4

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Mutakhir

Terdapat beberapa penelitian sebelumnya yang tentunya mendukung

skripsi ini, dan penelitian tersebut dapat dijadikan pedoman dalam penulisan.

Penelitian yang dilakukan oleh Abdurrahman Ghifari, Agung Warsito, Susatyo

Handoko (2013), tentang Studi Harmonisa Pengaruh Kapasitor Bank Pada Sistem

Kelistrikan PT. Chandra Asri Petrochemical, TBK. Penelitian ini menggunakan

hasil simulasi software ETAP power station, dari hasil penelitiannya di dapatkan

bahwa besarnya harmonisa tegangan pada main substation akan berkurang apabila

faktor daya sistem meningkat akibat dipasang kapasitor bank. Penambahan

kapasitor bank dapat mengurangi ITHD, namun apabila terjadi resonansi yang

terjadi akibat pemasangan kapasitor bank dapat menyebabkan arus pada kapasitor

dan ITHD naik. Penelitian ini juga dilakukan pemasangan harmonic filter dengan

single tuned filter dapat mengurangi ITHD pada LV T6 sampai 73,36% dari nilai

awalnya.

Penelitian juga dilakukan oleh I Kadek Suwardana (2013), tentang

Simulasi Penentuan Penempatan Filter Aktif Shunt Untuk Mendapatkan Distorsi

Daya Yang Terkecil Di Blue Point Bay Villa & SPA. Penelitian ini dilakukan

simulasi penggunaan filter aktif shunt menggunakan software MATLAB,

pengelompokan jenis beban non linier, perhitungan daya aktif (P) dan arus beban

(IL), simulasi pada sistem sebelum dan sesudah penggunaan filter aktif, analisis

daya distorsi (D), analisis THD hasil simulasi dan pengukuran sesuai dengan

IEEE 519-1992 yang ditentukan dan analisis penempatan filter aktif shunt yang

tepat untuk menekan distorsi daya. Hasil analisis menunjukkan pemasangan filter

aktif shunt menyebabkan kandungan THD arus dan tegangan telah sesuai dengan

standar IEEE 519-1992 yang ditentukan yaitu ≤ 15%. Daya distorsi harmonisa

pada sistem mengalami penurunan dan terjadi peningkatan faktor daya mendekati

5

unity power factor pada feeder. Penempatan filter aktif shunt yang terbaik untuk

menurunkan THD dan distorsi daya yaitu pada SDP 2.

2.2 Sistem Tenaga Listrik

Secara umum sistem tenaga listrik terdiri dari beberapa komponen dasar

yaitu pusat pembangkit listrik (Power Plant), transmisi tenaga listrik, sistem

distribusi dan beban. Pusat pembangkit (Power Plant) merupakan tempat energi

listrik pertama kali dibangkitkan, dimana terdapat turbin sebagai penggerak mula

(Prime Mover) dan generator yang membangkitkan listrik. Setelah energi listrik

tersebut dibangkitkan maka akan dilakukannya proses transmisi tenaga listrik

yang merupakan proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga

listrik (Power Plant) sehingga dapat disalurkan sampai pada konsumen pengguna

listrik melalui sistem distribusi. Sistem distribusi merupakan subsistem tersendiri

yang terdiri dari: pusat pengatur (Distribution Control Center, DCC), saluran

tegangan menengah (6 kV dan 20 kV, yang juga biasa disebut tegangan distribusi

primer) yang merupakan saluran udara atau kabel tanah, gardu distribusi tegangan

menengah yang terdiri dari panel-panel pengatur tegangan menengah dan trafo

sampai dengan panel-panel distribusi tegangan rendah (380V, 220V) yang

menghasilkan tegangan kerja atau tegangan jala-jala yang nantinya disalurkan ke

beban untuk industri dan konsumen. Ketentuan dasar sistem tenaga listrik :

(Standar IEC dan IEEE)

1. Menyediakan setiap waktu, tenaga listrik untuk keperluan konsumen.

2. Menjaga kestabilan nilai tegangan, dimana tidak lebih toleransi ±10%

3. Menjaga kestabilan frekuensi, dimana tidak lebih toleransi ±0,1Hz

4. Harga yang tidak mahal (Efisien)

5. Standar keamanan (safety)

6. Respek terhadap lingkungan

6

Gambar 2.1. Tiga Komponen Utama dalam Penyaluran Tenaga Listrik

Sumber : Budiana, 2011

2.3 Pengertian Instalasi Listrik

Instalasi listrik merupakan saluran listrik maupun peralatan yang terpasang

baik di dalam maupun di luar bangunan untuk menyalurkan arus listrik.

Rancangan instalasi listrik harus memenuhi ketentuan PUIL 2000 dan peraturan

yang tekait dalam dokumen seperti UU NO 18 Tahun 1999 tentang jasa

konstruksi, peraturan pemerintah NO 51 tahun 1995 tetang Usaha Penunjang

Tenaga Listrik dan peraturan lainnya. (ismansyah,2009)

2.3.1 Prinsip-Prinsip Dasar Instalasi Listrik

Beberapa prinsip instalasi listrik yang harus menjadi pertimbangan pada

pemasangan suatu instalasi listrik dimaksudkan agar instalasi listrik yang

dipasang dapat digunakan secara optimum, efektif ada ifisien adapun prinsif dasar

tersebut ialah sebagai berikut :

1. Keandalan

Artinya seluruh peralatan yang dipakai pada instalasi tersebut haruslah handal

dan baik secara mekanik maupun secara kelistrikannya. Kendalan juga

berkaitan dengan sesuai tindalan pemakaian pengaman jika terjadi gangguan,

7

contohnya bila terjadi suat kerusakan atau gangguan harus mudah dan cepat

diatasi dan diperabaiki agar gangguan yang terjadi dapat diatasi.

2. Ketercapain

tinya dalam pemasangan peralatan instalasi listrik yang relatif mudah

dijangkau oleh pengguna pada saat mengoperasikannya dan tata letak

komponen listrik tidak susah untuk di operasikan , sebagai contoh

pemasangan sakelar tidak terlalu tingggi maupun rendah.

3. Ketersediaan

Artinya kesiapan suatu instalasi listrik dalam melayani kebutuhan baik berupa

daya, peralatan maupun kemungkinan perluasan instalasi. Apabila ada

perluasan instalasi listrik tidak mengganggu sistem instalasi yang sudah ada,

tetapi kita hanya menghubungkannya pada sumber cadangan (spare) yang

telah diberikan pengaman.

4. Keindahan

Artinya, dalam pemasangan komponen atau peralatan instalasi listrik harus

ditata sedemikian rupa, sehingga dapat terlihat rapih dan indah serta tidak

menyalahi peraturan yang berlaku.

5. Keamanan

Artinya, harus mempertimbangkan faktor keamanan dari suatu instalasi listrik,

baik keamanan terhadap manusia, banguna atau harta benda, makhluk hidup

lain dan peralatan itu sendiri.

6. Ekonomis

Artinya, biaya yang dikeluarkan dalam pemasangan instalasi listrik harus

dipertimbangkan dengan teliti serta pertimbangan-pertimbangan tertentu

sehingga biaya yang dikeluarkan dapat sehemat mungkin tanpa harus

mengesampingkan hal-hal diatas.

2.3.2 Pengaruh Lingkungan

Pengaruh lingkungan kerja peralatan instalasi listrik dapat dibedakan

menjadi dua, yaitu lingkungan normal dan lingkungan tidak normal. Lingkungan

tidak normal dapat menimbulkan gangguan pada instalasi listrik yang normal.

8

Untuk itu, jika suatu instalasi atau bagian dari suatu instalasi berada pada lokasi

yang pengaruh luarnya tidak nomal, maka diperlukan perlindungan yang sesuai.

