Perancangan Filter Optimum Untuk Mengatasi Efek Distorsi ...

Perancangan Filter Optimum Untuk Mengatasi Efek Distorsi Harmonisa Pada Gardu

Traksi Kereta Rel Listrik (KRL) Stasiun Pasar Minggu

Irshadi Izhhar

Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI, Depok

E-mail : [email protected]

Abstrak

Kereta Rel Listrik (KRL) disuplai tegangan 1500 V DC oleh gardu traksi yang didalamnya terdapat komponen penyearah.

Penyearah ini memproduksi harmonisa yang menyuntikkan arus menuju sumber tegangan menengah 20kV PLN dan dapat

menyebabkan rusaknya peralatan listrik. Hasil pengukuran distorsi harmonisa pada kubikel 20kV/1.2kV gardu traksi

menunjukkan THD maksimum tegangan sebesar 1.87 % dan THD arus maksimum sebesar 63.38 %. THD maksimum tegangan

masih dibawah standar IEEE (<5%) sedangkan THD maksimum arus berada diatas standar IEEE (<20%). Untuk mengurangi efek

distorsi harmonisa arus, dirancang filter pasif untuk memfilter harmonisa orde ke-5,ke-7, dan ke-11. Hasil simulasi dengan ETAP

7.0.0 didapatkan hasil rancangan filter pasif optimum dapat mengurangi THD arus hingga rata-rata 6.24%.

Designing Optimum Filter to Reduce The Effects Of Harmonic Distortion at Pasar Minggu Traction Substation of Electric

Train

Abstract

Electric train is supplied with 1500 V DC by traction substation which have components of the rectifier . This rectifier produces

harmonics that inject harmonics current toward source 20kV PLN and cause the damage of electric utility. Measurement results of

harmonic distortion at 20kV/1.2kV cubicles in traction substation shows that the maximum value of THD-v is 1.87% and the

maximum value of THD-i is 63.38 %. THD-v is below IEEE standard (< 5 %) and THD-i is above the IEEE standard (<20 %). In

order to reduce the effects of harmonics currents, passive filter is designed to filter harmonics for 5th

, 7th

, and 11th

order. ETAP

7.0.0 simulation result obtains the optimum design of passive filter that can reduce THD-i to 6.24% average.

Keywords : Electric train, traction substation, harmonic, filter

I. PENDAHULUAN

Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan salah satu alat

transportasi masal yang dapat diandalkan untuk mengatasi

kemacetan yang terjadi di ibukota. Sumber energi listrik

diperoleh dari PLN yang kemudian didistribusikan dari

gardu-gardu menuju KRL melalui sistem gardu traksi.

Gardu traksi yang dipakai menggunakan jenis arus searah

DC, sehingga dalam gardu tersebut harus dipasang

konverter yang mengubah dari arus bolak-balik AC menjadi

arus searah DC. Namun terdapat masalah yang dapat

ditimbulkan oleh konverter tersebut yakni arus dan tegangan

harmonisa. Keberadaan harmonisa tersebut dapat

menurunkan kualitas daya listrik dan pemanasan lebih pada

peralatan gardu. Sebagai contoh, kebakaran yang terjadi

pada gardu traksi KRL-UI Depok tahun 2009 dapat

dimungkinkan karena efek harmonisa. Untuk mengatasi

harmonisa tersebut perlu dipasang filter. Skripsi ini

dimaksudkan untuk mengetahui besar distrosi harmonisa

dan merancang jenis filter yang harus dipasang pada setiap

gardu traksi KRL. Kontribusinya diharapkan menjadi

pertimbangan untuk diterapkan sehingga terjadi

peningkatkan efisiensi dan kestabilan sistem catu daya KRL

di Indonesia.

II. HARMONISA, FILTER, KERETA REL LISTRIK

(KRL) DAN GARDU TRAKSI

A. Pengertian dan Produksi dari Harmonisa

Harmonisa adalah kelipatan bilangan bulat dari

frekuensi fundamental yang turut mempengaruhi sistem

tenaga listrik. Ellis (2001) menyatakan bahwa harmonisa

merupakan cara matematis untuk menyatakan suatu

gangguan pada bentuk gelombang tegangan atau arus.

