PENGARUH ARUS NETRAL TERHADAP RUGI-RUGI BEBAN PADA TRANSFORMATOR DISTRIBUSI PLN RAYON JOHOR MEDAN Rendy F Sibarani, Ir. Syamsul Amien, MS Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA Email:
[email protected]
Abstrak Kebutuhan rumah tangga pada jaringan tegangan rendah memanfaatkan tenaga listrik satu phasa. Sehingga sering sekali pembebanan pada transformator banyak dijumpai tidak seimbang/merata. Akibat ketidakseimbangan tersebut adalah mengalirnya arus pada kawat netral atau disebut arus netral. Disisi lain pemakaian beban non linier seperti peralatab elektronik oleh kebutuhan rumah tangga memberikan andil terhadap tingginya arus netral. Hal ini terjadi pada beban non linier akan muncul arus urutan nol yang memicu keluarnya arus netral atau harmonisa pada netral transformator. Arus netral ini akan mengakibatkan panas. Panas tersebut merupakan rugi-rugi yang seharusnya tidak terjadi. Pada tulisan ini dibahas mengenai pengaruh arus netral terhadap rugi-rugi beban transformator. Berdasarkan hasil pengukuran diperoleh ketidakseimbangan beban pada Trafo JH128-2 dan Trafo JH129-2 yaitu 12,66% dan 21,9% pada siang hari dan 18,89% dan 27,9% pada malam hari. Semakin besar ketidakseimbangan beban maka makin besar juga rugi-ruginya, ini dilihat dari hasil pengukuran pada siang harinya yaitu 0,63% dan 0,98%, pada malam harinya 2,53% dan 2,47%. Dan hasil pengukuran yang lain bahwa harmonisa arus tidak melebihi standar yang ditetapkan IEEE 519 (8%) dan harmonisa tegangan tidak melebihi standar yang ditetapkan IEEE 519 (5%) pada Trafo JH128-2 dan Trafo JH129-2. Adanya harmonisa terhadap netral pada Trafo JH128-2 dan Trafo JH129-2 mendekati total arus urutan nol masing-masing phasa dan arus ketiga phasa 38,3 A dan 38,2 A; dan 21,97 dan 22,62. Dari analisa harmonisa terhadap rugi-rugi pada Trafo JH128-2 dan TrafoJH129-2 relatif kecil dan dapat dikatakan pemakaian beban non linier oleh konsumen relatif sedikit juga.
Kata kunci: arus netral, beban non linier, harmonisa, rugi-rugi tersebut dapat diketahui oleh penulis dan pembaca. 2. Tinjauan Pustaka 1.1 Trafo Distribusi[1] Transformator distribusi merupakan alat yang memegan peran penting dalas sistem distribusi. Transformator distribusi mengubah tegangan menengah menjadi tegangan rendah. Transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator step-down 20kV/400V. Tegangan phasa ke phasa sistem jaringan tegangan rendah adalah 380V. Karena terjadi drop tegangan pada rak tegangan rendah dibuat di atas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V[1].
1. Pendahuluan Perkembangan pembangunan di segala bidang menuntut PLN selaku penyedia listrik di tanah air untuk dapat memenuhi ketersediaan listrik di tanah air dan melakukan efisiensi di segala sektor pembangunan. Salah satu langkah efisiensi yang dilakukan oleh PLN adalah menekan rugi-rugi seminimal mungkin, baik rugi-rugi teknis maupun non teknis agar dapat memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik. Namun dalam pemenuhan kebutuhan listrik tersebut, sering terjadi pembagian beban oleh Transformator Distribusi yang tidak merata/seimbang dan pemakaian beban non linier seperti peralatan elektronik oleh konsumen memberikan andil terhadap tingginya arus netral. Arus netral ini menyebabkan panas. Panas tersebut merupakan rugi-rugi secara teknis. Oleh karena itu, diperlukan suatu analisa yang memberikan hasil seberapa besar pengaruh arus netral terhadap rugi-rugi beban terhadap Transformator Distribusi dan hasil
1.2 Rugi-Rugi Transformator Rugi-rugi pada transformator dapat diklasifikasikan atas rugi-rugi primer, rugi-rugi sekunder dan rugi-rugi inti (besi). Rugi-rugi primer dan sekunder adalah rugi-rugi I2R daya nyata dalam watt. Rugi-rugi ini diakibatkan resistansi dari masing-masing belitan primer dan sekunder. Apabila transformator tidak
– 49 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015
dibebani, maka rugi-rugi daya pada sekunder adalah nol. Pada Gambar 1 dapat dilihat blok diagram rugi-rugi yang ada pada transformator[2].
