BAB II DASAR TEORI 2.1 Transformator Distribusi - Analisa Pengaruh Harmonisa Terhadap Faktor-K Pada Transformator

BAB II DASAR TEORI

2.1 Transformator Distribusi

Transformator merupakan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain (belitan primer ke belitan sekunder) melalui sebuah gandengan magnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaannya dalam sistem tenaga memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh [1].

Dalam bidang tenaga listrik pada umumnya pemakain transformator dapat dikelompokkan dalam :

1. Transformator Daya, transformator ini biasanya digunakan di pembangkit tenaga listrik, untuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi.

2. Transformator distribusi, transformator ini pada umumnya digunakan pada sub distribusi tenaga listrik, yaitu untuk menurunkan tegangan transmisi

Transformator Instrument, transformator ini gunanya digunakan sebagai alat instrument pengukuran yang terdiri dari transformator arus (current

transformer) dan transformator tegangan (potential transformer).

Suatu sistem tenaga listrik terdiri dari tiga bagian utama yaitu pusat pembangkit listrik, saluran transmisi dan sistem distribusi. Suatu sistem distribusi yang menghubungkan semua beban terjadi pada stasiun pembantu atau substation, dimana dilaksanakan transformasi tegangan.

Pada umumnya pusat pembangkit tenaga listrik berada jauh dari pengguna tenaga listrik. Untuk mentransmisikan tenaga listrik dari pembangkit ini, maka diperlukan penggunaan tegangan tinggi 150 kV atau tegangan ekstra tinggi 500

kV . Setelah saluran transmisi mendekati pusat pemakaian tenaga listrik, yang

dapat merupakan suatu daerah industri atau suatu kota, tegangan melalui gardu induk diturunkan menjadi tegangan menengah 20 kV.

Tegangan menengah dari gardu induk ini melalui saluran distribusi primer untuk disalurkan ke gardu-gardu distribusi atau pemakai tegangan menengah. Dari saluran distribusi primer, tegangan menengah diturunkan menjadi tegangan rendah 400/230 V melalui gardu distribusi. Tegangan rendah dari gardu distribusi disalurkan melalui saluran tegangan rendah ke komsumen tegangan rendah. Bentuk sederhana dari sistem distribusi tenaga listrik dapat ditunjukkan oleh

Gambar 2.1 sebagai berikut [2]:

Pembangkit Listrik _{Transformator} _TM _Pembangkit _Penaik

_TT/TET

_{Saluran Transmisi} Transformator _Penurun

_GI

_{Ke Pemakai TM Ke GD} _TM Saluran Distribusi _Primer _TR

_{Saluran Distribusi} _Sekunder kWH meter _Utilisasi Instalasi Pemakai TR

Gambar 2.1 Sistem Tenaga Listrik

2.1.1 Spesifikasi Umum Rugi-rugi Transformator Distribusi

Berbagai nilai dari rugi-rugi transformator distribusi menurut SPLN 50 tahun 1997 dapat dilihat pada Tabel 2.1 berikut ini [3]:

KVA Rating

Rugi Besi (Watt)

Rugi Tembaga (Watt)

50 100 160 200 250 315 400 500 800

1000 1250 1600

75 150 300 400 480 600 770 930

1100 1750 2300 2500 3000

425 800

1600 2000 2500 3000 3900 4600 5500 9100

12100 15000 18100

2.1.2 Klasifikasi Beban Transformator Distribusi

Tujuan utama dari adanya alat transformator distribusi dalam sistem tenaga listrik adalah untuk mendistribusikan tenaga listrik dari gardu induk ke sejumlah pelanggan atau konsumen. Pada Tabel 2.2 berikut ini adalah klasifikasi pelanggan listrik yang dilayani oleh PLN [3]:

