Analisis Pengaruh Harmonik terhadap Arus Netral Transformator Pelanggan Industri, Bisnis, dan Rumah Tangga

Analisis Pengaruh Harmonik terhadap Arus Netral Transformator Pelanggan Industri, Bisnis, dan Rumah Tangga Setiatmoko Adi Prakoso, Iwa Garniwa M.K Program Studi Teknik Elektro, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, 16424 [email protected]; [email protected]

Abstrak Terjadinya arus netral pada suatu tranformator disebabkan oleh dua hal, pertama oleh ketidakseimbangan beban, dan yang kedua disebabkan adanya Total Harmonics Distrortion (THD) Arus khususnya triplen harmonik. Pengambilan data primer harmonik dilakukan di PT. PLN Distribusi Jakarta dan Tangerang, dengan pengukuran langsung menggunakan Power Quality Meter DM-III Multitest-Control Amprobe Power Quality pada transformator distribusi beban industri, bisnis, dan rumah tangga. Berdasarkan pengukuran didapatkan hasil bahwa hubungan antara ketidakseimbangan beban terhadap arus netral pada beban industri, bisnis, dan rumah tangga berbanding lurus, hal ini sesuai dengan teori yang berlaku. Sedangkan hubungan antara THD Arus terhadap arus netral pada beban industri dan rumah tangga adalah berbanding terbalik, hal ini tidak sesuai dengan teori. Pada beban bisnis, hubungan antara THD Arus terhadap arus netral berbanding lurus. Selain itu dilakukan pembandingan harmonik di tiap gardu dengan standar internasional untuk harmonik IEEE Standard 519-1992.

Analysis of Harmonics Impact on Transformer Neutral Current in Industrial, Business, and Residential Area Load Abstract Neutral current on the transformer is caused by two main reason, first is caused by unbalanced load, and second is caused by Total Harmonics Distortion (THD) current, especially triplen harmonics. The data is taken from primer data that measured on PT. PLN Distribusi Jakarta dan Tangerang using Power Quality Meter DM-III Multitest-Control Amprobe Power Quality from industrial, business, dan residential load distribution transformer. According measured data, the relationship between unbalanced load and neutral current from industrial, business, dan residential load is linear, this is suitable with the theorem. Whereas relationship between THD current and neutral current from industrial and residential load is opposite, this is unsuitable with theorem. In business load, relationship between industrial and residential load is linear. Beside that, harmonics data in each relay station will be compared with international standard for harmonics IEEE Standard 519-1992. Keywords : Distribution transformer; neutral current; total harmonics distortion; triplen harmonic; unbalanced load

Pendahuluan

Harmonik merupakan salah satu parameter buruknya kualitas daya tenaga listrik. Penyebab utama terjadinya harmonik adalah beban-beban non-linear dari komponen elektronika yang berbahan dasar semikonduktor. Fenomena harmonik saat ini bukan hal baru dan kini telah menjadi salah satu topik yang banyak diteliti oleh insinyur dalam aplikasi

Analisis pengaruh…, Setiatmoko Adi Prakoso,, FT UI, 201

industri. Saat ini, sebab utamanya banyak disebabkan oleh beban non-linear pada industri, hal ini menyebabkan distorsi harmonik pada jaringan distribusi tetap meningkat. Contohnya adalah static power converter, dan capasitor bank untuk koreksi faktor daya. Pengukuran harmonik dapat menjadi pencegahan prediktif terhadap besarnya harmonik yang melebihi standar internasional pada suatu sistem tenaga. Asuransi mengklaim data pada NFPA 70 B mengindikasikan setengah dari biaya yang dikeluarkan akibat kegagalan listrik dapat dicegah dengan perawatan rutin[4]. Suatu studi pada IEEE 493-1997 menjelaskan bahwa buruknya sistem perawatan dapat menyebabkan meningkatnya 49% kegagalan kerja peralatan[4]. Oleh sebab itu, dengan melakukan pencegahan awal dengan pengujian peralatan, maka kerusakan dapat dikurangi. Munculnya

arus

netral

pada

transformator

merupakan

representasi

dari

ketidakseimbangan beban. Semakin besar ketidakseimbangan beban, maka jumlah arus netralnya akan semakin meningkat. Persentase jumlah arus netral tersebut akan semakin meningkat dengan adanya arus harmonik, terutama arus harmonik dengan kelipatan tiga ganjil, atau biasa disebut triplen harmonik[3]. Triplen harmonik ini menjadi permasalahan yang serius pada sistem jaringan bintang yang diketanahkan (grounded wye systems) dengan adanya arus yang mengalir pada netral sistem tersebut. Arus harmonik tersebut akan tersebar pada masing-masing fasanya, dan kemudian akan saling menjumlahkan pada arus netral. Hal ini tentu menjadi permasalahan sendiri dimana kawat netral yang dipasang tidak dirancang untuk menampung arus lebih besar dari tiap fasanya dan dapat terjadi overload, yang akhirnya akan menimbulkan pemanasan berlebih pada arus netral. Efek jangka panjangnya adalah menurunkan usia (lifetime) dan meningkatkan resiko kebakaran transformator[4]. Dari latar belakang diatas, maka akan diturunkan menjadi tiga masalah utama sebagai penyebab terjadinya arus netral pada suatu transformator. Yang pertama adalah arus harmonik yang melebihi standar internasional sehingga akan dibandingkan nilai THD Arus transformator pada beban industri, bisnis, dan rumah tangga terhadap standar internasional IEEE Std 519-1992. Yang kedua adalah terjadinya arus netral yang disebabkan oleh THD Arus sehingga akan dibandingkan nilai THD Arus terhadap arus netral pada beban industri, bisnis, dan rumah tangga. Dan yang ketiga, terjadinya arus netral disebabkan oleh ketidakseimbangan beban sehingga akan dibandingkan nilai ketidakseimbangan beban terhadap arus netral pada beban industri, bisnis, dan rumah tangga arus netral pada beban industri, bisnis, dan rumah tangga.


