) adalah tenaga listrik adalah 50 Hz, maka harmonisa perbandingan keduanya adalah frekuensi komponen harmonisa terhadap nilai RMS dari sebesar 100 Hz, harmonisa ketiga adalah gelombang fundamental, biasanya dinyatakan dalam persen (%). dengan frekuensi sebesar 150 Hz dan seterusnya. Nilai dari THD ini digunakan untuk mengukur Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang besarnya penyimpangan dari bentuk gelombang pada gelombang murni/aslinya sehingga terbentuk periodik gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang sinusiodal murninya. Untuk gelombang gelombang gelombang sinusiodal sempurna nilai dari THD adalah bernilai harmonisanya. Harmonisa urutan genap biasanya 0%. Untuk mencari nilai THD untuk tegangan dan memiliki Root Mean Square (RMS) yang lebih kecil arus dapat menggunakan rumus sebagai berikut : gelombang dengan murni sesaat dengan antara nilai yang dibandingkan dengan harmonisa urutan ganjil. Jumlah antara kelipatannya, frekuensi akan fundamental menyebabkan mengandung dan I THD frekuensi fundamental tidak lagi berbentuk sinus murni, tetapi RMS I n 2 dari seluruh harmonisa dari 2 n I1 100% (2) Dimana In adalahNilai arus harmonisa (A) , I1 adalah mengalami distorsi. Nilai fundamental (A) dan n adalah Komponen harmonisa maksimum yang diamati. 4.Spektrum Harmonisa .Spektrum harmonisa juga dapat diartikan sebagai distribusi semua amplitudo komponen harmonisa sebagai fungsi orde harmonisanya dan diilustrasikan menggunakan histogram. Gambar di bawah ini merupakan contoh spektrum harmonisa. Dari gambar tersebut dapat dikatakan bahwa spektrum Gambar1.Bentuk gelombang yang terdistorsi akibat harmonisa ganjil 120 100 80 60 40 20 0 Komponen harmonisa adalah gelombang yang kelipatan bilangan asli terhadap frekuensi dasar ( frekuensi fundamental). 2.Orde Harmonisa Orde Harmonisa adalah perbandingan frekuensi atau Orde Harmonik 1 2 3 4 5 6 7 8 9 harmonisa dan frekuensi dasar n = Fn / F arus tegangan frekuensi dasar. 1.Komponen Harmonisa frekuensi perbandingan tegangan frekuensi harmonisa terhadap arus atau 2.3 Istilah yang terdapat dalam Harmonisa. mempunyai merupakan (1) Gambar2.Spektrum Harmonisa. 3 Universitas Indonesia 2.4 Efek Harmonisa Terhadap Penghantar [3] Pada sistem penghantar/kabel distribusi arus isolasi setelah dialiri arus bolak-balik , kSE adalah listrik, penambahan tahanan akibat Skin effect kPE adalah merupakan sarana yang sanagat Penambahan tahanan akibat proximity effect dan Rh dibutuhkan. Adanya gangguan harmonisa dalam adalah tahanan Harmonisa . suatu merugikan Letak aliran arus pada suatu penghantar dipengaruhi berdasarkan persamaan I R dapat didefinisikan oleh besarnya frekuensi, semakin besar frekuensi bahwa nilai arus (I) akan menjadi lebih besar, yang di terapkan sedangkan untuk tahanan (R) dapat dibedakan mendekati permukaan atau menjauh dari pusat menjadi nilai tahanan arus searah (RDC), efek kulit penampang penghantar tersebut. Parameter efek kulit penghantar (Skin effect) dan efek dari kedekatan (Skin effect) diperoleh sebagai fungsi dari frekuensi penghantar (Proximity effect). dan tahanan arus searah dengan persamaan sebagai a. Skin effect ( Efek Kulit ) Skin effect merupakan akibat dari adanya distribusi berikut : distribusi arus sangatlah 2 maka aliran arus akan semakin x 0,027678 arus dipermukaan lebih besar daripada yang ada di f . Rdc (4) dalam penghantar yang mengakibatkan tahanan Penambahan nilai tahanan akibat efek kulit (kSE) efektif sistem meningkat. Hal yang mempengaruhi merupakan kenaikkan dari skin effect ini adalah kenaikkan fungsi nonlinier dari parameter x tersebut. Suatu metode pendekatan kurva dilakukan frekuensi dan diameter penghantar yang digunakan untuk mendapatkan perhitungan dalam system distribusi arus listrik. kSE sehingga didapatkan persamaan orde 5 sebagai berikut, dengan b. Proximity effect ( Efek Kedekatan ). Proximity effect disebabkan oleh adanya medan x ≤ 2. magnet penghantar mengganggu distribusi arus pada penghantar-penghantar yang berdekatan. Pengaruh harmonisa terhadap tahanan dapat (5) dijelaskan sebagai berikut, harmonisa memiliki Sedangkan nilai kPE yang merupakan suatu harga frekuensi kelipatan dan frekuensi fundamental. penambahan nilai tahanan akibat efek kedekatan Frekuensi harmonisa ini mempengaruhi besarnya (Proximity effect) dari persamaan tahanan arus bolak-balik (RAC), akibat efek kulit penghantar (Skin effect) dan efek dari kedekatan penghantar (Proximity effect). Sehingga 1,18 k PE k SE 2 0,312 2 k SE 0,27 rasio perbandingan antara tahanan arus searah dengan Dengan adalah perbandingan antara diameter tahanan arus bolak-balik yang dilambangkan Kc penghantar dengan jarak antar penghantar. Setelah dapat diperoleh dari persamaan berikut ini, kc Rac 1 k SE k PE Rdc (6) didapat nilai kSE dan kPE maka didapat juga nilai Rac. Dengan demikian diperoleh nilai tahanan penghantar (3) saat distorsi (Rh). dimana kC adalah rasio perbandingan Rdc degan Rac, Rac Tahanan penghantar isolasi sebelum dialiri arus bolak-balik,Rdc adalah tahanan penghantar 4 Universitas Indonesia 2.5 Lampu Hemat Energi sebagai Sumber Harmonisa [4] rangkaian Gambar rangkaian diatas merupakan yang digunakan untuk melakukan Prinsip kerja lampu fluorescent adalah berdasarkan pengujian dimana Lampu Hemat Energi ( LHE ) pelepasan elektron dari kutub negatif ke kutub dipasang parallel terhadap sumber tegangan dan positif. Elektron yang terlepas ini akan bertabrakan memvariasikan LHE dengan lampu sorot untuk dengan atom gas yang diisikan ke dalam tabung mendapatkan nilai THD-F.Dari hasil percobaan akan tersebut. Tumbukan elektron dan atom gas ini akan dianalisa tentang pengaruh dari variasi nilai THD-F menghasilkan elektron yang akan menabrak atom tersebut terhadap penghantar yang digunakan. berikut, dan seterusnya. Adapun atom yang tidak Berdasarkan data yang diperoleh dari standar cukup energi untuk lepas dari ikatan atom akan konstruksi PLN , dan katalog produk dari kabel mengalami perpindahan dari tingkat energi rendah ke NYM 2x1.5mm2 yang mencakup spesifikasi mekanik tingkat energi tinggi. Karena pada tingkat energi dan tinggi ini keadaan elektron tidak stabil maka ia akan instalasi rumah dapat dilihat pada tabel berikut. kembali ke lintasan semula (tingkat energi lebih Tabel 1.Konstruksi Elektris NYM 2x1.5mm2 rendah) sambil mengeluarkan elektrik dari konstruksi penghantar/kabel gelombang elektromagnetik yang merupakan sinar ultra violet. Sinar ini oleh gas fluorescent dalam sisi tabung diubah menjadi sinar tampak. Tumbukan yang terjadi di dalam tabung kalau tidak dikendalikan, maka akan menyebabkan panas berlebihan dan tabung akan rusak. Untuk itu dipasang ballast yang berfungsi 3.2 Hasil Pengujian untuk mengendalikan arus yang mengalir ke dalam 1. Data Hasil Pengujian Variasi THD tabung lampu. Ballast dapat dibuat dari suatu kawat Tabel 2 : Hasil Pengujian Variasi THD atau penghantar yang dililit sedemikian rupa atau berupa kumparan (choke coil) berinti besi. 3. METODE PENELITIAN 3.1 Rangkaian Pengujian . 