Sulistyowati, Pengaruh Efek Harmonisa, Halaman 59-72

PENGARUH EFEK HARMONISA TERHADAPRUGI-RUGI TRANSFORMATOR DISTRIBUSI

Sulistyowati1

Abstrak

Efek harmonisa pada transformator mengakibatkan rugi-rugi trafo meningkat,sehingga efisiensi kerja trafo menurun. Hasil pengukuran pada transformatordistribusi di Gedung Baru Politeknik Negeri Malang menunjukkan bahwaharmonisa orde ke tiga dan ke lima adalah yang paling dominan dan untuk THDarus telah melebihi batas ambang 15%. Sedangkan untuk THD tegangan tidakmelebihi batas ambang, yaitu masih dibawah 5 %.Dengan pemasangan filter pasif sangat efektif untuk mereduksi harmonisa. Darihasil simulasi dengan penalaan 2,82 (untuk orde 3) dan 4,7 (untuk orde 5), terjadipenurunan IHD orde ke tiga dari 37,1% menjadi 3,71% orde ke lima dari 13,02% menjadi 1,302%. THDi total dari 33% menjadi 8,3%.Filter pasif (shunt type) menjadi pilihan untuk mereduksi harmonisa pada bebanyang relatif konstan. Ukuran filter dan simulasi hasil unjuk kerja diterapkansesuai dengan data yang diperoleh dari hasil pengukuran. Melalui simulasirangkaian menggunakan program Orcad 9.5 dapat diketahui bahwa peredamandengan filter pasif menunjukkan hasil yang baikPemasangan filter pasif dari hasil simulasi dapat meningkatkan efisiensi kerjatrafo. Pada daya aktif yang tetap P= 150,8 kW, daya semu akan menurun darinilai awal 162,1 kVA menjadi 157,8 kVA pada beban yang sama. Sehinggadapat ditambahkan beban baru ke trafo sebesar 4,3 kVA pada pf = 0,96.Terdapatperbedaan nilai rugi-rugi ( Ploss) antara sebelum di filter yaitu 13.097 w dansesudah di filter menjadi 10.529,2 w.Reduksi dengan menggunakan filter pasif, efektif untuk meredam harmonisa,sehingga kandungan harmonisa di sistem telah memenuhi standar IEEE 519-1992.Kata-kata kunci: harmonisa, distorsi, filter pasif

Abstract

Effect of harmonics on transformer caused the transformer losses increase, sothat work efficiency measurement menurun.Hasil transformer on thedistribution transformer in New Building Polytechnic of Malang shows that the

1 Sulistyowati. Dosen Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro,Politeknik Negeri Malang

third order harmonics and the fifth is the most dominant and to have currentTHD exceeds the threshold 15 %. As for the voltage THD does not exceed thethreshold, which is still below 5%.With the installation of passive filters are veryeffective to reduce sa harmonic.From the simulation results with the tuning of2.82 (to order 3) and 4.7 (to order 5), a decline in IHD third order from 37.1%to 3.71%, the fifth order of 1.302% 13.02% to . THDi total of 33% to 8.3%.Passive filter (shunt type) an option to reduce harmonics at a relatively constantload. Filter size and performance simulation results are applied in accordancewith data obtained from the measurement results. Through a series ofsimulation using Orcad 9.5 program can be seen that the damping with passivefilter shows good results. Installation of passive filter of the simulation results toimprove work efficiency transformer. At a fixed active power P = 150.8 kW,apparent power will be reduced from the initial value of 162.1 to 157.8 kVA kVAat the same load. So that can add a new burden to the transformer of 4.3 kVA atpf = 0.96. There is a difference value loss (Ploss) between before the filter is 13097 w and after the filter becomes 10529.2 w. Reduction by using passive filters,effective to reduce harmonics, so that the content of harmonics in the system hasmet the standard IEEE 519-1992.Keywords: harmonics, distortion, passive filters.

1. PENDAHULUANTransformator selalu terpengaruh oleh harmonisa karena trafo itu

sendiri dirancang sesuai dengan frekuensi kerjanya.Selain itutransformator juga merupakan media utama antara pembangkit denganbeban. Frekuensi harmonisa yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanyaakan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadi kerugian daya.

Sistem tenaga listrik di gedung baru Politeknik Negeri Malang disuplai dari sebuah trafo milik PLN dengan daya 200 kVA, dan dua buahgenset masing-masing dengan kapasitas 150 kVA untuk kondisiemergency saat terjadi pemadaman. Dengan semakin bertambahnyavolume beban, saat ini trafo tersebut sering mengalami overload padajam-jam sibuk. Sebagai antisipasi, pemadaman bergilir terpaksa seringdilakukan, hal ini sangat mengganggu proses belajar - mengajar.