Tinjauan Teoritis A. Pengertian Harmonik Pada dasarnya, listrik ditransmisikan dan didistribusikan dari pembangkit ke konsumen dengan menggunakan tegangan tiga fasa sinusoidal dan frekuensi dasar 50 Hz (atau 60 Hz untuk beberapa negara Amerika Utara)[4]. Hal yang perlu diperhatikan dari tegangan tiga fasa sinusoidal adalah bentuk tegangan yang ditransmisikan dan didistribusikan, idealnya berupa gelombang sinusoidal murni seperti gambar dibawah ini :

Gambar 1 : Frekuensi dasar 50 Hz[7]

Dengan adanya gangguan pada sistem transmisi maupun distribusi tenaga listrik, bentuk dari gelombang sinus tegangan atau arus akan berubah dari kondisi awalnya, sehingga tidak seperti gelombang sinus murni lagi. Perubahan tersebut dikarenakan adanya sejumlah gelombang sinus yang masuk ke dalam sistem kelistrikan. Gelombang tersebut satu dan lainnya mempunyai frekuensi yang berbeda, yang didalamnya juga termasuk frekuensi dasar yang dihasilkan oleh pembangkit tenaga listrik. Bila gelombang frekuensi dasar dan gelombang sinus dengan frekuensi berbeda yang masuk ke sistem saling dijumlahkan, maka akan terjadi suatu fenomena yang disebut dengan distorsi harmonik, dimana gelombang yang ditransmisikan atau didistribusikan terdiri atas superposisi gelombang frekuensi dasar dengan gelombang frekuensi harmonik sehingga gelombang tersebut tidak lagi berbentuk sinusoidal, seperti dapat dilihat pada Gambar 2. Harmonik atau harmonisa adalah distorsi periodik dari gelombang sinus tegangan atau arus, yang membentuk gelombang dengan frekuensi merupakan kelipatan integer (bilangan bulat positif) dari frekuensi dasar yang dibangkitkan oleh suatu pembangkit listrik. Persamaan untuk frekuensi harmonik adalah : h = n . f....................................(1)


Keterangan :

h : frekuensi harmonik orde ke-n (Hz) f : frekuensi fundamental system (50 Hz atau 60 Hz) n : orde dari harmonik

Gambar 2 : Proses terbentuknya gelombang harmonik[8]

Biasanya, orde tertinggi terjadi pada orde harmonik 3 dan 5. Untuk jaringan listrik dengan frekuensi dasar 50 Hz (60 Hz), maka frekuensi 150 Hz (180 Hz) dan 250 Hz (300 Hz) adalah frekuensi orde tertingginya. B. Triplen Harmonik Triplen harmonik merupakan harmonik yang terjadi pada kelipatan ketiga (h = 3, 9, 15, 21,…) dari frekuensi dasarnya (50 atau 60 Hz). Triplen harmonik perlu mendapat perhatian khusus, karena respon sistem yang terjadi saat terjadi triplen harmonik umumnya berbeda dibandingkan dengan respon dari orde harmonik yang lain. Triplen harmonik atau biasa disebut dengan triplen saja, menjadi persoalan yang penting bagi sistem jaringan bintang yang diketanahkan (grounded wye systems) dengan adanya arus yang mengalir pada konduktor netral sistem tersebut. Dengan mengalirnya arus pada konduktor netral menyebabkan kawat netral menjadi overload, karena arus yang mengalir pada konduktor netral tidak lagi saling menghilangkan antar fasanya melainkan saling menjumlahkan. Efek lainnya adalah pemanasan berlebih (over heating) pada konduktor netral. Selain itu, dapat juga menyebabkan peralatan salah beroperasi karena tegangan line-to-netral yang terdistorsi cukup besar oleh triplen harmonik pada kawat netralnya[4][6]. Pada lilitan wye-delta terlihat arus triplen harmonik memasuki sisi wye pada setiap fasanya dan pada netralnya terjadi arus triplen yang merupakan penjumlahan dari setiap fasanya. Sedangkan pada sisi delta terlihat tidak ada hubungan langsung antara lilitan wye dan


delta, dalam hal ini melalui ground sehingga arus triplen harmonik yang mengalir melalui netral pada sisi wye menuju ground tidak dapat mengalir ke sisi delta, arus seolah-olah terperangkap dan tidak mengalir pada sisi delta. Saat arus yang mengair pada setiap fasa seimbang, arus triplen harmonik berperilaku seperti arus urutan nol yang pada sisi netralnya akan saling menjumlahkan. Type lilitan transformator seperti ini yang banyak digunakan pada jaringan distribusi sistem tenaga listrik dengan sisi lilitan delta (bagian kanan) dihubungkan ke saluran transmisi (transmission feeder)[5][6].

Gambar 3 : Aliran arus triplen harmonik pada transformator tiga fasa

Sedangkan dengan menggunakan hubungan lilitan wye-wye, seperti terlihat pada gambar bagian bawah, apabila terjadi arus triplen pada keadaan seimbang, seperti telah diilustrasikan di atas, arus triplen akan mengalir pada kedua sisi, mengalir dari sisi tegangan rendah (sisi beban) menuju sisi tegangan tinggi (sisi feeder). Sehingga, arus triplen ini akan terjadi pada kedua sisi dengan proporsi yang sama. Besarnya arus harmonik akibat triplen tidak dapat dihindari sehingga dapat dipastikan arus harmonik akan berkontribusi terhadap arus netral. Sehingga, didapatkan hubungan antara arus netral dengan arus harmonik sebagai berikut : !!"#$%& !"!#$ = !!"#$%& + !!!"#$%&' … … … … … … … … (2) C. Ketidakseimbangan Beban Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana : • Ketiga vektor arus/tegangan sama besar • Ketiga vektor saling membentuk sudut 120o satu sama lain.


Yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan dimana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak terpenuhi. Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada tiga yaitu : • Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 120o satu sama lain. • Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 120o satu sama lain. • Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 120o satu sama lain[5].

Gambar 4 : Vektor diagram arus (a) Vektor diagram keadaan seimbang, (b) tidak seimbang

Pada gambar (a) menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang. Dapat dilihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, dan IT) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (IN). Sedangkan pada gambar (b) menunjukkan vektor diagram arus yang tidak seimbang. Disini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, dan IT) tidak sama dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus netral (IN) yang besarnya bergantung dari seberapa besar faktor ketidakseimbangannya. Jika daya sebesar P disalurkan melalui suatu saluran dengan penghantar netral, apabila pada penyaluran daya ini arus-arus fasa dalam keadaan seimbang maka besarnya daya dapat dinyatakan sebagai berikut : P = 3 . [V] . [I] . cos φ..............................(3) Keterangan : P

: Daya pada ujung kirim (W)

V

: Tegangan pada ujung kirim (V)

cos φ

: Faktor daya

Misalnya [I] adalah besaran arus fasa dalam penyaluran daya sebesar P pada keadaan seimbang, maka pada penyaluran daya yang sama tetapi dengan keadaan tak seimbang besarnya arus-arus fasa dapat dinyatakan dengan koefisien a, b, dan c sebagai berikut : [IR] = a [I]


[IS] = b [I]................................................(4) [IT] = c [I] dengan IR, IS, dan IT berturut-turut adalah arus fasa di R, S, dan T. Bila faktor daya di ketiga fasa dianggap sama walaupun besarnya arus berbeda, besarnya daya yang dapat disalurkan dapat dinyatakan sebagai berikut : P = (a+b+c) . [V] . [I] . cos φ......................(5) Jika persamaan P pertama dan P kedua diatas menunjukkan daya yang besarnya sama, maka dari kedua persamaan itu dapat diperoleh hubungan : a+b+c = 3 dimana pada keadaan seimbang nilai a=b=c=1. Nilai rata-rata ketidakseimbangan beban (dalam %) dapat diketahui dengan persamaan berikut ini[5] : ∆! =

!−1 + !−1 + !−1 ×100% … … … … … (6) 3

Standar IEEE1 519-1992 didasarkan pada pengukuran THD yang diambil dari PCC (Point of Common Coupling), dengan parameter yang diukur dari utilitas terpasang dari pelanggan. PCC adalah lokasi dimana distorsi harmonik tegangan dan arus berada dan dapat dihitung. Standar batas maksimal dari THD baik tegangan dan arus adalah : • Untuk tegangan, THD tidak boleh lebih dari 5%, • Untuk arus, THD tidak boleh lebih dari 5-20%[2]. Metode Penelitian A. Objek Pengukuran Jumlah transformator yang digunakan dalam peneltian ini sebanyak 33 buah, representasi 11,3% dari total 292 jumlah transformator distribusi yang ada di PT. PLN (Persero) Area Pelayanan Cengkareng Durikosambi, Distribusi Jakarta dan Tangerang. Ke-33 transformator distribusi tersebut merupakan transformator yang sudah diseleksi dan diperkirakan memiliki tingkat arus harmonisa yang tinggi. Transformator distribusi tersebut dibagi kedalam tiga jenis kelompok beban, yaitu beban industri, bisnis, dan rumah tangga. Proses pengukuran dilakukan dengan menggunakan alat Power Quality Meter DM-III Multitest-Control Amprobe Power Quality yang diukur pada sisi sekunder transformator tegangan rendah pada transformator yang telah dipilih. Berikut ini merupakan diagram lingkaran yang menjelaskan persentase persebaran ke-33 gardu terhadap jenis bebannya : 1

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), merupakan organisasi profesi nirlaba yang mempromosikan standar-standar telekominukasi, kelistrikan,dan elektronika.


Jumlah Gardu Distribusi Yang Diukur 33%

40%

27%

Nama Pelanggan

Jumlah Gardu

Industri Bisnis Rumah Tangga Jumlah

11 9

Industri Bisnis Rumah Tangga

13 33

Gambar 5 : Diagram lingkaran persentase gardu distribusi yang diukur MULAI

TAHAP PENDAHULUAN

Perumusan Masalah Tinjauan Pustaka Tujuan Penelitian

Koordinasi dengan PT. PLN (Persero) Area Pelayanan Cengkareng Durikosambi Distribusi Jakarta dan Tangerang

TAHAP IDENTIFIKASI Peninjauan lokasi Gardu Distribusi yang diperkirakan mempunyai kandungan THD Arus yang besar

TAHAP PENGUMPULAN DATA

Pengambilan data primer dengan pengukuran langsung dengan Power Quality Meter DM-III Multitest-Control Amprobe Power Quality pada Gardu Distribusi penyulang tegangan rendah

TAHAP PENGOLAHAN DATA

Pembacaan Hasil Pengukuran dengan perangkat lunak Toplink dan Klasifikasi Data Pengukuran

Analisis Data Pengukuran

TAHAP ANALISIS DATA

Analisis THD Arus sesuai IEEE Std 512-1992, hubungan antara THD Arus terhadap Inetral, ΔI terhadap Inetral pelanggan industri, bisnis, dan rumah tangga

Kesimpulan

KESIMPULAN SELESAI

Gambar 6 : Diagram alur metode pengukuran


B. Daftar Peralatan Pengujian harmonisa transformator bertujuan untuk mengetahui pengaruh arus harmonisa dan ketidakseimbangan beban terhadap arus netral transformator. Pengujian ini dilaksanakan dalam kondisi berbeban pada sisi sekunder trafo di PT. PLN (Persero) Area Pelayanan Cengkareng Durikosambi, Distribusi Jakarta dan Tangerang. Peralatan kerja yang diperlukan antara lain Power Quality Meter DM-III Multitest-Control Amprobe Power Quality, Tang ampere, Data loader (laptop), Perangkat lunak Toplink, Kabel dan aksesoris (port bentuk batang dan penjepit buaya), Multimeter, Kabel Power Suplai, Tool set, dan Buku manual PQM. Untuk perlengkapan K3 (Kesehatan dan Keselamatan Kerja) diantaranya, Pakaian kerja, Rambu-rambu keselamatan, dan Tagging.

