Perancangan Filter Pasif Untuk Mengatasi Harmonisa Pada Gardu Penyearahan Pusat Listrik Aliran Atas - PT KAI Commuter Jabodetabek Indonesia

Perancangan Filter Pasif Untuk Mengatasi Harmonisa Pada Gardu Penyearahan Pusat Listrik Aliran Atas - PT KAI Commuter Jabodetabek Indonesia Yusra Sabri1, Ekki Kurniawan2 1

Lab.Sistim Tenaga dan Distribusi Elektrik STEI ITB Bandung,Indonesia, 2 Fek IT Telkom dan Program S3-2012 STEI ITB Bandung,Indonesia, 1 [email protected],[email protected]

Abstrak Kereta Rel Listrik (KRL) PT KAI Commuter Jabodetabek Indonesia dicatu oleh sistem Pusat Listrik Aliran Atas Arus Searah (PLAA AS). PLAA AS merupakan gardu-gardu KRL yang tersebar berdekatan dengan rel KRL. Dalam gardu KRL tersebut terdapat penyearah 6 atau 12 pulsa untuk mengubah arus bolak balik menjadi arus searah. Dampak dari proses penyearahan ini adalah harmonisa arus yang dapat menurunkan kualitas daya listrik, menimbulkan pemanasan lebih dan bahkan kebakaran pada transformator. Untuk mengatasinya diusulkan dipasang bank kapasitor dan filter fasif penala frekuensi tunggal harmonisa ke-11. Bank Kapasitor dipasang pada busbar pertama dekat ke sumber tiga fasa PLN, filter dipasang pada busbar kedua berdekatan dengan transformator. Simulasi dengan Simulink-Matlab menunjukkan bahwa pemasangan filter menghasilkan penurunan nilai arus harmonisa total rata-rata yakni untuk penyearah 6 pulsa dari 25,36% menjadi 0,91% , dan untuk penyearah 12 pulsa dari 11,64% menjadi 0,43%. Kata kunci : Gardu, harmonisa, filter, transformator, penyearah. Abstract KRL or Electrical Railway System in Indonesia is supplied by rectifier substations which are distributed along beside the railway. Each substation has rectifier to convert alternating current to direct current. Rectifying process causes current harmonics reducing quality of power, overheating and even burning in transformer. To overcome these problems, we proposed to install a capacitor bank and the 11th single tone frequency passive filter. The bank capasitor was put at the first busbar close to PLN three phase voltage source, meanwhile the filter was put at the second busbar near transformer. The results of simulations by Simulink-Matlab showed some reducing of average total harmonic current caused by filter installation i.e. for 6 pulse rectifier from 25.36% to 0.91% , and for 12 pulse from 11.64% to 0.43%. Key words : Substation, harmonic, filter, transformer, rectifier.

1.

Pendahuluan Kereta Api Rel Listrik (KRL) merupakan salah satu alat transportasi masal yang dapat diandalkan untuk mengatasi kemacetan yang terjadi di Ibukota. Energi listrik diperoleh dari PLN yang didistribusikan dari gardu-gardu ke KRL melalui sistem Pusat Listrik Aliran Atas (PLAA). PLAA yang dipakai menggunakan jenis arus searah, sehingga dalam gardu tersebut harus dipasang konverter yang mengubah dari arus bolak balik (ABB) menjadi arus searah (AS). Masalah yang dapat ditimbulkan dari konverter tersebut adalah arus dan tegangan harmonisa. Keberadaan harmonisa yang dapat menurunkan kualitas daya listrik dan pemanasan lebih. Kebakaran yang terjadi pada gardu KRL-UI Depok tahun 2009 dapat dimungkinkan karena efek harmonisa. Untuk mengatasi harmonisa tersebut perlu dipasang filter. Paper ini dimaksudkan untuk merancang jenis dan kapasitas filter yang harus dipasang pada setiap

gardu PLAA AS-KRL. Kontribusinya diharapkan menjadi pertimbangan untuk diterapkan sehingga terjadi peningkatkan efisiensi dan kestabilan sistem catu daya KRL di Indonesia. 2. Sistem Pencatu Kereta Rel Listrik Indonesia a.

