Analisis Kedip Tegangan Akibat Pengasutan Motor Induksi
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Konsep Kualitas Daya Listrik
Istilah kualitas daya listrik merupakan suatu konsep yang memberikan
gambaran tentang baik atau buruknya mutu daya listrik akibat adanya gangguan
yang terjadi pada sistem kelistrikan.
Ada empat alasan utama yang menyebabkan kualitas daya semakin
menjadi perhatian saat ini, yaitu[2]:
1. Pertumbuhan beban-beban listrik dewasa ini bersifat lebih peka terhadap
kualitas
daya listrik seperti
sistem
kendali
dengan
berbasis pada
mikroprosesor dan perangkat elektronika daya.
2. Meningkatnya perhatian yang ditekankan pada efisiensi sistem daya listrik
secara
menyeluruh,
sehingga
menyebabkan
terjadinya
peningkatan
penggunaan peralatan yang mempunyai efisiensi tinggi, seperti pengaturan
kecepatan motor listrik dan penggunaan kapasitor untuk perbaikan faktor
daya.
Penggunaan
peralatan-peralatan
tersebut
dapat
mengakibatkan
peningkatkan terhadap tingkat harmonik pada sistem daya listrik, dimana
dampak harmonisa tersebut dapat menurunkan kemampuan dari sistem daya
listrik itu sendiri.
3. Meningkatnya kesadaran bagi para pengguna energi listrik terhadap masalah
kualitas daya listrik. Para pengguna utilitas kelistrikan menjadi lebih pandai
dan bijaksana mengenai persoalan seperti interupsi, sags, dan peralihan
3
Universitas Sumatera Utara
transien dan merasa berkepentingan untuk meningkatkan kualitas distribusi
daya listriknya.
4. Sistem tenaga listrik yang saling berhubungan dalam suatu jaringan
interkoneksi, di mana sistem tersebut memberikan suatu konsekuensi bahwa
kegagalan dari setiap komponen dapat mengakibatkan kegagalan pada
komponen lainnya.
Ukuran keandalan dan kualitas listrik secara umum ditentukan oleh
beberapa parameter sebagai berikut[1]:
1. Frekuensi dengan satuan Hertz (Hz).
Yaitu jumlah siklus arus bolak-balik (Alternating Current, AC) per detik.
Beberapa negara termasuk Indonesia menggunakan frekuensi listrik standar,
sebesar 50 Hz.
Frekuensi listrik ditentukan oleh kecepatan perputaran dari turbin sebagai
penggerak mula. Salah satu contoh akibat dari frekuensi listrik yang tidak
stabil adalah akan mengakibatkan perputaran motor listrik sebagai penggerak
mesin-mesin produksi di industri manufaktur juga tidak stabil, dimana hal ini
akan mengganggu proses produksi.
Gangguan-gangguan yang terjadi pada sistem frekuensi:
a. Penyimpangan terus-menerus (continuous deviation); frekuensi berada
diluar batasnya pada saat yang lama (secara terus-menerus), frekuensi
standar 50 Hz dengan toleransi 0,6 Hz (49,4 – 50,6 Hz).
b. Penyimpangan sementara (transient deviation); penurunan atau penaikkan
frekuensi secara tiba-tiba dan sesaat.
4
Universitas Sumatera Utara
2. Tegangan dengan satuan Volt (V).
Tegangan yang baik adalah tegangan yang tetap stabil pada nilai yang
telah ditentukan. Walaupun terjadinya fluktuasi (ketidakstabilan) pada
tegangan ini tidak dapat dihindarkan, tetapi dapat diminimalkan.
Gangguan pada tegangan antara lain:
a. Fluktuasi Tegangan; seperti: tegangan lebih (overvoltage), tegangan
kurang (undervoltage) dan tegangan getar (flicker).
Tegangan lebih pada sistem akan mengakibatkan arus listrik yang
mengalir menjadi besar dan mempercepat kemunduran isolasi sehingga
menyebabkan kenaikan rugi-rugi daya dan operasi, memperpendek umur
kerja peralatan dan yang lebih fatal akan terbakarnya peralatan tersebut.
Peralatan-peralatan yang dipengaruhi saat terjadi tegangan lebih adalah
transformer, motor-motor listrik, kapasitor daya dan peralatan kontrol
yang menggunakan coil/kumparan seperti solenoid valve, magnetic switch
dan relay. Tegangan lebih biasanya disebabkan karena eksitasi yang
berlebihan pada generator listrik (over excitation), sambaran petir pada
saluran transmisi, proses pengaturan atau beban kapasitif yang berlebihan
pada sistem distribusi.
Tegangan kurang pada sistem akan mengakibatkan berkurangnya
intensitas cahaya (redup) pada peralatan penerangan, bergetar dan terjadi
kesalahan operasi pada peralatan kontrol seperti automatic valve, magnetic
switch dan auxiliary relay, menurunnya torsi pada saat start (starting
torque) pada motor-motor listrik. Tegangan kurang biasanya disebabkan
oleh kurangnya eksitasi pada generator listrik (drop excitation), saluran
5
Universitas Sumatera Utara
transmisi yang terlalu panjang, jarak beban yang terlalu jauh dari pusat
distribusi atau peralatan yang sudah berlebihan beban kapasitifnya.
b. Kedip Tegangan (voltage sag); adalah turunnya tegangan (umumnya
sampai 10%) dalam perioda waktu yang sangat singkat (dalam mili detik).
Penyebabnya adalah hubungan singkat (short circuit) antara fasa dengan
tanah atau fasa dengan fasa pada jaringan distibusi. Tegangan kedip dapat
mengakibatkan
gangguan
pada:
stabilisator
tegangan
arus
DC,
electromagnetic switch, variable speed motor, high voltage discharge
lamp dan under voltage relay.
c. Harmonisa Tegangan (voltage harmonic); adalah komponen-komponen
gelombang sinus dengan frekuensi dan amplitudo yang lebih kecil dari
gelombang asalnya (bentuk gelombang yang cacat). Contoh :
Gelombang asal: (28,3) sin (߱t) kV.
Harmonisa ke-3: (28,3/3) sin (3߱t) kV.
Harmonisa ke-5: (28,3/5) sin (5߱t) kV.
Harmonisa Tegangan dapat mengakibatkan : panas yang berlebihan,
getaran keras, suara berisik dan terbakar pada peralatan capacitor reactor
(power capacitor); meledak pada peralatan power fuse (power capacitor);
salah beroperasi pada peralatan breaker; suara berisik dan bergetar pada
peralatan rumah tangga (seperti : TV, radio, lemari pendingin dsb.) ; dan
pada peralatan motor listrik, elevator dan peralatan-peralatan kontrol akan
terjadi suara berisik, getaran yang tinggi, panas yang berlebihan dan
kesalahan operasi. Kontribusi arus harmonisa akan menyebabkan cacat
(distorsi) pada tegangan, tergantung seberapa besar kontribusinya.
6
Universitas Sumatera Utara
Cara mengurangi pengaruh harmonisa tegangan yang terjadi pada
sistem adalah dengan memasang harmonic filter yang sesuai pada
peralatan-peralatan yang dapat menyebabkan timbulnya harmonisa seperti
arus magnetisasi transformer, static VAR compensator dan peralatanperalatan elektronika daya (seperti inverter, rectifier, converter, dsb.)
d. Ketidakseimbangan tegangan (Unbalance Voltage); umumnya terjadi di
sistem distribusi karena pembebanan fasa yang tidak merata.
Gangguan-gangguan tegangan sebagaimana dijelaskan diatas dapat
menyebabkan peralatan-peralatan yang menggunakan listrik, beroperasi
secara tidak normal dan yang paling fatal adalah kerusakan atau
terbakarnya peralatan.
3. Interupsi atau Pemadaman Listrik
Interupsi ini dapat dibedakan menjadi:
a. Pemadaman
yang
direncanakan
(Planned
Interruption/scheduled
interruption); adalah pemadaman yang terjadi karena adanya pekerjaan
perbaikan atau perluasan jaringan pada sistem tenaga listrik.
b. Pemadaman yang tidak direncanakan (Unplanned Interruption); adalah
pemadaman yang terjadi karena adanya gangguan pada sistem tenaga
listrik seperti hubung singkat (short circuit).
7
Universitas Sumatera Utara
2.1.1 Jenis - Jenis Permasalahan Kualitas Daya Listrik
Permasalahan kualitas daya listrik disebabkan oleh gejala-gejala atau
fenomena-fenomena elektromagnetik yang terjadi pada sistem tenaga listrik.
