PENGURANGAN ARUS NETRAL PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA EMPAT KAWAT MENGGUNAKAN TRANSFORMATOR WYE-DELTA
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik
Oleh: DONI RIVI HERMANDO NIM : 090402042
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
Universitas Sumatera Utara
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
PENGURANGAN ARUS NETRAL PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA EMPAT KAWAT MENGGUNAKAN TRANSFORMATOR WYE-DELTA Oleh: DONI RIVI HERMANDO 090402042 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada Tanggal 7 Bulan Mei Tahun 2014 di depan Penguji: 1. Ketua Penguji
: Ir. Riswan Dinzi, M.T.
……………………...
2. Anggota Penguji
: Syiska Yana, S.T., M.T.
……………………...
Disetujui Oleh: Pembimbing Tugas Akhir
Ir. Zulkarnaen Pane, M.T. NIP. 195707201983031001
Diketahui Oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU
Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si. NIP.195405311986011002
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK Pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang seimbang, arus pada penghantar netral bernilai nol. Namun pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang melayani beban nonlinear, arus tetap mengalir pada penghantar netral. Hal ini terjadi pada kondisi beban nonlinear yang seimbang maupun tidak seimbang. Arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang melayani beban nonlinear yang seimbang merupakan arus harmonisa urutan nol. Untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol yang mengalir pada penghantar netral, maka pada tugas akhir ini digunakan transformator wye-delta. Transformator wye-delta dirancang sebagai transformator zero-passing yang memiliki impedansi urutan nol yang kecil sehingga arus harmonisa urutan nol yang berasal dari beban akan mengalir melalui transformator wye-delta kembali ke beban. Transformator wye-delta yang digunakan terdiri dari satu unit transformator tiga fasa dan untuk mendapatkan impedansi urutan nol yang kecil digunakan jenis belitan bifilar. Agar kinerja transformator wye-delta dalam mengurangi arus pada penghantar netral dapat diketahui, maka dilakukan eksperimen di laboratorium dan perhitungan secara matematis. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa transformator wye-delta menunjukkan kinerja yang stabil dalam mengurangi arus rms yang mengalir pada penghantar netral yaitu dengan persentase pengurangan sebesar 40,4% saat kondisi daya beban seimbang dan 40,2% saat kondisi daya beban tidak seimbang. Hasil eksperimen juga menunjukkan bahwa transformator wye-delta menunjukkan kinerja yang baik terhadap adanya variasi daya beban. Perhitungan secara matematis untuk kondisi daya beban seimbang menunjukkan persentase pengurangan arus netral yang hampir sama dengan hasil eksperimen yaitu sebesar 40,1%. Kata kunci: arus netral, harmonisa triplen, beban nonlinear, zero-passing transformer, transformator wye-delta
i Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas berkat rahmat dan ridho-Nya tugas akhir ini dapat disusun dan diselesaikan, serta shalawat beriring salam penulis haturkan kepada junjungan Nabi Besar Muhammad SAW. Tugas akhir ini adalah bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul tugas akhir ini adalah: ”PENGURANGAN ARUS NETRAL PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA EMPAT KAWAT MENGGUNAKAN TRANSFORMATOR WYE-DELTA” Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayahanda (Ir. H. Ramdani S.) dan Ibunda (Hj. Tien Hermaini Z.), serta adik-adik tersayang (Nurul Annisa S. dan Nurul Attiqah S.) yang selalu memberikan semangat dan mendoakan penulis dalam penyelesaian studi hingga menyelesaikan tugas akhir ini. Selama masa kuliah hingga penyelesaian tugas akhir ini, penulis juga banyak mendapat dukungan, bimbingan, maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan Kepala Laboratorium Transmisi dan Distribusi yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberikan bantuan, bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama perkuliahan hingga penyusunan tugas akhir ini. 2. Bapak Ir. Riswan Dinzi, M.T. dan Ibu Syiska Yana S.T., M.T., selaku Dosen Penguji Tugas Akhir yang telah memberikan masukan dan saran demi perbaikan tugas akhir ini. 3. Bapak Ir. Arman Sani M.T., selaku Dosen Wali penulis yang senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan. 4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si., selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU serta Bapak Rachmad Fauzi S.T., M.T. selaku sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU yang banyak memberi motivasi selama penulis menjalani kuliah. 5. Seluruh Bapak dan Ibu dosen yang telah mendidik penulis menuju jenjang Sarjana.