Gambar 7 : Power Quality Meter Amprobe DM-III F 3000A Power Quality Recorder

PQM digunakan sebagai alat ukur distorsi harmonik, baik harmonik arus maupun harmonik tegangan. Dengan alat tersebut akan didapatkan nilai-nilai parameter yang dibutuhkan untuk analisis pengaruh harmonik terhadap arus netral, rugi-rugi, dan penurunan kapasitas pada transformator distribusi sisi tegangan 380 V. Parameter-parameter tersebut antara lain IRMS, VRMS, THD arus, THD tegangan beserta nilai-nilai setiap ordenya, bentuk gelombang serta spektrum harmonik. Gambar dari Power Quality Meter DM-III MultitestControl Amprobe Power Quality dapat dilihat pada gambar dibawah ini. C. Rangkaian Percobaan Rangkaian berawal dari tegangan 20 kV/380 V yang diukur pada sisi sekunder 380 V. Pengujuran dilakukan pada current transformer (transformator CT) dengan konfigurasi Wye dengan rasio 300/5 A. Pengukuran dilakukan pada keadaan berbeban.


Gambar 8 : Rangkaian pengukuran PQM dengan Trafo CT konfigurasi Wye

Power Quality Meter DM-III Multitest-Control Amprobe Power Quality memiliki 3 port (terminal) untuk tiap fasanya. Port 1 (port positif) dengan ujung berbentuk batang dimasukkan ke dalam port pengukuran VPN. Port 2 (port negatif) dengan ujung berbentuk batang dimasukkan ke dalan port netral, dan Port 3 dengan ujung berbentuk clamp (penjepit) dihubungkan ke port IPN. Hasil Penelitian dan Pembahasan A. Analisis Besar Kandungan THD Arus sesuai Standar IEEE 512-1992 1. THD Arus pada Beban Industri Berdasarkan data pengukuran harmonik dari 33 penyulang, terdapat 123 feeder yang diukur. Pada beban industri sendiri memiliki komposisi 11 penyulang (33,3%) dari penyulang total yang terdiri dari 36 feeder (29,27%) dari keseluruhan feeder. Berdasarkan standar internasional yang digunakan secara luas dalam mengukur harmonik yaitu IEEE 519-1992, bahwa nilai THD Arus tidak boleh melebihi nilai 5-20%. Untuk mendapatkan pengamanan terbaik pada suatu peralatan listrik yang diukur, maka penulis memutuskan untuk menggunakan batas maksimum THD Arus sebesar 5%.


Perhitungan nilai THD Arus tersebut merupakan penjumlahan dari nilai harmonik dari masing-masing orde ganjilnya, mulai orde ke-3 sampai ke-11, sehingga nilai THD Arus diatas merupakan gabungan antara besarnya arus harmonik urutan positif, urutan negatif dan urutan nol (triplen harmonik). Adanya triplen harmonik menyebabkan munculnya arus netral harmonik yang akan dijelaskan pada subbab selanjutnya. Hasil akhir batasan nilai THD Arus dapat dilihat pada diagram lingkaran dibawah ini. Terlihat bahwa jumlah transformator dalam keadaan aman (THD Arus ≤ 5%) memiliki jumlah 12 feeder (33,33%), dan dalam keadaan tidak aman (THD Arus > 5%) memiliki jumlah sebesar 23 feeder (63,89%). Persentase THD Arus Pelanggan Industri 3%

33%

THD Arus Dibawah Standar ≤ 5% THD Arus Diatas Standar > 5%

64%

Data Gardu Distribusi Pelanggan Industri

Jumlah

Persentase (%)

THD Arus ≤ 5%

12

33,33%

THD Arus > 5%

23

63,89%

Data Error

1

2,78%

Jumlah Data

36

100,00%

Data Error

Gambar 9 : Diagram Lingkaran persentase THD Arus Pelanggan Industri

Persentase kondisi arus harmonik dari transformator-transformator beban industri sebagian besar memiliki nilai yang besar, bahkan diatas 15%. Hal ini disebabkan karena beban industri banyak menggunakan motor dan mesin penggerak besar. Pada pengukuran pada beban industri ini juga terdapat 2 data error (2,78%) dimana arus fasa dan THD Arus yang mengalir bernilai 0 A, kemungkinan beban industri tidak dalam masa produksi, sehingga motor dan mesin produksi tidak beroperasi. 2. THD Arus pada Beban Bisnis Berdasarkan data pengukuran harmonik dari 33 penyulang, terdapat 123 feeder yang diukur. Pada beban bisnis sendiri memiliki komposisi 9 penyulang (27,27%) dari penyulang total yang terdiri dari 32 feeder (26,02%) dari keseluruhan feeder. Hasil akhir batasan nilai THD Arus dapat dilihat pada diagram lingkaran dibawah ini. Terlihat bahwa jumlah transformator dalam keadaan aman (THD Arus ≤ 5%) memiliki jumlah 13 feeder (40,63%), dan dalam keadaan tidak aman (THD Arus > 5%) memiliki jumlah sebesar 17 feeder (53,13%).