Rugi Tembaga Sumber
Kumparan Primer
Rugi Besi Rugi Hysteresis Rugi Eddy Current
Fluks Bersama
Rugi Fluks Bocor
Jika arus-arus phasa seimbang maka arus netral akan bernilai nol, tetapi jika arus-arus phasa tidak seimbang akibat pembebanan tidak seimbang, maka aka nada arus yang mengalir di kawat netral sistem (Arus netral akan mempunyai nilai dalam arti tidak nol) [3].
Rugi Tembaga Kumparan Sekunder
1.3.2 Output
Rugi Fluks Bocor
Gambar 1. Blok Diagram Rugi-Rugi Pada Transformator
1.2.1
Rugi Tembaga (PCu) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut : PCu = I2R (watt) (1) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Rugi Besi (Pi) Rugi inti atau rugi besi pada transformator juga adalah rugi dalam watt. Rugi inti pada transformator terdiri atas dua bagian, yaitu rugi hysteresis dan eddy current. Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan oleh fluks bolak-balik pada inti besi, sedangkan rugi eddy current, yaitu rugi yang disebabkan oleh arus pusar pada inti besi.
Arus Netral Karean Adanya Harmonisa Arus netral muncul karena adanya harmonisa, yaitu berupa cacat gelombang sinus sistem dengan gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer (bilangan bulat) dari frekuensi fundamentalnya (di Indonesia aadalah 50Hz). Oleh sebab itu, semakin tinggi tingkatan harmonisanya, maka semakin tinggi frekuensinya. Harmonisa bisa muncul akibat adanya beban non linier yang terhubung ke sistem distribusi. Pada Gambar 2 terlihat bentuk gelombang harmonisa ketiga dengan fundamentalnya sehingga menghasilkan bentuk gelombang penjumlahannya[4].
1.2.2
Gambar 2. Hasil penjumlahan gelombang fundamental dengan harmonisa ketiga
1.3 Arus Netral Arus netral dalam sistem distribusi tenagan listrik dikenal sebagai arus yang mengalir pada kawat netral di sistem distribusi tegangan rendah tiga phasa empat kawat. Arus yang mengalir pada kawat netralyang merupakan arus balik untuk sistem distribusi tiga phasa empat kawat adalah penjumahan vektor dari ketiga arus phasa dalam komponen simetris. Arus netral ini akan muncul jika kondisi beban yang tidak seimbang dan kondisi adanya arus harmonisa akibat beban non linier yang semakin berkembang digunakan saat ini.
Standar harmonisa yang digunakan adalah standar IEEE 519 “IEEE Recomanded Practices and Requiretment for harmonic Control in electric in Electrical Power System“. Pada Tabel 1 ditunjukkan batasan harmonisa arus, sedangkan Tabel 2 menunjukkan batasan harmonisa tegangan berdasarkan IEEE 519[5]. Tabel 1. Standar distorsi arus IEEE 519 Individual harmonic order (ODD harmonics) <11 11≤ 17≤ 23≤ ≥35 ISC/IL h<1 h< h< 7 23 35 < 20 4 2 1.5 0.6 0.3 20-50 7 3.5 2.5 1 0.5 50-100 10 4.5 4 1.5 0.7 10012 5 5 2 1 1000 >1000 15 7 6 2.5 1.4
1.3.1
Arus Netral Karena Beban Tidak Seimbang Dalam sistem tiga phasa empat kawat ini jumlah arus saluran sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral, jadi: IA + IB + IC = IN (2)
– 50 –
THD
5 8 12 15 20
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015
Tabel 2. Standar distorsi tegangan IEEE 519 System Voltage Maximum Below 68>138 Distortion (in 69 kV 138 kV %) kV Individual 3.0 1.5 1.0 Harmonic Total Harmonic 5.0 2.5 1.5
Pengaruh harmonik pada transformator sering tanpa disadari dan tidak diantisipasi keberadaannya sampai terjadi gangguan yang penyebabnya tidak jelas. Frekuensi harmonik yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadi rugi-rugi daya[6].