Gejala-gejala elektromagnetik yang menyebabkan permasalahan kualitas daya
adalah[3]:
1. Gejala Peralihan (Transient). Yaitu suatu gejala perubahan variabel (tegangan,
arus dan lain-lain) yang terjadi selama masa transisi dari keadaan operasi
tunak (steady state) menjadi keadaan yang lain.
2. Gejala Perubahan Tegangan Durasi Pendek (Short-Duration Variations).
Yaitu suatu gejala perubahan nilai tegangan dalam waktu yang singkat yaitu
kurang dari 1 (satu) menit.
3. Gejala Perubahan Tegangan Durasi Panjang (Long-Duration Variations).
Yaitu suatu gejala perubahan nilai tegangan, dalam waktu yang lama yaitu
lebih dari 1 (satu) menit.
4. Ketidakseimbangan Tegangan (Voltage Imbalance). Yaitu gejala perbedaan
besarnya tegangan dalam sistem tiga fasa serta sudut fasanya.
5. Distorsi Gelombang (Waveform Distortion). Yaitu gejala penyimpangan dari
suatu gelombang (tegangan dan arus) dari bentuk idealnya berupa gelombang
sinusoidal.
6. Fluktuasi Tegangan (Voltage Fluctuations). Yaitu gejala perubahan besarnya
tegangan secara sistematik.
7. Gejala Perubahan Frekuensi Daya (Power Frequency Variations). Yaitu gejala
penyimpangan frekuensi daya listrik pada suatu sistem tenaga listrik.
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.2 Gejala Peralihan (Transient)[3]
Gejala peralihan / transien terdiri dari dua jenis yaitu transien impuls dan
transien osilasi. Transien impuls adalah gejala transien yang mempunyai satu arah
polaritas, yaitu polaritas positif atau negatif. Sedangkan transien osilasi adalah
gejala transien yang mempunyai dua arah polaritas, yaitu polaritas positif dan
negatif.
Sumber utama transien yang terjadi pada sistem utilitas kelistrikan adalah
petir dan pensaklaran kapasitor. Tegangan tinggi petir merupakan sumber gejala
peralihan impuls, di mana surja petir hanya mempunyai satu polaritas saja.
Sedangkan proses membuka dan menutupnya saklar kapasitor daya dapat
menghasilkan gejala peralihan osilasi, karena mempunyai dua polaritas, yaitu
positif dan negatif.
Gambar 2.1 Transien Impuls Arus Petir [3]
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Transien Osilasi Disebabkan Switching Kapasitor Daya[3]
2.1.3 Gejala
Perubahan
Tegangan
Durasi
Pendek
(Short-Duration
Variations)[3]
Berdasarkan waktu lama kejadian, gejala variasi durasi pendek terdiri dari
3 jenis, yaitu instantaneous, momentary, dan temporary. Perubahan tegangan
instantaneous atau waktu seketika, terjadi dalam waktu 0,5 sampai 30 cycles;
sedangkan momentary dalam waktu 30 cycles sampai 3 detik dan perubahan
tegangan tipe temporary terjadi dalam waktu 3 detik sampai 1 menit. Berdasarkan
nilai perubahan tegangan, gejala variasi durasi pendek ini dibedakan menjadi 3
jenis yaitu : interuption, sag dan swell.
Gejala perubahan tegangan durasi pendek dapat disebabkan oleh gangguan
karena suatu proses penyulangan energi listrik terhadap beban yang besar, dimana
pada saat penyulangan tersebut diperlukan arus awal yang tinggi, atau lepasnya
koneksitas pengkabelan listrik yang kadang-kadang terjadi. Jenis-jenis perubahan
tegangan durasi pendek (interuption, sag dan swell) tergantung dari lokasi
gangguan dan kondisi sistem. Dampak dari perubahan nilai tegangan durasi
10
Universitas Sumatera Utara
pendek ini sebenarnya adalah kondisi pada saat gangguan selama peralatan
proteksi beroperasi untuk menghilangkan gangguan tersebut.
2.1.3.1 Interuption
Interupsi adalah gangguan yang terjadi ketika tegangan suplai atau arus
beban menurun sampai kurang dari 0,1 pu (per unit) untuk periode waktu tidak
lebih dari 1 menit. Interupsi diukur dengan lamanya waktu terjadi gangguan, di
mana besarnya tegangan yang terjadi pada saat gangguan selalu kurang dari 10
persen dari tegangan nominalnya. Lama terjadinya interupsi dikarenakan oleh
gangguan pada sistem utilitas dan ditentukan oleh waktu pengoperasian dari
peralatan proteksi. Peralatan proteksi (recloser) pada umumnya akan membatasi
interupsi disebabkan oleh gangguan non permanen kurang dari 30 siklus.
Lamanya gangguan karena kesalahan fungsi peralatan atau koneksitas peralatan
yang longgar atau kurang baik.
2.1.3.2 Sags
Sags atau dips atau jatuh tegangan adalah suatu peristiwa penurunan
tegangan antara 0,1 dan 0,9 pu dari rms tegangan pada frekuensi dayanya selama
0,5 siklus sampai 1 menit. Komunitas peneliti tentang kualitas daya telah
menggunakan istilah sags selama bertahun-tahun untuk menggambarkan peristiwa
penurunan tegangan dalam waktu yang pendek.
Meskipun istilah ini tidak ditetapkan secara resmi, tapi semakin diterima
dan digunakan oleh pengguna dan produsen sistem tenaga listrik. Namun IEC
mendefinisikan untuk fenomena ini sebagai dip.
Terminologi yang digunakan untuk menggambarkan besarnya penurunan
tegangan masih sering membingungkan. “Sag 20 persen" dapat memberikan
11
Universitas Sumatera Utara
gambaran terhadap menurunnya tegangan menjadi 0,8 pu atau menurunnya
tegangan hingga menjadi 0,2 pu. Maka harus disepakati pengertian yang
bagaimana yang dipakai. Nilai nominal atau nilai dasar dari suatu tegangan juga
harus ditentukan. Sags tegangan biasanya terkait dengan kesalahan atau gangguan
dari sistem, tetapi dapat juga terjadi karena penyulangan terhadap suatu beban
besar atau memulai pengoperasian motor berkapasitas besar. Gambar 2.3 di
bawah ini memperlihatkan sebuah sag tegangan karena adanya gangguan satu fasa
ke tanah.
Gambar 2.3 Sag Tegangan Karena Gangguan Satu Fasa Ke Tanah[3]
2.1.3.3 Swells
Swells adalah suatu peristiwa di mana tegangan mengalami kenaikan
antara 1,1 dan 1,8 pu dari tegangan rms atau arus pada frekuensi dayanya, dengan
lama gangguan 0,5 siklus ke 1 menit. Seperti halnya dengan sags, naiknya
tegangan ini biasanya dikaitkan dengan kondisi karena gangguan atau kesalahan
12
Universitas Sumatera Utara
sistem. Salah satu contoh swells adalah terjadinya kenaikan tegangan sementara
pada saat gangguan satu fasa ke tanah.
Lonjakan kenaikan tegangan dapat juga disebabkan oleh adanya
pemutusan beban besar atau penyulangan terhadap bank kapasitor. Karakteristik
swells dapat diketahui dengan melihat besar kenaikan tegangan dan lamanya
peristiwa itu terjadi. Besarnya kenaikan tegangan yang terjadi dipengaruhi oleh
letak gangguan, besarnya impedansi sistem tenaga serta sistem pentanahannya.
Pada sistem yang tidak diketanahkan dengan impedansi urutan nol yang tak
terhingga, maka tegangan fasa akan mengalami kenaikan sebesar 1,73 pu pada
saat terjadi gangguan satu fasa ke tanah. Untuk gangguan yang terjadi dengan
lokasi berada dekat gardu induk, maka akan terdapat sedikit atau tidak ada
kenaikan tegangan pada fasa yang tidak sehat, karena trafo daya pada gardu induk
biasanya terhubung delta – bintang yang menyediakan impedansi urutan nol yang
rendah, sebagai saluran untuk arus gangguan ke tanah.