2. Data Hasil Pengujian Lampu A Gambar3.Rangkaian Pengujian 5 Universitas Indonesia Tabel 6 : Perhitungan peningkatatan tahanan IAC akibat frekuensi 3.Data Hasil Pengujian Lampu B Tabel 4 : Hasil Pengujian Lampu B Tabel 7 : Perhitungan rugi pada penghantar untuk THD 66.72% Apabila lampu hemat energi yang digunakan mempunyai karakteristik arus seperti yang telah diuji pada tabel diatas maka dapat dihitung total arus harmonisa untuk semua lampu dalam satu kali pengujian ke penghantar yang mengalirkan arus ke beban tersebut. Tabel 5 : Orde Harmonisa untuk Beban THD 66.72% 4. ANALISA HASIL PENGUJIAN Berdasarkan hasil perhitungan rugi-rugi pada penghantar / kabel diperoleh data besarnya rugi-rugi Untuk menghitung rugi-rugi pada penghantar/kabel seperti pada tabel perhitungan diatas. Rugi-rugi yang mengalirkan arus ke LHE maka perlu dihitung akibat arus fundamental (50Hz) dapat diperoleh pengaruh skin effect ( efek kulit = KSE) dan proximity dengan effect ( efek kedekatan = KPE) pada penghantar/kabel fundamentalnya dengan tahanan penghantar / kabel tersebut . Perhitungan peningkatan tahanan Arus untuk frekuensi bolak-balik (IAC) dapat dilakukan dengan melihat mengacu pada rancangan sistem bahwa untuk arus karakteristik penghantar/kabel NYM 2x1.5mm2 pada yang mengalir pada sistem di usahakan tetap, jadi tabel 1 dengan menggunakan persamaan diatas maka dapat dihitung besarnya didapat seperti tabel 6 dibawah ini dan dengan Karateristik peningkatan tahanan IAC mengalikan arus dan frekuensi fundamental tersebut. Dengan Pk = If 2 x R DC (7) maka Dengan mengetahui daya yang dapat disuplay oleh perhitungan rugi-rugi pada suatu penghantar / kabel penghantar/kabel maka dapat dihitung rugi-rugi pada untuk masing-masing nilai THD-F adalah sebagai penghantar tabel berikut. harmonisa ( selain orde ke-1 ) adalah sebesar / kabel yang disebabkan distorsi Pk-THD = Pk - Ph Pk-THD = 16.173 W – 3.0412 W Pk-THD = 12.32 W = 82 % 6 Universitas Indonesia Dari hasil perhitungan diatas didapatkan bahwa total harmonisa.tabel berikut melihatkan Kontribusi rugi- daya yang disuplay oleh penghantar/kabel ke beban rugi yang dihasilkan oleh penghantar pada Variasi hanya mencapai 82% dari total daya yang seharusnya THD. bisa disuplay atau dengan kata lain 18% rugi-rugi Tabel 8 : kontribusi rugi yang dihasilkan oleh penghantar daya akibat dari distorsi harmonisa LHE. Rugi-rugi yang dihasilkan oleh lampu hemat energi juga sangat berpengaruh pada penghantar/kabel , beban yang menghasilkan distorsi harmonisa dapat dilihat pada orde ke 3,5,7,9,11,13,15,17,21 dan orde ke-1 sebagai acuan ( orde fundamental ) hal ini dapat dilihat pada gambar grafik berikut. Sesuai dengan metode pengujian pada untuk THD 58.42% 66.72% dan 77.56% adalah pemakain dengan beban lampu hemat energi yang mendominasi akibatnya persentase rugi-rugi yang dihasilkan besar. Untuk THD 27.10% , 37,03% dan 43.57% memvariasikan lampu hemat energi dan lampu sorot serta lampu pijar terlihat seperti pada grafik diatas persentase kontribusi rugi-rugi akibat arus harmonisa