Beban Yang Dilayani No Golongan Tarif Batas Daya

1 S-1 / TR 220 VA

2 S-2 / TR 450 VA TARIF S

3 S-2 / TR 900 VA ( Sosial )

4 S-2 / TR 1300 VA

5 S-2 / TR 2200 VA

6 S-2 / TR > 2200 VA s/d 200 KVA S-3 / TM > 200 KVA

1 R-1 / TR s/d 450 VA

2 R-1 / TR 900 VA TARIF R

3 R-1 / TR 1300 VA ( Perumahan )

4 R-1 / TR 2200 VA

5 R-2 / TR > 2200 VA – 6600 VA

6 R-3 / TR > 6600 VA

1 B-1 / TR s/d 450 VA

2 B-1 / TR 900 VA TARIF B

3 B-1 / TR 1300 VA ( Bisnis )

4 B-1 / TR 2200 VA

2 I-1 / TR 900 VA TARIF I

3 I-1 / TR 1300 VA ( Industri )

4 I-1 / TR 2200 VA

5 I-1 / TR > 2200 VA s/d 14 KVA

6 I-2 / TR > 14 KVA s/d 200 KVA

7 I-3 / TM > 200 KVA

8 I-4 / TT > 30000 KVA

1 P-1 / TR s/d 450 VA

2 P-1 / TR 900 VA TARIF P

3 P-1 / TR 1300 VA ( Perkantoran )

4 P-1 / TR 2200 VA

5 P-1 / TR > 2200 VA s/d 200 KVA P-2 / TM > 200 KVA P-3 / TR LPJU

Keterangan : S = Pelanggan Listrik Sosial R = Pelanggan Listrik Perumahan

TR = Tegangan Rendah TM = Tegangan Menengah TT = Tegangan Tinggi LPJU = Lampu Penerangan Jalan Umum

2.1.3 Rugi-Rugi Transformator [1]

Secara umum rugi-rugi ynag terjadi pada transformator dapat digambarkan dalam sebuah blok diagram, seperti ditunjukkan Gambar 2.2 dibawah ini.

Rugi tembaga Rugi tembaga Keluar an

Rugi fluks bocor Rugi besi: Histeresis dan Arus eddy

Gambar 2.2 Block Diagram Rugi-Rugi pada Transformator

Kumparan ssekunder Fluks bersama

Kumparan Primer Sumber Rugi tembaga adalah rugi yang disebabkan arus beban mengalir pada kawat penghantar dapat ditulis sebagai berikut:

= R (watt) .......................................................................... (2.1)

Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah – ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban.

2.1.3.2 Rugi Besi ( )

Rugi besi terdiri atas:

a. ), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak – balik pada Rugi Histeresis (

ℎ

inti besi yang dinyatakan sebagai berikut:

= (watt) .............................................................. (2.2)

= konstanta

ℎ

= fluks maksimum (weber)

b. ), yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi Rugi Arus Eddy ( yang dinyatakan sebagai berikut:

= (watt) .............................................................. (2.3)

= konstanta = fluks maksimum (weber)

Komponen rugi-rugi trafo ini meningkat dengan kuadrat dari frekuensi arus penyebab eddy current. Oleh karena itu, ini menjadi

+ = (watt) .............................................................. (2.4) Peningkatan rugi inti yang disebabkan oleh harmonisa bergantung pada pengaruh harmonisa pada tengangan yang diberikan dan rancangan dari inti trafo. Semakin besar distorsi tengangan maka semakin tinggi pula eddy current dilaminasi inti.

2.2 Faktor-K

Sebuah transformator standart (K-1) tidak dirancang pada penggunaan beban non-linear yang mengandung arus harmonisa. Apabila transformator standar dipaksa untuk digunakan pada beban non-linear, maka akan terjadi panas berlebih dan gagal sebelum waktunya. Dengan alasan tersebut maka untuk mengatasi beban non-linear telah dirancang transformator khusus untuk menangani arus harmonisa yang terjadi.

K-faktor transformator berbeda dari standar. Transformator ini memiliki kapasitas termal tambahan untuk mentoleransi efek pemanasan dari arus harmonisa karena memiliki nilai impendasi yang rendah. Transformator K-faktor jauh lebih mahal dari transformator standar, karena transformator jenis ini didesain menggunakan bahan material yang berkualitas. Penggunaan K-faktor transformator adalah cara yang baik untuk memastikan bahwa transformator tidak mengakibatkan bertambahnya rugi estimasi pada transformator. Faktor-k ini didefinisikan sebagai penjumlahan dari kuadrat arus harmonisa dalam p.u dikali dengan kuadrat dari urutan harmonisa. Dibentuk dengan persamaan berikut [4]:

K = ∑

∑ ℎ 2 ∞

1.15 1+0.15 K

IEEE C57.100-1986, D =

transformer atau derate a standard transformer. Faktor derating untuk standar

non-harmonic transformator dapat dihitung dengan menggunakan metode dari

= Harga arus harmonisa ke-h h = Orde harmonisa (2,3,4,5,...) Transformator khusus dirancang untuk digunakan dengan beban non-linear ditandai "cocok untuk beban arus non-sinusoidal dengan K-faktor yang tidak melebihi" dimana standar rating K-factor adalah 4,9,13,20,30,40,50. Ketika k-faktor melebihi 4, menjadi perlu untuk menggunakan K-rated

ℎ

.......................................................................... (2.6) Dimana :

ℎ=1

2 ℎ 2 ∞ ℎ=1

(

∑ ℎ

K =

) .............................................................. (2.5) Persamaan 2.20 dapat juga dinyatakan sebagai berikut:

2 ∞ ℎ=1

∗ ℎ

ℎ

...................................................................................... (2.7) yaitu [5]: Dimana : yang disuplai oleh transformator. Tabel 2.3 menunjukkan gambaran singkat tentang K-factor rating berdasarkan tipe dari beban [6] .