2.1.4 Gejala
Perubahan
Tegangan
Durasi
Panjang
(Long-Duration
Variations)[3]
Gejala
perubahan
tegangan
durasi
panjang
mempunyai
waktu
penyimpangan terhadap frekuensi dayanya selama lebih dari 1 menit. Jenis dari
gejala variasi durasi panjang ada 3 (tiga), yaitu : overvoltages, undervoltages, dan
sustained interuption. Gejala perubahan tegangan durasi panjang umumnya
berasal bukan dari kesalahan atau gangguan sistem, tetapi disebabkan oleh
perubahan beban pada sistem dan pada saat pengoperasian pensaklaran sistem.
13
Universitas Sumatera Utara
Gejala perubahan tegangan durasi panjang biasanya ditampilkan sebagai grafik
tegangan rms terhadap waktu.
2.1.4.1 Overvoltage
Overvoltages atau tegangan lebih adalah suatu gejala peningkatan nilai
tegangan rms bolak-balik sebesar lebih dari 110 persen pada frekuensi daya untuk
waktu lebih dari 1 menit. Overvoltages biasanya akibat operasi pensaklaran beban
(misalnya switching dari sebuah beban besar atau kapasitor bank).
2.1.4.2 Undervoltage
Undervoltage adalah suatu gejala penurunan tegangan rms bolak-balik
sebesar kurang dari 90 persen dari nilai tegangan nominal pada frekuensi daya
untuk durasi lebih dari 1 menit. Undervoltages adalah hasil dari suatu peristiwa
kembalinya keadaan overvoltage menuju keadaan normalnya. Sebuah operasi
pensaklaran beban atau memutuskan kapasitor bank dapat menyebabkan
undervoltage, sampai keadaan di mana peralatan pengaturan tegangan pada sistem
tegangan tersebut dapat membawa kembali pada toleransi nilai tegangan yang
standar.
2.1.4.3 Interupsi Berkelanjutan (Sustained Interruptions)
Pada saat tegangan suplai dari sebuah sistem tenaga menjadi nol untuk
jangka waktu lebih dari 1 menit, maka gejala perubahan tegangan ini disebut
interupsi atau pemadaman berkelanjutan. Gangguan tegangan yang terjadi lebih
dari 1 menit merupakan gangguan permanen yang membutuhkan campur tangan
tenaga teknisi untuk memperbaiki sistem tenaga tersebut, agar kembali menjadi
normal seperti sebelum terjadinya gangguan. Istilah pemadaman berkelanjutan
(sustained interuption) mengacu pada fenomena yang terjadi sistem tenaga listrik
14
Universitas Sumatera Utara
tertentu dan secara umum tidak ada hubungannya dengan penggunaan istilah
outage. Istilah outage lebih menerangkan keluarnya komponen dari sistem tenaga
listrik, di mana hal ini lebih berhubungan dengan keandalan dari suatu sistem
tenaga listrik.
2.1.5 Ketidak-seimbangan Tegangan (Voltage Imbalance)[3]
Ketidak-seimbangan tegangan (voltage imbalance atau unbalance)
didefinisikan sebagai penyimpangan atau deviasi maksimum dari nilai rata-rata
tegangan sistem tiga fase tegangan atau arus listrik, dibagi dengan nilai rata-rata
tegangan tiga fasa atau arus tersebut, dan dinyatakan dalam persen.
Gambar 2.4 Ketidak-seimbangan Tegangan Pada Sistem Tenaga Perumahan[3]
Ketidak-seimbangan
dapat
didefinisikan
menggunakan
komponen
simetris. Rasio atau perbandingan nilai tegangan komponen urutan negatif atau
15
Universitas Sumatera Utara
urutan nol dengan nilai tegangan komponen urutan positif dapat digunakan untuk
menentukan persentase ketidakseimbangan. Gambar 2.4 menunjukkan contoh
kedua buah perbandingan tersebut, yang menggambarkan ketidak-seimbangan
tegangan selama 1 minggu yang terjadi pada saluran tenaga untuk perumahan.
Besarnya ketidak-seimbangan tegangan yang pada sumber utama tidak
boleh lebih dari 2 %. Nilai kritis dari keadaan ketidakseimbangan tegangan adalah
jika nilai persentase perbandingannya melebihi 5 %, hal ini biasanya terjadi
karena terputusnya salah satu fasa dari sistem tenaga listrik tiga fasa.
2.1.6 Distorsi Gelombang (Waveform Distortion)[3]
Distorsi gelombang didefinisikan sebagai suatu penyimpangan bentuk
gelombang dari benuk normal sinusoidal sesuai dengan frekuensi dayanya, pada
keadaan tanpa gangguan (steady state). Terdapat lima jenis penyimpangan bentuk
gelombang yang terjadi, yaitu: DC Offset, Harmonisa, Interharmonisa, Nocthing
dan Noise.
2.1.6.1 DC Offset
DC offset adalah suatu keadaan adanya sebuah tegangan atau arus dc
dalam sistem tenaga listrik bolak-balik. DC offset dapat terjadi sebagai akibat dari
gangguan geomagnetik atau disebabkan oleh penggunaan peralatan penyearah
setengah gelombang. Salah satu sumber DC offset adalah lampu hemat energi
dimana lampu tersebut menggunakan penyearah dioda, yang menghasilkan
tegangan dc setengah gelombang yang digunakan untuk beroperasinya lampu
tersebut. Arus searah (direct current) yang timbul akibat adanya erosi elektroda
sistem pentanahan ataupun sambungan dari peralatan lain, dapat menyebabkan
16
Universitas Sumatera Utara
efek merugikan pada inti transformator saat trafo beroperasi dalam keadaan jenuh.
Kerugian yang ditimbulkan adalah adanya pemanasan pada trafo dan mengurangi
umur penggunaan transformator tersebut.
2.1.6.2 Harmonisa
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).
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 2.5. 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 2.6 sebagai berikut:
17
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Gelombang Fundamental, Harmonisa Kedua dan Harmonisa Ketiga[3]
Gambar 2.6 Gelombang Fundamental yang Terdistorsi Harmonisa Ke-3[3]
Pada Gambar 2.6 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
gelombang yang lebih kecil lagi amplitudonya saat gelombang harmonisa yang
fundamental dari gelombang tersebut masih berlangsung dalam satu periode.
18
Universitas Sumatera Utara
2.1.6.3 Interharmonisa
Tegangan atau arus yang memiliki komponen-komponen frekuensi yang
bukan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi daya (misalnya 50 atau 60 Hz)
disebut interharmonisa. Interharmonisa dapat muncul sebagai frekuensi diskrit
atau sebagai spektrum pita lebar. Interharmonisa dapat ditemukan dalam jaringan
sistem tenaga listrik untuk semua klasifikasi tegangan. Sumber utama dari distorsi
gelombang interharmonisa adalah konverter frekuensi statis, cyclo-converter,
motor induksi, dan peralatan yang menimbulkan busur api. Sinyal pembawa pada
saluran tenaga listrik juga dapat dianggap sebagai interharmonisa.
Interharmonisa dihasilkan dari proses konversi frekuensi, dan nilainya
tergantung dari perubahan beban. Interharmonisa arus dapat membangkitkan
resonansi cukup tinggi pada sistem tenaga listrik sebagai akibat adanya perubahan
frekuensi interharmonisa menjadi frekuensi yang digunakan dalam sistem tenaga.
Hal ini dapat ditunjukkan dengan adanya pengaruh sinyal pembawa pada saluran
daya, adanya flicker yang terlihat secara visual pada lampu fluoressent, atau
adanya pencahayaan secara busur listrik seperti yang terjadi pada layar perangkat
komputer.
2.1.6.4 Notching
Notching adalah gangguan tegangan periodik yang disebabkan oleh
penggunaan peralatan eletronika daya secara normal, di mana terjadi saat
komutasi arus dari satu fasa yang satu ke fasa yang lain. Notching yang terjadi
secara kontinu, dapat diketahui karakterisiknya melalui spectrum harmonisa
tegangan yang mengandung gangguan tersebut. Komponen frekuensi yang terkait
dengan notching dapat mempunyai nilai yang cukup tinggi dan mungkin tidak
19
Universitas Sumatera Utara
akan mudah dilihat atau diukur dengan peralatan pengukuran yang biasa
digunakan untuk analisis harmonisa.
Gambar 2.7 Notching Tegangan Dari Konverter Tiga Fasa[3]
Gambar 2.7 menunjukkan contoh notching tegangan dari konverter tiga
fasa yang menghasilkan tegangan arus dc kontinu. Notching dihasilkan pada saat
terjadi arus komutasi dari fasa yang satu ke fasa yang lain. Selama periode
tersebut, terdapat hubungan pendek sesaat antara dua fase, yang menyebabkan
nilai tegangan mendekati nol sesuai dengan impedansi sistemnya.
