Pengurangan Arus Netral pada Sistem Distribusi Tiga Fasa Empat Kawat Menggunakan Transformator WYE-Deltara

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

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

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

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.

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

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

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

DAFTAR GAMBAR

No. Judul Halaman

2.1 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 Vs0(t)Terhubung Singkat (Short Circuit) ... 21

3.1 Rangkaian Eksperimen Sebelum Menggunakan Transformator Wye-Delta ... 25 3.2 Rangkaian Eksperimen Setelah Menggunakan Transformator

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

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

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

Penurunan Arus Netral ... 51 4.17 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Sebelum Penggunaan

DAFTAR TABEL

No. Judul Halaman

4.1 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

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

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

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sistem distribusi tiga fasa empat kawat digunakan secara luas untuk menyalurkan tenaga listrik, baik ke konsumen yang memerlukan suplai listrik tiga fasa maupun satu fasa. Pada beban linear yang seimbang, di mana besarnya arus pada setiap fasa dari fasa R, S, dan T adalah sama, arus tidak akan mengalir di penghantar netral [1], [2]. Tetapi hal tersebut tidak berlaku untuk sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang melayani beban nonlinear. Untuk beban-beban yang bersifat nonlinear, arus pada penghantar netral tetap mengalir walaupun sistem berada dalam kondisi yang seimbang [2].

Arus yang mengalir pada penghantar netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang berbeban nonlinear didominasi oleh arus harmonisa urutan nol orde ke-3, 9, 15, 21… yang disebut juga sebagai harmonisa triplen, serta dapat juga diikuti oleh komponen arus frekuensi fundamental (orde-1) apabila beban-beban nonlinear berada pada kondisi tidak seimbang [3]. Besarnya arus pada penghantar netral dapat lebih besar dari arus yang mengalir pada penghantar fasa. Hal ini dapat mengakibatkan masalah yang serius, diantaranya:

a. Pemanasan yang berlebihan dan terus-menerus pada penghantar netral [3].

b. Kerusakan isolasi pada transformator distribusi yang disebabkan oleh pemanasan yang berlebih akibat adanya arus harmonisa [3], [4], [5].

c. Tegangan netral ke tanah (ground) yang berlebihan. Di mana hal ini dapat menyebabkan kegagalan kerja (malfungsi) pada komponen-komponen elektronika yang sensitif [3], [4], [5].

Oleh karena itu diperlukan suatu metode yang dapat menurunkan besarnya arus harmonisa triplen pada penghantar netral. Secara umum, terdapat dua jenis konfigurasi transformator yang dapat digunakan untuk mengurangi besarnya arus harmonisa triplen yang mengalir pada penghantar netral. Yaitu transformator zero-passing dan transformator zero-blocking.

Penelitian untuk mengurangi besarnya arus pada penghantar netral dengan menggunakan transformator wye-delta sebagai transformator zero-passing telah dilakukan sebelumnya oleh Bhim Singh [4] (simulasi) dan C.M. Hadzer [5] (eksperimen). Pada eksperimen yang dilakukan oleh C.M. Hadzer diperoleh pengurangan arus pada penghantar netral hanya dengan menggunakan transformator wye-delta adalah sebesar 12%.

Pada tugas akhir ini penulis menggunakan transformator wye-delta sebagai transformator zero-passing yang dibelit secara bifilar untuk memperoleh impedansi urutan nol yang kecil. Pada penggunaannya, transformator wye-delta dihubungkan secara paralel dengan beban pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat.

1.2. Perumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh penggunaan transformator wye-delta terhadap

empat kawat untuk beban yang bersifat nonlinear dalam kondisi daya beban yang seimbang, tidak seimbang, dan bervariasi.

2. Bagaimana pengaruh penggunaan transformator wye-delta terhadap persentase THD pada penghantar fasa dan netral di saluran distribusi tiga fasa empat kawat untuk beban yang bersifat nonlinear dalam kondisi daya beban yang seimbang, tidak seimbang, dan bervariasi.

1.3. Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh penggunaan transformator wye-delta tiga fasa dengan jenis belitan bifilar dalam mengurangi nilai arus rms di penghantar netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat.

1.4. Batasan Masalah

Pembatasan masalah yang dilakukan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Pengambilan data dilakukan setelah sistem berada dalam kondisi tunak (steady-state).

2. Tegangan sumber merupakan tegangan dengan bentuk gelombang sinusoidal dan dianggap seimbang.

3. Beban yang digunakan pada eksperimen hanya berupa beban nonlinear yaitu lampu hemat energi berjenis CFL (Compact Fluorescent Lamp).

1.5. Manfaat

Manfaat yang diharapkan dari penulisan tugas akhir ini adalah dengan penggunaan transformator wye-delta tiga fasa dengan jenis belitan bifilar sebagai transformator zero-passing, dapat mengurangi nilai arus rms yang mengalir di penghantar netral.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Sistem Distribusi Tenaga Listrik

Tegangan yang dibangkitkan oleh generator di pusat pembangkit tenaga listrik dinaikkan dengan menggunakan transformator step-up di gardu induk pembangkit menjadi tegangan tinggi (TT), tegangan ekstra tinggi (TET) atau tegangan ultra tinggi (TUT) untuk disalurkan di sepanjang saluran transmisi. Sampai ke transformator step-down di gardu induk saluran transmisi, tegangan kemudian diturunkan menjadi tegangan menengah (TM), dan diturunkan kembali dengan menggunakan transformator distribusi menjadi tegangan rendah (TR) hingga siap digunakan oleh konsumen akhir. Baik konsumen yang menggunakan suplai listrik satu fasa maupun tiga fasa.

Sistem distribusi tenaga listrik merupakan salah satu bagian dari sistem penyaluran tenaga listrik yang bagiannya dimulai dari transformator step-down pada gardu induk saluran transmisi hingga ke konsumen akhir. Bagian dari transformator step-down pada gardu induk saluran transmisi hingga ke transformator distribusi disebut sebagai saluran distribusi primer sedangkan bagian dari transformator distribusi hingga ke konsumen akhir disebut sebagai saluran distribusi sekunder.

2.1.1. Sistem tiga fasa empat kawat

VPh

VPh

VPh

R

S

T N

VL

VL

VL

Gambar 2.1 Sistem Tiga Fasa Empat Kawat Pada Sisi Sekunder Transformator Distribusi

Pada Gambar 2.1, belitan pada sisi sekunder transformator distribusi saling terhubung wye yang memiliki tiga kawat fasa dan satu kawat netral. Sistem ini lazim digunakan di Indonesia sebagai saluran distribusi tegangan rendah (distribusi sekunder) dengan tegangan fasa (Vph) nominal adalah 220V dan tegangan line (VL) nominal adalah 380V.

Sistem distribusi tegangan rendah tiga fasa empat kawat dapat menyuplai beban 3 fasa maupun 1 fasa. Suplai 1 fasa diperoleh dengan mengambil hanya salah satu penghantar fasa (R, S, atau T) dan penghantar netral (N) sebagai jalur baliknya.

2.2. Komponen-Komponen Simetris

Pada tahun 1918, C.L. Fortescue membuktikan bahwa suatu sistem fasa banyak (dalam hal ini 3 fasa) yang tidak seimbang, dapat diuraikan menjadi tiga buah sistem dengan fasor seimbang yang dinamakan sebagai komponen-komponen simetris (symmetrical components) dari fasor aslinya. Ketiga komponen simbang pada komponen simetris adalah [6]:

1. Komponen urutan positif. Pada sistem tiga fasa, komponen urutan positif terdiri dari tiga buah fasor yang sama besarnya, terpisah antara satu dengan yang lain sebesar 120°, dan mempunyai urutan fasor yang sama dengan fasor aslinya. Diagram fasor komponen urutan positif seperti yang terlihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Diagram Fasor Komponen Urutan Positif

2. Komponen urutan negatif. Pada sistem tiga fasa, komponen urutan negatif terdiri dari tiga buah fasor yang sama besarnya, terpisah antara satu dengan yang lain sebesar 120°, dan mempunyai urutan fasor yang berlawanan dengan fasor aslinya. Diagram fasor komponen urutan negatif seperti yang terlihat pada Gambar 2.3.