Tabel 2.3 K- Factors for various types of Loads

Load K-Factor Electric discharge lighting K-4 UPS with optional input filtering K-4 Welders K-4

Induction heating equipment K-4 PLCs and solid state controls (other than variable speed drives) K-4 Telecommunications equipments (e.g PBX) K-13 UPS without input filtering K-13

Multiwire receptacle circuits in general care areas of health care facilities and K-13 classrooms of schools, etc Multiwire receptacle circuits supplying inspection or testing equipment on an K-13 assembly or production line

Mainframe computer loads K-20 Solid state motor drives (variable speed drives) K-20

Multiwire receptacle circuits in critical care areas and operating/recovery K-20 Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul dari pengoperasian beban listrik yang sebagian besar diakibatkan dari beban non linear, dimana akan terbentuk gelombang yang berfrekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamentalnya, dalam hal ini 50Hz, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan yang idealnya adalah sinusiodal murni akan cacat akibat distorsi harmonisa yang terjadi.

Harmonisa didefenisikan sebagai gelombang-gelombang sinus (arus dan tegangan) yang mempunyai frekuensi kelipatan integer (bilangan bulat) dari frekuensi fundamentalnya.(di Indonesia adalah 50 Hz) [7].

Jika frekuensi pada 50/60 Hz (Indonesia menggunakan 50 Hz) dikatakan sebagai frekuensi fundamental/ frekuensi dasar (f), maka jika gelombang tersebut mengalami distorsi atau dikatakan harmonisa bila mengalami kelipatan frekuensi dari frekuensi dasarnya, misalnya harmonik kedua (2f) pada 100 Hz , ketiga (3f) 150 Hz dan harmonisa ke-n memiliki frekuensi nf seperti ditunjukkan oleh

Gambar 2.3. Gelombang-gelombang ini akan menumpang pada gelombang frekuensi dasarnya dan akan terbentuk gelombang cacat yang merupakan

penjumlahan antara gelombang murni dengan gelombang harmonisa ke-3 seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.4 sebagai berikut [8]:

V1 V2

V3 ^{1 cycle} ^{1 cycle} _{1 cycle} ^Fundamental ^{V1 sin wt} ^{Second Harmonic} ^{V2 sin 2wt} _{Third Harmonic} _{V3 sin 3wt}

Gambar 2.3 Gelombang Fundamental, Harmonisa kedua dan Harmonisa ketiga

Fundamental Third Harmonic Fundamental + Third Harmonic

V (t) µ 2µ wt

Gambar 2.4 Gelombang Fundamental yang terdistorsi Harmonisa Ke-3

Pada Gambar 2.4 ditunjukkan bahwa gelombang harmonisa yang ketiga terbentuk menjadi tiga periode gelombang yang berulang pada saat gelombang yang berulang pada saat gelombang yang fundamentalnya masih berlangsung dalam satu periode. Hal ini juga untuk gelombang yang lainnya, seperti gelombang harmonisa yang ke lima juga terbentuk menjadi lima periode

Alat-alat pemakaian tenaga listrik secara umum dapat dibagi dalam empat kelompok besar : penerangan, tenaga, pemanasan/pendingin dan elektronik.

Data kelompok penerangan termasuk lampu-lampu pijar dan flouresen, neon, uap merkuri, uap sodium dan lampu metal halide. Beban Tenaga umumnya terdiri atas berbagai jenis motor listrik dan untuk beban pemanasan banyak terdapat pada industri sedangkan radio, televisi, sinar-x, peralatan laser, komputer, peralatan digital, penyearah, osilator dan alat-alat lampu yang dioperasikan dengan elektronik.

Secara umum dalam sistem ketenagalistrikan, pemakaian tenaga listrik pada empat kelompok besar diatas tidak megkonsumsi tenaga listrik pada pada waktu yang bersamaan. Pemakaian beban untuk keperluan penerangan adalah yang paling sederhana, karena pada umumnya tenaga listrik hanya digunakan mulai pukul 18.00 sampai dengan pukul 06.00.