Pengaruh luar yang tidak diimbangi dengan peralatan yang memadai akan

menyebabkan rusaknya peralatan dan bahan dapat membahayakan manusia.

Demikian juga pengaruh kondisi tempat akan dipasangnya suatu instalasi listrik,

misalnya dalam suatu industri apakah penghantar tersebut harus ditanam atau

dimasukan jalur penghantar untuk menghindari tekanan mekanis. Oleh karena itu,

pada pemasangan-pemasangan instalasi listrik hendaknya mempunyai rencana

perhitungan dan analisa yang tepat.

2.4 Panel Hubung Bagi (PHB)

PHB adalah panel berbentuk lemari (cubicle), yang dapat dibedakan

sebagai (Sutarno, 2011) :

1. Panel Utama/MDP (Main Distribution Panel) yang berfungsi sebagai penerima

listrik dari trafo dan memungkinkan pembagian distribusi listrik ke beberapa

sirkuit dengan menggunakan ACB (Air Circuit Breaker) untuk memutuskan

sirkuit di setiap rangkaian dan mendistribusikan listrik tersebut ke SDP (Sub

Distributian Panel).

2. Panel Cabang/SDP (Sub Distribution Panel) adalah panel yang berfungsi untuk

mendistribusikan listrik dari MDP (Main Distribution Panel) ke peralatan

listrik lainnya sesuai dengan kebutuhan.

3. Panel Beban/SSDP (Subsub Distribution Panel)

Untuk PHB sistem tegangan rendah, hantaran utamanya merupakan kabel

feeder dan biasanya menggunakan NYFGBY. Di dalam panel biasanya busbar/rel

dibagi menjadi dua segmen yang saling berhubungan dengan saklar pemisah, yang

satu mendapat saluran masuk dari APP (pengusaha ketenagalistrikan) dan satunya

lagi dari sumber listrik sendiri (genset). Dari kedua busbar didistribusikan ke

beban secara langsung atau melalui SDP dan atau SSDP. Tujuan dari pembagian

busbar menjadi dua segmen adalah jika sumber listrik dari PLN mati akibat

gangguan ataupun karena pemeliharaan, maka suplai ke beban tidak akan

terganggu dengan adanya sumber listrik sendiri (genset) sebagai cadangan.

9

2.5 Penghantar dalam Instalasi Listrik

Bahan penghantar kabel instalasi listrik merupakan sebuah bahan yang

berfungsi sebagai penghubung dan penghantar aliran listrik dari satu komponen

listrik ke komponen listrik yang lain. Bahan penghantar yang biasanya digunakan

dalam instalasi listrik harus memenuhi syarat dan sesuai dengan tujuan

penggunaanya, serta telah diuji mutunya oleh lembaga yang berwenang. Ukuran

penghantar listrik dinyatakan dalam ukuran luas penampang inti penghantar dan

dinyatakan dengan satuan mm2. ( Hapiddin, 2009)

Tembaga dan alumunium merupakan jenis bahan penghantar yang biasanya

digunakan sebagai penghantar aliran listrik. Bahan tembaga yang digunakan

sebagai penghantar listrik harus memiliki kemurnian minimal 99%. Tahanan jenis

bahan tembaga yang diisyaratkan tidak melebihi 0,017241 ohm.mm2/m pada suhu

20o C atau sama dengan daya hantar 50 siemen 100% IACS (International

Annealid Copper Standard). Koefisien suhu pada suhu awal 20o C adalah 0,04%

per derajat celcius. Jika terjadi kenaikan suhu 20o

C, akan terjadi kenaikan tahanan

jenis 4% luas penampang penghantar tembaga harus memenuhi standar

internasional.Pada kabel instalasi listrik berselubung, terdapat beberapa huruf

untuk memberikan kode pada kabel tersebut antara lain: (Hapiddin, 2009)

a. N : kabel standar dengan penghantar tembaga.

b. NA : kabel standar dengan penghantar Alumunium.

c. Y : kabel dengan isolasi atau selubung PVC.

d. F : kabel dengan perisai kawat pipih.

e. R : kaber dengan perisai kawat baja bulat.

f. Gb : Kabel spiral pita baja.

g. Re : Kabel pengantar padat bulat.

h. Rm : Kabel penghantar bulat padat banyak.

i. Se : Kabel penghantar padat bentuk sektor.

j. Sm : Kabel penghantar kawat banyak bentuk sektor.

10

Tabel 2.1. Kemampuan Penghantaran Arus Kabel Instalasi Berbahan Tembaga,Berisolasi,

dan Berselubung PVC

Luas Penampang

Nominal Kabel

Kemampuan Hantar Arus

Maksimum

Kemampuan Hantar Arus

Nominal Maksimum

Pengaman

Mm2

Ampere (A) Ampere (A)

1,5 19 20

2,5 25 25

4 34 35

6 44 50

10 6 63

16 82 80

25 108 100

35 134 125

50 167 160

70 207 224

95 249 250

120 291 300

150 334 355

185 380 355

240 450 425

300 520 500

Sumber : Rusmadi, 2006

Adapun nilai tegangan nominal kabel berdasarkan warna selubung luar

kabel yang berbahan PVC telah dibakukan, dalam PUIL ayat 720 G1, seperti

tercantum dalam tabel 2.2 berikut.

Tabel 2.2 Tegangan Nominal Kabel Berdasarkan Warna Selubung Luar Kabel PVC

Jenis Kabel Tegangan Nominal Warna Selubung Luar

Kabel berselubung PVC

untuk instalasi tetap

(misalnya ,NYM)

500V Putih

Hantaran udara berselubung

PVC(misalnya,NYMT) 500V Hitam

Kabel berselubung PVC 0,6 / 1KV Hitam

Kabel berselubung PVC Diatas 1 KV Merah

Sumber : Rusnadi, 2006

11

Jenis Kabel Instalasi yang digunakan dalam instalasi listrik rumah adalah

jenis kawat tembaga, bukan dengan kabel serabut. Ada berbagai jenis kabel kawat

tembaga yang digunakan dalam instalasi listrik rumah, seperti tipe kabel

NYA,NYM dan NYY. ( Hapiddin, 2009).

PUIL 2011 ayat 2.2.2.2 menetapkan bahawa setiap konduktor harus

mempunyai KHA yang tidak kurang dari arus yang mengalir di dalamnya. Untik

itu KHA harus dianggap tidak kurang dari kebutuhan maksimum yang ditentukan

dalam PUIL 2011 ayat 2.3.2 untuk sirkit utama dan sirkit cabang, atau dalam

PUIL 2011 ayat 2.3.4 untuk sirkit utama atau sirkit cabang dengan cara

pengukuran atau pembatasan, atau dalam PUIL ayat 2.3.5 untuk sirkit akhir.

Untuk kabel dilindungi oleh bahan isolasi keseluruhannya.

2.5.1 Kabel NYFGBY

Kabel NYFGBY/NYRGbY/NYBY merupakan Kabel ini dirancang khusus

untuk instalasi tetap dalam tanah yang ditanam langsung tanpa memerlukan

perlindungan tambahan (kecuali harus menyeberang jalan). Pada kondisi normal

kedalaman pemasangan dibawah tanah adalah 0,8 meter.

Gambar 2.2 Kabel NYFGBY

2.5.2 Kabel NYY

Kabel NYY memiliki lapisan isolasi PVC yang biasanya berwarna hitam,

ada yang berinti 2, 3 atau 4 . kabel NYY merupakan kabel Instalasi listrik yang

dipergunakan untuk instalasi tertanam (kabel tanah) dan memiliki lapisan isolasi

yang lebih kaut dari kabel NYM. ( Hapiddin,2009)

12

Gambar 2.3 Kabel NYY

2.5.3 Kabel NYA

Kabel NYA jenis kabel tembaga berinti tunggal dan berlapis bahan isolasi

PVC, yang biasa digunakan untuk instalasi luar/kabel udara. Kode warna isolasi

pada kabel NYA terdiri atas warna merah, kuning, biru dan hitam. Jenis kabel ini

banyak digunakan dalam instalasi listrik perumahan karena harganya yang relatif

murah . akan tetapi, kabel NYA merupakan jenis kabel yang mudah cacat dan

mudah terkelupas dikarenakan isolasinya yang hanya 1 lapis. Kabel NYA adalah

kabel tipe udara sehingga tidak terlalu tahan terhadap air dan udara lembab.