Persentase THD Arus Pelanggan Bisnis 6% 41%

THD Arus Dibawah Standar ≤ 5% THD Arus Diatas Standar > 5%

53%

Data Gardu Distribusi Pelanggan Bisnis

Jumlah

Persentase (%)

THD Arus ≤ 5%

13

40,63%

THD Arus > 5%

17

53,13%

Data Error

2

6,25%

Jumlah Data

32

100,00%

Data Error

Gambar 10 : Diagram Lingkaran persentase THD Arus Pelanggan Bisnis

Persentase kondisi arus harmonik dari transformator-transformator beban bisnis sebagian besar memiliki nilai yang besar, bahkan diatas 15%. Hal ini disebabkan karena beban bisnis menggunakan sistem penerangan yang besar, sejumlah besar peralatan elektronik seperti puluhan komputer, laptop dan mesin fotokopi. Pada pengukuran pada beban bisnis ini juga terdapat 2 data error (6,25%) dimana arus fasa dan THD Arus yang mengalir bernilai 0 A, kemungkinan beban bisnis tidak dalam masa aktif (kantor tutup) ataupun peralatan elektronik yang digunakan tidak terlalu banyak. 3. THD Arus pada Beban Rumah Tangga Berdasarkan data pengukuran harmonik dari 33 penyulang, terdapat 123 feeder yang diukur. Pada beban rumah tangga sendiri memiliki komposisi 13 penyulang (39,39%) dari penyulang total yang terdiri dari 55 feeder (44,72%) dari keseluruhan feeder, yang merupakan feeder terbanyak dari beban lainnya. Hasil akhir batasan nilai THD Arus dapat dilihat pada diagram lingkaran dibawah ini. Terlihat bahwa jumlah transformator dalam keadaan aman (THD Arus ≤ 5%) memiliki jumlah 3 feeder (5,45%), dan dalam keadaan tidak aman (THD Arus > 5%) memiliki jumlah sebesar 50 feeder (90,91%). Persentase jumlah transformator yang tidak aman pada beban rumah tangga ini merupakan yang tertinggi dibandingkan dengan beban-beban lainnya. Persentase THD Arus Pelanggan Rumah Tangga 4% 91%

5%

THD Arus Dibawah Standar ≤ 5% THD Arus Diatas Standar > 5% Data Error

Data Gardu Distribusi Pelanggan Rumah Tangga

Jumlah

Persentase (%)

THD Arus ≤ 5%

3

5,45%

THD Arus > 5%

50

90,91%

Data Error

2

3,64%

Jumlah Data

55

100,00%

Gambar 11 : Diagram Lingkaran persentase THD Arus Pelanggan Rumah Tangga


Persentase kondisi arus harmonik dari transformator-transformator beban rumah tangga menunjukan hasil yang kurang baik, 11 transformator mendekati nilai 15% bahkan ada yang bernilai lebih dari 20%. Hal ini menunjukkan bahwa beban rumah tangga merupakan penghasil arus harmonik terbesar dari sistem kelistrikan. Analisisnya, karena beban rumah tangga banyak menggunakan lampu TL, sejumlah besar peralatan elektronik seperti AC, laptop, televisi, dan mesin cuci. Pada pengukuran pada beban rumah tangga ini juga terdapat 2 data error (3,64%) dimana arus fasa dan THD Arus yang mengalir bernilai 0 A, kemungkinan terjadi kesalahan pengukuran dari pengambilan data beban rumah tangga karena di setiap rumah tangga dapat dipastikan memiliki beban-beban non-linear yang dioperasikan setiap harinya. B. Analisis Pengaruh Ketidakseimbangan Beban terhadap I Netral Hitung 1. Ketidakseimbangan Beban terhadap I Netral Hitung Beban Industri Salah satu munculnya arus netral pada suatu transformator disebabkan adanya ketidakseimbangan beban. Sesuai teori, semakin besar ketidakseimbangan beban maka besarnya arus netral yang mengalir pada kawat penghantar juga semakin besar. Keadaan seimbang memiliki dua syarat, yaitu ketiga vektor arus/tegangan sama besar, dan ketiga vektor saling membentuk sudut 120o satu dengan yang lainnya. Apabila dalam penyaluran suatu daya arus-arus fasa dalam keadaan seimbang, maka besarnya daya dapat dirumuskan sebagai berikut : P = 3 . [V] . [I] . cos φ Data yang diambil dalam pengukuran ini merupakan data primer. Data primer adalah data yang diambil secara langsung oleh peneliti sebagai hasil pengukuran dan penelitian langsung terhadap suatu objek yang diamati. Pengambilan data primer memiliki kelebihan yaitu keakuratan data dalam menggambarkan kondisi suatu objek pengamatan pada saat itu juga. Selain itu memiliki kekurangan yaitu kadangkala data yang diamati tidak memiliki hubungan yang sesuai perkiraan/dasar teori sehingga perlu dilakukan penyaringan data pengujian yang kita ambil sehingga dapat menggambarkan kondisi suatu objek pengamatan yang presisi dan dapat dipertanggungjawabkan. Pada tabel beban industri dibawah ini diambil data transformator yang I netral totalnya tidak ada komposisi dari I netral harmonik, sesuai persamaan !!!!!!!!!!!! = !!!t!!! + !ℎ!!!!!!!. Karena pada subbab ini dibahas mengenai hubungan ketidakseimbangan beban dengan I netral, maka kita perlu memastikan bahwa komposisi arus netral yang mengalir pada transformator hanya