Adanya komponen harmonisa pada suatu sistem tenaga

listrik dapat menyebabkan distorsi pada bentuk tegangan

atau arus yang dapat mempengaruhi kualitas sistem tenaga

listrik.

Suatu gelombang yang terdistorsi dapat dinyatakan

sebagai jumlah dari beberapa gelombang sinusoid dengan

frekuensi yang berbeda-beda. Ketika gelombang-gelombang

tersebut identik antara suatu siklus dengan siklus lainnya,

maka gelombang tersebut dapat dinyatakan sebagai jumlah

dari beberapa gelombang sinusoidal dimana frekuensi dari

tiap sinusoidnya merupakan kelipatan dari gelombang pada

frekuensi fundamentalnya. Perwujudan dari konsep ini dapat

dilihat pada gambar 1.

Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014

mailto:[email protected]

Gambar 1. Representasi Fourier dari gelombang terdistorsi

Total Harmonic Distortion (THD) merupakan

jumlah distorsi dari semua komponen harmonisa dari

tegangan atau arus. THD biasanya merupakan perbandingan

terhadap nilai dari nilai rms pada komponen fundamental

arus atau tegangan. Semakin besar nilai THD, maka distorsi

yang terjadi semakin besar dan dapat mengakibatkan

perubahan bentuk gelombang yang semakin besar. THD

dirumuskan secara matematis sebagai berikut.

dimana

Mh = Tegangan / Arus Harmonisa ke-h

M1 = Tegangan / Arus Fundamental

B. Standar IEEE Untuk Harmonisa

Institute of Electrical and Electronics Engineers

(IEEE) memiliki standar sendiri yang mengatur batas

maksimal dari harmonisa yang dapat diterima untuk suatu

sistem tenaga listrik. Standar tersebut tertuang dalam IEEE

Standard 519-1992. Berikut adalah standar yang diterapkan

IEEE untuk harmonisa pada sistem tenaga listrik.

1. Standar untuk distorsi tegangan

Tabel 1. Standar distorsi harmonisa untuk tegangan

2. Standar untuk distorsi arus

Tabel 2. Standar distorsi harmonisa untuk arus

C. Filter Harmonisa

Tujuan utama dari perancangan filter harmonisa

adalah untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih

frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus.

1). Filter Pasif

Aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian

yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter

pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian

khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak

diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak

digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif

akibat adanya harmonisa pada sistem instalasi. Rangkaian

filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C. Komponen

utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan

induktor. Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk

memperoleh sebuah total rating tegangan dan kVAR yang

diinginkan. Sedangkan induktor digunakan dalam rangkaian

filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi

yaitu efek kulit (skin effect).

Gambar 2. Rangkaian Filter Pasif Dalam Sistem

Gambar 2.6 memperlihatkan beberapa jenis filter pasif

yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya. Tipe

filter pasif yang paling umum digunakan adalah single

tuned. Filter umum ini biasa digunakan pada tegangan

rendah. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang

rendah. Sebelum merancang suatu filter pasif, maka perlu

diketahui besarnya kebutuhan daya reaktif pada sistem.

Daya reaktif sistem ini diperlukan untuk menghitung

besarnya nilai kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki

sistem tersebut.

Gambar 3. Jenis-jenis Filter Pasif

2). Filter Aktif

Filter Aktif adalah suatu perangkat elektronik yang

dapat memperbaiki kualitas daya yang dikirimkan dari

sumber ke beban. Menurut Izhar et al, pemakaian filter aktif

pada sistem tenaga listrik lebih fleksibel daripada filter pasif

karena dari segi penggunaan dan unjuk kerja (performance)

filter aktif lebih ekonomis.

Filter aktif biasanya menggunakan perangkat switching

berupa pengatur modulasi lebar pulsa tegangan atau arus

yang disebut Pulse Witdh Modulation Voltage Source

Inverter (PWM VSI) atau Current Source Inverter (PWM

CSI) yang dihubungkan ke level sistem tegangan rendah dan


juga tegangan tinggi tergantung pada permasalahan kualitas

daya.

Menurut Akagi, pada dasarnya filter aktif dalam sistem

tenaga dibagi dalam 2 topologi yaitu topologi secara paralel

disebut Shunt Active Filter dan secara seri disebut Series

Active Filter.

