10 pada konduktor netral mengalir arus triplen harmonisa dari ketiga fasa yang saling
menjumlahkan yang besarnya tiga kali dari arus triplen pada setiap fasanya.
Gambar 2.3 Arus netral pada grounded wye system akibat triplen harmonisa
2.6 Beban Non Linear
Harmonisa bisa muncul dari beban yang terhubung ke sistem distribusi. Beban-beban pada sistem tenaga listrik dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu
beban linier dan beban non linier. Namun yang menjadi sumber harmonisa adalah
beban non linier.
Beban non linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang tidak sama dengan gelombang masukan. Artinya arus yang
mengalir tidak sebanding dengan perubahan tegangan dan hal ini tentunya tidak sesuai lagi dengan hukum ohm. Beban non linier merupakan peralatan yang
didalamnya terdapat komponen semikonduktor seperti thyristor, dioda, dan lain- lain. Adapun hubungan tegangan dan arus pada beban non linear ditunjukkan pada
Gambar 2.4.
Universitas Sumatera Utara
11
Gambar 2.4 Hubungan tegangan dan arus pada beban non linier
Beban non linier dikatakan menjadi sumber harmonisa dikarenakan adanya komponen semikonduktor yang dalam proses kerjanya berlaku sebagai
saklar yang bekerja pada setiap setengah siklus gelombang atau beban yang membutuhkan arus yang tidak tetap pada setiap periode waktunya seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.5. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Contoh beban non linier ini adalah
: UPS Uninterruptible Power Supplies, printer, komputer, televisi, lampu hemat energi, dan sebagainya [7].
Gambar 2.5
Karakteristik gelombang tegangan dan arus pada beban non linier
2.7 Pengurangan Arus Netral [8]
Prinsip dasar yang diterapkan pada pengurangan harmonisa arus di jala- jala sistem dengan cara mengeleminir komponen arus harmonisa yang
mendominasi arus sistem. Pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat
Universitas Sumatera Utara
12 kawat umumnya harmonisa arus didominasi oleh komponen arus harmonisa orde
kelipatan tiga atau harmonisa arus urutan nol yang dibangkitkan dari beban-beban non linier satu fasa, arus ini mengalir melalui kawat konduktor netral dan
merupakan arus netral sistem. Untuk mengurangi harmonisa arus pada sistem ini, maka komponen arus
harmonisa urutan nol inilah yang dieleminir. Pengeleminiran arus harmonisa urutan nol ini dilakukan dengan cara mengalirkan arus netral sistem langsung
kembali ke beban-beban non linier menggunakan pelalu arus urutan nol. Sehingga arus harmonisa urutan nol ini tidak mengalir ke jala-jala sistem. Dengan pelaluan
arus netral ini, maka arus netral sistem menjadi sangat berkurang. Pelalu arus urutan nol secara sederhana dapat dibuat dari rangkaian elektromagnetik berupa
trafo zero passing dan trafo zero blocking. Karena pada pelalu arus urutan nol ini tidak terdapat komponen kapasitor, maka resonansi pada sistem tidak mungkin
terjadi [8].
2.7.1 Pengurangan Arus Netral Menggunakan Zero Passing [8]
Zero passing adalah suatu rangkaian elektromagnetik yang berfungsi untuk melalukan arus harmonisa urutan nol. Oleh karena itu, suatu zero passing
mempunyai impedansi yang rendah terhadap arus harmonisa urutan nol dan impedansi yang tinggi terhadap arus urutan lainnya. Suatu zero passing bisa
didapatkan dari beberapa konfigurasi rangkaian elektromagnetik multi belitan seperti trafo Y-
Δ, autotrafo zigzag dan autotrafo scott. Metoda pelaluan arus harmonisa urutan nol atau arus netral sistem secara
sederhana dapat dilakukan dengan menggunakan sebuah pelalu arus urutan nol yang dinamakanzero passing”. Pada sistem pengurangan arus harmonisa ini, zero
Universitas Sumatera Utara
13 passing dipasang secara paralel, sehingga suatu zero passing hanya boleh
melalukan arus harmonisa urutan nol saja, oleh karena itu suatu zero passing harus mempunyai impedansi yang rendah untuk arus urutan nol dan impedansi
yang tinggi untuk arus urutan lainnya. Konsep pelaluan arus netral atau arus harmonisa urutan nol menggunakan
zero passing pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat diperlihatkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Model pengurangan harmonisa arus sistem menggunakan zero
passing Untuk penyederhanaan analisis pengurangan arus harmonisa di jala-jala
sistem maka digunakan rangkaian ekivalen urutan nol perfasa dari rangkaian pengurangan harmonisa arus seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Dalam
analisis ini, sumber tegangan tidak mengandung harmonisa dan hanya terdiri dari komponen fundamental saja atau komponen urutan positif. Karenanya sumber
tegangan pada rangkaian pengganti urutan nol ini dapat dianggap sebagai suatu rangkaian hubung singkat. Sedangkan beban-beban non linier dimodelkan sebagai
sumber arus harmonisa dengan suatu impendasi urutan nol paralel sangat besar
Universitas Sumatera Utara
14 sehingga impedansi urutan nolnya dapat diabaikan. Karena impedansi urutan nol
sumber arus harmonisa relatif sangat besar terhadap impedansi urutan nol zero passing dan impedansi urutan nol sumber tegangan serta impedansi urutan nol
jala-jala sistem, maka impedansi urutan nol sumber arus harmonisa ini pada rangkaian pengganti urutan nol dapat dianggap sebagai rangkaian terbuka.