ii Universitas Sumatera Utara
6. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah membantu penulis dalam pengurusan administrasi. 7. Ahmad, Nanda, Fakhrul, Wangto, Kentrick, Yuli, John, Dimas, Agung, Lukman, Rizal, Arfan, Rizky, Tondy, Rizi, Nisa, Adly, Masykur, Faya, Afit, Adit, Asri, Leo, Teguh, Reza, Budi, Arif, Rianto, Iswandi, Fransisco, Alvin, dan seluruh teman-teman stambuk 2009 lainnya. 8. Andika, Rizky, Syilvester, Rimbo, dan Duha yang telah membantu penulis selama pengambilan data. 9. Seluruh abang dan kakak senior serta adik-adik junior yang telah memberi dukungan dan bantuan. 10. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini belum sempurna karena masih banyak terdapat kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya. Saran dan kritik dari pembaca dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan tugas akhir ini dapat berguna memberikan ilmu pengetahuan bagi kita semua dan hanya kepada Allah SWT-lah penulis menyerahkan diri.
Medan, Juni 2014 Penulis
Doni Rivi Hermando NIM. 090402042
iii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK .......................................................................................................... i KATA PENGANTAR ........................................................................................ ii DAFTAR ISI ....................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... vi DAFTAR TABEL .............................................................................................. xi DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xii I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ......................................................................................... 1 1.2. Perumusan Masalah .................................................................................. 2 1.3. Tujuan ....................................................................................................... 3 1.4. Batasan Masalah ....................................................................................... 3 1.5. Manfaat ..................................................................................................... 4 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sistem Distribusi Tenaga Listrik .............................................................. 5 2.1.1. Sistem Tiga Fasa Empat Kawat ..................................................... 5 2.2. Komponen-Komponen Simetris ............................................................... 6 2.3. Harmonisa ................................................................................................ 9 2.4. Arus Netral ............................................................................................... 11 2.5. Penurunan Rumus Harmonisa Pada Arus Konduktor Netral Dari Arus Fasa .................................................................................................. 12 2.5.1. Sistem Simetris dan Seimbang ....................................................... 12 2.5.2. Sistem Tidak Simetris dan Tidak Seimbang .................................. 13 2.6. Transformator Wye-Delta ........................................................................ 14 2.7. Belitan Bifilar ............................................................................................ 19 2.8. Rangkaian Ekivalen Urutan Nol................................................................ 20
iv Universitas Sumatera Utara
III. METODE PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu ................................................................................... 23 3.2. Penentuan Daya Transformator Wye-Delta yang Digunakan .................. 23 3.3. Bahan dan Peralatan yang Digunakan ...................................................... 24 3.4. Rangkaian Eksperimen ............................................................................. 25 3.5. Teknik Pengukuran ................................................................................... 28 IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Eksperimen Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta ................. 30 4.1.1. Kondisi Beban Seimbang ............................................................... 30 4.1.2. Kondisi Beban Tidak Seimbang ..................................................... 34 4.2. Eksperimen Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta ................... 38 4.2.1. Kondisi Beban Seimbang ............................................................... 38 4.2.2. Kondisi Beban Tidak Seimbang ..................................................... 42 4.3. Rangkuman Hasil Eksperimen Sebelum dan Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta ......................................................................... 48 4.4. Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Daya Beban Bervariasi .................................................................................................. 49 4.5. Perhitungan Pengurangan Arus Netral ...................................................... 51 4.5.1. Sebelum penggunaan transformator wye-delta ............................... 52 4.5.2. Setelah penggunaan transformator wye-delta ................................. 54 V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ............................................................................................... 56 5.2. Saran ......................................................................................................... 56 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 57 LAMPIRAN ........................................................................................................ 58
v Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
No. 2.1
Judul
Halaman
Sistem Tiga Fasa Empat Kawat Pada Sisi Sekunder Transformator Distribusi ........................................................... 6
2.2
Diagram Fasor Komponen Urutan Positif ................................. 7
2.3
Diagram Fasor Komponen Urutan Negatif ............................... 7
2.4
Diagram Fasor Komponen Urutan Nol ..................................... 8
2.5
Bentuk Gelombang Frekuensi Fundamental dan Gelombang yang Terdistorsi Karena Pengaruh Harmonisa .......................... 10
2.6
Arus Harmonisa Triplen Yang Saling Menjumlahkan Pada Penghantar Netral, Arus Fundamental Saling Meniadakan ....... 11
2.7
Rangkaian Transformator Wye-Delta yang Dibentuk Dari Satu Unit Transformator 3 Fasa ........................................ 15