Diagram Panel Gardu Sistem Pencatu KRL Saat ini PT Line Komuter Indonesia memiliki lebih dari 30 Gardu untuk mencatu perjalanan KRL. Gardu KRL memiliki dua tegangan yaitu tegangan ABB dan AS. Komponen utama yang ada pada ABB adalah transformator, sedangkan pada sisi AS adalah konverter (rectifier). Kapasitas tiap gardu berbedabeda misalnya gardu Jatinegara 1 dan gardu Depok UI terdiri dari trafo 1700 KVA dan penyearah 1500 KW, gardu Jatinegara II terdapat trafo 3400 KVA dan penyearah 3000 KW, sedangkan gardu Sawah Besar memiliki trafo 4530 KVA dan penyearah 4000 KW. Diagram panel bagian utama gardu pencatu KRL dapat dilihat pada gambar 1.

b.

Trafo dan Penyearah Tiga Fasa Trafo-trafo yang dipasang terdiri dari jenis indoor maupun outdoor, merek Meidensha (1130, 1700, 3400, 4530 KVA) beroperasi mulai tahun mulai tahun 1977&1978, merek Seimen (1700, 4500 KVA) beroperasi mulai 1996, dan merek Cegelec (3520 KVA) beroperasi mulai tahun 1994. Rating trafo yang dipakai di gardu stasion Karet dan Duri adalah 1700 KVA; Primary Voltage (PV) F2221-20-19-18 KV hubungan Y; Secondary Voltage(SV) 1200 V. Kapasitas penyearah dioda tiga fasa 1500 KW. High Speed Circuit Breaker (HSDC) digunakan sebelum terhubung ke sistem penyulang listrik aliran arus searah feeder Contact Wire. Untuk lebih jelas sistem secara keseluruhan dapat dilihat pada gambar 2 yang merupakan salah satu sistem catu daya PLAA AS di Jepang.[7]

Gambar 2. Sistem catu daya PLAA AS di Jepang

Gambar 1. Diagram panel bagian utama Gardu KRL Stasiun Karet dan Duri Jakarta [1]

Dari gambar 1 dapat diambail keterangan bahwa gardu KRL dicatu oleh sumber tegangan PLN melalui jaringan Tegangan Menengah (TM) 20 KV tiga fasa tiga kabel bawah tanah. Tahapan dari sumber masukan ABB (AC incoming) hingga keluaran AS (DC outgoing) adalah sebagai berikut : • Panel (cubicle) masukan 23 KV, 600 A, BC 25 KA. • Panel keluaran TPMCB 23 KV, 600 A, menuju ke trafo menggunak Bus Duct. • Trafo Y−∆ 1700 KVA, PV 20 KV; SV 1200 V, kabel keluaran menggunakan jenis CV 325 mm2 x 2. • Panel penyearahan 1500 KW, LA DC 1500V, Reaktor sL, Resonant Shunt/Kapasitor. • Panel penyulang negatif menuju track bawah/rel KRL. • Panel unit penyulang AS positif terdiri dari HSCB DC 1500V (0- 2000A) 50KA, LA DC 1500 V, SPDC 1500V-2000A. • Sistem katenari masuk ke line 1&2 /Western Line-Catenary-Electric-Car).

Sistem penyearahan pada gardu KRL ada yang menggunakan 6 pulsa maupun 12 pulsa. Gambar 3 adalah sistem penyearahan diode 12 pulsa tersambung trafo tiga fasa tiga belitan D-Y/Delta. Konfigurasi trafo dengan penyearah 12 pulsa terdiri dari dua penyearah enam pulsa yang tersambung paralel, untuk meningkatkan kemampuan arus keluarannya. Salah satu konverter 6 pulsa terhubung dengan trafo dengan hubungan Y- delta. Sedang konverter lainnya dengan trafo hubungan Y-Y. Perbedaan fasa antara trafo tersebut adalah sebesar 30°. Kedua penyearahan dapat juga disambungkan secara seri untuk meningkatkan tegangan keluaran. .