2.1.6.5 Noise
Noise didefinisikan sebagai sinyal-sinyal listrik yang tidak diinginkan
dengan spektrum broadband kurang dari 200 kHz yang menumpang pada
tegangan atau arus dari sistem daya listrik. Noise sering terjadi di dalam
konduktor fasa atau ditemukan juga pada konduktor netral. Noise di dalam sistem
tenaga listrik dapat disebabkan oleh perangkat elektronika daya, rangkaian
kendali, peralatan yang menghasilkan busur api, beban dengan sistem
penyearahan solid-state, dan pensaklaran suplai daya.
20
Universitas Sumatera Utara
Masalah noise sering diperburuk dengan adanya sistem pentanahan
(grounding) yang kurang baik. Pada dasarnya noise terdiri dari distorsi yang tidak
diinginkan dari sinyal daya listrik, di mana sinyal tersebut tidak dapat
diklasifikasikan sebagai distorsi harmonik atau transien. Noise dapat mengganggu
peralatan elektronika seperti mikro komputer dan programmable controller.
Permasalahan noise dapat dikurangi dengan menggunakan filter, transformator
pengisolasi, dan pengkondisian saluran.
2.1.7 Fluktuasi Tegangan (Voltage Fluctuations)[3]
Fluktuasi tegangan adalah suatu perubahan tegangan yang sistematis atau
serangkaian perubahan tegangan secara acak, di mana magnitud dari tegangan
mempunyai nilai yang tidak semestinya, yaitu di luar rentang tegangan ditentukan
oleh ANSI C84.1-1989 sebesar 0,9 sampai 1,1 pu. Menurut IEC 61000-2-1 salah
satu fluktuasi tegangan, mempunyai karakteristik sebagai rangkaian tegangan acak
yang berfluktuasi secara terus menerus. Beban yang berubah sangat cepat dan
terjadi terus-menerus, dan menghasilkan arus beban yang besar dapat
menyebabkan variasi tegangan yang sering disebut sebagai flicker atau kedip
tegangan. Istilah flicker atau kedip tegangan berasal dari dampak adanya fluktuasi
tegangan terhadap lampu, yang dianggap seperti mata manusia yang berkedip.
2.1.8 Gejala Perubahan Frekuensi Daya (Power Frequency Variations)[3]
Gejala perubahan frekuensi daya didefinisikan sebagai penyimpangan
frekuensi dasar sistem tenaga listrik dari nilai nominal tertentu (50 atau 60 Hz).
Frekuensi sistem tenaga listrik secara langsung berkaitan dengan kecepatan putar
21
Universitas Sumatera Utara
generator yang mensuplai energi listrik ke sistem. Ada perubahan pada frekuensi
merupakan suatu bentuk proses keseimbangan antara beban yang dinamis dan
perubahan pembangkitan. Ukuran pergeseran frekuensi dan durasinya tergantung
pada karakteristik beban dan tanggapan dari kontrol sistem pembangkit pada saat
terjadi perubahan beban tersebut.
Pada sistem tenaga listrik yang terhubung secara interkoneksi, perubahan
nilai frekuensi yang signifikan jarang dijumpai. Perubahan frekuensi lebih banyak
terjadi pada suatu sistem beban yang disuplai oleh sistem pembangkit yang
terisolir, seperti suatu gedung yang disuplai oleh sebuah genset. Hal ini
disebabkan karena tanggapan atau respon dari sebuah governor terhadap
perubahan beban yang mendadak, kemungkinan tidak akan cukup untuk mengatur
kembali frekuensi yang diperlukan seperti semula.
22
Universitas Sumatera Utara
2.2
Kedip Tegangan (Voltage Sags)
Kedip tegangan didefinisikan sebagai penurunan besar tegangan efektif
(rms) antara 0,1 sampai 0,9 pu tegangan pada frekuensi dayanya selama 0,5 siklus
(0,5 siklus = 0,01 detik, dengan frekuensi = 50 Hz) sampai 1 menit[3]. Komunitas
peneliti tentang kualitas daya telah menggunakan istilah sags selama bertahuntahun untuk menggambarkan peristiwa penurunan tegangan dalam waktu yang
pendek.
Meskipun istilah ini tidak ditetapkan secara resmi, tapi semakin diterima
dan digunakan oleh pengguna dan produsen sistem tenaga listrik. Namun IEC
mendefinisikan untuk fenomena ini sebagai dip.
Terminologi yang digunakan untuk menggambarkan besarnya penurunan
tegangan masih sering membingungkan. “Sag 20 persen" dapat memberikan
gambaran terhadap menurunnya tegangan menjadi 0,8 pu atau menurunnya
tegangan hingga menjadi 0,2 pu[4]. Maka harus disepakati pengertian yang
bagaimana yang dipakai.
2.2.1 Penyebab Kedip Tegangan[5]
Kedip tegangan dapat terjadi karena beberapa hal:
1. Secara umum disebabkan oleh gangguan pada sistem seperti gangguan
hubung singkat. Gangguan yang sering terjadi pada sistem adalah gangguan
hubung singkat satu fasa ke tanah. Ketika terjadi gangguan fasa ke tanah, arus
yang mengalir ke ground akan semakin besar. Semakin besar arus, maka
tegangan akan semakin kecil. Karena gangguan tersebut biasanya terjadi
dalam waktu singkat, maka turunnya tegangan juga sangat singkat.
23
Universitas Sumatera Utara
2. Pengasutan motor berkapasitas besar. Ketika dilakukan pengasutan motor
yang berkapasitas besar, maka arus asut pada saluran akan besar, maka
tegangan akan semakin kecil.
3. Sesuatu yang terjadi pada saluran penyaluran daya seperti kecelakaan saat
perbaikan dalam keadaan bertegangan, lightning (petir) dan benda jatuh yang
menyebabkan gangguan ke tanah. Sambaran petir menyebabkan sebagian
besar kedip tegangan. Jika petir menyambar jaringan listrik sampai ke tanah
maka terjadi hubung singkat fasa ke tanah. Ini menyebabkan terjadinya kedip
tegangan. Pemutus daya dan PBO akan semakin sering beroperasi pada saat
cuaca buruk. Angin kencang dapat meniup cabang pohon ke saluran listrik
yang membuat hubungan fasa ke tanah yang menciptakan kedip tegangan.
4. Perubahan beban yang berlebihan/diluar batas dari kemampuan sistem daya.
2.2.2 Dampak Negatif Kedip Tegangan[6]
Dampak negatif yang ditimbulkan kedip tegangan sendiri beramacam-macam,
seperti:
1. Komputer dan jenis lain dari kontrol elektronik akan kehilangan memori dan
proses yang dikontrolnya menjadi kacau saat peralatan tiba-tiba mati akibat
kedip tegangan yang kurang dari 50 %.
2. Akibat yang merugikan lainnya dengan terjadinya kedip tegangan pada motor
antara lain: drop tegangan yang berlebihan yang akan menghambat akselerasi
dari kondisi diam kekecepatan penuhnya dan mal-fungsi dari kinerja
peralatan-peralatan lain seperti rele, kontaktor dan peralatan kontrol.
-
Rangkaian rele dan kontaktor akan trip pada tegangan dibawah 70 %.
24
Universitas Sumatera Utara
-
PLC akan trip pada tegangan kurang dari 90 % untuk waktu 50 milidetik.
3. Pada sistem penerangan dampak yang akan terjadi adalah adanya kedip
“flicker”. Hal ini mungkin hanya menimbulkan kekesalan saja, tetapi bukan
itu masalah sebenarnya. Masalah pada sistem penerangan akibat kedip
tegangan ini adalah pada waktu untuk hidup kembali/restart dan
ketahanan/reliability dari lampu tersebut. Untuk lampu jenis fluorescent
mungkin akan cepat untuk hidup kembali setelah terjadi kedip tegangan, tetapi
untuk lampu jenis HID (High Intensity Discharge) perlu waktu beberapa
menit untuk hidup kembali.
Berikut ini adalah tabel yang menunjukkan nilai sensitivitas peralatanperalatan terhadap kedip tegangan.