Jika memakai kabel NYA dalam instalasi listrik untuk pengamanan kabel

harus dipasang dalam pipa/conduit jenis PVC atau saluran tertutup. Hal tersebut

dilakukan agar kabel tidak mudah terkelupas akibat bergesekan dengan benda

lain. Jika isolasi kabel terkelupas, kawat kabel tersebut tidak akan tersentuh oleh

manusia. ( Hapiddin, 2009)

Gambar 2.4 Kabel NYA

2.6 Kualitas Daya Listrik

Kualitas daya listrik merupakan tenaga listrik yang handal, energi listrik

yang memiliki kualitas baik dan memenuhi standar, serta mempunyai kontribusi

yang sangat penting bagi kehidupan masyarakat. Kualitas daya listrik juga dapat

diartikan sebagai hubungan dari daya listrik dengan peralatan listrik. Jika

13

peralatan listrik dapat bekerja handal tanpa mengalami tekanan dan juga kerugian,

maka dapat dikatakan peralatan listrik tersebut memiliki kualitas daya yang baik.

Begitu pula sebaliknya, jika peralatan listrik bekerja kurang handal atau gagal

fungsi serta mengalami kerugian saat pengoperasiaannya maka dapat dikatakan

peralatan listrik tersebut memiliki kualitas daya yang buruk. Pada dasarnya,

tegangan berbentuk sinusoidal yang memiliki amplitudo dan frekuensi yang

sesuai dengan standar (pada umumnya) atau spesifikasi sistem. Namun pada

kenyataanya, sumber daya listrik tidak ada yang ideal dan pada umumnya daya

listrik dapat menyimpang dengan cara-cara berikut (Dugan,dkk, 2003) :

1. Peak variation atau RMS adalah 2 hal yang penting dalam membedakan jenis

dari peralatan.

2. Swell adalah Saat dimana tegangan RMS melebihi dari tegangan nominal

sebesar 10 – 80 % pada 0.5 cycle sampai 1 menit.

3. Dip atau Sag adalah kejadian dimana tegangan RMS di bawah tegangan

nominal sebesar 10-90 % dalam 0.5 cycle sampai 1 menit.

4. Kenaikan tegangan yang sangat singkat disebut “spikes”, “impulse” atau

“surja”, yang umumnya disebabkan oleh switch off-nya beban induktif yang

besar atau (yang sering terjadi) karena petir.

5. Under voltage adalah saat dimana tegangan nominal turun di bawah 90%

selama lebih dari 1 menit.

6. Overvoltage terjadi saat tegangan nominal meningkat sampai di atas 110%

selama lebih dari 1 menit.

7. Variasi frekuensi.

8. Variasi gelombang (biasanya menggambarkan harmonisa).

2.6.1 Konsep Kualitas Daya Listrik

Kualitas daya listrik menjadi perhatian lebih saat ini yang semakin

meningkat seiring dengan peningkatan penggunaan energi listrik dan utilitas

kelistrikan. Istilah kualitas daya listrik telah menjadi isu penting pada industri

tenaga listrik sejak akhir 1980-an. Kualitas daya listrik merupakan suatu konsep

yang memberikan gambaran tentang baik atau buruknya mutu daya listrik akibat

14

adanya beberapa jenis gangguan yang terjadi pada sistem kelistrikan (Dugan, dkk

1996).

Empat alasan utama, para ahli di bidang tenaga listrik memberikan perhatian

lebih pada isu kualitas daya listrik (Dugan, dkk 1996), yaitu :

1. Saat ini pertumbuhan beban-beban listrik bersifat lebih peka terhadap

kualitas daya listrik seperti halnya sistem kendali dengan berbasis pada

mikroprosesor dan perangkat elektronika daya.

2. Meningkatnya efisiensi sistem daya listrik secara keseluruhan, sehingga

menimbulkan terjadinya peningkatan penggunaan peralatan yang memiliki

tingkat efisiensi tinggi, seperti pengaturan kecepatan motor listrik dan

penggunaan kapasitor untuk perbaikan faktor daya. Penggunaan peralatan

tersebut dapat mengakibatkan peningkatkan tingkat harmonik pada sistem

daya listrik, dimana para ahli mengkhawatirkan dampak harmonisa tersebut

di masa mendatang yang dapat menurunkan kemampuan dari sistem daya

listrik itu sendiri.

3. Meningkatnya kesadaran pengguna energi listrik mengenai masalah kualitas

daya listrik. Para pengguna utilitas kelistrikan menjadi lebih pandai dan

bijak dalam persoalan seperti interupsi, sags, dan peralihan transien dan

merasa berkepentingan untuk meningkatkan kualitas distribusi daya

listriknya.

4. Sistem tenaga listrik yang satu sama lainnya saling berhubungan dalam

suatu jaringan interkoneksi, dimana sistem tersebut memberikan suatu

konsekuensi bahwa kegagalan dari setiap komponen dapat mengakibatkan

kegagalan pula pada komponen yang lainnya.

2.6.2 Jenis-Jenis Permasalahan Kualitas Daya Listrik

Ada beberapa jenis-jenis permasalahan dalam kualitas daya listrik seperti

(Dugan, dkk 1996):

2 Gejala Peralihan (Transient), yakni gejala perubahan variabel (tegangan,

arus dan lain-lain) yang terjadi selama masa transisi dari keadaan operasi

lunak (steady state) menjadi keadaan yang lainnya.

15

3 Gejala Perubahan Tegangan Durasi Pendek (Short-Duration Variations),

yakni gejala perubahan nilai tegangan dalam waktu yang begitu singkat yaitu

kurang dari 1 (satu) menit.

4 Gejala Perubahan Tegangan Durasi Panjang (Long-Duration Variations),

yakni gejala perubahan nilai tegangan, dalam waktu yang lama yaitu lebih

dari 1 (satu) menit.

5 Ketidakseimbangan Tegangan, yakni gejala perbedaan besarnya tegangan

dalam sistem tiga fasa serta sudut fasanya.

6 Distorsi Gelombang, yakni gejala penyimpangan suatu gelombang (tegangan

dan arus) dari bentuk idealnya berupa gelombang sinusoidal

7 Fluktuasi Tegangan, yakni gejala perubahan besarnya tegangan secara

sistematik.

8 Gejala Perubahan Frekuensi Daya yakni gejala penyimpangan frekuensi daya

listrik pada suatu sistem tenaga listrik.

2.7 Teori Harmonisa

Berdasarkan Standart IEC (International Electrotechnical Commission)

1000.4-11, gangguan harmonisa tergolong kedalam Distorsi Bentuk Gelombang

(Dugan, dkk 1996). Pengertian harmonik menurut International Electrotechnical

Commision (IEC) 6100-2-1- 1990 didefenisikan yakni tegangan ataupun arus

sinusoidal yang mempunyai kelipatan frekuensi sistem pasokan tenaga listriknya

sebagaimana yang dirancang untuk dioperasikan ( 50 Hz ataupun 60 Hz). Hampir

sama dengan IEC, Institute of Electrical and Electronic Engineering (IEEE) Std

1159-1995 mendefenisikan harmonik sebagai tegangan ataupun arus sinusoida

yang mempunyai kelipatan bulat dari frekuensi dimana sistem tenaga listrik

pasokannya dirancang untuk dioperasikan (atau disebut juga dengan terminologi:

frekuensi fundamental, yaitu pada umumnya 50 Hz atau 60 Hz (Syahwil,dkk

2010). Selain itu, harmonisa ialah gangguan yang terjadi karena adanya distorsi

gelombang arus dan gelombang tegangan dalam sistem distribusi tenaga listrik.