Gambar 3. sistem penyearahan diode 12 pulsa gabungan dari penyearah 6 pulsa di sisi sekunder trafo

TABEL 1 NILAI ARUS HARMONISA PER NILAI DASAR AKIBAT PENYEARAH 6, 12, 24 dan 48 PULSA [5]

Sistem penyearah dioda adalah penyearah yang paling sederhana. Sistem ini mudah dirancang karena tidak memerlukan rangkaian kontrol. Besar tegangan keluaran (Vdc) yang dihasilkan penyearah 6 pulsa adalah : (1) Besar tegangan keluaran yang dari penyearah 12 pulsa adalah : (2) Matlab Simulink menyediakan jembatan universal masing-masing 6 pulsa yang dapat dikombinasikan menjadi kelipatannya. Komponen pensaklaran (power electronic devices) dapat dipilih berupa dioda, thyristor, GTO, IGBT, Mosfet dan saklar ideal seperti terlihat pada gambar 4. Komponen tersebut biasanya dipasang paralel dengan rangkaian seri snubber RC. Rangkaian snubber sangat penting untuk melindungi dioda dalam sistem pensaklaran dari tegangan lebih spikes yang timbul selama proses pemulihan balik (reverse recovery).

THD (Total Harmonic Distortion) merupakan harmonisa total didefinisikan sebagai nilai efektif atau nilai root mean square (rms) sinyal harmonisa keseluruhan(IH) dibagi nilai arus dasar rms (IF). THD = IH/IF IH = √ [(I2)2 + (I3)2 + ... + (In)2 ]

(3) (4)

THD berharga normal 0-1, bernilai nol bila bentuk gelombangnya sinus murni. Persamaan untuk menghitung (THD) untuk arus dapat juga dilihat pada rumus 5: Gambar 4. Macam-macam komponen elektronika daya pada blok sistem penyearahan universal

3.

THD = √[(Is/Is1)2 -1] Di mana :

Harmonisa

Arus/tegangan harmonisa adalah gelombang tambahan yang timbul dengan frekuensi kelipatan dari frekuensi dasar akibat pengoperasian pada beban listrik non linier. Penyearah merupakan komponen non linier berpotensi menimbulkan harmonisa. Arus harmonisa terjadi pada sisi ABB, tegangan harmonisa banyak terjadi sisi AS. Secara teori arus harmonisa per harga dasar yang ditimbulkan oleh penyearah dapat dilihat pada tabel 1. Penyearah 6 pulsa menimbulkan paling banyak harmonisa, mulai dari orde 5,7,11 dst. Sedangkan penyearah 12 pulsa menimbulkan harmonisa terbesar pada orde ke-11 dengan magnitud 0,0909 kali arus dasarnya. Penyearah 48 pulsa memiliki arus harmonisa yang kecil, hanya muncul pada orde ke 47 dan ke-49 .

(5)

In = Nilai arus harmonisa ke-n Is = Arus masukan rms Is1 = Arus masukan komponen dasar 4.

Impedansi Filter Pengukuran impedasi filter antara dua titik pada rangkaian linier (RLC) filter sebagai fungsi frekuensi. Untuk mengukur impedansi diperlukan arus sumber Iz, yang menyambungkan dua titik dan tegangan pengukuran Vz dari terminal sumber arus tersebut. Untuk menghitungnya impedansi jaringan diperlakuka n sebagai fungsi alih H(s) dari arus masukan I(s) dan tegangan keluaran V(s) pada model state-space. (6) Grafik impedansi (besar dan sudut phasa) merupakan fungsi frekuensi dapat ditampilkan

dengan tool pengukuran blok Powergui menggunakan the “Impedance vs Frequency”. Hal ini diperlukan untuk mempertimbangkan kondisi awal pemutus (Circuit Breaker).

5.

Simulasi Simulink Matlab

Sebelum memulai simulasi dilakukan langkahlangkah sebagai berikut : • Hitung nilai bank kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya hingga 1 atau sekurang-kurangnya 0,95. • Pilih filter dari jenis reaktor yang dipasang seri kapasitor untuk menala frekuensi harmonisa. Konverter 6 atau 12 pulsa harmonisa dimulai pada frekuensi ke-11. • Verifikasi agar memenuhi standar yang direkomendasikan IEEE.

Simulink-Matlab menyediakan empat jenis filter tiga fasa yaitu band-pass filter meliputi penala frekuensi tunggal (single-tuned filter) penala frekuensi ganda (double-tuned filter), High-pass filter dan C-type high-pass filter. Pada simulasi dipilih filter penala frekuensi tunggal dengan kapasitas filter 1000 KVA. Gambar 5 adalah rangkaian simulasi pertama bermula blok sumber tegangan tiga fasa 20 KV, trafo tiga fasa dua lilitan1700 KVA, penyearah 6 pulsa, filter DC dan beban DC 100-1000 KW. Gambar 6 adalah rangkaian simulasi kedua menggunakan trafo tiga belitan,penyearah 12 pulsa.