Tabel 2.1 Sensitivitas Peralatan Terhadap Kedip Tegangan[6]
Remaining
Time Duration
Type of Equipment
Voltage
Max (ms)
(%)
Motor starter
50
40
85
10
50-90
8-20
82
1.5
50-80
2-3
70
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Konsep Kualitas Daya Listrik
Istilah kualitas daya listrik merupakan suatu konsep yang memberikan
gambaran tentang baik atau buruknya mutu daya listrik akibat adanya gangguan
yang terjadi pada sistem kelistrikan.
Ada empat alasan utama yang menyebabkan kualitas daya semakin
menjadi perhatian saat ini, yaitu[2]:
1. Pertumbuhan beban-beban listrik dewasa ini bersifat lebih peka terhadap
kualitas
daya listrik seperti
sistem
kendali
dengan
berbasis pada
mikroprosesor dan perangkat elektronika daya.
2. Meningkatnya perhatian yang ditekankan pada efisiensi sistem daya listrik
secara
menyeluruh,
sehingga
menyebabkan
terjadinya
peningkatan
penggunaan peralatan yang mempunyai efisiensi tinggi, seperti pengaturan
kecepatan motor listrik dan penggunaan kapasitor untuk perbaikan faktor
daya.
Penggunaan
peralatan-peralatan
tersebut
dapat
mengakibatkan
peningkatkan terhadap tingkat harmonik pada sistem daya listrik, dimana
dampak harmonisa tersebut dapat menurunkan kemampuan dari sistem daya
listrik itu sendiri.
3. Meningkatnya kesadaran bagi para pengguna energi listrik terhadap masalah
kualitas daya listrik. Para pengguna utilitas kelistrikan menjadi lebih pandai
dan bijaksana mengenai persoalan seperti interupsi, sags, dan peralihan
3
Universitas Sumatera Utara
transien dan merasa berkepentingan untuk meningkatkan kualitas distribusi
daya listriknya.
4. Sistem tenaga listrik yang saling berhubungan dalam suatu jaringan
interkoneksi, di mana sistem tersebut memberikan suatu konsekuensi bahwa
kegagalan dari setiap komponen dapat mengakibatkan kegagalan pada
komponen lainnya.
Ukuran keandalan dan kualitas listrik secara umum ditentukan oleh
beberapa parameter sebagai berikut[1]:
1. Frekuensi dengan satuan Hertz (Hz).
Yaitu jumlah siklus arus bolak-balik (Alternating Current, AC) per detik.
Beberapa negara termasuk Indonesia menggunakan frekuensi listrik standar,
sebesar 50 Hz.
Frekuensi listrik ditentukan oleh kecepatan perputaran dari turbin sebagai
penggerak mula. Salah satu contoh akibat dari frekuensi listrik yang tidak
stabil adalah akan mengakibatkan perputaran motor listrik sebagai penggerak
mesin-mesin produksi di industri manufaktur juga tidak stabil, dimana hal ini
akan mengganggu proses produksi.
Gangguan-gangguan yang terjadi pada sistem frekuensi:
a. Penyimpangan terus-menerus (continuous deviation); frekuensi berada
diluar batasnya pada saat yang lama (secara terus-menerus), frekuensi
standar 50 Hz dengan toleransi 0,6 Hz (49,4 – 50,6 Hz).
b. Penyimpangan sementara (transient deviation); penurunan atau penaikkan
frekuensi secara tiba-tiba dan sesaat.
4
Universitas Sumatera Utara
2. Tegangan dengan satuan Volt (V).
Tegangan yang baik adalah tegangan yang tetap stabil pada nilai yang
telah ditentukan. Walaupun terjadinya fluktuasi (ketidakstabilan) pada
tegangan ini tidak dapat dihindarkan, tetapi dapat diminimalkan.
Gangguan pada tegangan antara lain:
a. Fluktuasi Tegangan; seperti: tegangan lebih (overvoltage), tegangan
kurang (undervoltage) dan tegangan getar (flicker).
Tegangan lebih pada sistem akan mengakibatkan arus listrik yang
mengalir menjadi besar dan mempercepat kemunduran isolasi sehingga
menyebabkan kenaikan rugi-rugi daya dan operasi, memperpendek umur
kerja peralatan dan yang lebih fatal akan terbakarnya peralatan tersebut.
Peralatan-peralatan yang dipengaruhi saat terjadi tegangan lebih adalah
transformer, motor-motor listrik, kapasitor daya dan peralatan kontrol
yang menggunakan coil/kumparan seperti solenoid valve, magnetic switch
dan relay. Tegangan lebih biasanya disebabkan karena eksitasi yang
berlebihan pada generator listrik (over excitation), sambaran petir pada
saluran transmisi, proses pengaturan atau beban kapasitif yang berlebihan
pada sistem distribusi.
Tegangan kurang pada sistem akan mengakibatkan berkurangnya
intensitas cahaya (redup) pada peralatan penerangan, bergetar dan terjadi
kesalahan operasi pada peralatan kontrol seperti automatic valve, magnetic
switch dan auxiliary relay, menurunnya torsi pada saat start (starting
torque) pada motor-motor listrik. Tegangan kurang biasanya disebabkan
oleh kurangnya eksitasi pada generator listrik (drop excitation), saluran
5
Universitas Sumatera Utara
transmisi yang terlalu panjang, jarak beban yang terlalu jauh dari pusat
distribusi atau peralatan yang sudah berlebihan beban kapasitifnya.
b. Kedip Tegangan (voltage sag); adalah turunnya tegangan (umumnya
sampai 10%) dalam perioda waktu yang sangat singkat (dalam mili detik).
Penyebabnya adalah hubungan singkat (short circuit) antara fasa dengan
tanah atau fasa dengan fasa pada jaringan distibusi. Tegangan kedip dapat
mengakibatkan
gangguan
pada:
stabilisator
tegangan
arus
DC,
electromagnetic switch, variable speed motor, high voltage discharge
lamp dan under voltage relay.
c. Harmonisa Tegangan (voltage harmonic); adalah komponen-komponen
gelombang sinus dengan frekuensi dan amplitudo yang lebih kecil dari
gelombang asalnya (bentuk gelombang yang cacat). Contoh :
Gelombang asal: (28,3) sin (߱t) kV.
Harmonisa ke-3: (28,3/3) sin (3߱t) kV.
Harmonisa ke-5: (28,3/5) sin (5߱t) kV.
Harmonisa Tegangan dapat mengakibatkan : panas yang berlebihan,
getaran keras, suara berisik dan terbakar pada peralatan capacitor reactor
(power capacitor); meledak pada peralatan power fuse (power capacitor);
salah beroperasi pada peralatan breaker; suara berisik dan bergetar pada
peralatan rumah tangga (seperti : TV, radio, lemari pendingin dsb.) ; dan
pada peralatan motor listrik, elevator dan peralatan-peralatan kontrol akan
terjadi suara berisik, getaran yang tinggi, panas yang berlebihan dan
kesalahan operasi. Kontribusi arus harmonisa akan menyebabkan cacat
(distorsi) pada tegangan, tergantung seberapa besar kontribusinya.
6
Universitas Sumatera Utara
Cara mengurangi pengaruh harmonisa tegangan yang terjadi pada
sistem adalah dengan memasang harmonic filter yang sesuai pada
peralatan-peralatan yang dapat menyebabkan timbulnya harmonisa seperti
arus magnetisasi transformer, static VAR compensator dan peralatanperalatan elektronika daya (seperti inverter, rectifier, converter, dsb.)
d. Ketidakseimbangan tegangan (Unbalance Voltage); umumnya terjadi di
sistem distribusi karena pembebanan fasa yang tidak merata.
Gangguan-gangguan tegangan sebagaimana dijelaskan diatas dapat
menyebabkan peralatan-peralatan yang menggunakan listrik, beroperasi
secara tidak normal dan yang paling fatal adalah kerusakan atau
terbakarnya peralatan.
3. Interupsi atau Pemadaman Listrik
Interupsi ini dapat dibedakan menjadi:
a. Pemadaman
yang
direncanakan
(Planned
Interruption/scheduled
interruption); adalah pemadaman yang terjadi karena adanya pekerjaan
perbaikan atau perluasan jaringan pada sistem tenaga listrik.
b. Pemadaman yang tidak direncanakan (Unplanned Interruption); adalah
pemadaman yang terjadi karena adanya gangguan pada sistem tenaga
listrik seperti hubung singkat (short circuit).
7
Universitas Sumatera Utara
2.1.1 Jenis - Jenis Permasalahan Kualitas Daya Listrik
Permasalahan kualitas daya listrik disebabkan oleh gejala-gejala atau
fenomena-fenomena elektromagnetik yang terjadi pada sistem tenaga listrik.