Dasarnya, harmonisa itu merupakan pembentukan gelombang-gelombang dengan

16

frekuensi berbeda. Dimana ini merupakan perkalian bilangan bulat dengan

frekuensi fundamentalnya atau frekuensi dasarnya.

Gambar 2.5 Gelombang Fundamental, Gelombang Harmonisa dan Gelombang

Terdistorsi.

Sumber : Suryajaya, 2011

2.7.1 Sumber harmonisa

Terjadinya gangguan harmonisa pada sistem tenaga listrik di industri

disebabkan karena banyaknya pemakaian peralatan yang merupakan beban–beban

non linier, seperti: inverter, converter, dan lain sebagainya.

Gambar 2.6 Penurunan Derajat Tegangan pada Jaringan yang Disebabkan Beban Non

Linier.

Sumber : Ferracci, Ph, 2001

Ada empat sebab dasar yang menyebabkan terjadinya harmonisa dalam

bentuk gelombang non linier, yaitu (Susiono, 1999) :

1. Sumber arus dan tegangan non sinusoidal, dan elemen-elemen rangkaian

(resistor, induktor, dan kapasitor) adalah linier (independent).

17

2. Sumber arus dan tegangan sinusoidal, sedangkan elemen-elemen

rangkaian mengandung elemen nonlinier.

3. Sumber arus dan tegangan non sinusoidal, sedangkan elemen-elemen

rangkaian nonlinier.

4. Sumber arus dan tegangan yang berupa sumber DC, sedangkan

rangkaiannya mengandung elemen yang berubah secara periodik.

2.7.2 Pengaruh Harmonisa Dalam Sistem Tenaga Listrik

Ada beberapa akibat yang ditimbulkan oleh adanya harmonisa dalam

sistem tenaga listrik, antara lain adalah:

1. Dengan adanya harmonisa akan meningkatkan nilai efektif (RMS) arus

listrik, sehingga rugi-rugi tembaga (I2R) juga semakin meningkat.

2. Dengan adanya harmonisa yang berfrekuensi lebih tinggi, akan

meningkatkan rugi-rugi inti (histeresis dan arus pusar) pada mesin-mesin

listrik (misalnya transformator).

3. Harmonisa akan meningkatkan nilai efektif tegangan sehingga akan

meningkatkan kerapatan medan magnet pada inti besi yang juga akan

meningkatkan rugi-rugi inti (transformator).

4. Dengan meningkatnya rugi-rugi pada poin pertama sampai dengan poin

ketiga di atas, suhu kerja peralatan juga semakin tinggi dan pada

akhirnya akan mengurangi umur peralatan. Selain itu, meningkatnya

rugi-rugi akan menurunkan efisiensi peralatan.

5. Tegangan efektif yang meningkat akibat adanya harmonisa ini juga akan

meningkatkan kuat medan listrik yang dipikul oleh isolasi peralatan.

6. Menimbulkan panas yang berlebih pada isolasi kapasitor.

7. Dengan adanya harmonisa, efek kulit (skin effect) akan meningkat pada

kabel sehingga menaikkan resistansi AC (Rac) yang dapat meningkatkan

rugi-rugi.

8. Alat proteksi tidak bekerja secara tepat. Sekring dapat bekerja pada arus

di bawah nominalnya, relai bisa bekerja pada selang waktu yang lebih

cepat ataupun lebih lambat dibanding dengan waktu yang diharapkan

18

ketika bekerja pada frekuensi fundamental. Oleh karena itu, dalam

merencanakan alat proteksi, faktor harmonisa harus juga diperhitungkan.

9. Menimbulkan kesalahan pengukuran pada alat ukur.

10. Menimbulkan interfrensi pada saluran komunikasi radio, telepon, PLC

(Power Line Carrier) melalui kopling induktif.

11. Memperburuk faktor daya.

2.7.3 Interharmonisa

Interharmonisa merupakan arus atau tegangan yang mempunyai komponen

frekuensi yang bukan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi daya (misalnya, 50

atau 60 Hz). Interharmonisa ini dapat ditemukan dalam jaringan sistem tenaga

listrik untuk semua klasifikasi tegangan. Sumber utama dari distorsi gelombang

interharmonisa ialah berasal dari konverter frekuensi statis, cycloconverter, motor

induksi, dan juga peralatan yang dapat menimbulkan busur api. Sinyal pembawa

pada saluran tenaga listrik juga dapat disebut sebagai interharmonisa Hal ini dapat

dilihat dengan adanya pengaruh sinyal pembawa pada saluran daya, adanya flicker

yang terlihat secara visual pada lampu fluoressent, atau dengan adanya

pencahayaan secara busur listrik seperti yang terjadi pada layar perangkat

komputer. (Ngabei, 2013)

Proses konversi frekuensi dapat dihasilkan ,yang nilainya tergantung dari

perubahan beban. Interharmonisa dapat pula muncul sebagai frekuensi diskrit atau

sebagai spektrum pita lebar. Interharmonisa arus dapat membangkitkan resonansi

yang cukup tinggi pada sistem tenaga listrik sebagai akibat adanya perubahan

frekuensi interharmonisa menjadi frekuensi yang digunakan dalam sistem tenaga.

2.7.4 Orde Harmonisa

Orde Harmonisa adalah perbandingan frekuensi harmonisa dengan

frekuensi dasar (Ghifari, dkk, 2013), dapat kita definisikan dengan sebuah

persamaan berikut :

n = ƒn/F ……………………………………………………………………..(2.1)

Keterangan :

19

n : Orde harmonisa

ƒ : Frekuensi dasar harmonisa ke-n (Hz)

F : Frekuensi dasar (Hz)

Gelombang dengan frekuensi dasar tidak dianggap sebagai harmonisa, yang

dianggap sebagai harmonisa adalah orde ke-2 sampai ke-n.

2.7.5 Spektrum Harmonisa

Spektrum harmonisa adalah pendistribusian dari semua amplitudo dari

komponen harmonisa sebagai fungsi dari orde harmonisanya diilustrasikan dari

screenshot etap (Ghifari, dkk, 2013).

Gambar 2.7 Bentuk Spektrum Harmonisa

Sumber : Ghifari, dkk, 2013

Gambar diatas bisa kita lihat bahwa spektrum merupakan perbandingan

antara arus atau frekuensi harmonisa terhadap arus atau tegangan frekuensi dasar.

Spektrum digunakan sebagai dasar perencanaan pembuatan filter yang akan

digunakan untuk mereduksi harmonisa.

2.7.6 Harmonisa Pada Jaringan Distribusi

Untuk mempermudah dalam menganalisa persoalan harmonisa pada

jaringan distribusi, maka representasi suatu jaringan bisa dinyatakan dalam model

20

jaringan dengan beban nonlinier seperti pada Gambar 2.8 di bawah ini. (Susiono,

1999)

Beban Nonlinier

Sumber Arus

Gambar 2.8 Representasi Jaringan Distribusi dengan Beban Non Linier

Sumber : Susiono, 1999

Pada penyulang distribusi radial dan pada penyulang yang melayani

kawasan industri, kecendrungan arus harmonisa akan mengalir dari beban

(sumber harmonik) ke arah sistem sumber daya (power source). Hal ini terjadi

karena, impedansi sumber biasanya relatif lebih kecil dari pada impedansi sumber

harmonik sehingga sebagian besar arus harmonik mengalir ke arah sumber daya,

seperti pada Gambar 2.9 di bawah ini.