Berdasarkan latar belakang diatas, penelitian ini akan menganalisispengaruh harmonisa terhadap efisiensi kerja trafo dan mereduksiharmonisa tersebut dengan filter pasif. Diharapkan dari analisis ini adaperhatian lebih terhadap pemakaian beban non linier dan filter pasif dapatmenjadi salah satu pilihan untuk memperkecil rugi-rugi daya trafo akibatefek harmonisa,sehingga efisiensi trafo akan meningkat.

Sulistyowati, Pengaruh Efek Harmonisa, Halaman 59-72

2. KAJIAN PUSTAKAPopescu, (2008) dalam makalahnya menyimpulkan bahwa filter pasif

sangat efisien untuk mereduksi harmonisa pada ordetertentu denganasumsi beban relatif mendekati konstan.

Syafrudin (2007) meneliti bahwa kerugian daya aktif di transformatordapat ditetapkan dengan nilai berbeda untuk input dan output daya aktif.Dari percobaan, menggunakan trafo dengan kapasitas 400 kVA diperolehbahwa rugi daya aktif bertambah sebanding total harmonik distorsi arusdari trafo berbeban. Dalam mengatur operasi daya trafo dengan bebannon linier maka prosentase THD standar harus diperhatikan. Seharusnyadesain trafo disesuaikan dengan jenis beban yang dilayani.

Melihat dari penelitian sebelumnya yang menggunakan trafo kecildengan kapasitas 400 VA, maka dalam penelitian ini akan dilakukananalisis tentang efek harmonisa terhadap rugi-rugi transformatordistribusi 3 fasa (kapasitas daya 200 kVA). Dalam penelitian Popescu(2008), filter pasif sangat efektif untuk mereduksi harmonisa padaordetertentu dengan beban relatif mendekati konstan, maka dalam tesisini juga menggunakan filter pasif.

2.1 Regulasi HarmonisaKehadiran harmonisa telah melatarbelakangi terbitnya beberapa

standar atau regulasi. Untuk memenuhi kebutuhan standarisasi di atas,Institute of Electrical and Electronics Engineer (IEEE) telahmengeluarkan IEEE Std. 519-1992. Standar ini praktis telah diadopsi olehAmerika, dalam hal ini oleh ANSI (American National StandardInstitute). Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsiharmonisa, yaitu batasan untuk harmonisa arus dan tegangan. IEEE telahmenetapkan standar pada Point of Common Coupling (PCC) denganrating tegangan 120V hingga 69kV sebagaimana ditunjukkan pada tabel1.

Tabel 1. Standar IEEE 519-1992 untuk arus harmonisaorde harmonisa dalam % terhadap IL

Isc/IL <11 11h17

17h23

23h35

35h

20* 4.0 2.0 1.5 0.6 0.32050 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5

50100 10.0

4.5 4.0 1.5 0.7

1001000

12.0

5.5 5.0 2.0 1.0

1000 15.0

7.0 6.0 2.5 1.4

Sumber: IEEE 519-1992dimana : harmonisa genap dibatasi hingga 25% dari batas harmonisa ganjil di

atasnya cacat arus yang menyebabkan terjadinya DC offset, tidak

diperkenankan Isc = arus maksimum hubung singkat pada Point of Common Coupling

(PCC) IL = arus beban maksimum (komponen fundamental) pada PCC,

semua peralatan pembangkitan ditetapkan pada nilai ini, untukberapapun nilai Isc/IL sebenarnya.

Tabel 2. IEEE-519 Voltage Distortion Limits*)

Bus Voltage at Pcc IHDv (%) THDv (%)69 kV and below 3.0 5.060.001 through 161 kV 1.5 2.5161 kV and above 1.0 1.5

*)Sumber: IEEE 519-1992

Dimana :IHDv = Individual Harmonic voltage DistortionTHDv = Total Harmonic DistortionISC = Maximum short circuit current at the busIL = Maximum demand load current of the fundamentalfrequency at the busn = kelipatan harmonisa ke-n

Sulistyowati, Pengaruh Efek Harmonisa, Halaman 59-72

Sedangkan TDD adalah total demand distortion, yang mana THD arusnormal maksimum tergantung arus beban IL. Dalam tabel 2 nilai h adalahharmonisa ke h. Untuk standar harmonisa tegangan ditentukan olehtegangan sistem yang dipakai.