arus netral akibat ketidakseimbangan beban saja. Setelah diketahui nilai ΔI dan IN maka dibuatlah grafik dengan menggunakan Microsoft Excel untuk melihat hubungan dan persamaan yang paling menggambarkan hubungan keduanya. Dapat kita lihat pada grafik dibawah ini pembuatan grafik dilakukan dengan 3 pendekatan, yaitu linear, eksponensial, dan polinomial derajat dua. Dalam pembuatan grafik, perlu diperhatikan variabel mana yang menjadi variabel bebas (sumbu x) dan variabel terikat (sumbu y). Sesuai teori, dengan adanya ketidakseimbangan beban maka akan muncul arus netral. Oleh karena itu, dapat kita lihat bahwa sumbu x sebagai penyebab (variabel bebas) diletakkan nilai ketidakseimbangan beban, dan sumbu y sebagai akibat (variabel terikat) diletakkan nilai arus netral. Dari grafik dibawah dapat dilihat bahwa jika nilai varian (R2) mendekati nilai 1 maka semakin sesuai kaitan antara variabel dengan persamaan yang dibuat. Pendekatan dengan persamaan polinomial derajat dua menunjukkan bahwa nilai varian bernilai 0,999, sehingga persamaan inilah yang paling menggambarkan hubungan antara ketidakseimbangan beban dengan arus netral. I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban

I Netral vs Ketidakseimbangan Beban

I Netral Hitung

200.00

Linear (I Netral vs Ketidakseimbangan Beban) Expon. (I Netral vs Ketidakseimbangan Beban) Poly. (I Netral vs Ketidakseimbangan Beban)

150.00 100.00 50.00 0.00 0.00% 10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00% % Ketidakseimbangan Beban

y = 112.43x + 52.971 R² = 0.59814 y = 50.565e1.6009x R² = 0.55206 y = -1522,x2 + 935,7x + 14,04 R² = 0,999

Gambar 12 : Grafik I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban Industri

2. Ketidakseimbangan Beban terhadap I Netral Hitung Beban Bisnis Pada hubungan ketidakseimbangan beban dengan arus netral beban bisnis, penguji melakukan dua kali pemfilteran data iterasi. Iterasi pertama dirasa belum menggambarkan sepenuhnya hubungan variabel dengan persamaan yang didekati (R2 belum mencapai 0,8) sehingga perlu dilakukan iterasi kedua. Dari grafik hasil iterasi kedua, dapat dilihat bahwa nilai varian terbaik adalah R2=0,964 yang bernilai lebih besar dari 0,8. Hubungan variabel didekati dengan persamaan polinomial derajat dua dengan bentuk hubungan linear. Sehingga dapat ditarik suatu hubungan pada beban bisnis yaitu semakin besar ketidakseimbangan beban maka nilai arus netralnya pun akan semakin besar, begitu pula sebaliknya. Hal ini sesuai dengan dasar teori yang telah dikemukakan sebelumnya. Selain itu dapat kita lihat juga


besarnya error yang terjadi dari % error perhitungan dan % error percobaan bernilai relatif kecil, dengan nilai rata-rata 10%. I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban v.2

I Netral Hitng vs Ketidakseimbangan Beban v.2 Linear (I Netral Hitng vs Ketidakseimbangan Beban v.2) Expon. (I Netral Hitng vs Ketidakseimbangan Beban v.2) Poly. (I Netral Hitng vs Ketidakseimbangan Beban v.2)

60.00

I Netral Hitung

50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.00%10.00% 20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 70.00% % Ketidakseimbangan Beban

y = 64.029x + 7.9856 R² = 0.94727 y = 12.773e2.0927x R² = 0.91513 y = 54,96x2 + 21,31x + 13,12 R² = 0,964

Gambar 13 : Grafik I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban Bisnis v.2

3. Ketidakseimbangan Beban terhadap I Netral Hitung Beban Rumah Tangga Pada hubungan ketidakseimbangan beban dengan arus netral beban rumah tangga, penguji melakukan dua kali pemfilteran data iterasi. Iterasi pertama dirasa belum menggambarkan sepenuhnya hubungan variabel dengan persamaan yang didekati (R2 belum mencapai 0,8) sehingga perlu dilakukan iterasi kedua.

I Netral Hitung

I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban v.2 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00% % Ketidakseimbangan Beban

I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban v.2 Linear (I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban v.2) Expon. (I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban v.2) Poly. (I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban v.2) y = 193,6x + 18,77 R² = 0,800 y = 37.014e2.2951x R² =+0.82284 y = -894,6x2 831,6x - 82,03 R² = 0,843

Gambar 14 : Grafik I Netral Hitung vs Ketidakseimbangan Beban Rumah Tangga v.2

Dari grafik hasil iterasi kedua, dapat dilihat bahwa nilai varian terbaik adalah R2=0,843 yang bernilai lebih besar dari 0,8 dengan pendekatan polinomial derajat dua. Namun besar error yang terjadi lebih besar dari error pada hubungan linear, sehingga penguji mengambil pendekatan persamaan dengan error terkecil, yaitu dengan regresi linear. Sehingga dapat ditarik suatu hubungan pada beban rumah tangga yaitu semakin besar ketidakseimbangan beban maka nilai arus netralnya pun akan semakin besar, begitu pula sebaliknya. Hal ini sesuai dengan dasar teori yang telah dikemukakan. Selain itu dapat kita lihat juga besarnya