Gambar 2.9 Aliran Arus Harmonik

Sumber : Susiono, 1999

Apabila pada saluran tersebut terpasang impedansi yang relatif rendah pada

frekuensi harmonik, maka lintasan arus harmonik akan berubah, hal seperti ini

misalnya terjadi karena pemasangan bangku kapasitor (capasitor bank) untuk

perbaikan faktor daya pada beban. Kejadian seperti ini ditunjukkan oleh Gambar

2.10 di bawah ini. (Susiono,1999)

21

Normal Path Altered Path

Harmonic Source

Gambar 2.10 Perubahan Lintasan Arus Harmonik

Sumber : Susiono, 1999

Beban non linier umumnya berupa komponen semikonduktor, sehingga

sebagian besar harmonik merupakan fenomena yang timbul akibat bekerjanya

suatu peralatan elektronik, misalnya komputer, TV, motor listrik berpengaturan

kecepatan, lampu hemat energi dengan ballast elektronik, dan lainnya.

2.7.7 Standar harmonisa

Yang dijadikan standar harmonisa yakni IEEE 519-1992. Ada dua kriteria

yang dapat mengevaluasi harmonisa yaitu Distorsi harmonisa arus (THDi) dan

harmonisa tegangan (THDv). Harmonisa juga memiliki batas yang dapat

ditentukan dari perbandingan arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of

Common Coupling), dan IL merupakan arus beban fundamentalnya. Batas

harmonisa tegangan sendiri ditentukan dari besarnya tegangan sistem yang

terpasang. Standar harmonisa yang diizinkan untuk arus dan tegangan berdasarkan

IEEE 519-1992 dapat dilihat pada table dibawah ini (Dugan. dkk, 2003) :

Tabel 2.3 Current Distortion Limits untuk General Distribution System

Maximum Harmonics Current Distortion In % IL

Individual Harmonic Order (Odd Harmonics)

Isc / IL <11 11=<h<17 17=<h<23 23=<h<35 35=<h THD

<20 4 2 1.5 0.6 0.3 5

20-50 7 3.5 2.5 1 0.5 8

50-100 10 4.5 4 1.5 0.7 12

100-1000 12 5.5 5 2 1 15

>1000 15 7 6 2.5 1.4 20

Sumber : IEEE Std519-1992

22

THD arus harmonisa yang urutan genap dibatasi oleh 25% dari harmonisa

yang urutan ganjil diatas. Distorsi arus yang ditimbulkan oleh sebuah penyearah

setengah gelombang dc tidak diizinkan atau tidak termasuk pada tabel diatas.

Dengan :

Isc = Max short circuit current di PCC (Point of Common Coupling)

IL = Max load current (arus beban fundamental) di PCC

Menurut IEEE Standard 519-1992, untuk mengetahui standar batas

maksimum THDi pada utility, maka harus diketahui terlebih dahulu rasio hubung

singkat (short-circuit ratio). SCratio yang dapat dicari dengan menggunakan rumus:

SCratio = 𝐼𝑠𝑐

𝐼𝐿………………………………………………………………(2.6)

Dimana, Isc (Arus hubung singkat) dapat dicari dengan rumus :

(%) ZKV 3

100KVAcI

s

Sedangkan IL (Arus beban maksimum) dapat dicari dengan rumus :

IL= 𝐾𝑊

𝑃𝐹 . 3.𝐾𝑉 ………………………………………………………..(2.8)

Keterangan:

SCI = Arus hubung singkat maksimum pada PCC

LI = Arus beban maksimum

KW = Total daya aktif

TabeL 2.5 Voltage Distortion Limits

Voltage at PCC Individual Voltage Distortion (%) Total Harmonic Distortion THD

(%)

69 kV and below 3.0 5.0

69 kV – 161 kV 1.5 2.5

161 kV 1.0 1.5

Sumber : IEEE Std519-1992

…………………………………….……...(2.7)

23

2.7.8 Total harmonic distortion (THD)

Distorsi harmonisa atau harmonic distortion disebabkan oleh peralatan-

peralatan nonlinier dalam suatu sistem tenaga listrik. Peralatan yang dikategorikan

kedalam beban non linier yakni apabila mempunyai output yang nilainya tidak

sebanding dengan tegangan yang diberikan (Dugan, dkk, 1996).

Gambar 2.14 Beban Non Linier

Sumber : Dugan, dkk, 1996

Gambar 2.15 merupakan ilustrasi dari konsep dengan kasus tegangan

masukan sinusoidal diberikan pada resistor nonlinear, dimana arus dan tegangan

bervariasi sesuai dengan kurva yang ditampilkan. Selain itu tegangan masukan

berupa sinusoidal sempurna, tetapi arus yang dihasilkan berupa gelombang

terdistorsi. Peningkatan tegangan walaupun hanya beberapa persen dapat

menyebabkan terjadinya penggandaan arus dan akan menghasilkan bentuk

gelombang yang berbeda. Hal ini merupakan sumber dari distorsi harmonisa

dalam sistem tenaga listrik (Dugan, dkk, 1996).

Gambar 2.15 Gelombang Terdistorsi

Sumber: Dugan, dkk, 1996

Gambar 2.16 memperlihatkan bentuk gelombang terdistorsi yang

merupakan penjumlahan dari beberapa gelombang sinusoidal yang memiliki

24

variasi frekuensi yang berbeda. Gelombang sinusoidal yang mempunyai frekuensi

berbeda ini merupakan hasil kelipatan dari bilangan bulat dengan frekuensi

fundamentalnya. Dan jumlah dari gelombang sinusoidal disebut dengan deret

fourier, di mana Fourier tersebut merupakan nama matematikawan besar yang

berhasil menemukan suatu konsep yang dapat menjelaskan tentang gelombang

terdistorsi tersebut.

Nilai Distorsi Harmonisa Total (THD) dari suatu gelombang dapat dihitung

dengan menggunakan rumus :

𝑇𝐻𝐷 = 𝑀ℎ

2ℎ𝑚𝑎𝑥ℎ=2

𝑀1 .................................................................... …….. (2.2)

Dimana Mh adalah nilai rms komponen harmonisa h dari kuantitas M.

Kuantitas M dapat berupa besaran tegangan V maupun besaran arus I, sehingga

THDv nilai distorsi harmonisa total tegangan dan THDI distorsi harmonisa total

arus listrik, dimana :

𝑇𝐻𝐷𝑉 = 𝑉ℎ

2ℎ𝑚𝑎𝑥ℎ=2

𝑉1 ……………………………………………….......(2.3)

𝑇𝐻𝐷𝐼 = 𝐼ℎ

2ℎ𝑚𝑎𝑥ℎ=2

𝐼1 ..................................................................... ……...(2.4)

Nilai rms dari total bentuk gelombang bukanlah penjumlahan dari setiap

komponen harmonisa, tetapi akar kuadrat dari penjumlahan kuadratnya.

Hubungan THD dengan nilai rms dari gelombang adalah :

𝑟𝑚𝑠 = 𝑀ℎ2ℎ𝑚𝑎𝑥

ℎ=1 = 𝑀1 + 1 + 𝑇𝐻𝐷2 ................................. ……...(2.5)

Tegangan harmonisa selalu digunakan sebagai pedoman untuk nilai dasar

dari bentuk gelombang sesaat. Hal ini dikarenakan tegangan mempuyai persentase

perbedaan yang kecil, dimana THD tegangan adalah pendekatan dari jumlah yang

sebenarnya. Hal ini tidak berlaku untuk arus listrik, karena sebuah arus yang

mempunyai nilai kecil dapat menghasilkan THD yang tinggi, sehingga tidak dapat

digunakan untuk menggambarkan keadaan suatu sistem (Dugan, dkk, 1996)

Standar harmonisa berdasarkan standar IEEE 519-1992. Ada dua kriteria

yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa. Yaitu batasan untuk

25

harmonisa arus, dan batasan untuk harmonisa tegangan. Untuk standard

harmonisa arus, ditentukan oleh rasio Isc/IL. Isc adalah arus hubung singkat SC

yang ada pada PCC (Point of Common Coupling) dan IL adalah arus beban

maksimum. Dan untuk standard harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan

sistem yang dipakai.