2.2 Akibat Efek Harmonisa Terhadap Rugi-Rugi TransformatorTransformator pada dasarnya di desain untuk menyalurkan daya ke

beban dengan losses sekecil mungkin pada frekwensi fundamental.Distorsi harmonisa arus dan tegangan akan menyebabkan efek yangsignifikan terhadap panas pada trafo.Losses pada transformator ada 2 macam yakni :

1. rugi tembaga ( I2R )2. rugi inti

Rugi –rugi pada transformator terdiri dari rugi tanpa beban atau no loadloss (PNL) dan rugi-rugi oleh beban atau load related loss (PLL) (Desmet,2005) :

PT = PNL + PLL (1)dimana : PNL adalah rugi tanpa beban

PLL adalah rugi oleh bebanPT adalah rugi total

Rugi-rugi pada trafo berbeban terdiri dari rugi tembaga ( I2Rdc ), rugi aruseddy, dan stray loss, yang dapat dibentuk dalam persamaan :

PLL = I2Rdc + PEC + PSL (2)Total rugi arus pusar dan rugi arus eddy diasumsikan sebagai :

PEC + PSL = PLL - I2R (3)dimana :I2Rdc = rugi tembagaPEC = rugi arus eddyPSL = rugi histerisis atau stray lossPLL = rugi beban atau load loss

Berdasarkan uraian diatas, rugi-rugi yang akan dapat terpengaruhsecara signifikan akibat hadirnya komponen harmonisa pada tegangandan arus beban adalah rugi-rugi tembaga, rugi histerisis dan rugi aruseddy.

Tabel 3. Nilai dari P EC – R (%)*)

Type MVA VoltagePec-R%

Dry <= 1 3-8%

>= 1,55 kVHV

12-20%

<= 1,515 kV

HV 9-15%

Oil filled <= 2,5480 V

LV 1%

2,5-5480 V

LV 1-5%

> 5480 V

LV 9-15%*)Sumber: Dugan (2002:213)

Nilai aktual dari transformator ditunjukkan pada tabel 4.

Tabel 4. Nilai Aktual Transformator*)

Sumber : Wildi (2004:215) *)

3. METODOLOGIPenelitian ini diawali dengan identifikasi masalah harmonik. Langkah

berikutnya setelah identifikasi masalah adalah melakukan pengukuran disisi panel trafo dengan menggunakan fluke power logger. Dari alat ukurtersebut diperoleh hasil bahwa sistem mengandung harmonik dengannilai THD yang melebihi batas standar IEEE 519.

Rangkaian pengawatan Fluke Meter diperlihatkan pada gambar 1.

Sn kVA 1 10 100 200 1000 400.000Enp V 2400 2400 12470 12470 69000 13800Ens V 460 347 600 727 6900 424000Inp A 0,417 4,17 8,02 16,04 14,5 29000Ins A 2,17 28,8 167 275,1 145 943R1 Ω 58 5,16 11,6 11,6 27,2 0,0003ed Ω 1,9 0,095 0,024 0,024 0,25 0,354Xf1 Ω 32 4,3 39 40 151 0,028Xf2 Ω 1,16 0,09 0,09 0,09 1,5 27Xm Ω 200000 29000 150000 91638 505000 460Rm Ω 400000 51000 220000 727727,7 432000 317Io A 0,0134 0,0952 0,101 0,022 0,21 52,9

Sulistyowati, Pengaruh Efek Harmonisa, Halaman 59-72

Gambar 1. Rangkaian pengawatan Fluke Meter

3.1 PengujianTujuan dari pengujian adalah membandingkan hasil dari perencanaan

(simulasi) dengan standar di IEEE 519-1992 tentang besarnya nilaiambang harmonisa yang boleh lolos ke sistem. Data yang diuji meliputinilai amplitudo dari tegangan harmonisa, arus harmonisa (Ih), THD, IHD,cos Ø, dan arus netral ( IN ).

3.2 Analisis DataDari hasil pengukuran dan simulasi, data yang diperoleh akan

dianalisis untuk mengetahui rugi-rugi di trafo, rugi di penghantar netral,dan rugi daya akibat pengaruh harmonisa. Analisis data meliputi :

1) Kondisi sebelum dipasang filter pasif2) Kondisi setelah dipasang filter pasif, dengan mengAnalisis hasil

simulasi. Diagram alir pengujian dan analisis pada transformatorditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Diagram Alir Pengujian dan Analisis Pada Transformator

3.3 Pengambilan KesimpulanBerdasarkan hasil simulasi, pengujian dan analisis akan disimpulkan

pengaruh efek harmonisa dan pemasangan filter pasif terhadap efisiensikerja transformator.