error yang terjadi dari %error perhitungan dan % error percobaan bernilai relatif kecil, dengan nilai rata-rata 12%. C. Analisis Pengaruh THD Arus terhadap I Netral Harmonik 1. THD Arus terhadap I Netral Harmonik pada Beban Industri Penyebab adanya arus netral akibat harmonik terutama disebabkan oleh adanya triplen harmonik. Dengan munculnya triplen harmonik, maka efek yang terjadi pada suatu transformator adalah pemanasan pada konduktor, CB, dan munculnya arus pada netral yang dapat menyebabkan panas berlebih. Hubungan antara arus netral harmonik dengan THD Arus sesuai teori adalah linear, dimana semakin besar THD Arus maka nilai arus netral harmoniknya juga semakin besar, begitu pula sebaliknya. Hal ini disebabkan karena nilai THD Arus dinilai dari arus harmonik pada orde-orde ganjilnya saja. Triplen harmonik adalah nilai harmonik dari kelipatan tiga ganjil. Sehingga dapat ditarik suatu hubungan ketika nilai triplen harmonik semakin besar, maka nilai THD Arus juga semakin besar. Peristiwa arus triplen yang terjadi pada transformator hanya dapat diketahui efeknya ketika diukur pada sisi wye pada transformator wye-delta karena tidak ada hubungan langsung antara lilitan wye dan delta, sehingga arus triplen harmonik yang mengalir melalui netral pada sisi wye menuju ground tidak dapat mengalir ke sisi delta, sehingga arus seolaholah terperangkap dan tidak mengalir pada sisi delta. Pengukuran pada sisi delta tidak memberikan alasan terhadap terjadinya pemanasan pada transformator. Arus triplen dapat muncul baik pada kondisi seimbang maupun tidak seimbang. Saat fasa seimbang, arus triplen harmonik berperilaku seperti arus urutan nol yang pada sisi netralnya saling menjumlahkan. Ketika pembebanan tidak seimbang arus triplen dapat muncul pada daerah-daerah yang tidak diinginkan dengan memiliki komponen positif maupun negatifnya. Pada subbab ini, data yang diambil adalah nilai THD arus sebagai variabel bebas (sumbu x) dan arus netral yang diakibatkan oleh harmonik sebagai variabel terikat (sumbu y). Nilai arus netral harmonik didapatkan dengan mengurangkan nilai I netral terukur dengan I netral hasil pengukuran. Seperti sesuai dasar teori diatas bahwa : !!!!!!! !!!!! = !!!!!!! + !ℎ!!!!!!!


sehingga arus netral harmonik dapat diketahui. Data ini pada pengujian hubungan THD Arus terhadap arus netral tidak memasukkan data pengujian dengan arus netral murni, karena arus netral murni tidak memiliki komposisi nilai arus netral harmonik. Setelah diketahui nilai THD Arus dan I netral harmonik, maka dibuatlah grafik dengan menggunakan Microsoft Excel untuk melihat hubungan dan persamaan yang paling menggambarkan hubungan keduanya. Dapat kita lihat pada grafik dibawah ini pembuatan grafik dilakukan dengan 3 pendekatan, yaitu linear, eksponensial, dan polinomial derajat dua. Pada THD Arus terhadap I Netral Harmonik pada Beban Industri, dilakukan dua kali iterasi pemfilteran, karena pada iterasi pertama nilai variannya kurang dari 0,8 sehingga perlu dilakukan iterasi pemfilteran kedua. I Netral Harmonik vs THD Arus v.2

I Netral Harmonik vs THD Arus v.2 Linear (I Netral Harmonik vs THD Arus v.2) Expon. (I Netral Harmonik vs THD Arus v.2) Poly. (I Netral Harmonik vs THD Arus v.2)

I Netral Harmonik

300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 0.00 -50.00

5.00 10.00 % THD Arus

y = -17.609x + 226.3 R² = 0.79657 y = 303,3e-0,22x 15.00 R² = 0,962 y = 1.9464x2 - 45.666x + 285.19 R² = 0.83198

Gambar 15 : Grafik I Netral Harmonik vs THD Arus Beban Industri v.2

Dari grafik hasil iterasi kedua, dapat dilihat bahwa nilai varian terbaik adalah R2 = 0,962 yang bernilai lebih besar dari 0,8. Hubungan variabel didekati dengan persamaan eksponensial negatif dengan hubungan berbanding terbalik. Namun hal ini tidak sesuai dengan teori bahwa seharusnya nilai THD Arus dan arus netral harmonik adalah linear. Hasil dari pengujian hubungan THD Arus dan arus netral harmonik ini berbeda dengan teori yang telah disepakati bersama, sehingga dapat dikatakan bahwa data-data yang dilakukan oleh praktikan kurang akurat dalam menggambarkan hubungan THD Arus dan arus harmonik sesungguhnya. Hal ini dapat disebabkan oleh dua sebab, yang pertama kurang tepatnya prosedur pengukuran, misalnya dalam pemasangan probe arus dan kabel netral antara gardu distribusi dan alat ukur. Yang kedua, dapat disebabkan oleh kurang akuratnya pengukuran akibat adanya kesalahan kalibrasi alat. Usia alat ukur juga mempengaruhi kualitas pengukuran, sehingga dimungkinkan nilai harmonik yang terbaca berbeda dengan kondisi


sesungguhnya. Kedua hal tersebut dapat menyebabkan kesalahan pengambilan data sehingga menghasilkan nilai error yang besar. 2. THD Arus terhadap I Netral Harmonik pada Beban Bisnis Pada hubungan THD Arus dengan arus netral harmonik, penguji melakukan tiga kali pemfilteran data iterasi.

I Netral Harmonik

I Netral Harmonik vs THD Arus v.3


25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

% THD Arus

y = 0.668x + 10.836 R² = 0.98898 y = 12.237e0.0356x R² = 0.98368 y = -0,042x2 + 1,703x + 4,852 R² = 1