2.7.9 Permasalahan teknis yang ditimbulkan oleh harmonisa

2.7.9.1 Konsep daya

Bila arus dan tegangan dapat dinyatakan secara umum sebagaimana

persamaan (2.8) dan (2.9) sebagai : (Buhron, 2001)

)cos()(1

h

h

oh hatv

............................................ ...……(2.9)

)cos()(1

h

h

oh hbti

…………………………...….…(2.10)

Daya aktif dapat dinyatakan sebagai :

) cos(1

hh

h

hhtotal baP

............................................ …….(2.11)

Daya nyata dinyatakan sebagai :

1h

hhtotal baS .............................................. …….(2.12)

Bila daya reaktif diturunkan dengan cara yang sama sebagaimana

mendapatkan daya aktif P, maka didapat :

) sin(1

hh

h

hhtotal baQ

............................................... …….(2.13)

Definisi daya reaktif pada persamaan (2.13) di atas belum disepakati secara

bulat oleh para insinyur listrik. Salah satunya dikarenakan apabila kita terapkan

persamaan “standar” untuk daya tampak (apparent power):

22 QPS ……………………………………(2.14)

Dimana :

S = Daya Semu (VA)

26

P = Daya Aktif (Watt)

Q = Daya Reaktif (Var)

ternyata P dan Q tidak memenuhi persamaan di atas. Untuk itu, diintrodusir satu

besaran lain, yaitu daya distorsi D, yang dinyatakan sebagai:

222 QPSD ……………………………………(2.15)

Dari ulasan singkat di atas, tampak bahwa definisi daya, khususnya daya

reaktif yang normal harus ditinjau ulang akibat kehadiran harmonisa. Nilai dari

daya distorsi juga dapat dinyatakan sebagai berikut:

D = 22

3

2

2 ... hrms IIIV

…………………………………………(2.16)

Hubungan antara daya semu, daya aktif, daya reaktif dan daya distorsi dapat

dilihat dari hubungan tetahedron dibawah ini:

Gambar 2.11 Tetahedron Yang Menyatakan Hubungan Antara Daya S, P, Q dan D

Sumber : Buhron, 2001

Gambar diatas menunjukkan bahwa dengan adanya daya distorsi, maka

terjadi perubahan nilai daya semu dari S1 menjadi S dan juga daya reaktif dari Q1

menjadi Q (Sumber : Septiawan, 2012).

2.7.9.2 Konsep faktor daya

Jika arus dan tegangan berbentuk sinusoidal, maka faktor daya diartikan

sebagai cosinus sudut yang dibentuk antara simpangan nol (zero-crossing)

tegangan dan simpangan nol arus, dengan nol tegangan sebagai acuan (Buhron,

2001). Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.20 di bawah ini.

27

Gambar 2.12 Kurva Arus dan Tegangan Pada Beban Linier

Sumber : Buhron, 2001

Bila arus dan atau tegangan tidak sinusoidal, seperti pada gambar di atas,

definisi tersebut tidak lagi dapat digunakan.

Permasalahan akan timbul jika salah satu atau kedua besaran tidak

sinusoidal sebagaimana yang diperlihatkan pada gambar di atas, terlebih lagi

apabila besaran-besaran memiliki beberapa simpangan nol. Jadi untuk

menyelesaikan permasalahan mengenai faktor daya, ada dua definisi yang umum

digunakan yang berkaitan dengan bentuk arus dan atau tegangan yang tidak

sinusoidal, yaitu true power factor (tpf atau pf saja). (Sutanto; Buhron, 2001)

……………………………………….(2.17)

dan displacement power factor (dpf),

………………………………………...(2.18)

True power factor (tpf) merupakan ukuran dari kemampuan daya rangkaian,

dengan mencakup seluruh komponen harmonisa. Nilai tpf adalah selalu lebih kecil

atau sama dengan dpf (yaitu dalam kasus arus dan tegangan sinusoidal).

2.7.9.3 Tegangan sistem

Arus sumber yang tidak berbentuk sinusoidal dapat menyebabkan

terjadinya cacat tegangan pada tegangan sistem. Dalam domain waktu, fenomena

cacat tegangan dapat berupa puncak dan lembah yang terpotong dapat dijelaskan

sebagai berikut, yakni arus yang ditarik dari sumber hanya mengalir ketika

rms

fseluruhtotal

I

Ptpf

rms

rekuensi

V

11 IV

Pdpf

lfundamenta

28

gelombang tegangan berada di sekitar puncak dan lembah. Dengan begitu, jatuh

tegangan pada feeder juga hanya terjadi ketika tegangan berada di sekitar puncak

dan lembah. Jatuh tegangan ini ditandai dengan pemotongan (clipping) tegangan

yang hanya terjadi di sekitar puncak dan lembah (Yuliana, 2009).

Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Feeder

Sumber : Buhron, 2001

Seperti yang tampak pada Gambar 2.21 feeder memiliki elemen resistif dan

induktif. Apabila efek kulit (skin effect) dan efek proximity dapat diabaikan, maka

elemen resistif secara ideal memiliki sifat yang bernilai konstan untuk setiap nilai

frekuensi dari DC hingga infinit. Dengan demikian, elemen resistif memberikan

kontribusi jatuh tegangan yang tetap untuk setiap komponen frekuensi. Perilaku

yang berbeda terjadi pada elemen induktif, yang disebabkan oleh reaktansi

induktif yang bervariasi terhadap frekuensi, dari nol pada DC hingga infinit pada

frekuensi infinit. Dengan demikian, elemen induktif memberikan kontribusi jatuh

tegangan yang berbeda untuk setiap komponen frekuensi. Reaktansi induktif

untuk setiap komponen frekuensi dapat dinyatakan sebagai :

………………………………………(2.19)

Jatuh tegangan V untuk setiap komponen dapat dituliskan sebagai :

Vn = In.Zn ……………………………………………………...(2.20)

dimana In adalah nilai-nilai efektif komponen arus harmonisa dan Zn = R +

j314.n.L. Dari persamaan (2.20) tersebut tampak bahwa jatuh tegangan

bergantung pada nilai efektif komponen-komponen arus harmonisa dan impedansi

pada frekuensi harmonisa.

in

R j314.n.L

V

Vs VPCC

LnjLnjXn ..314.50...2

29

2.8 Penyearah (Rectifier)

Sumber utama dari harmonisa adalah penyearah. Jika dilihat dari segi

pengendalian. Penyearah dibagi menjadi dua jenis yakni :

1. Penyearah tak terkendali (dengan dioda)

2. Penyearah terkendali (dengan thyristor)

Penyearah yang pertama dan kedua mengintrodusir harmonisa dalam

jumlah yang besar. Penyearah kedua, selain untuk menghasilkan harmonisa, juga

mempunyai faktor daya yang sangat rendah. Sedangkan penyearah pertama,

khususnya dari jenis satu phasa ialah penyumbang harmonisa terbesar dari sektor

perumahan. Peralatan elektronik yakni meliputi televisi, printer, scanner,

komputer, monitor, oven microwave, dan lainnya menggunakan penyearah jenis

ini pada seksi front-end-nya. Pada Gambar 2.17 ditampilkan topologi penyearah

pertama. Penyearah tak terkendali tiga phasa sangat sering ditemui pada sektor

industri. Penyearah ini sangat lazim dijumpai pada seksi front-end pengendali

putaran motor-motor asinkron tiga phasa dalam semua sektor industri

vs C beban

induktor perata arus

(optional)

Vo

Gambar 2.16 Topologi Penyearah Tak-Terkendali Satu Phasa

Sumber: Dugan, dkk, 2003

Sedangkan penyearah jenis kedua, yaitu penyearah terkendali biasa

digunakan dalam sektor industri yang menggunakan pengendalian putaran motor

DC dengan penyearah. Pada Gambar 2.18 diperlihatkan topologi dan bentuk arus

penyearah terkendali tiga phasa.