Pemakaian beban untuk keperluan tenaga (industri kecil dan besar), umumnya bekerja 24 jam untuk industri besar dan industri kecil hanya bekerja pada siang hari saja. Sehingga untuk perubahan beban pada industri besar terjadi pada saat pagi saja, dan nilainya sangat kecil, selebihnya hampir kontiniu, sedangkan untuk industri kecil perubahan beban sangat mencolok antara siang dan malam.

Harmonisa pertama disebut juga frekuensi dasar (fundamental). Jika frekuensi gelombang harmonisanya sama dengan dua kali frekuensi dasarnya maka disebut harmonisa kedua, jika frekuensi gelombang harmonisanya sama dengan tiga kali frekuensi fundamental maka disebut harmonisa ketiga dan seterusnya. Apabila frekuensi fundamental adalah 50 Hz maka harmonisa keduanya mempunyai frekuensi 100 Hz, harmonisa ketiganya mempunyai frekuensi 150 Hz, dan seterusnya. Perbandingan frekuensi harmonik dengan frekuensi dasar ini disebut dengan orde harmonik.

Berdasarkan dari urutan/ordenya, harmonisa dapat dibedakan menjadi harmonisa ganjil dan harmonisa Genap. Sesuai dengan namanya harmonisa ganjil adalah harmonisa ke 1, 3, 5, 7, 9, dan seterusnya. Sedangkan harmonisa Genap merupakan harmonisa ke 2, 4, 6, 8 dan seterusnya. Namun harmonisa pertama tidak dapat dikatakan sebagai hamonisa ganjil, karena merupakan komponen frekuensi fundamental dari gelomabang periodik. Sedangkan harmonisa 0 (nol) mewakili konstanta atau komponen DC dari gelombang.

Pada suatu sistem tenaga listrik tiga phasa yang seimbang diasumsikan mempunyai urutan phasa R,S,T (a,b,c), dimana besar arus dan tegangan pada

setiap phasa selalu sama dan berbeda sudut 120 listrik satu sama lain. Sehingga berdasarkan urutan phasanya, harmonisa dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu :

Harmonisa urutan Positif Harmonisa urutan positif ini mempunyai urutan phasa yang sama seperti fasor aslinya yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, dan saling berbeda phasa 120 (R,S,T atau a,b,c). Gambar 2.5 menunjukkan fundamental fasor merupakan harmonisa urutan positif. Dimana harmonisa positif ini terdiri dari harmonisa ke-1, ke-4, ke-7, ke-10, dan seterusnya.

I c1 Positive phase sequence

I a1 I b1

Gambar 2.5 Fundamental Fasor 2.

Harmonisa urutan Negatif Harmonisa urutan negatif memilki urutan phasa yang berlawanan dengan fasor aslinya yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, dan saling

berbeda phasa 120 (R,T,S atau a,c,b)Seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 2.6. Dimana harmonisa negatif ini terdiri dari harmonisa ke-2, ke- 5, ke-8, dan seterusnya.

I b5 Negative phase sequence

I a5 I c5

Gambar 2.6 Fasor Harmonik Urutan Negatif 3.

Harmonisa urutan Kosong/Nol (zero sequence) Harmonisa urutan Nol ini memiliki fasor yang sama besarnya dan sephasa satu sama lain (beda phasa satu sama lain 0 ), harmonisa ini juga biasa disebut triplen harmonics. Harmonisa urutan nol terdiri dari harmonisa ke- 3, ke-6, ke-9, dan seterusnya seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.7 sebagai berikut:

Zero phase sequence

I a3, I b3, I c3

Gambar 2.7 Fasor Harmonik Urutan Nol

Dari jenis-jenis harmonisa berdasarkan urutan phasa diatas maka dapat disimpulkan dalam Tabel 2.4 sebagai berikut: Harmonisa Ke-

6 7 8… Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400…

Urutan

… -

2.3.3 Sumber Harmonisa

Harmonisa bisa muncul dari beban-beban yang terhubung ke sistem distribusi. Beban-beban pada sistem tenaga listrik dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu beban linier dan beban non-linier yang akan dijelaskan sebagai berikut [7]:

1. Beban Linear.

Beban linear adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluran yang linear, artinya arus yang mengalir sebanding dengan impendansi dan perubahan tegangan. Pada beban yang linear, bentuk gelombang arus akan mengikuti bentuk gelombang tegangannya. Kalau bentuk gelombang tegangan sumbernya sinusiodal, maka gelombang arus yang mengalir juga akan sinusoidal