Dengan demikian, rangkaian ekivalen urutan nol per fasa dari rangkaian pengurangan arus harmonisa di jala-jala sistem tiga fasa empat kawat dapat
digambarkan seperti pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Rangkaian urutan nol per fasa untuk pengurangan harmonisa arus
sistem menggunakan zero passing dimana :
i
RS
, i
SS,
i
TS
adalah arus jala-jala fasa R, S dan T i
RB,
i
SB,
i
TB
adalah arus beban fasa R, S dan T i
NB
adalah arus netral beban i
ZP
adalah arus zero passing i
NS
adalah arus netral sistem i
RZP
, i
SZP
, i
TZP
, adalah zero passing R, S dan T Z
P0
adalah impedansi urutan nol zero passing per fasa
Universitas Sumatera Utara
15 Z
J0
adalah impedansi urutan nol jala-jala sistem per fasa Z
S0
adalah impedansi urutan nol sumber tegangan per fasa i
NB0
adalah arus netral beban per fasa i
ZP0
adalah arus zero passing per fasa i
NS0
adalah arus netral sistem per fasa Karena hasil penjumlahan seluruh komponen arus harmonisa urutan positif
dan negatif sama dengan nol, maka arus netral beban adalah : i
NB
= ∑
[
~
sin {h ωt – Φ
h0
}] 2.16
dimana : h
= 3n dalam bentuk nilai efektifnya dapat dinyatakan sebagai
I
NB
= 3 ∑
[
~
]
2 12
2.17 Dari rangkaian urutan nol per fasa pada Gambar 2.7 dapat ditentukan besar
arus yang mengalir ke zero passing i
Zp0
adalah sebagai berikut : i
Zp0
= i
NB0
t 2.18
Dengan mensubstitusikan i
NB0
Persamaan 2.16 ke Persamaan 2.18, maka didapatkan persamaan arus yang mengalir ke zero passing i
Zp0
, yaitu : i
Zp0
t = {K
M1
} ∑
√
2
~
sin {h ωt – Φ
h0
} 2.19
dimana : h
= 3n K
M1
= ; faktor pengurangan arus harmonisa menggunakan
zero passing
Universitas Sumatera Utara
16 Total arus netral yang mengalir ke sumber tegangan setelah pengurangan
harmonisa arus menggunakan zero passing adalah : i
NS
t = {1-K
M1
} 3 ∑
√
2
~
sin {h ωt – Φ
h0
} 2.20
untuk h
1
= 3n-2 ; h
2
= 3n-1 ; h = 3n
2.7.2 Pengurangan Arus Netral Menggunakan Zero Blocking [8]
Zero blocking adalah suatu rangkaian elektromagnetik yang berfungsi untuk menahan arus harmonisa urutan nol, agar arus harmonisa urutan nol
tersebut sebesar-besarnya dapat dilalukan melalui zero passing untuk mendapatkan pengurangan arus harmonisa yang optimal. Oleh karena itu, suatu
zero blocking haruslah mempunyai impedansi yang besar terhadap arus harmonisa urutan nol dan impedansi yang rendah terhadap arus urutan lainnya. Untuk
memenuhi kriteria tersebut, suatu zero blocking dapat dibentuk dari tiga buah belitan identik pada suatu inti trafo tiga fasa seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Rangkaian belitan trafo zero blocking
Arus netral sistem atau arus harmonisa urutan nol yang mengalir melalui sumber tegangan akan mengalir juga melalui ketiga belitan trafo zero blocking.