Gambar 6. Rangkaian simulasi menggunakan penyearah 12 pulsa

Bank kapasitor 1000 KVA akan dipasang dekat busbar B1 dan filter tiga fasa single tone pada busbar B2 kedua terhubung ke sistem melalui circuit breaker. Penentuan parameter ”Impedansi Dalam” pada blok sumber tiga fasa dapat menggunakan tingkat hubung singkat induktif dan perbadingan X/R. Induktansi dalam L (H) dihitung dari nilai daya hubung singkat Psc (VA), tegangan dasar (Vbase)rms, frekuensi sumber f (Hz). Psc merupakan perkalian arus hubung singkat (Ihs) dengan tegangan dasar. Ihs dapat dihitung dari kapasitas pemutusan (braking capacity) alat pemutus. Persamaan untuk menentukan harga Induktor L adalah sebagai berikut : (6) Dari persamaan (6) diperoleh nilai L sebesar 0.00127 H. Perbandingan X/R pada frekuensi nominal disebut juga faktor kualitas dari impedansi dalam. Parameter ini akan disediakan apabila penentuan impedansi menggunakan level hubung singkat dipilih. Resistansi dalam R(Ω) dihitung berdasarkan nilai reaktansi sumber X(Ω) pada frekuensi tertentu, dengan rumus (7) sebagai berikut: (7)

Gambar 5. Rangkaian simulasi menggunakan penyearah 6 pulsa

Jika parameter (X/R) disetting pada angka 7 maka didapat nilai R sebesar 0.114 Ohm.

Tabel 2 adalah nilai THD hasil simulasi untuk penyearahan 6 pulsa. Sebelum pemasangan bank kapasitor dan filter nilai THD arus di busbar-1 dan busbar-2 di atas 25%. Nilai tersebut di luar rekomendasi IEEE, cukup mengganggu kestabilan sistem, sehingga harus diatasi dengan pemasangan C dan filter. Pemasangan C saja tidak cukup, THD di busbar-2 masih belum memenuhi persyaratan. Setelah dilakukan pemasangan C dan filter maka besar THD dapat memenuhi persyaratan keamanan. TABEL 2 NILAI THD HASIL SIMULASI PENGARUH PENYEARAHAN 6 PULSA Nilai THD (%) Besaran

Sebelum dipasang C & Filter

Dipasang C saja

Dipasang C & Filter

Tegangan

0,82

0,57

0,29

Arus-B1

25,22

1,41

0,40

Arus-B2

25,50

27,06

2,42

Tabel 3 adalah nilai THD hasil simulasi untuk penyearahan 12 pulsa. Sebelum pemasangan bank kapasitor dan filter nilai arus THD di busbar-1 dan busbar-2 di atas 11%. Nilai tersebut di luar rekomendasi IEEE,sehingga harus diatasi dengan pemasangan C dan filter. Pemasangan C saja tidak cukup, THD di busbar-2 masih belum memenuhi persyaratan. Setelah dilakukan pemasangan C dan filter maka besar THD dapat memenuhi persyaratan. Tabel 4 menujukkan bahwa filter saja sudah cukup untuk mengurangi harmonisa tegangan(Vabc) maupun arus di busbar-1(Iabc-B1) dan busbar 2 (Iabc-B2) yang timbul baik pada sistem 6 pulsa maupun 12 pulsa. Dengan demikian filter dapat berfungsi dengan baik. Bentuk gelombang arus pada busbar-1 sebelum dan sesudah pemasangan filter pada sistem 12 pulsa dapat dilihat gambar 7a & 7b, nilai THD berubah dari 0,48% menjadi 11,61%.