3. Komponen urutan nol. Pada sistem tiga fasa, komponen urutan nol terdiri dari tiga buah fasor yang sama besarnya dan dengan pergeseran fasa 0° antara fasor yang satu dengan yang lain. Diagram fasor komponen urutan nol seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Diagram Fasor Komponen Urutan Nol

Sehingga besar tegangan sebenarnya dari setiap fasa adalah penjumlahan dari masing-masing komponen simeteris:

Va = Va1 + Va2 + Va0 (2.1)

Vb = Vb1 + Vb2 + Vb0 = a2 Va1 + aVa2 + Va0 (2.2)

Vc = Vc1 + Vc2 + Vc0 = a Va1 + a2 Va2 + Va0 (2.3)

Di mana a = 1∠120° digunakan untuk menunjukkan operator yang menyebabkan perputaran sebesar 120° dalam arah yang berlawanan dengan arah jarum jam.

Persamaan (2.1), (2.2), dan (2.3) juga dapat dituliskan sebagai persamaan arus seperti berikut:

Ia = Ia1 + Ia2 + Ia0 (2.4) Ib = Ib1 + Ib2 + Ib0 = a2 Ia1 + aIa2 + Ia0 (2.5)

Ic = Ic1 + Ic2 + Ic0 = a Ia1 + a2 Ia2 + Ia0 (2.6)

Dalam sistem tiga fasa, jumlah arus saluran sama dengan arus In dalam jalur kembali lewat netral. Sehingga,

Tampak pada Persamaan (2.7) bahwa apabila sistem berada dalam kondisi yang seimbang di mana besarnya Ia = Ib = Ic, dan saling terpisah sebesar 120° (3 fasa) maka tidak akan ada arus yang mengalir pada penghantar netral (In = 0).

2.3. Harmonisa

Keberadaan harmonisa yang disebabkan oleh pemakaian beban-beban nonlinear menjadi salah satu masalah yang dapat memperburuk kualitas sistem daya pada suatu jaringan distribusi. Harmonisa dapat diartikan sebagai tegangan ataupun arus sinusoidal yang memiliki frekuensi berupa kelipatan integer dari frekuensi di mana sistem dirancang untuk beroperasi [7]. Di Indonesia sistem pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik dilakukan pada frekuensi 50 Hz (frekuensi fundamental). Sehingga frekuensi harmonisa untuk frekuensi fundamental 50 Hz adalah 100 Hz (Kelipatan 2), 150 Hz (Kelipatan 3), 200 Hz (Kelipatan 4), 250 Hz (Kelipatan 5), 300 Hz (Kelipatan 6), 350 Hz (Kelipatan 7), dst. Penggabungan antara gelombang yang memiliki frekuensi fundamental dengan gelombang harmonisanya akan menghasilkan suatu gelombang baru dengan bentuk yang terdistorsi. Hal ini seperti yang terlihat pada Gambar 2.5.

Berdasarkan ordenya, harmonisa dapat dibedakan menjadi harmonisa orde ganjil dan harmonisa orde genap. Harmonisa orde ganjil adalah harmonisa yang mempunyai frekuensi berupa kelipatan bilangan ganjil dari frekuensi fundamental, yaitu orde ke-1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, dst. Sedangkan harmonisa orde genap adalah harmonisa yang mempunyai frekuensi berupa kelipatan bilangan genap dari frekuensi fundamental, yaitu orde ke-2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, dst.

y y y y t t t t Frekuensi Fundamental Harmonisa orde 3 Fundamental + Har. orde 3 dan 5

Fundamental + Har. orde 3

Harmonisa orde 5

Fundamental + Har. Orde 3,5, dan 7

Gambar 2.5 Bentuk Gelombang Frekuensi Fundamental dan Gelombang yang Terdistorsi karena Pengaruh Harmonisa

Untuk suatu sistem tiga fasa seimbang yang melayani beban nonlinear, harmonisa dapat dibagi menjadi tiga bagian sesuai dengan urutan fasanya, yaitu:

1. Harmonisa urutan positif. Yaitu harmonisa dengan orde ke-1, 4, 7, dst. 2. Harmonisa urutan negatif. Yaitu harmonisa dengan orde ke-2, 5, 8, dst. 3. Harmonisa urutan nol. Yaitu harmonisa dengan orde ke-3, 6, 9, dst. Arus harmonisa yang mengalir di penghantar netral merupakan arus harmonisa triplen yaitu arus harmonisa dengan orde berupa perkalian bilangan ganjil dengan harmonisa ketiga [3], [5], [8]. Contoh:

(1) x 3 = orde ke-3 (3) x 3 = orde ke-9 (5) x 3 = orde ke-15 dst.

Untuk beban nonlinear satu fasa yang diaplikasikan pada sistem tiga fasa yang seimbang, arus pada setiap fasa mengandung komponen arus fundamental dan arus harmonisa. Komponen arus fundamental akan saling meniadakan

sehingga bernilai nol pada penghantar netral, sedangkan arus harmonisa triplen akan saling menjumlahkan satu sama lain, sehingga besarnya dapat menjadi 3 kali dari arus harmonisa triplen yang terdapat di penghantar fasa [3], [8], seperti yang terlihat pada Gambar 2.6. Hal ini tentunya harus diwaspadai mengingat akumulasi dari arus harmonisa triplen pada penghantar netral dapat menyebabkan terjadinya arus berlebih dan terbakarnya penghantar netral [3].

Netral

Arus Harmonisa Triplen

Arus Fundamental

Gambar 2.6 Arus Harmonisa Triplen yang Saling Menjumlahkan Pada Penghantar Netral, Arus Fundamental Saling Meniadakan

2.4. Arus Netral

Pada sistem distribusi 3 fasa 4 kawat yang melayani beban linear satu fasa yang seimbang, arus pada penghantar netral adalah nol. Sedangkan untuk kondisi yang tidak seimbang, akan terdapat arus yang mengalir pada penghantar netral, di mana arus ini adalah arus fundamental dan tidak mengandung harmonisa (untuk beban linear murni).

Hal tersebut tidak berlaku untuk sistem distribusi 3 fasa 4 kawat yang melayani beban-beban nonlinear satu fasa. Walaupun berada dalam kondisi yang seimbang, arus pada penghantar netral tetap ada. Di mana arus ini didominasi oleh arus harmonisa triplen, seperti yang telah disebutkan pada Sub-bab 2.3.

Pada suatu kondisi di mana sistem distribusi 3 fasa 4 kawat melayani beban nonlinear satu fasa yang tidak seimbang, arus yang mengalir pada penghantar netral terdiri dari arus fundamental dan arus harmonisa urutan nol [3].

2.5. Penurunan Rumus Harmonisa Pada Arus Penghantar Netral Dari Arus Fasa

2.5.1. Sistem simetris dan seimbang

Pada sistem distribusi 3 fasa 4 kawat yang simetris dan seimbang, arus harmonisa pada penghantar netral dapat diturunkan menggunakan transformasi Fourier. Arus pada penghantar netral merupakan penjumlahan dari arus pada setiap fasa. Karena distorsi bentuk gelombang tegangan ataupun arus harmonisa hanya disebabkan oleh harmonisa orde ganjil, maka penurunan dapat disederhanakan dengan hanya menganggap bahwa arus pada penghantar fasa hanya mengandung harmonisa orde ganjil (1, 3, 5, 7, ...). Adapun penurunannya adalah sebagai berikut [9]:

�_�(�) =�₁���(ω�+�1 ) +�3���(3ω�+�3) +�5���(5ω�+�5) + … (2.8)

�_�(�) =�₁���(ω� −2�

3 +�1) +�3��� �3�ω� − 2�

3�+�3�+

�5��� �5�ω� − 2�

�_�(�) =�₁���(ω� −4�

3 +�1) +�3��� �3�ω� − 4�

3�+�3�+

�5��� �5�ω� − 4�

3�+�5�+ … (2.10)

Dengan menjumlahkan arus pada ketiga fasa, maka dapat diperoleh persamaan untuk arus netral sebagai berikut:

��(�) =��(�) +��(�) +��(�) = 0 + 3 (�3���(3ω�+�3)) + 0 + … (2.11)

Dari persamaan arus netral di atas dapat dilihat bahwa pada penghantar netral hanya mengalir arus harmonisa orde ke-3.