Gambar 16 : Grafik I Netral Harmonik vs THD Arus Beban Bisnis v.3

Dari grafik hasil iterasi ketiga, didapatkan nilai varian terbaik adalah R2 = 1 yang menandakan bahwa hubungan antara variabel dan pendekatan persamaan memiliki tingkat keakuratan 100%. Sesuai grafik dibawah, pada beban bisnis THD Arus terhadap I netral harmonik memiliki hubungan yang sesuai teori, dimana semakin besar THD Arus, maka I netral harmoniknya juga semakin besar, begitu pula sebaliknya. Sehingga pada beban bisnis THD Arus terhadap I netral harmonik memiliki hubungan yang linier. 3. THD Arus terhadap I Netral Harmonik pada Beban Rumah Tangga Pada hubungan THD Arus terhadap arus netral harmonik pada beban rumah tangga, penguji melakukan dua kali pemfilteran data iterasi. Dari grafik hasil iterasi kedua dapat dilihat bahwa hubungan THD Arus dengan I netral harmonik adalah berbanding terbalik, dengan didekati dengan persamaan polinomial derajat dua (nilai R2 = 0,901). Tetapi hubungan tersebut tidak sesuai dengan teori bahwa nilai THD Arus dan arus netral harmonik adalah berbanding lurus atau linear. Hasil dari pengujian hubungan THD Arus dan arus harmonik pada beban rumah tangga ini berbeda dengan teori yang telah disepakati bersama, sehingga dapat dikatakan bahwa data-data yang dilakukan oleh praktikan kurang akurat dalam menggambarkan hubungan THD Arus dan arus harmonik pada beban rumah tangga sesungguhnya. Hal ini dapat disebabkan oleh dua hal, yang pertama


kurang tepatnya prosedur pengukuran, misalnya dalam pemasangan probe arus dan kabel netral antara gardu distribusi dan alat ukur. Yang kedua, dapat disebabkan oleh kurang akuratnya pengukuran akibat adanya kesalahan kalibrasi alat. Usia alat ukur juga mempengaruhi kualitas pengukuran, sehingga dimungkinkan nilai harmonik yang terbaca berbeda dengan kondisi sesungguhnya. Kedua hal tersebut dapat menyebabkan kesalahan pengambilan data sehingga menghasilkan nilai error yang besar.

I Netral Harmonik

I Netral Harmonik vs THD Arus v.2 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00


2.00

4.00

6.00

% THD Arus

8.00

10.00

y = -3.3603x + 49.543 R² = 0.5711 y = 61.155e-0.123x R² = 0.58818 y = 3,585x2 - 54,97x + 233,3 R² = 0,901

Gambar 17 : Grafik I Netral Harmonik vs THD Arus Beban Rumah Tangga v.2

Kesimpulan 1. Hasil pengukuran harmonik yang dibandingkan terhadap IEEE Standard 512-1992 dengan batas THD Arus maksimum 5% menunjukkan bahwa beban pada keadaan paling aman adalah beban bisnis (13 dari 32 feeder memiliki nilai THD ≤ 5% [40,63%]). Beban pada keadaan paling tidak aman adalah beban rumah tangga (50 dari 55 feeder memiliki nilai THD Arus > 5% [90,91%]). Beban dengan keadaan nilai error paling banyak adalah beban bisnis (2 dari 32 error [6,25%]). 2. Berdasarkan analisis pengukuran arus netral pada pelanggan industri, bisnis, dan rumah tangga, hubungan antara ketidakseimbangan beban terhadap arus netral adalah linear, dimana semakin besar ketidakseimbangan beban maka arus netral yang terjadi juga semakin besar, begitu pula sebaliknya. Hal ini sesuai dengan teori yang berlaku dan disepakati bersama. 3. Berdasarkan analisis pengukuran arus netral pada pelanggan industri dan rumah tangga, hubungan antara THD Arus terhadap arus netral harmonik adalah berbanding terbalik, dimana semakin besar THD Arus maka arus netral harmonik yang terjadi semakin kecil. Hal ini tidak sesuai dengan teori bahwa hubungan THD Arus terhadap arus netral harmonik adalah linear. Hal ini dapat disebabkan dua hal, yang pertama


kurang tepatnya dalam prosedur pengukuran, dan yang kedua kalibrasi alat yang kurang baik sehingga hasil pembacaan menjadi tidak akurat. 4. Berdasarkan analisis pengukuran arus netral pada pelanggan bisnis, hubungan antara THD Arus terhadap arus netral harmonik adalah linear, dimana semakin besar THD Arus maka arus netral harmonik yang terjadi semakin besar. Hal ini sesuai dengan teori yang berlaku dan disepakati bersama. Saran Pada pengukuran selanjutnya disarankan penguji dapat melakukan prosedur pengukuran dengan baik dan benar, meliputi pemasangan port arus, tegangan, dan grounding. Selain itu perlu dipastikan kalibrasi alat ukurnya sehingga pembacaan menjadi akurat. Diusahakan menggunakan alat ukur dengan usia < 10 tahun agar didapatkan hasil yang akurat. Kepustakaan [1] A. P., N. H., D. N., A. M., & Pranyoto, M. F. (2011). A Study of Harmonic Impact on High Voltage and Low Voltage Networks in PT. PLN Distribution System. IEEE , 6. [2] Committee, S. P. (1992). IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. IEEE Std 512-1992 , 101. [3] D. P., É. N., M. d., & P. S. (2005). Characterization of Neutral and Line Current Harmonics in Three-Phase Computer Power Systems. IEEE , 6. [4] Gill, P. (2010). Electrical Power Equipment Maintenance and testing. New York: CRC Press. [5] Setiadji, J. S., T. M., & Y. I. (2008). Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses pada Trafo Distribusi. Jurnal Teknik Elektro Vol. 6, No. 1, Maret 2006: 68 - 73 , 6. [6] Zulkarnain, I. (2009). Analisis Pengaruh Harmonisa Terhadap Arus Netral, Rugi-Rugi Dan Penurunan Kapasitas Pada Transformator Distribusi. Jurnal Teknik Elektro , 8. [7] http://www.electronics-tutorials.ws/articles/harmonic1.gif [8] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/e/ec/Squarewave01CJC.png/ 300px-Squarewave01CJC.png [9] https://www.emetor.com/static/img_110303_p4Qs3MMF3.png


Analisis Pengaruh Harmonik terhadap Arus Netral Transformator Pelanggan Industri, Bisnis, dan Rumah Tangga

Recommend Documents