Gejala-gejala elektromagnetik yang menyebabkan permasalahan kualitas daya
adalah[3]:
1. Gejala Peralihan (Transient). Yaitu suatu gejala perubahan variabel (tegangan,
arus dan lain-lain) yang terjadi selama masa transisi dari keadaan operasi
tunak (steady state) menjadi keadaan yang lain.
2. Gejala Perubahan Tegangan Durasi Pendek (Short-Duration Variations).
Yaitu suatu gejala perubahan nilai tegangan dalam waktu yang singkat yaitu
kurang dari 1 (satu) menit.
3. Gejala Perubahan Tegangan Durasi Panjang (Long-Duration Variations).
Yaitu suatu gejala perubahan nilai tegangan, dalam waktu yang lama yaitu
lebih dari 1 (satu) menit.
4. Ketidakseimbangan Tegangan (Voltage Imbalance). Yaitu gejala perbedaan
besarnya tegangan dalam sistem tiga fasa serta sudut fasanya.
5. Distorsi Gelombang (Waveform Distortion). Yaitu gejala penyimpangan dari
suatu gelombang (tegangan dan arus) dari bentuk idealnya berupa gelombang
sinusoidal.
6. Fluktuasi Tegangan (Voltage Fluctuations). Yaitu gejala perubahan besarnya
tegangan secara sistematik.
7. Gejala Perubahan Frekuensi Daya (Power Frequency Variations). Yaitu gejala
penyimpangan frekuensi daya listrik pada suatu sistem tenaga listrik.
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.2 Gejala Peralihan (Transient)[3]
Gejala peralihan / transien terdiri dari dua jenis yaitu transien impuls dan
transien osilasi. Transien impuls adalah gejala transien yang mempunyai satu arah
polaritas, yaitu polaritas positif atau negatif. Sedangkan transien osilasi adalah
gejala transien yang mempunyai dua arah polaritas, yaitu polaritas positif dan
negatif.
Sumber utama transien yang terjadi pada sistem utilitas kelistrikan adalah
petir dan pensaklaran kapasitor. Tegangan tinggi petir merupakan sumber gejala
peralihan impuls, di mana surja petir hanya mempunyai satu polaritas saja.
Sedangkan proses membuka dan menutupnya saklar kapasitor daya dapat
menghasilkan gejala peralihan osilasi, karena mempunyai dua polaritas, yaitu
positif dan negatif.
Gambar 2.1 Transien Impuls Arus Petir [3]
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Transien Osilasi Disebabkan Switching Kapasitor Daya[3]
2.1.3 Gejala
Perubahan
Tegangan
Durasi
Pendek
(Short-Duration
Variations)[3]
Berdasarkan waktu lama kejadian, gejala variasi durasi pendek terdiri dari
3 jenis, yaitu instantaneous, momentary, dan temporary. Perubahan tegangan
instantaneous atau waktu seketika, terjadi dalam waktu 0,5 sampai 30 cycles;
sedangkan momentary dalam waktu 30 cycles sampai 3 detik dan perubahan
tegangan tipe temporary terjadi dalam waktu 3 detik sampai 1 menit. Berdasarkan
nilai perubahan tegangan, gejala variasi durasi pendek ini dibedakan menjadi 3
jenis yaitu : interuption, sag dan swell.
Gejala perubahan tegangan durasi pendek dapat disebabkan oleh gangguan
karena suatu proses penyulangan energi listrik terhadap beban yang besar, dimana
pada saat penyulangan tersebut diperlukan arus awal yang tinggi, atau lepasnya
koneksitas pengkabelan listrik yang kadang-kadang terjadi. Jenis-jenis perubahan
tegangan durasi pendek (interuption, sag dan swell) tergantung dari lokasi
gangguan dan kondisi sistem. Dampak dari perubahan nilai tegangan durasi
10
Universitas Sumatera Utara
pendek ini sebenarnya adalah kondisi pada saat gangguan selama peralatan
proteksi beroperasi untuk menghilangkan gangguan tersebut.
2.1.3.1 Interuption
Interupsi adalah gangguan yang terjadi ketika tegangan suplai atau arus
beban menurun sampai kurang dari 0,1 pu (per unit) untuk periode waktu tidak
lebih dari 1 menit. Interupsi diukur dengan lamanya waktu terjadi gangguan, di
mana besarnya tegangan yang terjadi pada saat gangguan selalu kurang dari 10
persen dari tegangan nominalnya. Lama terjadinya interupsi dikarenakan oleh
gangguan pada sistem utilitas dan ditentukan oleh waktu pengoperasian dari
peralatan proteksi. Peralatan proteksi (recloser) pada umumnya akan membatasi
interupsi disebabkan oleh gangguan non permanen kurang dari 30 siklus.
Lamanya gangguan karena kesalahan fungsi peralatan atau koneksitas peralatan
yang longgar atau kurang baik.
2.1.3.2 Sags
Sags atau dips atau jatuh tegangan adalah suatu peristiwa penurunan
tegangan antara 0,1 dan 0,9 pu dari rms tegangan pada frekuensi dayanya selama
0,5 siklus sampai 1 menit. Komunitas peneliti tentang kualitas daya telah
menggunakan istilah sags selama bertahun-tahun untuk menggambarkan peristiwa
penurunan tegangan dalam waktu yang pendek.
Meskipun istilah ini tidak ditetapkan secara resmi, tapi semakin diterima
dan digunakan oleh pengguna dan produsen sistem tenaga listrik. Namun IEC
mendefinisikan untuk fenomena ini sebagai dip.
Terminologi yang digunakan untuk menggambarkan besarnya penurunan
tegangan masih sering membingungkan. “Sag 20 persen" dapat memberikan
11
Universitas Sumatera Utara
gambaran terhadap menurunnya tegangan menjadi 0,8 pu atau menurunnya
tegangan hingga menjadi 0,2 pu. Maka harus disepakati pengertian yang
bagaimana yang dipakai. Nilai nominal atau nilai dasar dari suatu tegangan juga
harus ditentukan. Sags tegangan biasanya terkait dengan kesalahan atau gangguan
dari sistem, tetapi dapat juga terjadi karena penyulangan terhadap suatu beban
besar atau memulai pengoperasian motor berkapasitas besar. Gambar 2.3 di
bawah ini memperlihatkan sebuah sag tegangan karena adanya gangguan satu fasa
ke tanah.
Gambar 2.3 Sag Tegangan Karena Gangguan Satu Fasa Ke Tanah[3]
2.1.3.3 Swells
Swells adalah suatu peristiwa di mana tegangan mengalami kenaikan
antara 1,1 dan 1,8 pu dari tegangan rms atau arus pada frekuensi dayanya, dengan
lama gangguan 0,5 siklus ke 1 menit. Seperti halnya dengan sags, naiknya
tegangan ini biasanya dikaitkan dengan kondisi karena gangguan atau kesalahan
12
Universitas Sumatera Utara
sistem. Salah satu contoh swells adalah terjadinya kenaikan tegangan sementara
pada saat gangguan satu fasa ke tanah.
Lonjakan kenaikan tegangan dapat juga disebabkan oleh adanya
pemutusan beban besar atau penyulangan terhadap bank kapasitor. Karakteristik
swells dapat diketahui dengan melihat besar kenaikan tegangan dan lamanya
peristiwa itu terjadi. Besarnya kenaikan tegangan yang terjadi dipengaruhi oleh
letak gangguan, besarnya impedansi sistem tenaga serta sistem pentanahannya.
Pada sistem yang tidak diketanahkan dengan impedansi urutan nol yang tak
terhingga, maka tegangan fasa akan mengalami kenaikan sebesar 1,73 pu pada
saat terjadi gangguan satu fasa ke tanah. Untuk gangguan yang terjadi dengan
lokasi berada dekat gardu induk, maka akan terdapat sedikit atau tidak ada
kenaikan tegangan pada fasa yang tidak sehat, karena trafo daya pada gardu induk
biasanya terhubung delta – bintang yang menyediakan impedansi urutan nol yang
rendah, sebagai saluran untuk arus gangguan ke tanah.