Karena arus-arus harmonisa urutan nol ini sefasa dan sama besar, maka fluksi magnetik urutan nol yang dibangkitkannya pada masing-masing belitan zero
Universitas Sumatera Utara
17 blocking
akan sefasa dan sama besar pula, yaitu Φ
OR,
Φ
OS
dan Φ
OT
. Pembangkitan fluksi magnetik urutan nol pada masing-masing belitan zero blocking
diperlihatkan pada Gambar 2.9 a.
Gambar 2.9 a Fluksi magnetik urutan nol
b Fluksi magnetik urutan lainnya yang dibangkitkan pada zero blocking
Fluksi magnetik urutan nol pada masing-masing belitan zero passing adalah sefasa sehingga total fluksi urutan nol yang dihasilkan akan saling
menguatkan. Dengan demikian, zero blocking akan mempunyai impedansi urutan nol yang besar untuk dapat menahan arus urutan nol atau arus netral sistem.
Sedangkan arus urutan positif dan negatif yang mengalir melalui ketiga belitan zero blocking akan membangkitkan fluksi magnetik urutan positif dan
negatif Φ
R,
Φ
S
dan Φ
T
yang sama besar dengan perbedaan fasa masing-masing 120
, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.9 b. Akibatnya, total fluksi
urutan positif dan negatif yang dihasilkan pada zero blocking sama dengan nol. Dengan demikian, zero blocking mempunyai impedansi urutan positif dan negatif
yang sangat kecil sehingga dapat melalukan arus urutan positif dan negatif. Untuk
Universitas Sumatera Utara
18 menentukan impedansi urutan nol dari suatu zero blocking dapat digunakan
rangkaian pengganti seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Rangkaian pengganti magnetik urutan nol zero blocking
Dari rangkaian pengganti magnetik zero blocking pada Gambar 2.10, total fluksi magnetik urutan nol yang dibangkitkan pada zero blocking adalah :
Φ =
∑ Φ
sin{
ℎ
}
2.21 dan amper-turn pada ketiga kumparan zero blocking yang dibangkitkan oleh arus
urutan nol adalah : 3NI
= H . l = Φ
[l µA] 2.22
dimana: A adalah luas lintasan fluksi magnetik
N adalah jumlah belitan I adalah arus yang mengalir pada kumparan N
H adalah intensitas medan magnetik l adalah panjang lintasan magnetik
Φ adalah fluksi magnetik urutan nol
µ adalah permeabilitas bahan magnetik Karena reluktansi magnetik R didefenisikan sebagai :
R = l µA 2.23
Universitas Sumatera Utara
19 maka fluksi urutan nol zero blocking dapat dinyatakan sebagai :
Φ = 3 N I
R 2.24
Dengan demikian induktansi urutan nol zero blocking adalah : L
= = 9 N
2
2.25 Impedansi urutan nol zero blocking adalah :
Z
B0
=
+
2.26 Apabila resistansi urutan nol R
belitan sangat kecil dan dapat diabaikan, maka nilai impedansi urutan nol zero blocking dapat ditentukan sebagai berikut :
Z
B0
= 9 ω N
2
2.27 dimana :
ω = 2 π f
f adalah frekuensi harmonisa urutan nol
2.8 Autotrafo Zig-zag
Autotrafo hubungan zig-zag dapat digunakan sebagai zero passing. Hubungan autotrafo zig-zag dapat juga dihasilkan dari menghubungkan belitan
tiga buah transformator satu fasa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.