Gambar 4. Pengamatan pengukuran beban, arus dan tegangan transformator distribusi JH128-2
Langkah-langkah yang digunakan untuk mengolah data[1,2,7] : 1. Menghitung arus beban penuh (IFL) dan arus hubung singkat (ISC). IFL = (3) √ dimana : S = daya trafo (kVA) V = tegangan pada sisi sekunder (kV) . ISC = % (4) √ dimana : %Z = persen impedansi trafo 2. Menghitung pembebanan trafo % Pembebanan = x 100% (5)
2. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan di wilayah sekitar Johor Medan dengan mengambil sampel dua (2) transformator distribusi (JH128-2 dan JH129-2) pada tanggal 8 Desember 2014 untuk mengukur ketidakseimbangan beban dan kandungan harmonisa. Untuk pengukuran arus netral diakibatkan beban tidak seimbang dilakukan pada siang hari (pukul 12.00-14.00 WIB) dan malam hari (pukul 18.00-19.00 WIB). Sedangkan pengukuran arus netral karena harmonisa diakibatkan beban-beban non linier dilakukan pada malam hari (pukul 18.0019.00 WIB). Alat ukur yang digunakan adalah tang amper meter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
dimana : IPHASA= arus phasa (A) 3. Menghitung ketidakseimbangan pada trafo distribusi IRATA-RATA = (6) dimana arus phasa dalam keadaan seimbang (I) sama dengan arus rata-rata, maka koefsien a, b dan c diperoleh : a = ,b = ,c= (7) Pada keadaan seimbang besarnya koefisien a, b dan c adalah 1, maka rata-rata ketidakseimbangan beban dalam (%) adalah
Gambar 3. Tang amper meter
{|
Penelitian ini dilakukan dengan mengambil data hanya berupa arus pada tiap phasa, arus kandungan harmonisa, tegangan, impedansi, dan cos φ seperti yang diperliharkan pada
| |
| |
|}
= x 100% (8) 4. Menghitung rugi-rugi akibat beban tidak seimbang P = IN2 RN (9) dimana : IN = arus netral (A) RN = tahanan pada kawat netral (ohm)
Gambar 4.
– 51 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015
5. Menghitung THD (Total Harmonic Distortion) pada trafo distribusi Untuk menganalisa THD ini, dipakai standar IEEE 519 ”Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems “. 6. Menghitung pengaruh harmonisa pada kawat netral trafo THD arus urutan nol = + + + ⋯. (10) dimana : THD = Total Harmonic Distortion IHD = Individual Harmonic Distortion Dan besar arus urutan nol masing-masing phasa adalah I urutan nol = THD arus urutan nol x Arus beban phasa (11) 7. Menghitung pengaruh harmonisa terhadap rugi-rugi beban PLL =∑ I + ∑ I xh PEC-R (p.u) (12) dimana : PEC-R = faktor eddy current loss h = angka harmonisa Ih = arus harmonisa 3. Hasil dan Analisis Dari hasil pengukuran yang dilakukan, maka dapat diperoleh data sebagai berikut: 1. Trafo JH128-2 Daya : 250 kVA Teg Kerja : 20 kV//400 V Impedansi : 4% Data-data pada trafo dilihat pada Tabel 3 dan Tabel 4.
2. Trafo JH129-2 Daya : 160 kVA Teg Kerja : 20 kV//400 V Impedansi : 4% Data-data pada trafo dilihat pada Tabel 5 dan Tabel 6. Tabel 5. Data pembebanan trafo distribusi JH129-2 pada siang hari JURUSAN LWBP Siang TIMU TIMU BARA BARA hari R1 R2 T1 T2 R 27 18 14 20 (AMP) S 17 20 26 20 (AMP) T 9 15 19 12 (AMP) N 18 13 27 8 (AMP) Tabel 6. Data pembebanan trafo distribusi JH129-2 pada malam hari JURUSAN WBP Malam TIMUR TIMUR BARAT BARAT hari 1 2 1 2 27 51 27 31 R (AMP) 43 37 46 32 S (AMP) 3 35 35 20 T (AMP) 38 17 19 12 N (AMP)
Persamaan yang digunakan untuk menghitung adalah persamaan 3-9.Dari Tabel 7 dapat dilihat bahwa semakin besar ketidakseimbangan besar maka semakin besar juga rugi-rugi yang dihasilkan oleh trafo itu sendiri.