2.5.2. Sistem tidak simetris dan tidak seimbang

Pada sistem distribusi 3 fasa 4 kawat yang tidak simetris dan tidak seimbang, arus harmonisa pada penghantar netral dapat diturunkan dengan menggunakan transformasi Fortescue. Adapun persamaannya adalah sebagai berikut [9]: � �̅�,� �̅�,� �̅�,� �= �

1 1 1

1 �2 �

1 � �2

� � �̅0,�

�̅1,�

�̅2,�

� (2.12)

� �̅0,�

�̅1,�

�̅2,�

�= 1

3�

1 1 1

1 � �2

1 �2 �

� � �̅�,�

�̅�,�

�̅�,�

� (2.13)

di mana: � = exp (j120) = exp (120∠90°)

Karena penjumlahan dari komponen urutan positif dan komponen urutan negatif adalah nol (1 +�+�2 = 0). Maka hanya komponen urutan nol saja yang terdapat pada penghantar netral. Hal ini dituliskan dengan :

�̅�,� = (1 +�+�2)�̅1,� + (1 +�+�2)�̅2,�+ 3�̅0,� = 3�̅0,� (2.14)

�̅�,� = 3�̅0,� = 3∗ 1

3��̅�,�+�̅�,� +�̅�,��= �̅�,� +�̅�,�+�̅�,� (2.15)

Dengan memisalkan bahwa:

�̅_�,� =�_�,�����,� , �̅�,� = ��,�����,� , �̅�,� =��,�����,�

Maka �̅_�,� diberikan oleh :

�̅_�,� =��_�,�cos��,�+��,�cos��,�+��,�cos��,��

+ �(�_�,�sin��,� +��,�sin��,�+��,�sin��,�) (2.16)

Dengan menggunakan persamaan di atas, amplitudo �_�,� dan sudut fasa ��,� dari harmonisa ke-i pada penghantar netral dapat dihitung. Amplitudo ��,�

dapat diperoleh dengan persamaan:

��,� = ����,�cos��,�+��,�cos��,�+��,�cos��,�� 2

+��_�,�sin��,�+��,�sin��,�+��,�sin��,�� 2

(2.17) Sedangkan sudut fasa �_�,� untuk harmonisa ke-i dapat diperoleh dengan persamaan:

��,� =����� �

��(�̅_�,�)

��(�̅_�,�)� (2.18)

Jika amplitudo dan sudut fasa harmonisa di penghantar fasa diketahui, unsur harmonisa pada arus di penghantar netral dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.17) dan (2.18).

2.6. Transformator Wye-Delta

Transformator wye-delta yang digunakan pada tugas akhir ini dirancang sebagai transformator zero-passing yang berfungsi untuk melewatkan arus harmonisa urutan nol dan menahan arus harmonisa urutan positif dan negatif. Hal ini dapat terjadi karena transformator wye-delta memiliki impedansi urutan nol

yang rendah serta impedansi urutan positif serta negatif yang tinggi. Impedansi urutan nol pada rangkaian ekivalen transformator direpresentasikan sebagai fluks bocor/reaktansi seri pada sisi primer dan sekunder sedangkan impedansi urutan positif dan negatif direpresentasikan sebagai reaktansi magnetisasi. Agar memiliki impedansi urutan nol yang kecil, transformator wye-delta dibentuk dengan menggunakan satu unit transformator tiga fasa dengan jenis belitan bifilar. Belitan-belitan transformator adalah identik dengan perbandingan 1:1 pada sisi primer dan sekunder.

Rangkaian transformator wye-delta dan penggunaannya pada jaringan diperlihatkan pada Gambar 2.7 dan Gambar 2.8.

φ c1

φ a1 φ b1

φ a2 φ b2 φ c2

izp

izpa izpb izpc

izpa izpb izpc

Gambar 2.7 Rangkaian Transformator Wye-Delta yang Dibentuk Dari Satu Unit Transformator 3 Fasa

BEBAN SUMBER izpc izpa izpb iLa iLb iLc iLn iSn iSa iSb iSc TRANSFORMATOR WYE-DELTA izp

Gambar 2.8 Penggunaan Transformator Wye-Delta Sebagai Zero-Passing Pada Jaringan

Belitan wye transformator dihubungkan ke jala-jala sistem dan titik bintangnya dihubungkan ke titik netral beban, sedangkan belitan delta dibiarkan dalam keadaan tanpa beban.

Mekanisme pelaluan arus urutan nol pada transformator zero-passing wye-delta dapat dijelaskan sebagai berikut. Arus netral beban yang mengalir ke zero-passing adalah iZP akan terbagi menjadi tiga bagian yang sama besar dan sefasa serta mengalir ke masing-masing kumparan wye transformator, yaitu:

izpa = izpb = izpc =

iZP

3 (2.19)

di mana:

Izpa, izpb, izpc adalah arus netral yang mengalir pada masing-masing kumparan wye.

Karena arus netral izp adalah arus urutan nol maka pada masing-masing belitan transformator akan dihasilkan fluksi magnetik urutan nol yang sama besar dan sefasa, yaitu:

φa1 = φb1 = φc1= φ01 (2.20) di mana:

φa1, φb1, φc1 adalah fluksi urutan nol pada masing-masing belitan wye transformator (belitan primer)

Fluksi-fluksi urutan nol pada belitan primer transformator diinduksikan ke belitan sekunder yang terhubung delta dan menghasilkan arus urutan nol yang bersirkulasi di dalam kumparan delta. Arus urutan nol pada belitan delta akan menghasilkan fluksi urutan nol yang sama besar dan berlawanan fasa dengan fluksi urutan nol belitan wye, yaitu:

φa2 = φb2 = φc2= φ02= -φ01 (2.21) di mana :

φa2,φb2,φc2 adalah fluksi urutan nol pada masing-masing belitan delta transformator (belitan sekunder)

Jadi, total fluksi urutan nol pada transformator wye-delta akan sama dengan nol, yaitu:

φ0 = φ01 + φ02 = φ01 + (-φ01) = 0 (2.22) Pembangkitan fluksi urutan nol oleh arus-arus yang mengalir pada masing-masing kumparan transformator wye-delta diperlihatkan pada Gambar 2.9.

Gambar 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

Rating daya (VA) transformator zero-passing wye-delta dapat ditentukan dari jumlah hasil perkalian antara nilai efektif tegangan dan arus pada masing-masing belitan.

Tegangan pada masing-masing kumparan wye adalah: Van1 = Vbn1 = Vcn1 = Vn1 =

VL

√3 (2.23)

Tegangan pada masing-masing kumparan delta untuk transformator dengan perbandingan belitan 1:1 adalah sama dengan tegangan pada masing-masing kumparan wye, yaitu:

Van2 = Vbn2 = Vcn2 = Vn2 =

VL

Dengan asumsi bahwa arus netral yang mengalir dari beban (sumber harmonisa) mengalir seluruhnya menuju transformator wye-delta (izp=iLn), maka arus maksimum yang dapat mengalir pada masing-masing belitan wye adalah: izpa = izpb = izpc =

ILn

3 (2.25)

Dan arus maksimum yang dapat bersirkulasi pada belitan delta transformator adalah:

ian2 = ibn2= icn2 = in2 =

I_Ln

3 (2.26)

Dengan demikian, rating daya (VA) transformator zero-passing wye-delta dapat ditentukan sebagai berikut:

S = 3�VLILn

3√3 � (2.27)

= �VLILn

√3 � [VA]

2.7. Belitan Bifilar

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa pada tugas akhir ini penulis menggunakan transformator tiga fasa dengan jenis belitan bifilar sebagai transformator zero-passing. Belitan bifilar adalah sepasang kawat berisolasi yang saling berdekatan satu sama lain dan dililit pada suatu inti yang sama. Satu kawat sebagai lilitan primer sedangkan kawat yang lain sebagai lilitan sekunder. Menurut McLyman, Col. Wm. T (2004) belitan bifilar dapat mengurangi induktansi bocor dengan cukup efektif [10], itulah sebabnya penulis memilih jenis belitan bifilar pada transformator ini, mengingat keefektifan suatu transformator zero-passing bergantung kepada induktansi bocornya. Adapun belitan bifilar yang dililit pada suatu inti ditunjukkan pada Gambar 2.10.

Lilitan Primer Lilitan Sekunder

Gambar 2.10 Belitan Bifilar

2.8. Rangkaian Ekivalen Urutan Nol

Karena arus yang mengalir pada transformator wye-delta adalah arus urutan nol, maka penggunaan transformator wye-delta pada suatu sistem dapat dianalisis dengan menggunakan rangkaian ekivalen urutan nol per fasa seperti pada Gambar 2.11 berikut.

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Pada Sistem yang Menggunakan Transformator Wye-Delta

Keterangan:

VS0 : Sumber tegangan urutan nol

iSn : Arus urutan nol menuju sumber

Zs : Impedansi antara sumber tegangan dengan transformator

wye-delta

ZLn : Impedansi antara beban dengan transformator wye-delta

Zzp : Impedansi transformator wye-delta

ZSn : Impedansi antara transformator wye-delta dengan sumber

Pada Gambar 2.11 dapat dilihat bahwa terdapat dua sumber urutan nol, yaitu tegangan urutan nol VS0 dan arus urutan nol iL0. Karena pada tugas akhir ini

penulis hanya menggunakan sumber arus urutan nol yang berasal dari beban, maka sumber urutan nol yang berasal dari sumber tegangan tidak dibahas lebih lanjut.