3.4 Pemodelan SimulasiSimulasi dalam penelitian ini menggunakan program Orcad, 9.5 yang

merupakan program berorientasi pada rangkaian yang berfungsi untukmensimulasikan keadaan dinamik suatu sistem. Prinsip kerja dariperangkat lunak orcad ini ialah penggabungan rangkaian yang didasarkanpada persamaan matematik dari suatu sistem yang akan digambarkanrespon sistemnya. Dalam perangkat lunak orcad telah tersedia berbagaimacam rangkaian. Dalam simulasi dirancang tiga model yaitu;pemodelan transformator, filter pasif dan beban.

3.5 Rangkaian Pemodelan

Sulistyowati, Pengaruh Efek Harmonisa, Halaman 59-72

Rangkaian pengganti dari desain rancangan sistem ditunjukkan padagambar 3.

Gambar 3. Rangkaian Pengganti Rancangan SistemDimana:

R1 : resistansi primer (Ω)R2 : resistansi sekunder (Ω)Xf1 :reaktansi primer (Ω)Xf2 : reaktansi sekunder (Ω)L1 : induktansi filter untuk orde ke 3 (H)L2 : induktansi filter untuk orde ke 5 (H)C1 : kapasitansi filter untuk orde ke 3 (F)C2 : kapasitansi filter untuk orde ke 5 (F)R : resistansi beban (Ω)XL : reaktansi beban (Ω)a : nilai perbandingan lilitan

3.6 Parameter TransformatorData name plate transformator sebagai berikut :

Kapasitas :200 KVA Tegangan : 20 kV / 400 Volt Hubungan trafo : Δ / Y Arus beban nol : 2,2 % Impedansi Zsc : 4.0 % Rugi besi :550 watt Rugi tembaga (I2R) :2850 watt Total Losses : 3400 watt Effisiensi pada pf 1 :Beban 100% η = 98,32%

Data beban tiga fasa terukur :

Daya aktif = 150,8 kWDaya semu = 162,1 kVADaya reaktif = 56,9 kVARCos Ø = 0,96 laggingTegangan (VL-L) = 380 voltFrekwensi beban = 50 HzArus beban ( Ib ) = 245 A

Dari tabel 4 diperoleh nilai parameter impedansi transformator sebagaiberikut :

Enp = 12470 (V)Ens = 727 (V)Inp = 16,04 (A)Ins = 275,1 (A)R1 = 11,6 (Ω)R2 = 0,024 (Ω)Xf1 = 40 (Ω)Xf2 = 0,09 (Ω)Xm =91638 (Ω)Rm = 727727.7 (Ω)Io = 0,022 (A)

3.7 Pemodelan Filter PasifDalam penelitian ini reduksi harmonisa dilakukan pada orde

harmonisa yang melebihi batas standar IEEE 519. Two single tuned shuntpassive filter menjadi pilihan karena lebih ekonomis dibandingkan tipeyang lain, untuk daya dibawah 1200 kVA. Secara umum desainrancangan sistem diperlihatkan pada gambar 4.

Gambar 4. Desain Rancangan Sistem

3.8 Pemodelan SistemModel rangkaian simulasi seperti ditunjukkan pada gambar 5.

Sulistyowati, Pengaruh Efek Harmonisa, Halaman 59-72

Gambar 5. Rangkaian Simulasi Transformator 3 Fasa dengan Filter Pasif

4. HASIL DAN PEMBAHASAN4.1 Hasil Simulasi

Dari hasil simulasi, Analisis frekwensi diperoleh bahwa padafrekwensi 135 Hz dan 235 Hz harmonisa ke tiga dan ke lima telahdiminimalisasi. Bentuk gelombang hasil output diperlihatkan padagambar 6.

Gambar 6. Hasil Trap Gelombang Arus sebelum (input) dansetelah dipasang Filter (output)

150Hz, 0,1A/1A

Gambar 7. Hasil Trap setelah di pasang Filter pada orde ke 3 (150 Hz)

Gambar 8. Hasil Trap setelah di Filter pada orde ke 5 (250 Hz)

4.1 Data Hasil PengukuranTabel 5. Data Tegangan, Arus dan Daya Beban

L1 L2 L3 TOTAL NkW 57,6 48,5 44,7 150,8kVA 60,2 52,6 48,6 162,1kVAR 17,6 20,3 19 56,9cos Ø 0,97 0,95 0,96Arms(A) 266 234 213 142Vrms(V) 226,1 224,9 228,3 1,9

4.1 Evaluasi Hasil SimulasiTabel 6 adalah hasil simulasi secara menyeluruh, yang menampilkankondisi sebelum dan sesudah dipasang filter pasif.