Tabel 3. Data pembebanan trafo distribusi JH128-2 pada siang hari LWBP
JURUSAN
Siang hari
UTARA
SELATAN
R (AMP)
111
73
S (AMP)
117
70
T (AMP)
100
44
N (AMP)
17
29
Tabel 7. Hasil perhitungan ketidakseimbangan dan rugi-rugi kedua trafo Kode Wakt Ketidakseimban PN PN Trafo u gan beban (%) (kW (%) ) JH12 Siang 12,66 1,01 0,4 8-2 6 8 Mala 18,89 3,69 1,7 m 8 4 JH12 Siang 21,9 1,26 0,9 9-2 7 8 Mala 27,90 2,32 1,8 m 3 1
Tabel 4. Data pembebanan trafo distribusi JH128-2 pada malam hari JURUSAN
WBP Malam hari
UTARA
SELATAN
R (AMP)
139
87
S (AMP)
153
81
T (AMP)
108
44
N (AMP)
45
45
Dari Tabel 8, kandungan harmonisa tegangan dan arus tidak melebihi standar IEEE 519 (harmonisa tegangan 5% dan harmonisa arus 8%).
– 52 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015
Tabel 8. Data harmonisa trafo JH128-2 Aru Phas Teganga cos THD THD s a n Volt φ V (%) I (%) (A) R 224,4 226 0,85 1,3 6,66 0,85 S 224,4 234 1,4 6,80 T
224,4
152
0,85
1,1
Tabel 11. Perhitungan rugi-rugi beban pada tiap phasa trafo JH128-2 Pertambahan Pertambahan Phasa PLL (pu) I 2R eddy current (pu) (pu) R 1,011028 0,000857 0,00017121 S 1,010081 0,000806 0,00001083 T 1,012010 0,001576 0,00043472
5,95
Dari Tabel 12, kandungan harmonisa tegangan dan arus tidak melebihi standar IEEE 519 (harmonisa tegangan 5% dan harmonisa arus 8%).
Dari Tabel 9 digunakan untuk menghitung arus urutan nol pada Tabel 10. Tabel 9. Data kandungan harmonisa arus trafo JH128-2 Phasa IHD Arus Urutan Urutan (%) (A) Polaritas Harmonisa 3 6,19 14 Nol R 9 1,76 4 Nol 15 0,44 1 Nol 3 6,41 15 Nol S 9 1,28 3 Nol 15 0,42 1 Nol 3 5,26 8 Nol T 9 1,77 2,7 Nol 15 0,46 0,7 Nol N 3 46,34 25 Nol IN = 82 A 9 4,63 3,8 Nol THD = 15 1,43 1,2 Nol 46,99 %
Tabel 12. Data harmonisa trafo JH129-2 Tegangan Arus cos THDV THDI Phasa Volt (A) φ (%) (%) R S T
235,8 235,8 235,8
136 158 93
0,8 0,8 0,8
2,1 2,4 1,8
6,54 5,02 6,63
Dari Tabel 13 digunakan untuk menghitung arus urutan nol pada Tabel 14. Tabel 13. Data kandungan harmonisa arus trafo JH129-2 Phasa IHD Arus Urutan Urutan (A) Polaritas Harmonisa (%) 3 6,10 8,03 Nol R 9 1,69 2,3 Nol 15 0,15 0,2 Nol 3 4,43 7,9 Nol S 9 1,26 2,0 Nol 15 0,13 0,2 Nol 3 6,13 5,7 Nol T 9 2,04 1,9 Nol 15 0,53 0,5 Nol 3 26,24 17,6 Nol N IN = 65 A 9 21,07 13,7 Nol THD = 15 9,07 5,9 Nol 37,99 %
Persamaan yang digunakan adalah persamaan 10 dan persamaan 11.Dari Tabel 10 terlihat bahwa total arus harmonisa urutan nol pada masing-masing phasa adalah 38,30 A. Nilai ini mendekati arus urutan nol pada netralnya yaitu 38,2 A. Tabel 10. Pengaruh harmonisa terhadap netral trafo JH128-2 IURUTAN THD Arus Urutan Nol Phasa (%) NOL (A) R 14,55 6,44 S 15,30 6,54 T 8,45 5,56 Netral 38,20 46,59
Persamaan yang digunakan adalah persamaan 10 dan persamaan 11.Dari Tabel 14 terlihat bahwa total arus harmonisa urutan nol pada masing-masing phasa adalah 21,97 A. Nilai ini mendekati arus urutan nol pada netralnya yaitu 22,62 A.
Persamaan yang digunakan adalah persamaan 12. Dari Tabel 11 terlihat adanya komponen harmonisa menyebabkan rugi-rugi I2R dan rugi eddy current pada masing-masing phasa bertambah. Pertambahan rugi-rugi I2R pada phasa R sebesar 0,085%, pada phasa S sebesar 0,08% dan pada phasa T sebesar 0,157%. Pertambahan rugi eddy current pada phasa R sebesar 0,017%, pada phasa S sebesar 0,001% dan phasa T sebesar 0,043%.