N i
zr
i
zs
i
zt
R
S
T
Gambar 2.11 Hubungan autotrafo zig-zag
Universitas Sumatera Utara
20 Arus urutan nol di masing-masing fasanya yaitu i
r0
t, i
s0
t dan i
t0
t mempunyai amplitudo yang sama dan fasa yang sama pada sistem distribusi tiga
fasa empat kawat, dan dapat ditunjukkan sebagai : i
r0
t = i
s0
t = i
t0
t 2.28
Arus netral merupakan penjumlahan dari arus urutan nol ketiga fasanya, dan ditunjukkan sebagai :
i
n
t = 3 i
r0
t 2.29
Arus masukan mengalir ke titik ujung dari belitan primer sama dengan arus yang mengalir keluar dari titik ujung belitan sekunder karena belitan
autotrafo zig-zag ini mempunyai perbandingan 1 : 1. Sehingga didapat bahwa : i
zr
t = i
zs
t 2.30
i
zs
t = i
zt
t 2.31
i
zt
t = i
zr
t 2.32
dimana : i
r0
: arus urutan nol pada fasa R i
s0
: arus urutan nol pada fasa S i
t0
: arus urutan nol pada fasa T i
n
: arus netral i
zr
: arus fasa R pada autotrafo zig-zag i
zs
: arus fasa S pada autotrafo zig-zag i
zt
: arus fasa T pada autotrafo zig-zag Dari Persamaan 2.30, Persamaan 2.31, dan Persamaan 2.32 menyatakan
bahwa arus tiga fasa yang mengalir ke belitan autotrafo harus seimbang. Sehingga
Universitas Sumatera Utara
21 komponen arus urutan nol dari arus beban akan mengalir ke dalam autotrafo zig-
zag [1]. Adapun analisis dari autotrafo zig-zag dapat dijelaskan seperti pada
penjelasan berikut ini. Autotrafo zig-zag menyediakan impedansi rendah untuk komponen urutan nol dan impedansi tinggi untuk komponen urutan positif dan
negatif. Sumber urutan nol pada autotrafo zig-zag terdiri dari dua yaitu tegangan urutan nol V
S0
t dan arus urutan nol i
L0
t [9]. Gambar 2.12 menunjukkan rangkaian ekivalen urutan nol [9].
Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen urutan nol
dimana V
S0t
merupakan tegangan urutan nol Z
S0
merupakan impedansi urutan nol pada sumber Z
ZN
merupakan impedansi autotrafo zig-zag i
L0
merupakan arus urutan nol Z
LN
merupakan impedansi dari kawat netral diantara beban dan autotrafo zig-zag
Z
NU
merupakan impedansi antara kawat netral dengan sumber Ketidakseimbangan terjadi akibat tidak seimbangnya distribusi dari beban
dimasing-masing fasa dan juga diakibatkan variasi tegangan pada fasa. Sumber tegangan urutan nol dihasilkan dari tegangan sumber yang tidak seimbang [9].
Universitas Sumatera Utara
22
V t V t
V t
=
1 1
1 1
1 V t
V t V t
2.33
dimana a = exp Dari Persamaan 2.33, tegangan urutan nol dapat dinyatakan sebagai
berikut : V
S0
t = V
rn
t + V
sn
t + V
tn
t 2.34
dimana : V
S0
adalah tegangan urutan nol V
S1
adalah tegangan urutan positif V
S2
adalah tegangan urutan negatif V
rn
adalah tegangan fasa R ke netral V
sn
adalah tegangan fasa S ke netral V
tn
adalah tegangan fasa T ke netral i
L0
t merupakan sumber arus urutan nol dan mengandung arus beban fuldamental yang tidak seimbang dan arus harmonisa urutan nol beban. Arus
urutan nol dapat dinyatakan sebagai berikut : i
L0
t = i
Lr
t + i
Ls
t + i
Lt
t 2.35
dimana : i
L0
adalah arus urutan nol i
Lr
adalah arus fasa R i
Ls
adalah arus fasa S i
Lt
adalah arus fasa T
Universitas Sumatera Utara
23 Karena pada Tugas Akhir ini tegangan sumber diasumsikan seimbang dan
simetris maka pengaruh dari tegangan urutan nol V
S0t
dapat diabaikan. Untuk mempertimbangkan pengaruh dari arus urutan nol i
L0
t maka tegangan urutan nol V
S0
t harus diasumsikan menjadi hubung singkat seperti pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen urutan nol dimana tegangan urutan nol
dihubung singkat Dengan menggunakan terorema superposisi, maka arus netral sumber
i’
SN
dapat dinyatakan sebagai berikut : i’
SN
t = i
L0
t 2.36
dimana : i’
SN
adalah arus netral sumber Z
ZN
adalah impedansi autotrafo zig-zag Z
S0
adalah impedansi urutan nol pada sumber Z
NU
adalah impedansi antara kawat netral dengan sumber i
L0
adalah arus urutan nol
Universitas Sumatera Utara
24
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang dilakukan dalam penelitian adalah metode pengukuran dan metode simulasi. Metode pengukuran dilakukan di Laboratorium Distribusi dan
Transmisi Teknik Elektro USU untuk mengukur besar arus pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat akibat penggunaan beban non linear berupa lampu hemat
energi dengan kondisi beban seimbang. Sedangkan metode simulasi dengan menggunakan program PSIM untuk melihat pengaruh pemasangan autotrafo zig-
zag pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat untuk mengurangi arus netral.
3.1 Pengukuran