2.1.4 Gejala
Perubahan
Tegangan
Durasi
Panjang
(Long-Duration
Variations)[3]
Gejala
perubahan
tegangan
durasi
panjang
mempunyai
waktu
penyimpangan terhadap frekuensi dayanya selama lebih dari 1 menit. Jenis dari
gejala variasi durasi panjang ada 3 (tiga), yaitu : overvoltages, undervoltages, dan
sustained interuption. Gejala perubahan tegangan durasi panjang umumnya
berasal bukan dari kesalahan atau gangguan sistem, tetapi disebabkan oleh
perubahan beban pada sistem dan pada saat pengoperasian pensaklaran sistem.
13
Universitas Sumatera Utara
Gejala perubahan tegangan durasi panjang biasanya ditampilkan sebagai grafik
tegangan rms terhadap waktu.
2.1.4.1 Overvoltage
Overvoltages atau tegangan lebih adalah suatu gejala peningkatan nilai
tegangan rms bolak-balik sebesar lebih dari 110 persen pada frekuensi daya untuk
waktu lebih dari 1 menit. Overvoltages biasanya akibat operasi pensaklaran beban
(misalnya switching dari sebuah beban besar atau kapasitor bank).
2.1.4.2 Undervoltage
Undervoltage adalah suatu gejala penurunan tegangan rms bolak-balik
sebesar kurang dari 90 persen dari nilai tegangan nominal pada frekuensi daya
untuk durasi lebih dari 1 menit. Undervoltages adalah hasil dari suatu peristiwa
kembalinya keadaan overvoltage menuju keadaan normalnya. Sebuah operasi
pensaklaran beban atau memutuskan kapasitor bank dapat menyebabkan
undervoltage, sampai keadaan di mana peralatan pengaturan tegangan pada sistem
tegangan tersebut dapat membawa kembali pada toleransi nilai tegangan yang
standar.
2.1.4.3 Interupsi Berkelanjutan (Sustained Interruptions)
Pada saat tegangan suplai dari sebuah sistem tenaga menjadi nol untuk
jangka waktu lebih dari 1 menit, maka gejala perubahan tegangan ini disebut
interupsi atau pemadaman berkelanjutan. Gangguan tegangan yang terjadi lebih
dari 1 menit merupakan gangguan permanen yang membutuhkan campur tangan
tenaga teknisi untuk memperbaiki sistem tenaga tersebut, agar kembali menjadi
normal seperti sebelum terjadinya gangguan. Istilah pemadaman berkelanjutan
(sustained interuption) mengacu pada fenomena yang terjadi sistem tenaga listrik
14
Universitas Sumatera Utara
tertentu dan secara umum tidak ada hubungannya dengan penggunaan istilah
outage. Istilah outage lebih menerangkan keluarnya komponen dari sistem tenaga
listrik, di mana hal ini lebih berhubungan dengan keandalan dari suatu sistem
tenaga listrik.
2.1.5 Ketidak-seimbangan Tegangan (Voltage Imbalance)[3]
Ketidak-seimbangan tegangan (voltage imbalance atau unbalance)
didefinisikan sebagai penyimpangan atau deviasi maksimum dari nilai rata-rata
tegangan sistem tiga fase tegangan atau arus listrik, dibagi dengan nilai rata-rata
tegangan tiga fasa atau arus tersebut, dan dinyatakan dalam persen.
Gambar 2.4 Ketidak-seimbangan Tegangan Pada Sistem Tenaga Perumahan[3]
Ketidak-seimbangan
dapat
didefinisikan
menggunakan
komponen
simetris. Rasio atau perbandingan nilai tegangan komponen urutan negatif atau
15
Universitas Sumatera Utara
urutan nol dengan nilai tegangan komponen urutan positif dapat digunakan untuk
menentukan persentase ketidakseimbangan. Gambar 2.4 menunjukkan contoh
kedua buah perbandingan tersebut, yang menggambarkan ketidak-seimbangan
tegangan selama 1 minggu yang terjadi pada saluran tenaga untuk perumahan.
Besarnya ketidak-seimbangan tegangan yang pada sumber utama tidak
boleh lebih dari 2 %. Nilai kritis dari keadaan ketidakseimbangan tegangan adalah
jika nilai persentase perbandingannya melebihi 5 %, hal ini biasanya terjadi
karena terputusnya salah satu fasa dari sistem tenaga listrik tiga fasa.
2.1.6 Distorsi Gelombang (Waveform Distortion)[3]
Distorsi gelombang didefinisikan sebagai suatu penyimpangan bentuk
gelombang dari benuk normal sinusoidal sesuai dengan frekuensi dayanya, pada
keadaan tanpa gangguan (steady state). Terdapat lima jenis penyimpangan bentuk
gelombang yang terjadi, yaitu: DC Offset, Harmonisa, Interharmonisa, Nocthing
dan Noise.
2.1.6.1 DC Offset
DC offset adalah suatu keadaan adanya sebuah tegangan atau arus dc
dalam sistem tenaga listrik bolak-balik. DC offset dapat terjadi sebagai akibat dari
gangguan geomagnetik atau disebabkan oleh penggunaan peralatan penyearah
setengah gelombang. Salah satu sumber DC offset adalah lampu hemat energi
dimana lampu tersebut menggunakan penyearah dioda, yang menghasilkan
tegangan dc setengah gelombang yang digunakan untuk beroperasinya lampu
tersebut. Arus searah (direct current) yang timbul akibat adanya erosi elektroda
sistem pentanahan ataupun sambungan dari peralatan lain, dapat menyebabkan
16
Universitas Sumatera Utara
efek merugikan pada inti transformator saat trafo beroperasi dalam keadaan jenuh.
Kerugian yang ditimbulkan adalah adanya pemanasan pada trafo dan mengurangi
umur penggunaan transformator tersebut.
2.1.6.2 Harmonisa
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).
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 2.5. 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 2.6 sebagai berikut:
17
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Gelombang Fundamental, Harmonisa Kedua dan Harmonisa Ketiga[3]
Gambar 2.6 Gelombang Fundamental yang Terdistorsi Harmonisa Ke-3[3]
Pada Gambar 2.6 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
gelombang yang lebih kecil lagi amplitudonya saat gelombang harmonisa yang
fundamental dari gelombang tersebut masih berlangsung dalam satu periode.
18
Universitas Sumatera Utara
2.1.6.3 Interharmonisa
Tegangan atau arus yang memiliki komponen-komponen frekuensi yang
bukan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi daya (misalnya 50 atau 60 Hz)
disebut interharmonisa. Interharmonisa dapat muncul sebagai frekuensi diskrit
atau sebagai spektrum pita lebar. Interharmonisa dapat ditemukan dalam jaringan
sistem tenaga listrik untuk semua klasifikasi tegangan. Sumber utama dari distorsi
gelombang interharmonisa adalah konverter frekuensi statis, cyclo-converter,
motor induksi, dan peralatan yang menimbulkan busur api. Sinyal pembawa pada
saluran tenaga listrik juga dapat dianggap sebagai interharmonisa.
Interharmonisa dihasilkan dari proses konversi frekuensi, dan nilainya
tergantung dari perubahan beban. Interharmonisa arus dapat membangkitkan
resonansi cukup tinggi pada sistem tenaga listrik sebagai akibat adanya perubahan
frekuensi interharmonisa menjadi frekuensi yang digunakan dalam sistem tenaga.
Hal ini dapat ditunjukkan dengan adanya pengaruh sinyal pembawa pada saluran
daya, adanya flicker yang terlihat secara visual pada lampu fluoressent, atau
adanya pencahayaan secara busur listrik seperti yang terjadi pada layar perangkat
komputer.
2.1.6.4 Notching
Notching adalah gangguan tegangan periodik yang disebabkan oleh
penggunaan peralatan eletronika daya secara normal, di mana terjadi saat
komutasi arus dari satu fasa yang satu ke fasa yang lain. Notching yang terjadi
secara kontinu, dapat diketahui karakterisiknya melalui spectrum harmonisa
tegangan yang mengandung gangguan tersebut. Komponen frekuensi yang terkait
dengan notching dapat mempunyai nilai yang cukup tinggi dan mungkin tidak
19
Universitas Sumatera Utara
akan mudah dilihat atau diukur dengan peralatan pengukuran yang biasa
digunakan untuk analisis harmonisa.
Gambar 2.7 Notching Tegangan Dari Konverter Tiga Fasa[3]
Gambar 2.7 menunjukkan contoh notching tegangan dari konverter tiga
fasa yang menghasilkan tegangan arus dc kontinu. Notching dihasilkan pada saat
terjadi arus komutasi dari fasa yang satu ke fasa yang lain. Selama periode
tersebut, terdapat hubungan pendek sesaat antara dua fase, yang menyebabkan
nilai tegangan mendekati nol sesuai dengan impedansi sistemnya.