Tabel 6. Evaluasi Hasil Simulasi

OrdeIHDawal

IHDhasil

Ihawal Ih hasil THDi

THDihasil

Vawal V hasil Irms

Irmshasil

(%) simulasi (A) simulasi awal simulasi simulasi awal simulasi(%) (A) (%) (%) Volt Volt (A) (A)

3 37,1 3,71 82,67 8,26 33 8,3 226,4 230,5 271,3 257,555 13,02 1,302 28,6 2,86

250Hz, 0,1A/1A

Sulistyowati, Pengaruh Efek Harmonisa, Halaman 59-72

Tabel 7. Nilai PLL (w) setelah di pasang FilterIh(A) Orde Pec%

PLL(w)

Harmonisa22,55 3 0,01 554,322,55 5 0,01 635,622,55 7 0,01 757,722,55 9 0,01 920,422,55 11 0,01 1123,822,55 13 0,01 1367,822,55 15 0,01 1652,6

Jumlah 7012,2

Rugi Total TrafoDari data nameplate trafo diketahui bahwa Piron = 550 W dan Pcu = 2957W. Maka total rugi-rugi adalah :PLOSS = (Piron + PCU ) + Rugi beban

= ( 550 + 2957) + 7012,2 = 10.529,2 wattTerdapat perbedaan nilai rugi-rugi ( Ploss) antara sebelum di filter yaitu13.097 w dan sesudah menjadi 10.529,2 W.

5. PENUTUP1) Efek harmonisa pada transformator distribusi mengakibatkan rugi-

rugi trafo meningkat, yang menyebabkan efisiensi kerja trafomenurun. Hal ini berdampak pada penurunan kapasitas trafo. Rugidaya pada trafo sebelum dipasang filter yaitu 13.097 w dan sesudahdipasang filter menjadi 9151,4 w

2) Dari hasil perhitungan THD arus untuk H< 11 rata-rata melebihistandar yaitu antara 16,42% (fasa R),23,2% (fasa S), 28,2%(fasa T)dan THD arus untuk H>11 tidak melebihi standar yaitu sebesar 2,6%(fasa R), 2,52%(fasa S),2,96% (fasa T). Sedangkan THD teganganmasih dibawah standar yaitu 3,8% (fasa R), 4,0% (fasa S), dan 4,4%(fasa T).

3) Dengan pemasangan filter pasif sangat efektif untuk mereduksiharmonisa. Dari hasil simulasi dengan penalaan 2,82 (untuk orde 3)dan 4,7 (untuk orde 5):

4) Terjadi penurunan IHD orde ke tiga dari 37,1% menjadi 3,71% ordeke lima dari 13,02 % menjadi 1,302%. THDi total dari 33% menjadi8,3%.

5) Pemasangan filter pasif dari hasil simulasi dapat meningkatkanefisiensi kerja trafo. Pada daya aktif yang tetap P= 150,8 kW, dayasemu akan menurun dari nilai awal 162,1 kVA menjadi 157,8 kVApada beban yang sama. Sehingga dapat ditambahkan beban baru ketrafo sebesar 4,3 kVA pada pf = 0,96.

6) Nilai arus dan tegangan sistem sebelum dan sesudah pemasanganfilter :Sebelum : Irms = 271,83 A dan VL-N = 226 VSesudah : Irms = 257,5 A dan VL-N = 225,5 V

7) Terdapat perbedaan nilai rugi-rugi ( Ploss) antara sebelum di filteryaitu 13.097 w dan sesudah menjadi 10.529,2 w.

6. DAFTAR PUSTAKAAsaad A Elmoudi. 2006. Evaluation Of Power System Harmonic Effect

On Transformers. Hot Spot Calculation and Loss of LifeEstimation,TKK Disertations, Helsinki University of Technology.

C. Sankaran. 2002. Power Quality, CRC Press LLC.Eko Hadibowo. 2007. Perencanaan filter pasif untuk mesin PPI winder

extruder 1 di PT.Yanaprima Hastapersada, Universitas KristenPetra.

IEEE Standard 519-1992 .Recommended Practices and Requirements forHarmonic Control in Electrical Power Systems

Jan Desmet. Hogeschool West-Vlaanderen, Harmonic Selection andRating of Transformer, LPQI.

Jusmin Sutanto; Hernadi Buhron, 2002. Implikasi Harmonisa dalamSistem Tenaga Listrik dan Alternatif Solusinya. Teknik EnergiPoliteknik Negeri Bandung.

Mihaela Popescu.; Alexandru Bitoleanu.; Mircea Dobriceanu. 2008.Harmonic Current Reduction in Railway System, Issue 7,Vol 7,University of Craiova, Rumania.