30

Gambar 2.17 Topologi Penyearah Terkendali Tiga Fasa

Sumber: Dugan, dkk, 2003

Bentuk arus penyearah terkendali tiga phasa hampir sama dengan bentuk

arus penyearah tak terkendali tiga phasa, terkecuali mempunyai beda phasa

terbelakang terhadap tegangan

Harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik akan mengakibatkan

penurunan kinerja pada komponen tersebut. Timbulnya harmonisa ketiga ini dapat

mengkibatkan panas yang berlebih pada kawat netral dan transformator, hal ini

yang merupakan dampak paling umum akibat adanya harmonisa. Pembebanan

yang seimbang, arus beban dari beban linier akan saling mengurangi sehingga

dengan begitu arus netralnya akan menjadi nol. Tidak sama halnya pada keadaan

tak seimbang dengan beban non linier, akan muncul harmonisa ganjil kelipatan

tiga. Harmonisa ini yang akan membuat arus netral menjadi semakin besar,

sehingga rugi-rugi daya akan bertambah besar juga.

Tabel 2.5 Polaritas dari Komponen Harmonisa

Orde harmonisa 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Urutan + - 0 + - 0 + - 0

Sumber : Suryajaya, 2011

Harmonisa yang urutan positif akan mengakibatkan medan magnet putar

arah maju pada motor dan ini juga mengakibatkan panas pada jaringan distribusi,

begitu pula sebaliknya dengan harmonisa yang urutan negatif. Sedangkan

harmonisa yang urutan nol akan menimbulkan panas berlebih, selain itu akan

mengakibatkan arus netral menjadi meningkat.

R

I o S

T

31

2.9 Beban linier dan beban non linier

2.9.1 Beban Linier

Beban linear adalah beban yang impedansinya selalu konstan sehingga

arus selalu berbanding lurus dengan tegangan setiap waktu (De La Rosa, 2006).

Beban linear ini mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan bahwa arus berbanding

lurus dengan tegangan. Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban linier akan

sama dengan bentuk gelombang tegangan, apabila diberi tegangan sinusoidal,

maka arus yang mengalir ke beban linier juga merupakan sinusoidal sehingga

tidak terjadi distorsi dan tidak menimbulkan harmonisa. Beberapa contoh beban

linier adalah lampu pijar, pemanas, resistor, dan lain-lain. Gambar 2.11 berikut

adalah contoh bentuk gelombang arus dan tegangan dengan beban linear (De La

Rosa, 2006).

Gambar 2.18 Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Beban Linier

Sumber : Dugan, dkk, 2003

2.9.2 Beban Non Linier

Beban non linier adalah beban yang impedansinya tidak konstan dalam

setiap periode tegangan masukan. Impedansinya yang tidak konstan, maka arus

yang dihasilkan tidaklah berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan,

sehingga beban non linear tidaklah mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan arus

berbanding lurus dengan tegangan (De La Rosa, 2006).

Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban non linier tidak sama

dengan bentuk gelombang tegangan sehingga terjadi cacat (distorsi). Gambar 2.12

berikut ini adalah beberapa contoh beban non linear untuk keperluan rumah

tangga maupun industri (Rusli, 2009).

32

Gambar 2.19 Jenis Beban Non Linear

Sumber: Rusli, 2009

Gambar 2.19 berikut adalah contoh bentuk gelombang tegangan dan arus

dengan beban non linear.

Gambar 2.20 Gelombang Arus dan Tegangan Beban Non Linier.

Sumber : Suryajaya, 2011

Gambar 2.21 Arus Yang Diserap Oleh Beban Non Linier

Sumber : Dugan ,dkk, 2003

Kecendrungan penggunaan beban-beban elektronika dalam jumlah besar

akan menimbulkan masalah yang tidak terelakkan sebelumnya. Berbeda dengan

beban-beban listrik yang menarik arus sinusoidal, beban-beban elektronik menarik

33

arus dengan bentuk non sinusoidal walaupun disupalai oleh tegangan sinusoidal.

Beban yang memiliki sifat ini disebut sebagai beban non linear (Rusli, 2009).

Beban non linier adalah peralatan yang menghasilkan gelombang-

gelombang arus yang berbentuk sinusoidal berfrekuensi tinggi yang disebut

dengan arus harmonisa. Arus harmonisa ini menimbulkan banyak implikasi pada

peralatan sistem tenaga listrik, misalnya rugi-rugi jaringan akan meningkat,

pemanasan yang tinggi pada kapasitor, transformator, dan pada mesin-mesin

listrik yang berputar serta kesalahan pada pembacaan alat ukur RMS.

2.10 Pemanfaatan Filter Harmonisa

Suatu teknologi elektronika daya untuk menghasilkan komponen arus

spesifik yang bertujuan untuk meredam arus harmonisa yang dihasilkan oleh

beban non linier disebut juga Filter harmonisa. Filter harmonisa biasanya

dipasang pada transformator distribusi atau panel kontrol utama.dengan

penambahan filter harmonisa pada suatu sismtem tenaga listrik yang mengandung

suber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan

dapat di tekan sekecil mungkin. Secara umum filter harmonisa ada 3 tipe, yaitu

filter aktif, filter pasif dan filter hybrid.

2.10.1 Filter Harmonisa Pasif

Untuk meredam distosri harmonisa dalam sistem tenaga, maka kita perlu

mengunakan filter harmonisa yaitu filter pasif. Filter pasif terdiri dari induktor,

kapasitor, resistor (R,L,C) dan unsur-unsur tahanan untuk meredam marmonisa.

Teknik filter pasif yang menggunakan double tuned filter atau Type-C filter yang

memiliki impedansi yang rendah untuk arus harmonisa pada frekuensi tertentu

atau frekuensi tinggi atau band-pass filters (damped filters) dapat memfilter

harmonisa di atas frekuensi tertentu (frequency bandwidth).

34

Gambar 2.22 Model Filter Pasif

(sumber: sastrakusuma, 2009)

Filter pasif secara ekonomi relatif murah dibandingkan dengan metoda lain

untuk meredam distorsi harmonisa. Bagaimanapun, semua mempunyai kelemahan

atau kerugian karena berpotensi saling berinteraksi dengan sistem tenaga, dan

penting sekali untuk menganalisa semua interaksi sistem yang mungkin terjadi

saat mereka dirancang. Filter pasif bekerja sangat efisien bila filter tersebut

dipasang dilokasi pembangkit harmonisa (beban non linier). Frekuensi resonansi

harus dihindari dari setiap harmonisa atau pada frekuensi harmonisa lain yang

dihasilkan oleh beban. Filter umumnya di tuning lebih rendah dari frekuensi

harmonisa untuk keamanan sistem. Rancangan filter pasif harus memperhatikan

perkembangan sumber arus harmonisa atau konfigurasi dari beban sebab akan

menyebabkan beban lebih yang dapat berkembang menjadi panas yang

berlebihan. Perancangan filter pasif memerlukan suatu pengetahuan yang tepat

dari beban pembangkit harmonisa pada sistem tenaga. Banyak simulasi yang

dilakukan untuk menguji kriteria di bawah kondisi beban yang berubah sesuai

topologi jaringan tersebut.

1. Double tuned filter adalah filter harmonisa yang terdiri 2 buah single

tuned filter yang digunakan untuk mengurangi harmonisa 2 buah orde

35

harmonisa diantara orde harmonisa yang ada. Didalam perhitungan

penentuan nilai L dan C mengacu pada 2 buah orde harmonisa

tersebut.