Untuk menganalisis besar arus urutan nol yang disebabkan oleh iL0, maka

Vs0 dapat dianggap terhubung singkat (short circuit). Hal ini ditunjukkan seperti

pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol dengan Vs0(t)Terhubung Singkat

(Short Circuit)

Pada Gambar 2.12, iSn adalah arus urutan nol yang disebabkan oleh iL0.

�

_��

=

���

��+�_��+�_��

�

�0 (2.28)

Terlihat pada Persamaan (2.28) bahwa semakin rendah nilai Zzp atau semakin tinggi nilai ZSn maka nilai arus urutan nol yang menuju sumber (���)

akan semakin rendah dan kinerja transformator wye-delta semakin handal sebagai pelalu arus urutan nol. Nilai Zzp yang rendah dapat diperoleh bila transformator

wye-delta yang digunakan sebagai transformator zero-passing memiliki fluks bocor yang kecil. Sedangkan nilai ZSn yang besar dapat diperoleh dengan cara

memasang transformator wye-delta sedekat mungkin dengan beban yang menjadi sumber arus harmonisa.

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Transmisi dan Distribusi, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Penelitian dilaksanakan selama dua bulan.

3.2. Penentuan Daya Transformator Wye-Delta yang Digunakan

Dalam penelitian ini digunakan satu unit transformator 3 fasa dengan jenis belitan bifilar. Untuk menentukan kapasitas dari transformator wye-delta yang digunakan, terlebih dahulu dilakukan pengukuran terhadap besarnya arus netral yang mengalir pada penghantar netral dengan menggunakan beban nonlinear yang tersedia di Laboratorium Transmisi dan Distribusi. Melalui pengukuran ini, didapatkan arus yang mengalir pada penghantar netral adalah sebesar 2A.

Melalui hasil pengukuran tersebut, kapasitas transformator wye-delta dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.27) sebagai berikut:

S = 3�VLILn 3√3 � = �VLILn

√3 � = �(380)(2)

√3 � = 438,8 VA

Walaupun dari hasil perhitungan diperoleh kapasitas transformator yang dibutuhkan untuk arus netral sebesar 2A adalah 438,8 VA, penulis memutuskan untuk membuat transformator dengan kapasitas daya yang lebih besar yaitu 1000VA dengan maksud agar nantinya transformator dapat digunakan untuk penelitian lainnya dengan daya beban yang lebih besar.

Sehingga spesifikasi transformator 3 fasa yang digunakan sebagai transformator zero-passing wye-delta adalah:

• Tegangan setiap kumparan: 220V

• Kapasitas: 1000VA

• Perbandingan belitan: 1:1

• Jenis belitan kumparan: bifilar

3.3. Bahan dan Peralatan yang Digunakan

Bahan dan peralatan yang digunakan pada eksperimen adalah: 1. Satu unit transformator 3 fasa 1000VA, 220/220V

2. Sembilan buah lampu hemat energi 18W/220V 3. Dua puluh satu buah lampu hemat energi 23W/220V

4. Satu unit alat ukur Three Phase Power Quality Analyzer merk FLUKE model 435.

5. Satu set peralatan untuk instalasi rangkaian eksperimen antara lain adalah: MCB 3P 16A, MCB 1P 6A, magnetic contactor 9A, kabel kontrol, push-button switch, terminal block, dan saklar.

3.4. Rangkaian Eksperimen

MCB

16A 3P MC

MC

MC ON

OFF MCB

6A 1P N

R S T

FLUKE P.Q. ANALYZER

435

Gambar 3.1 Rangkaian Eksperimen Sebelum Menggunakan Transformator Wye-Delta

Gambar 3.1 menunjukkan rangkaian eksperimen sebelum menggunakan transformator wye-delta. Tegangan yang disuplai ke rangkaian eksperimen adalah 380/220V yang berasal dari sumber PLN dari panel distribusi yang terdapat di Laboratorium Transmisi dan Distribusi. Pada setiap fasa terdapat beban berupa lampu hemat energi dengan susunan sebagai berikut:

Fasa R: 7 x 23W + 3 x 18W = 215W Fasa S: 7 x 23W + 3 x 18W = 215W Fasa T: 7 x 23W + 3 x 18W = 215W

Dari susunan di atas, dapat diperoleh daya total keseluruhan beban adalah sebesar 645W.

Untuk beban yang tidak seimbang, lampu hemat energi pada setiap fasa diatur sedemikian rupa agar daya pada setiap fasa berbeda-beda tetapi dengan

daya total yang sama dengan daya total pada eksperimen beban seimbang. Adapun susunan beban untuk kondisi beban yang tidak seimbang adalah sebagai berikut:

Fasa R: 5 x 23W + 2 x 18W = 151W Fasa S: 7 x 23W + 3 x 18W = 215W Fasa T: 9 x 23W + 4 x 18W = 279W

Pada susunan di atas, walaupun daya pada setiap fasa berbeda, tetapi daya total ketiga fasa tetap sebesar 645W (151W + 215W + 279W).

Untuk eksperimen dengan daya beban yang bervariasi, beban diatur sedemikian rupa sehingga mendekati 25%, 50%, 75%, dan 100% dari daya total yang dipakai pada kondisi eksperimen sebelumnya. Tetapi dengan daya per fasa yang seimbang. Adapun susunannya adalah sebagai berikut:

a. Beban 25% Fasa R: 3 x 18W Fasa S: 3 x 18W Fasa T: 3 x 18W Daya Total: 162W b. Beban 50%

Fasa R: 2 x 18W + 3 x 23W = 105W Fasa S: 2 x 18W + 3 x 23W = 105W Fasa T: 2 x 18W + 3 x 23W = 105W Daya Total: 315W

c. Beban 75%

Fasa S: 7 x 23W = 161W Fasa T: 7 x 23W = 161W Daya Total: 483W d. Beban 100%

Fasa R: 3 x 18W + 7 x 23W =215W Fasa S: 3 x 18W + 7 x 23W = 215W Fasa T: 3 x 18W + 7 x 23W = 215W Daya Total: 645W

Gambar 3.2 menunjukkan rangkaian eksperimen pengurangan arus harmonisa urutan nol dengan menggunakan transformator wye-delta. Di mana pengukuran dengan menggunakan Power Quality Analyzer dilakukan di sisi sumber.

MCB

16A 3P MC

MC MC ON OFF MCB 6A 1P N TRAFO WYE-DELTA R S T FLUKE P.Q. ANALYZER 435

Gambar 3.2 Rangkaian Eksperimen Setelah Menggunakan Transformator Wye-Delta (Pengukuran di Sisi Sumber)

Gambar 3.3 menunjukkan rangkaian eksperimen setelah menggunakan transformator wye-delta dengan pengukuran yang dilakukan pada trafo wye-delta.

MCB

16A 3P MC

MC

MC ON

OFF MCB

6A 1P N

TRAFO WYE-DELTA

R S T

FLUKE P.Q. ANALYZER

435

Gambar 3.3 Rangkaian Eksperimen Setelah Menggunakan Transformator Wye-Delta (Pengukuran Pada Trafo Wye-Wye-Delta)

3.5. Teknik Pengukuran

Pengukuran dilakukan pada tegangan sumber daya yang berbentuk sinusoidal seimbang dengan kondisi:

1. Beban seimbang, tanpa menggunakan transformator wye-delta. 2. Beban tidak seimbang, tanpa menggunakan transformator wye-delta. 3. Beban seimbang, dengan menggunakan transformator wye-delta. 4. Beban tidak seimbang, dengan menggunakan transformator wye-delta. 5. Daya beban bervariasi, tanpa menggunakan transformator wye-delta. 6. Daya beban bervariasi, dengan menggunakan transformator wye-delta.

Untuk melakukan pengukuran terhadap parameter-parameter yang diperlukan, digunakan Power Quality Analyzer Fluke model 435. Diagram penyambungan untuk melaksanakan pengkuran oleh PQ meter tersebut seperti yang terlihat pada rangkaian eksperimen Gambar 3.1, Gambar 3.2, dan Gambar 3.3.

Pengukuran dilakukan di sisi sumber dan pada transformator wye-delta. Sehingga dapat diketahui berapa besar arus netral yang mengalir menuju transformator wye-delta maupun arus netral yang mengalir menuju sumber tegangan.