2.8
Penggunaan Transformator Wye-Delta Sebagai Zero-Passing Pada Jaringan ...................................................... 16
2.9
Pembangkitan Fluksi Magnetik Urutan Nol Pada Transformator Wye-Delta: (a) Fluksi Urutan Nol Pada Setiap Kumparan Primer; (b) Fluksi Urutan Nol Pada Setiap Kumparan Sekunder; (c) Total Fluksi Urutan Nol .................... 18
2.10
Belitan Bifilar ............................................................................ 20
2.11
Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Pada Sistem Yang Menggunakan Transformator Wye-Delta .................................. 20
2.12
Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Dengan V s0 (t) Terhubung Singkat (Short Circuit) .............................................................. 21
3.1
Rangkaian Eksperimen Sebelum Menggunakan Transformator Wye-Delta .................................................................................. 25
3.2
Rangkaian Eksperimen Setelah Menggunakan Transformator vi Universitas Sumatera Utara
Wye-Delta (Pengukuran di Sisi Sumber) .................................. 27 3.3
Rangkaian Eksperimen Setelah Menggunakan Transformator Wye-Delta (Pengukuran Pada Trafo Wye-Delta) ...................... 28
4.1(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........ 32
4.1(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........ 33
4.2(a)
Bentuk Gelombang Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........ 33
4.2(b)
Spektrum Harmonisa Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........ 33
4.3(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa R Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 35
4.3(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa R Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 36
4.4(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 36
4.4(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 36
4.5(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa T Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 37
4.5(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa T Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi
vii Universitas Sumatera Utara
Beban Tidak Seimbang............................................................... 37 4.6(a)
Bentuk Gelombang Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 37
4.6(b)
Spektrum Harmonisa Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 38
4.7(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........ 40
4.7(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........ 41
4.8(a)
Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........................................................... 41
4.8(b)
Spektrum Harmonisa Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ........................................................... 41
4.9(a)
Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang................................................... 42
4.9(b)
Spektrum Harmonisa Arus Netral Pada Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang................................................... 42
4.10(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa R Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 44
4.10(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa R Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi
viii Universitas Sumatera Utara
Beban Tidak Seimbang............................................................... 45 4.11(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 45
4.11(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 45
4.12(a)
Bentuk Gelombang Arus Fasa T Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 46
4.12(b)
Spektrum Arus Harmonisa Fasa T Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ............................................................... 46
4.13(a)
Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang............................................................... 46
4.13(b)
Spektrum Harmonisa Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang............................................................... 47
4.14(a)
Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ........................................ 47
4.14(b)
Spektrum Harmonisa Arus Netral di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ........................................ 47
4.15
Grafik Hubungan Persentase Beban Dengan Besar Arus Netral ................................................................................ 50
4.16
Grafik Hubungan Persentase Beban Dengan Persentase
ix Universitas Sumatera Utara
Penurunan Arus Netral .............................................................. 51 4.17
Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta........................................................... 52
x Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
No. 4.1
Judul
Halaman
Hasil Pengukuran Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang .................................. 30
4.2
Hasil Pengukuran Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ........................ 34
4.3
Hasil Pengukuran Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang .................................. 38
4.4
Hasil Pengukuran di Sisi Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang ..................................................... 40
4.5
Hasil Pengukuran Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang ........................ 43
4.6
Hasil Pengukuran di Sisi Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang .......................................... 44
4.7
Rangkuman Hasil Eksperimen ..................................................... 48
4.8
Hasil Pengukuran Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Daya Beban Bervariasi ........................................... 49
4.9
Besar Arus Untuk Setiap Harmonisa Orde Ganjil Kelipatan 3 Pada Penghantar Netral ................................................................. 53
4.10
Parameter Rangkaian Ekivalen Urutan Nol................................... 54
xi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
No.
Judul
Halaman
1
Parameter Transformator ............................................................... 58
2
Cuplikan Layar Hasil Pengukuran Beberapa Besaran Penting Pada Setiap Eksperimen ................................................................ 59
3
Foto Dokumentasi ......................................................................... 68
xii Universitas Sumatera Utara