TABEL 3 NILAI THD HASIL SIMULASI PENGARUH PENYEARAHAN 12 PULSA Nilai THD (%) Besaran

Sebelum dipasang C & Filter

Dipasang C saja

Dipasang C & Filter

Tegangan

1,33

0,17

0,15

Arus-B1

11,61

0,48

0,37

Arus-B2

11,66

11,99

1,47

TABEL 4 NILAI THD HASIL SIMULASI PENGARUH PEMASANGAN FILTER SAJA Besaran

Gambar 7a. Bentuk gelombang arus dan spektrum harmonisa pada busbar-1 sistem 12 pulsa sebelum pemasangan C & filter

Nilai THD (%) Pada Sistem 6 pulsa

Pada Sistem 12 pulsa

Tegangan

0,36

0,19

Arus-B1

0,91

0,40

0,91

0,45

Arus-B2 KETERANGAN :

B1 = BUSBAR 1 ; B2= BUSBAR 2

Dari tabel 2 dan tabel 3 terlihat bahwa nilai tegangan harmonisa total di sisi ABB (Vabc) di bawah 1% (<5%) hal ini menunjukkan bentuk gelombang tegangan masih mendekati sinusoidal, akan tetapi walaupun tegangan masih stabil tidak menjamin kondisi arusnya stabil.

Gambar 7b. Bentuk gelombang arus dan spektrum harmonisa pada busbar-1 sistem 12 pulsa sesudah pemasangan C saja

Jika Bank Kapasitor dan filter dalam kondisi terbuka Perubahan impedansi terhadap frekuensi bersifat linier. Akan tetapi setelah CB ditutup, maka grafik tersebut tidaklah linier, seperti dapat dilihat pada gambar 8-10. Gambar 8 grafik impedansi pada saat filter saja dipasang, harga impedansi maksimum diperoleh pada frekuensi 170 Hz magnitude sebesar 1885 Ohm.

Dari Gambar 10 terlihat ada dua nilai puncak impedansi yaitu 1156 Ohm frekuensi 130 Hz, dan 140 pada frekuensi 790 Hz. 6.

Kesimpulan

Filter tiga fasa jenis single tone frekuensi ke11,50 Hz dapat mengatasi harmonisa arus yang timbul pada sisi ABB sistem PLLA AS, hal ini ditunjukkan dengan simulasi Simulink-Matlab terjadi penurunan THD yang cukup signifikan. Bank kapasitor (C) yang dipasang pada gardu KRL disamping dapat mengurangi penggunaan daya reaktif (menaikkan faktor daya) juga berfungsi menekan harmonisa arus yang terjadi sebelum trafo. Pemasangan C dan filter tiga fasa jenis single tone frekuensi ke-11, cukup untuk mengatasi arus harmonisa yang terjadi akibat sistem penyearahan yang dipakai pada gardu tersebut.

Ucapan Terimakasih

Gambar 8. Grafik impedansi vs frekuensi untuk filter saja

Gambar 9 menunjukkan grafik impedasi pada saat bank kapasitor saja dipasang, nilai magnitude maksimum 4x104 ohm pada frekuensi 180 Hz.

Kami mengucapkan terimakasih kepada Profesor Kuspriyanto sebagai pembina matakuliah Filsafat Ilmu Program S3, kepada Profesor Yanuarsyah Haroen sebagai pembimbing dan pembina matakuliah Sistem Transportasi Elektrik di STEI ITB. Terimakasih juga kepada dukungan teman-teman seangkatan. Tak lupa buat seluruh keluarga tercinta, anak, istri, saudara-saudara dan ibuku yang terus berdo’a dan berjuang menempuh kehidupannya.

Daftar Pustaka [1] [2]

Gambar 9 .Grafik impedansi vs frekuensi untuk C saja

[3] [4] [5] [6]

[7]

Gambar 10. Grafik impendansi vs frekuensi untuk filter yang diparalel dengan C

Haroen. Yanuarsyah, Sistem Transportasi Elektrik Bandung : Penerbit ITB, 2010. I Nengah Suweden, I Wayan Rinas, ANALISA PENANGGULANGAN THD DENGAN FILTER PASIF PADA SISTEM KELISTRIKAN DI RSUP SANGLAH, Jurnal Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana,Vol. 7 8 No.2 Juli - Desember 2009 . Pierre Giroux (Hydro-Quebec) Three-Phase Harmonic Filters MATLAB® 7.6 (1997-2007). Roger C.Dugan,et Al Electrical Power Systems Quality, Second Edition, McGraw-Hill. 2004. James H. Harlow Electric power transformer engineering CRC Press LLC,USA. 2004. I.Zamora,et al Simulation by MATLAB/Simulink of active filters for reducing THD created by industrial systems. IEEE Bologna Power Tech Conference, June23-26th-2003. Yasu Oura et al Railways Electric Power feeding system, Japan Railways Tranport Review 16 June 1998.