Tabel 14. Pengaruh harmonisa terhadap netral trafo JH129-2 IURUTAN THD Arus Urutan Nol Phasa (%) NOL (A) R 8,60 6,33
– 53 –
S
7,42
4,71
T
5,95
6,48
Netral
22,62
34,85
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015 dibandingkan pertambahan rugi eddy current. 7. Pertambahan rugi I2R dan rugi eddy current yang relatif kecil pada kedua trafo, dapat dikatakan bahwa pemakaian beban non linier oleh konsumen relatif kecil.
Persamaan yang digunakan adalah persamaan 12. Dari Tabel 15 terlihat adanya komponen harmonisa menyebabkan rugi-rugi I2R dan rugi eddy current pada masing-masing phasa bertambah. Pertambahan rugi-rugi I2R pada phasa R sebesar 0,22%, pada phasa S sebesar 0,09% dan pada phasa T sebesar 0,49%. Pertambahan rugi eddy current pada phasa R sebesar 0,03%, pada phasa S sebesar 0,01% dan phasa T sebesar 0,06%.
5. Daftar Pustaka [1] Nainggolan, Elis Pahala, “Studi Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses Pada Transformator Distribusi Studi Kasus: T. PLN (Persero) Cabang Medan, Rayon Medan Kota”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2010. [2] Poerba, Ade Dodiputera, “Pengaruh Harmonisa Terhadap Rugi-Rugi Pada Trafo Tiang Daya 160 kVA Aplikasi: PT. PLN (Persero) Cabang Medan”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2009. [3] Stevenson, Jr,William D, “Analisis Sistem Tenaga Listrik”, Edisi Keempat, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1983. [4] Chapman S.J, “Electric Machinery Fundamentals”, Fourth Edition, McGaw-Hill Book Company, 2005. [5] Kadir, Abdul,”Distribusi Dan Utilisasi tenaga Listrik”, Universitas Indonesia, Jakarta,2000. [6] Hasugian, Hotbe, ”Analisis Pengaruh Harmonisa Terhadap Panas Pada Belitan Transformator Distribusi”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2013. [7] Peranginangin, Roy Hakim, “Studi Analisis Pengaruh Harmonisa Terhadap Transformator Distribusi Aplikasi: PT. PLN (Persero) Cabang Medan, Rayon Medan Kota”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, 2009.
Tabel 15. Perhitungan rugi-rugi beban pada tiap phasa trafo JH129-2 Pertambahan Pertambahan Phasa PLL (pu) I2R eddy current (pu) (pu) R 1,012571 0,002206 0,00036566 S 1,011001 0,000984 0,00017585 T 1,015586 0,004903 0,00068375
4. Kesimpulan Dari hasil analisa data yang diperoleh dari percobaan yang dilakukan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Ketidakseimbangan beban pada trafo JH128-2 dan trafo JH129-2 yaitu sebesar 12,66% dan 21,9% pada siang hari dan 18,89% dan 27,90% pada malam hari. 2. Semakin besar ketidakseimbangan beban maka semakin besar juga rugi-ruginya, ini dilihat dari hasil pengukuran pada siang hari yaitu 0,63% dan 0,98%, pada malam hari yaitu 2,53% dan 2,47%. 3. Harmonisa arus dan tegangan pada trafo JH128-2 dan trafo JH129-2 tidak melebihi standar IEEE 519 (harmonisa tegangan 5% dan harmonisa arus 8%). 4. Adanya harmonisa terhadap netralnya, pada trafo JH128-2 mendekati total arus urutan nol masing-masing phasa dan arus ketiga phasa yaitu 38,3 A dan 38,2 A, sedangkan pada trafo JH129-2 mendekati total arus urutan nol masing-masing phasa dan arus ketiga phasa yaitu 21,97 A dan 22,62 A. 5. Pada kedua trafo, urutan harmonisa ganjil yang diperoleh urutan harmonisa ketiga yang merupakan harmonisa yang dominan dan diikuti dengan harmonisa kelima, ketujuh, dan seterusnya dengan nilai harmonisa yang semakin mengecil. 6. Harmonisa yang terjadi pada masingmasing fasa pada kedua trafo mempengaruhi rugi-rugi daya, dimana pertambahan rugi I2R yang lebih besar
– 54 –
copyright@ DTE FT USU