2. Third-orde filter adalah jenis filter high pass yang digunakan hanya

melewatkan frekuensi diatas frekuensi cut-off juga. Third-orde high-

pass filter adalah filter frekuensi tinggi yang lebih efektif dalam mem-

filter, tetapi memiliki rugi-rugi daya yang lebih besar dibanding

second-orde high-pass filter.

Filter pasif selalu menyediakan kompensasi daya reaktif sampai batas

tertentu sesuai besar Volt-Ampere dan tegangan dari bank kapasitor yang

digunakan, mereka dapat dirancang untuk dua tujuan yaitu sebagai filter dan

kompensasi faktor daya yang diinginkan. Jika saringan lebih dari satu digunakan

sebagai contoh, sebuah double tuned filter untuk harmonisa ke 5 dan sebuah lagi

untuk harmonisa ke 7, atau harmonisa ke 11 dan ke 13. yang terpenting yang perlu

diingat bahwa filter pasif menyediakan kompensasi daya reaktif.

Filter pasif merupakan suatu kombinasi rangkaian seri sebuah induktansi

dan sebuah kapasitansi. Pada kenyataannya, tidak ada sebuah resistor yang secara

fisik dipasang, tapi dalam perhitungan resistor selalu ada dalam rangkaian seri,

tahanan dalam dari reaktor yang terhubung secara seri terkadang menimbulkan

panas yang berlebih pada filter. Semua arus harmonisa pada frekuensi bersamaan

dengan tuned filter akan didapat impedansi rendah yang melalui filter tersebut

(sastrakusuma, 2009).

2.10.2 Single Tuned dan Double Tuned Filter

Double tuned filter mempunyai nilai impedamsi yang kecil jika

frekuensinya besar. Sehingga Filter ini harus mempertimbangkan parameter

kaitannya dengan frekuensi harmonisa. Bebarapa aspek berkaitan dengan factor

kualitas pada single tuned filter yaitu:

1. Tahanan R pada filter harmonisa single tuned filter adalah nilai tahanan

dari kumparan reaktor.

2. Tahanan R dapat juga digunakan untuk setiap faktor kualitas dari filter dan

36

menyediakan suatu cara untuk mengendalikan jumlah arus harmonisa yang

diinginkan yang melaluinya.

3. Besar nilai Q menyiratkan mengenai frekuensi resonansi filter dan oleh

karena itu filter dilakukan pada nilai paling besar dari frekuensi harmonisa.

Gambar 2.9 menunjukkan gambar rangkaian ekivalen Double tuned filter yang

terdiri dari dua buah single tuned filter dihubung paralel.

Gambar 2.23 Double Tuned Filter

(Sumber : sastrakusuma, 2009)

Single tuned filter yang terdiri dari kapasitor (C) dihubung seri dengan induktor

(L) dan tahanan (R). Penggunaan double tuned filter yaitu:

1. Digunakan pada High Voltage Direct Current (HVDC) stasiun modern

pada sistem tegangan tinggi dimana kapasitor utama C lebih besar agar

lebih mudah untuk mengoptimalkan biaya /kVAR

2. Menurunkan pembangkitan daya reaktif di cabang transmisi tenaga yang

lebih indah.

3. Masing-Masing filter pada dua harmonisa untuk mengurangi filter cabang

dan rugi-rugi filter.

37

2.10.3 Type-C Filter

Untuk meredam harmonisa frekuensi rendah, Type C filter tepat untuk

digunakan karena tidak ada rugi-rugi daya fundamental, derating VAR dan juga

tepat untuk memfilter pada harmonisa yang tinggi. Type C filter mempunyai dua

kapasitor dengan sebuah kapasitor dihubung secara seri dengan resistor dan

induktor seperti Gambar 2.11. Dua kapasitor pada Type C filter mempunyai

kapasitansi dalam (µF). Di dalam perencanaan untuk menentukan sebuah high-

pass filter sebagai peredam harmonisa, maka ada berapa aspek yang harus

dipertimbangkan yaitu:

a. Dari Karakteristik yang terbentuk antara impedansi terhadap frekuensi, maka

Type C filter akan memerlukan suatu perhatian yang sangat khusus

dibandingkan dengan single tuned filter.

b. Peredaman arus harmonisa yang menggunakan Type-C filter memerlukan

ukuran yang berbeda terhadap komponen filter, terutama sekali bank

kapasitor, bandingkan dengan single tuned filter. Sebagai contoh, sebuah

kapasitor bank sebesar 3-MVAR yang digunakan untuk filter harmonisa ke

lima dari 50Hz dalam aplikasinya boleh tidak mencapai nilai frekuensi 300

Hz.

c. Double tuned filter merupakan filter yang sederhana dalam aplikasinya, filter

tersebut dapat mengurangi rugi-rugi daya pada frekuensi dasarnya.

d. Third order filter memiliki kerugian operasi yang lebih besar dibandingkan

dengan double tuned filter karena kurang efektif dalam meredam harmonisa.

Untuk menyederhanakan rancangan filter, Kapasitor (C) dan induktor (L)

dari Type-C filter terjadi resonans seri pada frekuensi dasar untuk mengurangi

kerugian daya pada frekuensi fundamental. Type-C passive filter secara rangkaian

dapat dilihat pada Gambar 2.11, dimana kapasitor (C ) dihubung seri dengan

kapasitor (C ) dan induktor (L), kemudian induktor (L) dan kapasitor (C )

diparalel dengan resistor (R) yang tujuannya untuk damping filter.

38

Gambar 2.11. Rangkaian Type-C Filter

(sumber: Sastrakusuma, 2009)

Type-C filter secara luas digunakan untuk harmonisa low pass orde. Type-C filter

merupakan pengembangan dari high-pass filter orde ke-3. Faktor utama untuk

menentukan parameter komponen yaitu:

1. Daya reaktif pada frekuensi fundamental.

2. Kondisi resonansi.

3. Frekuensi resonansi.

4. Persyaratan peredaman.

2.11 ETAP (Electric Transient and Analysis Program)

ETAP (Electric Transient and Analysis Program) merupakan perangkat

lunak yang dapat mendukung sistem tenaga listrik. Dan perangkat ini mampu

bekerja dalam keadaan offline untuk simulasi tenaga listrik, online untuk

pengelolaan data real-time atau digunakan untuk mengendalikan sistem secara

real-time. Fitur yang terdapat dalam ETAP bermacam-macam antara lain, yang

digunakan untuk menganlisa pembangkit tenaga listrik, sistem transmisi maupun

sistem distribusi tenaga listrik. ETAP juga dapat digunakan untuk membuat

proyek sistem tenaga listrik dalam bentuk single line diagram (diagram satu garis)

dan juga jalur sistem pentanahan untuk berbagai bentuk analisis, antara lain:

39

hubung singkat, aliran daya, starting motor, trancient stability, koordinasi relay

proteksi dan sistem harmonisasi. Proyek dari sistem tenaga listrik memiliki

masing-masing elemen rangkaian yang dapat diedit langsung dari diagram satu

garis dan atau jalur sistem pentanahan. Yang dapat mempermudahkan hasil

perhitungan analisis dapat ditampilkan pada single line diagram (Operation

Technology, 2001).

Harmonisa analysis pada ETAP memberikan fasilitas untuk

mensimulasikan, memodelkan dan menganalisis fenomena harmonisa pada sistem

tenaga listrik. Metode yang digunakan untuk menganalisa harmonisa adalah

harmonics load flow method dan harmonics frequency scan method. Dengan

menggunakan kedua metode ini dan kombinasinya, harmonisa yang muncul akan

dihitung dan dibandingkan dengan batas/standar dari industri dan permasalahan

yang muncul pada sistem tenaga khususnya pada kualitas daya.

40