Pada setiap kondisi akan dilakukan pengukuran terhadap parameter-parameter berikut yang nantinya akan ditampilkan di bagian hasil penelitian dan pembahasan. Adapun parameter tersebut adalah:

1. Tegangan dan arus: Untuk mengetahui nilai rms tegangan dan arus pada setiap fasa dan netral.

2. Faktor daya dan cos φ: Untuk mengetahui nilai faktor daya (power factor) dan cos φ (displacement power factor).

3. Scope: Untuk mengetahui bentuk gelombang arus pada setiap fasa dan netral.

4. Harmonisa: Untuk mengetahui spektrum arus harmonisa pada satiap fasa dan netral.

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Eksperimen Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta 4.1.1. Kondisi beban seimbang

Data-data hasil pengukuran yang dilakukan terhadap besaran-besaran listrik sebelum penggunaan transformator wye-delta pada kondisi beban yang seimbang ditampilkan pada Tabel 4.1. Karena eksperimen dilakukan pada kondisi beban yang seimbang dan dengan arus pada penghantar fasa yang relatif sama, maka penulis hanya mengambil bentuk gelombang dan spektrum harmonisa fasa S sebagai sampel. Bentuk gelombang arus dan spektrum harmonisa dari penghantar fasa S dan netral diperlihatkan pada Gambar 4.1(a),(b) dan Gambar 4.2(a),(b).

Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Besaran Fasa R Fasa S Fasa T Netral

Frekuensi (Hz) 50,118

Tegangan rms (V) 214,36 211,77 212,12 0,59

Arus rms (A) 1,154 1,170 1,173 1,932

THD arus (%) 75,8 74,4 74,4 2194,2

Cos φ (DPF) 0,96 0,94 0,95 -

Power Factor 0,74 0,72 0,73 -

Dari Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa terdapat sedikit ketidakseimbangan pada tegangan masing-masing fasa ke netral dan juga penurunan tegangan nominal yang seharusnya bernilai 220V. Hal ini terjadi karena sumber tegangan tiga fasa yang digunakan pada saat eksperimen diambil langsung dari sumber PLN

di mana keseimbangan dan besar tegangan pada masing-masing fasa sangat bergantung kepada banyak atau sedikitnya beban (pengguna layanan PLN) di setiap fasa pada suatu waktu tertentu. Meskipun demikian, ketidakseimbangan tegangan pada masing-masing fasa sangatlah kecil sehingga dapat diasumsikan bahwa sumber tiga fasa yang digunakan adalah sumber tiga fasa yang seimbang. Arus pada masing-masing fasa relatif seimbang karena beban yang digunakan pada masing-masing fasa juga seimbang. Akan tetapi arus yang mengalir pada penghantar netral cukup besar nilainya yaitu sekitar 166% dari rata-rata arus yang mengalir pada penghantar fasa. Hal ini dapat terjadi karena keseluruhan beban yang digunakan pada eksperimen adalah lampu hemat energi yang merupakan beban nonlinear.

Nilai THD arus yang terdapat pada masing-masing fasa cukup tinggi yaitu paling besar bernilai 75,8% yang terdapat pada fasa R. Nilai THD arus pada penghantar netral bahkan lebih tinggi lagi yaitu 2194,2%. Pada Gambar 4.1(b) dapat terlihat bahwa arus yang mengalir pada penghantar fasa S terdiri dari komponen arus harmonisa urutan positif (orde ke-7, 13, 19, dan seterusnya), urutan negatif (orde ke-5, 11, 17, dan seterusnya), dan urutan nol (orde ke-3, 9, 15, dan seterusnya). Sedangkan pada Gambar 4.2(b) terlihat bahwa arus yang mengalir pada penghantar netral hanya didominasi oleh komponen arus harmonisa triplen sedangkan komponen arus harmonisa urutan positif dan negatif sangat kecil nilainya dan dapat diabaikan. Hal ini terjadi karena pada penghantar netral, komponen arus harmonisa urutan positif dan negatif pada setiap fasa saling meniadakan (karena berselisih sudut 120°) dan komponen arus harmonisa triplen pada setiap fasa saling menjumlahkan (karena tidak ada perbedaan sudut pada

setiap fasa). Walaupun arus yang mengalir pada penghantar netral hanya terdiri dari komponen arus harmonisa urutan nol saja tetapi dominasi dari komponen arus harmonisa urutan nol terhadap arus fundamental jauh lebih besar dibandingkan dengan dominasi dari komponen arus harmonisa urutan positif, negatif, dan nol yang terdapat pada penghantar fasa. Itulah sebabnya nilai THD arus yang terdapat pada penghantar netral jauh lebih besar dibandingkan dengan THD arus yang terdapat pada penghantar fasa.

Faktor daya sistem rata-rata bernilai 0,73 dan dengan pergeseran fasa (displacement power factor) atau Cos φ rata-rata bernilai 0,95. Faktor daya merupakan perbandingan antara daya aktif (W) dengan daya total (VA) termasuk kontribusi dari semua komponen harmonisa. Sedangkan Cos φ adalah perbandingan antara daya aktif dengan daya total tanpa memperhitungkan kontribusi dari komponen harmonisa (hanya komponen fundamental saja).

Gambar 4.1(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.1(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.2(a) Bentuk Gelombang Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.2(b) Spektrum Harmonisa Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

4.1.2. Kondisi beban tidak seimbang

Data-data hasil pengukuran yang dilakukan terhadap besaran-besaran listrik sebelum penggunaan transformator wye-delta pada kondisi beban yang tidak seimbang ditampilkan pada Tabel 4.2. Sedangkan bentuk gelombang arus dan spektrum harmonisa dari masing-masing penghantar fasa dan netral diperlihatkan pada Gambar 4.3(a) sampai Gambar 4.6(b).

Tabel 4.2 Hasil Pengukuran Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Besaran Fasa R Fasa S Fasa T Netral

Frekuensi (Hz) 50,158

Tegangan rms (V) 220,48 214,37 213,77 0,63

Arus rms (A) 0,829 1,208 1,547 2,047

THD arus (%) 80,8 76,4 74,1 432,0

Cos φ (DPF) 0,97 0,93 0,95 -

Power Factor 0,73 0,71 0,73 -

Dari Tabel 4.2 dapat dilihat bahwa untuk eksperimen dengan beban yang tidak seimbang, arus pada masing-masing fasa bervariasi, pada fasa dengan beban yang terbesar arus yang mengalir adalah sebesar 1,547A sedangkan pada fasa dengan beban yang terkecil arus yang mengalir adalah 0,829A. Sebaliknya untuk pengukuran tegangan masing-masing fasa ke netral, fasa dengan beban yang terbesar memiliki tegangan yang terkecil yaitu 213,77V sedangkan fasa dengan beban yang terkecil memiliki tegangan yang terbesar yaitu 220,48V.

THD arus yang mengalir pada penghantar fasa bervariasi mulai dari yang terkecil yaitu 74,1% terdapat pada fasa T hingga yang terbesar yaitu 80,8% terdapat pada fasa R. Dapat dilihat pada Gambar 4.3(b), 4.4(b), dan 4.5(b) bahwa pada penghantar setiap fasa, arus yang mengalir juga terdiri dari komponen arus

urutan positif, negatif, dan nol sama halnya seperti dalam kondisi beban yang seimbang. Untuk THD arus pada penghantar netral, terjadi penurunan yang cukup signifikan dibandingkan dengan eksperimen sebelum penggunaan transformator wye-delta pada kondisi beban seimbang yaitu bernilai 432%. Hal ini menunjukkan bahwa penurunan THD pada penghantar netral tidak selalu diikuti oleh penurunan arus rms. Penurunan THD arus pada penghantar netral pada eksperimen sebelum penggunaan transformator wye-delta dengan beban tidak seimbang dapat terjadi karena pada penghantar netral juga terdapat komponen arus fundamental (orde-1) yang cukup besar, seperti yang terlihat pada Gambar 4.6(b). Untuk faktor daya dan cos φ tidak tampak adanya perbedaan yang signifikan antara eksperimen sebelum penggunaan transformator wye-delta dengan beban yang seimbang maupun tidak seimbang.