2. Beban Non Linear.

Baban non linear adalah bentuk gelombang keluarnanya tidak sebanding masukkannya (mengalami Distorsi). Dari dua macam beban diatas, yang paling mampu menjadi sumber

Harmonisa adalah beban non linear. Hal ini disebabkan karena adanya komponen semikonduktor yang mana dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Selain itu harmonisa dapat juga ditimbulkan oleh peralatan penyearah khususnya peralatan yang menggunakan penyearah dioda dan thyristor. Dalam pemakaian konverter sebagai sumber daya listrik dapat membawa suatu kerugian pada jaringan listrik yang merusak bentuk gelombang tegangan dan arus bolak-balik sehingga tidak merupakan gelombang sinus murni. Peralatan-Peralatan yang dapat menjadi sumber harmonisa :

Peralatan industri seperti: Mesin Las, UPS (Uninterruptible Power Suplies ), Kontrol Kecepatan Kotor dan sebagainya.
Conditioning Load, Elevator, Drive dan sebagainya.

Perlengkapan kantor seperti: Komputer, Mesin Fotocopy, Mesin Fax, Air

sebagainya.

Perlengkapan rumah tangga seperti: Televisi, Microwave, Lampu dan

2.3.4 Indeks Harmonisa

Dalam menganalisa harmonik terdapat beberapa indeks yang penting

2.3.4.1 Total Harmonic Distortion (THD)

Total Harmonic Distortion (THD) didefenisikan sebagai persentase total

komponen harmonik terhadap komponen fundamentalnya. Indeks ini digunakan untuk mengukur deviasi bentuk gelombang periodik yang mengandung harmonik dari gelombang sinus sempurna. Pada saat terjadi gelombang sinus sempurna maka nilai THD adalah nol. Berikut ini adalah rumus THD untuk tegangan dan arus [4]. THD untuk gelombang tegangan adalah :

∞

2 �∑

ℎ=2 ℎ

= .............................................................. (2.8)

1 Dimana :

= Harga rms tegangan fundamental

= Harga rms tegangan harmonisa ke-h

ℎ h = 2,3,4,5,...

THD untuk gelombang arus adalah :

∞

2 �∑

ℎ=2 ℎ

= .............................................................. (2.9)

1 Dimana :

ℎ h = 2,3,4,5,...

2.3.4.2 Individual Harmonic Distortion (IHD) [8]

Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah perbandingan antara nilai

Root Mean Square (RMS) dari harmonic individual dengan nilai RMS

fundamental . IHD ini berlaku untuk tegangan dan arus.

I h

......................................................................... (2.10) Dimana : I n

I = Harga harmonisa ke-h

1 h = 2,3,4,5,...

= Harga rms arus fundamental Menurut standar Institute of Electronics Engineers (IEEE), IHD

akan selalu bernilai 100%.

2.3.5 Standar Harmonisa [9]

Standar harmonisa yang digunakan adalah standar IEEE 519 “ IEEE

Recommended Practices and Requiretment for harmonic Control in electric in

Electrical Power System “, ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. Untuk menentukan %THD

tergantung dari besarnya rasio dari Isc/IL. Isc adalah arus hubng singkat yang ada pada PCC (Point of Comman Coupling ) sedangkan IL adalah arus beban nominal.

%THD

V adalah persentase jumlah total tegangan yang terdistorsi oleh

harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. %THD

V ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai.

Pada tabel 2.5 ditunjukkan batasan harmonisa arus berdasarkan IEEE 519, sedangkan tabel 2.6 menunjukkan batasan harmonisa tegangan.

Tabel 2.5 Standar Distorsi Arus Untuk Sistem Distribusi

Maximum harmonic current distortion in % IL Individual harmonic order (ODD harmonics)

Isc/IL < 11

11 H TDD ≤ h <17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 ≥ 35

< 20

1.5

0.6

0.3

5 20 – 50

3.5

2.5

0.5

8 50 – 100

4.5

1.5

0.7

12 100 – 1000

5.5

15 >1000

2.5

1.4

Tabel 2.6 Standar Distorsi Tegangan

Maximum distortion (in %) System voltage

Below 69 kv 69 – 138 kv > 138 kv Individual harmonic

3.0

1.5

1.0 Total harmonic

5.0

2.5

1.5

BAB II DASAR TEORI 2.1 Transformator Distribusi - Analisa Pengaruh Harmonisa Terhadap Faktor-K Pada Transformator