2.1.6.5 Noise
Noise didefinisikan sebagai sinyal-sinyal listrik yang tidak diinginkan
dengan spektrum broadband kurang dari 200 kHz yang menumpang pada
tegangan atau arus dari sistem daya listrik. Noise sering terjadi di dalam
konduktor fasa atau ditemukan juga pada konduktor netral. Noise di dalam sistem
tenaga listrik dapat disebabkan oleh perangkat elektronika daya, rangkaian
kendali, peralatan yang menghasilkan busur api, beban dengan sistem
penyearahan solid-state, dan pensaklaran suplai daya.
20
Universitas Sumatera Utara
Masalah noise sering diperburuk dengan adanya sistem pentanahan
(grounding) yang kurang baik. Pada dasarnya noise terdiri dari distorsi yang tidak
diinginkan dari sinyal daya listrik, di mana sinyal tersebut tidak dapat
diklasifikasikan sebagai distorsi harmonik atau transien. Noise dapat mengganggu
peralatan elektronika seperti mikro komputer dan programmable controller.
Permasalahan noise dapat dikurangi dengan menggunakan filter, transformator
pengisolasi, dan pengkondisian saluran.
2.1.7 Fluktuasi Tegangan (Voltage Fluctuations)[3]
Fluktuasi tegangan adalah suatu perubahan tegangan yang sistematis atau
serangkaian perubahan tegangan secara acak, di mana magnitud dari tegangan
mempunyai nilai yang tidak semestinya, yaitu di luar rentang tegangan ditentukan
oleh ANSI C84.1-1989 sebesar 0,9 sampai 1,1 pu. Menurut IEC 61000-2-1 salah
satu fluktuasi tegangan, mempunyai karakteristik sebagai rangkaian tegangan acak
yang berfluktuasi secara terus menerus. Beban yang berubah sangat cepat dan
terjadi terus-menerus, dan menghasilkan arus beban yang besar dapat
menyebabkan variasi tegangan yang sering disebut sebagai flicker atau kedip
tegangan. Istilah flicker atau kedip tegangan berasal dari dampak adanya fluktuasi
tegangan terhadap lampu, yang dianggap seperti mata manusia yang berkedip.
2.1.8 Gejala Perubahan Frekuensi Daya (Power Frequency Variations)[3]
Gejala perubahan frekuensi daya didefinisikan sebagai penyimpangan
frekuensi dasar sistem tenaga listrik dari nilai nominal tertentu (50 atau 60 Hz).
Frekuensi sistem tenaga listrik secara langsung berkaitan dengan kecepatan putar
21
Universitas Sumatera Utara
generator yang mensuplai energi listrik ke sistem. Ada perubahan pada frekuensi
merupakan suatu bentuk proses keseimbangan antara beban yang dinamis dan
perubahan pembangkitan. Ukuran pergeseran frekuensi dan durasinya tergantung
pada karakteristik beban dan tanggapan dari kontrol sistem pembangkit pada saat
terjadi perubahan beban tersebut.
Pada sistem tenaga listrik yang terhubung secara interkoneksi, perubahan
nilai frekuensi yang signifikan jarang dijumpai. Perubahan frekuensi lebih banyak
terjadi pada suatu sistem beban yang disuplai oleh sistem pembangkit yang
terisolir, seperti suatu gedung yang disuplai oleh sebuah genset. Hal ini
disebabkan karena tanggapan atau respon dari sebuah governor terhadap
perubahan beban yang mendadak, kemungkinan tidak akan cukup untuk mengatur
kembali frekuensi yang diperlukan seperti semula.
22
Universitas Sumatera Utara
2.2
Kedip Tegangan (Voltage Sags)
Kedip tegangan didefinisikan sebagai penurunan besar tegangan efektif
(rms) antara 0,1 sampai 0,9 pu tegangan pada frekuensi dayanya selama 0,5 siklus
(0,5 siklus = 0,01 detik, dengan frekuensi = 50 Hz) sampai 1 menit[3]. Komunitas
peneliti tentang kualitas daya telah menggunakan istilah sags selama bertahuntahun untuk menggambarkan peristiwa penurunan tegangan dalam waktu yang
pendek.
Meskipun istilah ini tidak ditetapkan secara resmi, tapi semakin diterima
dan digunakan oleh pengguna dan produsen sistem tenaga listrik. Namun IEC
mendefinisikan untuk fenomena ini sebagai dip.
Terminologi yang digunakan untuk menggambarkan besarnya penurunan
tegangan masih sering membingungkan. “Sag 20 persen" dapat memberikan
gambaran terhadap menurunnya tegangan menjadi 0,8 pu atau menurunnya
tegangan hingga menjadi 0,2 pu[4]. Maka harus disepakati pengertian yang
bagaimana yang dipakai.
2.2.1 Penyebab Kedip Tegangan[5]
Kedip tegangan dapat terjadi karena beberapa hal:
1. Secara umum disebabkan oleh gangguan pada sistem seperti gangguan
hubung singkat. Gangguan yang sering terjadi pada sistem adalah gangguan
hubung singkat satu fasa ke tanah. Ketika terjadi gangguan fasa ke tanah, arus
yang mengalir ke ground akan semakin besar. Semakin besar arus, maka
tegangan akan semakin kecil. Karena gangguan tersebut biasanya terjadi
dalam waktu singkat, maka turunnya tegangan juga sangat singkat.
23
Universitas Sumatera Utara
2. Pengasutan motor berkapasitas besar. Ketika dilakukan pengasutan motor
yang berkapasitas besar, maka arus asut pada saluran akan besar, maka
tegangan akan semakin kecil.
3. Sesuatu yang terjadi pada saluran penyaluran daya seperti kecelakaan saat
perbaikan dalam keadaan bertegangan, lightning (petir) dan benda jatuh yang
menyebabkan gangguan ke tanah. Sambaran petir menyebabkan sebagian
besar kedip tegangan. Jika petir menyambar jaringan listrik sampai ke tanah
maka terjadi hubung singkat fasa ke tanah. Ini menyebabkan terjadinya kedip
tegangan. Pemutus daya dan PBO akan semakin sering beroperasi pada saat
cuaca buruk. Angin kencang dapat meniup cabang pohon ke saluran listrik
yang membuat hubungan fasa ke tanah yang menciptakan kedip tegangan.
4. Perubahan beban yang berlebihan/diluar batas dari kemampuan sistem daya.
2.2.2 Dampak Negatif Kedip Tegangan[6]
Dampak negatif yang ditimbulkan kedip tegangan sendiri beramacam-macam,
seperti:
1. Komputer dan jenis lain dari kontrol elektronik akan kehilangan memori dan
proses yang dikontrolnya menjadi kacau saat peralatan tiba-tiba mati akibat
kedip tegangan yang kurang dari 50 %.
2. Akibat yang merugikan lainnya dengan terjadinya kedip tegangan pada motor
antara lain: drop tegangan yang berlebihan yang akan menghambat akselerasi
dari kondisi diam kekecepatan penuhnya dan mal-fungsi dari kinerja
peralatan-peralatan lain seperti rele, kontaktor dan peralatan kontrol.
-
Rangkaian rele dan kontaktor akan trip pada tegangan dibawah 70 %.
24
Universitas Sumatera Utara
-
PLC akan trip pada tegangan kurang dari 90 % untuk waktu 50 milidetik.
3. Pada sistem penerangan dampak yang akan terjadi adalah adanya kedip
“flicker”. Hal ini mungkin hanya menimbulkan kekesalan saja, tetapi bukan
itu masalah sebenarnya. Masalah pada sistem penerangan akibat kedip
tegangan ini adalah pada waktu untuk hidup kembali/restart dan
ketahanan/reliability dari lampu tersebut. Untuk lampu jenis fluorescent
mungkin akan cepat untuk hidup kembali setelah terjadi kedip tegangan, tetapi
untuk lampu jenis HID (High Intensity Discharge) perlu waktu beberapa
menit untuk hidup kembali.
Berikut ini adalah tabel yang menunjukkan nilai sensitivitas peralatanperalatan terhadap kedip tegangan.
Tabel 2.1 Sensitivitas Peralatan Terhadap Kedip Tegangan[6]
Remaining
Time Duration
Type of Equipment
Voltage
Max (ms)
(%)
Motor starter
50
40
85
10
50-90
8-20
82
1.5
50-80
2-3
70