Gambar 4.3(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa R Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.3(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa R Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.4(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.4(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.5(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa T Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.5(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa T Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.6(a) Bentuk Gelombang Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.6(b) Spektrum Harmonisa Arus Netral Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

4.2. Eksperimen Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta 4.2.1. Kondisi beban seimbang

Data-data hasil pengukuran yang dilakukan terhadap besaran-besaran listrik setelah penggunaan transformator wye-delta pada kondisi beban yang seimbang ditampilkan pada Tabel 4.3. Sedangkan bentuk gelombang arus dan spektrum harmonisa dari penghantar fasa S dan netral diperlihatkan pada Gambar 4.7(a),(b) dan Gambar 4.8(a),(b). Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa arus netral pada sisi transformator wye-delta juga diperlihatkan pada Gambar 4.9(a),(b).

Tabel 4.3 Hasil Pengukuran Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Besaran Fasa R Fasa S Fasa T Netral

Frekuensi (Hz) 50,255

Tegangan rms (V) 220,09 217,63 217,79 0,36

Arus rms (A) 1,082 1,074 1,099 1,152

THD arus (%) 57,9 59,9 56,3 2117,4

Cos φ (DPF) 0,98 0,96 0,97 -

Dari Tabel 4.3 dapat terlihat bahwa terjadi penurunan arus pada penghantar fasa dan penghantar netral. Arus pada penghantar fasa yang semula (sebelum penggunaan transformator wye-delta) masing-masing bernilai 1,154A, 1,170A, dan 1,173A turun menjadi 1,082A, 1,074A, dan 1,099A. Penurunan ini rata-rata sebesar 9.26%. Penggunaan transformator wye-delta juga menyebabkan arus pada penghantar netral juga berkurang yaitu dari sebelumnya 1,932A menjadi 1,152A. Ini berarti telah terjadi pengurangan arus pada penghantar netral sebesar 40,4%. Walaupun arus pada penghantar netral masih sedikit lebih besar dari rata-rata arus pada penghantar fasa yaitu dengan persentase sebesar 106% tetapi hal ini telah jauh berkurang dibandingkan dengan sebelum pemakaian transformator wye-delta yaitu sebesar 166%.

THD arus pada masing-masing fasa juga terlihat mengalami penurunan di mana sebelumnya THD arus yang terbesar bernilai 75,8% setelah penggunaan transformator wye-delta turun menjadi 59,9%. Begitu juga dengan THD arus pada penghantar netral yang sebelumnya bernilai 2194,2% turun menjadi 2117,4%. Hal ini menunjukkan bahwa dengan penggunaan transformator wye-delta, komponen arus harmonisa pada penghantar fasa maupun netral telah mengalami penurunan. Dari spektrum harmonisa fasa S pada Gambar 4.7(b) terlihat bahwa telah terjadi penurunan besar arus urutan nol bila dibandingkan dengan tanpa penggunaan transformator wye-delta.

Penggunaan transformator wye-delta juga meningkatkan faktor daya dari sistem yang sebelumnya rata-rata bernilai 0,73 menjadi rata-rata bernilai 0,83.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa transformator wye-delta memiliki impedansi urutan nol yang sangat kecil dibandingkan dengan impedansi

urutan positif dan negatifnya. Hal ini menyebabkan arus urutan nol dapat mengalir pada transformator wye-delta, sedangkan arus urutan positif dan negatif tidak dapat mengalir. Hal ini diperlihatkan pada Gambar 4.9(b) di mana arus yang mengalir menuju transformator wye-delta didominasi oleh komponen arus harmonisa urutan nol, sedangkan komponen arus harmonisa urutan positif dan negatif bernilai sangat kecil. Hasil pengukuran di sisi transformator wye-delta seperti pada rangkaian Gambar 3.3 untuk nilai tegangan dan arus ditunjukkan pada Tabel 4.4.

Tabel 4.4 Hasil Pengukuran di Sisi Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Besaran Fasa R Fasa S Fasa T Netral

Tegangan rms (V) 217,90 215,48 215,84 0,48

Arus rms (A) 0,322 0,323 0,325 0,943

Terlihat pada Tabel 4.4 bahwa arus netral yang menuju transformator wye-delta, terbagi tiga dan kembali keluar menuju sumber harmonisanya dari setiap fasa. Hal ini sesuai dengan yang telah dibahas pada Sub-bab 2.6 Persamaan (2.19).

Gambar 4.7(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.7(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.8(a) Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.8(b) Spektrum Harmonisa Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.9(a) Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

Gambar 4.9(b) Spektrum Harmonisa Arus Netral di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Seimbang

4.2.2. Kondisi beban tidak seimbang

Data-data hasil pengukuran yang dilakukan terhadap besaran-besaran listrik setelah penggunaan transformator wye-delta pada kondisi beban yang tidak seimbang ditampilkan pada Tabel 4.5. Sedangkan bentuk gelombang arus dan spektrum harmonisa dari masing-masing fasa dan netral diperlihatkan pada Gambar 4.10(a) sampai Gambar 4.13(b). Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa arus netral pada sisi transformator wye-delta juga diperlihatkan pada Gambar 4.14(a),(b).

Tabel 4.5 Hasil Pengukuran Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Besaran Fasa R Fasa S Fasa T Netral

Frekuensi (Hz) 50,135

Tegangan rms (V) 218,65 213,95 213,58 0,39

Arus rms (A) 0,819 1,096 1,414 1,224

THD arus (%) 49,2 58,7 61,9 482,6

Cos φ (DPF) 1,00 0,93 0,97 -

Power Factor 0,88 0,79 0,81 -

Dari Tabel 4.5 dapat dilihat bahwa dengan penggunaan transformator wye-delta pada kondisi beban yang tidak seimbang juga dapat mengurangi besar arus yang mengalir pada penghantar netral. Besar arus netral sebelum penggunaan transformator wye-delta adalah sebesar 2,047A sedangkan setelah penggunaan transformator wye-delta turun menjadi 1,224A. Persentase penurunan ini adalah sebesar 40,2%. Bila dibandingkan dengan persentase penurunan arus netral saat sebelum penggunaan transformator wye-delta yaitu sebesar 40,4%, dapat dikatakan bahwa baik dalam kondisi yang seimbang maupun tidak seimbang, persentase penurunan arus pada penghantar netral setelah penggunaan transformator wye-delta adalah tetap (stabil).

THD arus yang mengalir pada masing-masing fasa juga mengalami penurunan yaitu paling besar bernilai 61,9% dibandingkan dengan sebelum penggunaan transformator wye-delta yaitu paling besar bernilai 80,8%. THD arus pada penghantar netral mengalami kenaikan dibandingkan dengan sebelum penggunaan transformator wye-delta yaitu dari 432,0% menjadi 482,6%.

Sehingga dapat disimpulkan bahwa kenaikan nilai THD arus pada penghantar netral tidak selalu diikuti dengan kenaikan nilai arus rms pada penghantar netral.

Faktor daya setelah penggunaan transformator wye-delta mengalami kenaikan yang sebelumnya rata-rata bernilai 0,72 naik menjadi 0,82. Sedangkan untuk cos φ tidak tampak adanya perubahan yang berarti baik sebelum maupun setelah penggunaan transformator wye-delta. Hasil pengukuran di sisi transformator wye-delta untuk nilai tegangan dan arus ditunjukkan pada Tabel 4.6.

Tabel 4.6 Hasil Pengukuran di Sisi Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Besaran Fasa R Fasa S Fasa T Netral

Tegangan rms (V) 219,01 214,26 213,76 0,50

Arus rms (A) 0,346 0,311 0,339 0,971

Gambar 4.10(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa R Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.10(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa R Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.11(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.11(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa S Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.12(a) Bentuk Gelombang Arus Fasa T Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.12(b) Spektrum Arus Harmonisa Fasa T Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.13(a) Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.13(b) Spektrum Harmonisa Arus Netral di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Gambar 4.14(a) Bentuk Gelombang Arus Netral di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak

Seimbang

Gambar 4.14(b) Spektrum Harmonisa Arus Netral di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Wye-Delta Pada Kondisi Beban Tidak

4.3. Rangkuman Hasil Eksperimen Sebelum dan Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta

Rangkuman hasil eksperimen untuk beberapa besaran-besaran penting sebelum dan setelah penggunaan transformator wye-delta baik dalam kondisi beban yang seimbang maupun tidak seimbang disajikan pada Tabel 4.7.