mulai menurun dan sedangkan untuk THD 1.82% sampai dengan THD 17.34% sudah memakai lampu hemat energi dan dikombinasikan dengan lampu pijar sebagai kombinasi beban dan Gambar 4 : Pengaruh Frekuensi Harmonisa terhadap efek kulit ( terlihat pada grafik diatas bahwa kontribusi rugi-rugi KSE ) dan efek kedekatan ( KPE ) akibat arus harmonisa minimum dan perbandingan Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa efek kulit dan untuk lampu yang berbeda diketahui bahwa Lampu efek kedekatan sangat mempengaruhi besarnya rugi- tipe A menghasilkan rugi-rugi pada penghantar lebih rugi pada kabel/penghantar.Pada grafik warna biru tinggi dibanding dari Lampu tipe B , dapat juga mulai dilihat pada orde ke-3 ( Frekuensi 150Hz ) dilihat dari spektrum harmonisa dari kedua lampu efek kulit dari penghantar sebesar 0.0012 dan terus tersebut dimana pada lampu tipe A arus orde ke-3 mengalami peningkatan seiring dengan peningkatan mencapai 76% dari arus fundamental sedangkan frekuensi harmonisa , dengan meningkatnya efek dalam kondisi yang sama pada lampu tipe B arus kulit (KSE) maka efek kedekatan ( KPE ) juga semakin orde meningkat.Untuk kabel berdiameter kecil terlihat ke-3 hanya mencapai 60% dari arus fundamental atau dengan kata lain arus yang bahwa efek kedekatan (KPE) lebih dominan daripada terdistorsi pada lampu tipe A besar dibanding lampu efek kulit yang terlihat hampir pada semua frekuensi tipe B yaitu mencapai ±20% . Mengacu pada 7 Universitas Indonesia persamaan 2-3 bahwa nilai THD merupakan 5. KESIMPULAN peerbandingan antara jumlah semua arus harmonisa Frekuensi harmonik menyebabkan peningkatan terhadap arus fundamental semakin tinggi arus yang tahanan pada penghantar/kabel akibat efek kulit terdistorsi sedangkan arus fundamentalnya konstan (KSE ) dan efek kedekatan ( KPE ) dan bernilai maka semakin besar THD nya dan ini akan sama untuk semua THD. Kontribusi berdampak pada rugi-rugi penghantar.Untuk lebih jelasnya terhadap masing-masing rugi-rugi orde harmonik kabel/penghantar sangat dipengaruhi oleh tahanan arus harmonik (IAC) akibat pengaruh efek kulit dan efek kedekatan untuk beban lampu hemat energi dimana kontribusi rugi-rugi terbesar terjadi pada orde harmonik ke-3 dan ke-5. Untuk variasi nilai THD-F bahwa semakin besar beban harmonik yang disuplay oleh penghantar maka semakin besar pula rugi-rugi yang dihasilkan oleh penghantar tersebut dimana peningkatan Kse dan Kpe sebanding dengan frekuensi harmonik(semakin tinggi nilai frekuensi harmonik semakin tinggi nilai KSE dan KPE ). Rugi-rugi penghantar tidaklah sama untuk semua Gambar 5 : Kontribusi rugi-rugi penghantar pada Variasi THD jenis lampu hemat energi , dimana rugi-rugi penghantar pada Lampu A lebih tinggi ±1.5 kali dari lampu B . 6.DAFTAR REFERENSI [1] Setiabudy,Rudy , “ Material Teknik Listrik “ Februari 2007 , Depok UI Press , Indonesia. [2] Fuchs, Ewald F., dan Masoum, Mohammad A.S., “Power Quality in Power Systems and Electrical Machines”. March 2008, Perth, Australia. [3] “Industrial cable wire”. Di akses http://www.kabelindo.co.id/industrial Gambar 6 : Kontribusi rugi-rugi penghantar pada LHE yang wire/NYM..html berbeda dari cable pada tanggal 10 september 2010. [4] Thomas Key “ Cost and Benefits of Harmonic Current Reduction for Swith Mode Power Supplies in a Commercial Office Building “ March 2004. 8 Universitas Indonesia