Tabel 4.7 Rangkuman Hasil Eksperimen

Besaran

Sebelum

Penggunaan Trafo Wye-Delta

Setelah

Penggunaan Trafo Wye-Delta Beban Seimbang Beban Tidak Seimbang Beban Seimbang Beban Tidak Seimbang

Arus rms (A)

R= 1,154 S= 1,170 T= 1,173 N= 1,932 R= 0,829 S= 1,208 T= 1,547 N= 2,047 R= 1,082 S= 1,074 T= 1,099 N= 1,152 R= 0,819 S= 1,096 T= 1,414 N= 1,224 Perbandingan Arus Netral Dengan Arus Fasa (%)

166 Maks. 247

Min. 132 106

Maks. 149 Min. 87 Pengurangan

Arus Netral (%)

- - 40,4 40,2

THD arus (%)

R= 75,8 S= 74,4 T= 74,4 N= 2194,2 R= 80,8 S= 76,4 T= 74,1 N= 432,0 R= 57,9 S= 59,9 T= 56,3 N= 2117,4 R= 49,2 S= 58,7 T= 61,9 N= 482,6 Power Factor R= 0,74 S= 0,72 T= 0,73 R= 0,73 S= 0,71 T= 0,73 R= 0,84 S= 0,81 T= 0,83 R= 0,88 S= 0,79 T= 0,81

4.4. Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Daya Beban Bervariasi

Hasil pengukuran penggunaan transformator wye-delta pada kondisi daya beban yang bervariasi disajikan pada Tabel 4.8.

Tabel 4.8 Hasil Pengukuran Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Daya Beban Bervariasi

Beban (%)

Tanpa Trafo Wye-Delta

Dengan

Trafo Wye-Delta Penurunan Arus Netral (%) Arus (A) In/If (%) Arus (A) In/If (%) 25 R= 0,350 S= 0,352 T= 0,345 N=0,597 171,0 R= 0,317 S= 0,293 T= 0,315 N=0,309

100,0 48,24

50 R= 0,625 S= 0,623 T= 0,616 N=1,060 170,7 R= 0,569 S= 0,549 T= 0,571 N=0,559

99,3 47,26

75 R= 0,924 S= 0,938 T= 0,931 N=1,524 163,7 R= 0,822 S= 0,823 T= 0,843 N=0,826 99,6 45,80 100 R= 1,211 S= 1,230 T= 1,226 N=1,975 161,6 R= 1,131 S= 1,131 T= 1,159 N=1,152

101,0 41,67

Ket.: In/If adalah perbandingan antara arus netral dengan arus fasa rata-rata

Dari Tabel 4.8 dapat dilihat bahwa untuk setiap kenaikan persentase beban, arus netral dengan penggunaan transformator wye-delta selalu lebih kecil dibandingkan tanpa penggunaan transformator wye-delta. Kenaikan persentase beban juga diikuti dengan kenaikan yang linear pada arus netral. Kenaikan yang linear ini berlaku pada saat tanpa maupun dengan menggunakan transformator wye-delta.

Grafik yang menunjukkan hubungan antara persentase beban dengan besar arus pada penghantar netral ditunjukkan pada Gambar 4.15.

Gambar 4.15 Grafik Hubungan Persentase Beban dengan Besar Arus Netral

Dengan menggunakan perangkat lunak Matlab, persamaan grafik tanpa trafo wye-delta pada Gambar 4.15 dapat diperoleh dengan menggunakan pendekatan persamaan garis lurus yaitu y=ax+b, di mana a=0.018 dan b=0.139. Persamaan grafik dengan trafo wye-delta pada Gambar 4.15 juga dapat diperoleh dengan menggunakan pendekatan garis lurus dengan nilai a=0.011 dan b=0.013.

Dari Tabel 4.8 dapat dilihat bahwa pada kondisi daya beban yang bervariasi, persentase penurunan arus netral pada saat berbeban 25% adalah sebesar 48,24%, dan saat berbeban 100% adalah sebesar 41,67%. Perbedaan persentase penurunan arus netral yang kecil yaitu hanya sekitar 6.5% menunjukkan bahwa pada kondisi berbeban rendah maupun berbeban tinggi, kinerja transformator wye-delta cukup baik dalam mengurangi arus rms yang mengalir pada penghantar netral. Grafik yang menunjukkan hubungan antara

persentase beban dengan persentase penurunan arus pada penghantar netral ditunjukkan pada Gambar 4.16.

Gambar 4.16 Grafik Hubungan Persentase Beban dengan Persentase Penurunan Arus Netral

Persamaan grafik pada Gambar 4.16 dapat diperoleh dengan menggunakan pendekatan kuadratik yaitu y= ax2 + bx +c, di mana a= -0.00126, b= 0.07282, dan c=47.097.

4.5. Perhitungan Pengurangan Arus Netral

Perhitungan mengenai pengurangan arus netral dilakukan untuk kondisi sebelum dan setelah penggunaan transformator wye-delta pada kondisi daya beban yang seimbang. Perhitungan dilakukan sebagai pelengkap dari metode eksperimen dan sebagai validasi terhadap rumus yang tersedia untuk mengetahui besarnya pengurangan arus netral.

4.5.1. Sebelum penggunaan transformator wye-delta

Berdasarkan rangkaian ekivalen urutan nol pada Gambar 2.12, maka rangkaian ekivalen urutan nol sebelum penggunaan transformator wye-delta pada kondisi beban seimbang dapat diperoleh dengan menghilangkan impedansi transformator (Zzp) seperti yang terlihat pada Gambar 4.17 berikut.

Gambar 4.17 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta

Dari Gambar 4.17 dapat dilihat bahwa Zs, Zsn, dan ZLn saling terhubung seri dengan iL0. Sehingga dapat dikatakan bahwa besarnya arus urutan nol yang menuju ke sumber tegangan (iSn) adalah sama besarnya dengan arus urutan nol

yang dihasilkan oleh beban (iL0). Yaitu:

iSn = iL0 (4.1)

Arus rms pada penghantar netral merupakan akar pangkat dua dari jumlah kuadrat masing-masing komponen arus harmonisa (dalam hal ini harmonisa orde ganjil kelipatan 3) yang dihasilkan oleh beban nonlinear. Sehingga besar arus iSn

dapat diperoleh dengan Persamaan (4.2), yaitu:

Di mana h adalah harmonisa orde ganjil kelipatan 3 (triplen).

Besar arus dari setiap komponen harmonisa orde ganjil kelipatan 3 yang terdapat pada spektrum harmonisa arus netral Gambar 4.2(b) ditampilkan pada Tabel 4.9.

Tabel 4.9 Besar Arus Untuk Setiap Harmonisa Orde Ganjil Kelipatan 3 Pada Penghantar Netral

Orde Harmonisa Arus (A)

3 1,960∠ -126°

9 0,313∠ -91°

15 0,079∠ 7°

21 0,044∠ -251°

27 0,029∠ -162°

Dengan memasukkan nilai arus dari setiap orde harmonisa pada Tabel 4.9 ke Persamaan (4.2), maka besar arus rms pada penghantar netral (yang menuju ke sumber tegangan) sebelum penggunaan transformator wye-delta dapat diperoleh melalui metode perhitungan sebagai berikut.

ISn= ���

32 +�92 +�152+�212+�272�

ISn= �_(1,960∠−₁₂₆°₎2_{+ (0,313}∠−₉₁°₎2_{+ (0,079}∠₇°₎2₊

�(0,044∠−251°)2_{+ (0,029∠−162}°₎2

ISn=√_3.875∠ _109.28° ISn = 1,968∠ 54,64°A

Berdasarkan Persamaan (4.1), maka besarnya arus urutan nol yang dihasilkan oleh beban (iL0) adalah juga sebesar 1,968∠ 54,64°A.

4.5.2. Setelah penggunaan transformator wye-delta

Besarnya arus harmonisa urutan nol yang mengalir menuju sumber tegangan (iSn) setelah penggunaan transformator wye-delta dapat diperoleh

dengan menggunakan rangkaian ekivalen urutan nol pada Gambar 2.12 dan Persamaan (2.28). Adapun nilai dari parameter-parameter yang terdapat pada rangkaian ekivalen urutan nol pada Gambar 2.12 adalah:

Tabel 4.10 Parameter Rangkaian Ekivalen Urutan Nol

Parameter Nilai

Zs (Ω) 0,46+j0,01 (asumsi)

ZSn (Ω) 0,46+j0,01 (asumsi)

ZZp (Ω) j0,7

ZLn (Ω) 0,46+j0,01 (asumsi)

iL0 (A) 1,968∠54,64°

Nilai dari parameter ZZp diperoleh melalui pengujian hubung-singkat yang dilakukan terhadap transformator yang digunakan pada eksperimen (Lampiran 1, Bagian 1.4). Karena impedansi urutan nol pada rangkaian ekivalen transformator direpresentasikan sebagai fluks bocor/reaktansi seri, maka impedansi dari transformator pada rangkaian ekivalen urutan nol adalah reaktansinya yang bernilai 0,7Ω (pada fasa R) dan bersifat imajiner. Sedangkan nilai iL0 diperoleh

dari hasil perhitungan pada Sub-bab 4.5.1.

Dengan memasukkan nilai dari parameter-parameter pada Tabel 4.10, Besar arus iSn setelah penggunaan transformator wye-delta dapat diperoleh

��� = _� ���

�+��� +��� ��0

��� =

j0,7

0,46 + j0,01 + 0,46 + j0,01 + j0,7 (1,968∠54,64°) ��� = 1,179∠ −73.41°A

Sehingga diperoleh persentase pengurangan arus pada penghantar netral melalui hasil perhitungan adalah sebesar 40,1%. Di mana hasil ini tidak jauh berbeda dengan persentase pengurangan arus pada penghantar netral melalui hasil eksperimen yaitu sebesar 40,4%.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. KESIMPULAN

Dari hasil penelitian dan pembahasan yang dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. 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 beban seimbang dan 40,2% saat kondisi beban tidak seimbang.

2. Besar arus yang mengalir pada penghantar netral saat penggunaan transformator wye-delta selalu lebih rendah untuk setiap variasi daya beban dibandingkan tanpa penggunaan transformator wye-delta.

3. Pada kondisi berbeban rendah maupun berbeban tinggi, kinerja transformator wye-delta cukup baik dalam mengurangi arus rms yang mengalir pada penghantar netral.

5.2. SARAN

Adapun saran dari penulis sebagai pengembangan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Melakukan eksperimen dengan menggunakan gabungan beban yang bersifat nonlinear dan linear.

2. Menggunakan jenis belitan lainnya pada transformator wye-delta agar didapatkan persentase pengurangan arus netral yang lebih besar.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Lowenstein, M.Z., “Eliminating Harmonic Neutral Current Problems,” Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008. T&D. IEEE/PES, pp.1-4, 21-24 April 2008.

[2] Desmet, J.; Baggini, A., “Neutral Sizing in Harmonic Rich Installations,” Copper Development Association & European Copper Institute, June 2003. [3] Negi, A.; Surendhar, S.; Kumar, S.R.; Raja, P., "Assessment and

Comparison of Different Neutral Current Compensation Techniques in Three-Phase Four-Wire Distribution System," Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), 2012 3rd IEEE International Symposium on, pp.423-430, 25-28 June 2012.

[4] Singh, B.; Jayaprakash, P.; Kothari, D.P., "Magnetics for Neutral Current Compensation in Three-Phase Four-Wire Distribution System," Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES) & 2010 Power India, 2010 Joint International Conference on, pp.1-7, 20-23 Dec. 2010.

[5] Hadzer, C.M.; Masri, S.; Mahamad, N., "A Study on Zero-Passing Transformer in Harmonics Reduction," Power Engineering Conference, 2003. PECon 2003. Proceedings. National, pp.180-184, 15-16 Dec. 2003. [6] Stevenson, W.D.,”Analisis Sistem Tenaga Listrik,” Edisi Keempat. 1983.

Penerbit Erlangga, Jakarta.

[7] IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality," IEEE Std 1159-2009 (Revision of IEEE Std 1159-1995), pp.c1-81, June 26 2009. [8] Dugan, Roger C. et al., “Electric Power System Quality,” Second Edition.

2004. McGraw-Hill.

[9] Desmet, J. J M; Sweertvaegher, I.; Vanalme, G.; Stockman, K.; Belmans, R. J M, "Analysis of The Neutral Conductor Current in A Three-Phase Supplied Network With Nonlinear Single-Phase Loads," Industry Applications, IEEE Transactions on , vol.39, no.3, pp.587-593, May-June 2003.

[10] McLyman, Col. Wm. T., “Transformer and Inductor Design Handbook,” Third Edition. 2004. Marcel Dekker, Inc.

LAMPIRAN 1

PARAMETER TRANSFORMATOR

1.1. Hasil Pengujian Beban Nol

Fasa Voc (V) Ioc (A) Poc (W)

R 219,92 0,178 9,2

S 219,80 0,164 6,8

T 220,73 0,161 8,9

1.2. Hasil Pengujian Hubung Singkat

Fasa Vsc (V) Isc (A) Psc (W)

R 37,64 1,504 56,6

S 38,14 1,504 57,3

T 38,05 1,504 57,2

1.3. Hasil Pengujian Tahanan DC

Fasa VDC (V) IDC (A) RDC (Ω)

Rprim 6,2 0,5 12,4

Rsek 6,2 0,5 12,4

Sprim 6,2 0,5 12,4

Ssek 6,2 0,5 12,4

Tprim 6,2 0,5 12,4

Tsek 6,1 0,5 12,2

1.4. Parameter Transformator (per fasa)

Fasa R (Ohm) X (Ohm) Rc (Ohm) Xm (Ohm)

R 25,02 0,71 5498,00 1293,64

S 25,34 1,01 7326,67 1373,75

LAMPIRAN 2

CUPLIKAN LAYAR HASIL PENGUKURAN BEBERAPA BESARAN PENTING PADA SETIAP EKSPERIMEN

2.1. Eksperimen Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta 2.1.1. Kondisi beban seimbang

Tabel B.1 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Simbang

Tabel B.2 Daya di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Simbang

2.1.2. Kondisi beban tidak seimbang

Tabel B.3 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

Tabel B.4 Daya di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Tidak Seimbang

2.2. Eksperimen Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta 2.2.1. Kondisi beban seimbang

2.2.1.1. Pengukuran di sisi sumber

Tabel B.5 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Simbang

Tabel B.6 Daya di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Simbang

2.2.1.2. Pengukuran di sisi transformator wye-delta

Tabel B.7 Volt/Amps/Hertz di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Simbang

2.2.2. Kondisi beban tidak seimbang 2.2.2.1. Pengukuran di sisi sumber

Tabel B.8 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Tidak Simbang

Tabel B.9 Daya di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Tidak Simbang

2.2.2.2. Pengukuran di sisi transformator wye-delta

Tabel B.10 Volt/Amps/Hertz di Sisi Transformator Wye-Delta Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Kondisi Beban Tidak Simbang

2.3. Eksperimen Penggunaan Transformator Wye-Delta Pada Kondisi Daya Beban Bervariasi

2.3.1. Sebelum penggunaan transformator wye-delta 2.3.1.1. Beban 25%

Tabel B.11 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 25%

2.3.1.2. Beban 50%

Tabel B.12 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 50%

2.3.1.3. Beban 75%

Tabel B.13 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 75%

2.3.1.4. Beban 100%

Tabel B.14 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 100%

2.3.2. Setelah penggunaan transformator wye-delta 2.3.2.1. Beban 25%

Tabel B.15 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 25%

2.3.2.2. Beban 50%

Tabel B.16 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 50%

2.3.2.3. Beban 75%

Tabel B.17 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 75%

2.3.2.4. Beban 100%

Tabel B.18 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 100%

LAMPIRAN 3 FOTO DOKUMENTASI

Gambar C.1 Transformator Wye-Delta (Tampak Depan)

Gambar C.3 Beban Lampu Hemat Energi dan Transformator Wye-Delta

Gambar C.4 Pengambilan Data Menggunakan PQ Meter Lampu hemat

energi yang digunakan

Beban Bervariasi

2.3.1. Sebelum penggunaan transformator wye-delta 2.3.1.1. Beban 25%

Tabel B.11 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 25%

2.3.1.2. Beban 50%

Tabel B.12 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 50%

64 Universitas Sumatera Utara

2.3.1.3. Beban 75%

Tabel B.13 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 75%

2.3.1.4. Beban 100%

Tabel B.14 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Sebelum Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 100%

2.3.2.1. Beban 25%

Tabel B.15 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 25%

2.3.2.2. Beban 50%

Tabel B.16 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 50%

66 Universitas Sumatera Utara

2.3.2.3. Beban 75%

Tabel B.17 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 75%

2.3.2.4. Beban 100%

Tabel B.18 Volt/Amps/Hertz di Sisi Sumber Setelah Penggunaan Transformator Wye-Delta pada Daya Beban 100%

FOTO DOKUMENTASI

Gambar C.1 Transformator Wye-Delta (Tampak Depan)

Gambar C.2 Transformator Wye-Delta (Tampak Atas)

68 Universitas Sumatera Utara

Gambar C.3 Beban Lampu Hemat Energi dan Transformator Wye-Delta

Gambar C.4 Pengambilan Data Menggunakan PQ Meter Lampu hemat

energi yang digunakan