D. Kereta Rel Listrik DC dengan Motor DC

Kereta Rel Listrik (KRL) DC dengan motor DC

merupakan konfigurasi yang diterapkan di Indonesia karena

KRL yang beroperasi di Indonesia kebanyakan merupakan

bekas Jepang dimana disana menerapkan transmisi DC

dengan motor DC. Gambar-gambar dibawah ini

menunjukkan tampak luar komponen-komponen KRL yang

dapat kita jumpai di Indonesia.

Berbagai komponen kereta listrik AC dengan motor DC

terdiri dari :

1. Pantograf

2. Pemutus Tenaga (Circuit Breaker)

3. Konverter DC-DC

4. Motor Traksi DC

Gambar 4 Bagian KRL DC dengan Motor DC di Indonesia (1)

E. Gardu Traksi

Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan kereta yang

sumber daya utamanya menggunakan listrik. Daya listrik

diperoleh dari jaringan tegangan menengah (20 kV) PLN

atau penyedia layanan listrik lainnya. Jaringan tegangan

menengah ini masuk ke gardu traksi sebelum disalurkan ke

KRL. Kemudian daya listrik yang dibutuhkan oleh KRL ini

akan disuplai menggunakan kawat konduktor yang

membentang di bagian atas sepanjang rute KRL tersebut

yang disebut dengan sistem catenary atau LAA (Listrik

Aliran Atas). Sistem catenary dapat dibagi berdasarkan jenis

arus listrik yang mengalir yaitu:

1. Arus searah (DC) : 750 V DC, 1500 V DC, 3000

V DC

2. Arus bolak-balik (AC) : 15 kV AC 16,7 Hz dan

25 kV AC 50 Hz

Adapun sebagai contoh sistem LAA di DKI Jakarta

menggunakan sistem arus searah 1500 VDC yang disuplai

dari gardu traksi (traction substation). Gardu traksi pertama

kali dibangun di Indonesia pada tahun 1925/1926 di

Jatinegara dan Ancol dengan menggunakan sistem

konfigurasi motor dan generator buatan General Electric.

Saat ini, sistem gardu traksi menggunakan teknologi

penyearahan silicon rectifier. Selain menggunakan silicon

rectifier, untuk dapat mensuplai LAA dengan tegangan 1500

VDC, sistem gardu traksi menggunakan beberapa panel dan

komponen seperti: panel 20 kV, panel 6 kV, trafo 20

kV/1200 V, Silicon rectifier, DC Switchgear, trafo 20 kV/6

kV, trafo 20 kV/380 V, trafo 6 kV/380 V, panel AC/DC,

baterai dan charger, panel interkoneksi, panel VCP, serta

panel LBD. Spesifikasi dari setiap komponen ini bergantung

dari daya yang disuplai gardu traksi. Di daerah DKI Jakarta,

gardu traksi biasanya memiliki daya bervariasi antara 1500

kW, 3000 kW, atau 4000 kW.

Skema sistem gardu traksi dapat dilihat pada gambar

berikut.

Gambar 5. Sistem Gardu Traksi

III. METODE DAN ANALISIS HASIL PENGUKURAN

HARMONISA PADA GARDU TRAKSI

A. Identifikasi Masalah dan Hipotesa Awal

Kereta Rel Listrik (KRL) membutuhkan suplai listrik

arus searah dengan tegangan sebesar 1500 V yang diperoleh

dari penyearahan tegangan arus bolak-balik 1200 V

sehingga dibutuhkan konverter atau penyearah pada gardu

traksi. Penyearah menggunakan Silicon Rectifier yang

merupakan komponen elektronika daya. Sifat utama dari

komponen elektronika daya adalah kemampuannya untuk

mengubah bentuk gelombang keluaran. Harmonisa sendiri

terjadi apabila terdapat beban non-linier, yaitu beban yang

menyebabkan perubahan bentuk arus tidak sama dengan

bentuk gelombang tegangannya. Karena komponen

elektronika mengubah bentuk gelombang keluaran maka

besar kemungkinan akan timbul harmonisa. Selain itu pada

gardu juga terdapat penyearah dengan keluaran 110 V untuk

mengisi baterai, kebutuhan utilitas dan kontrol. Oleh karena

itu, maka gardu traksi KRL hampir dapat dipastikan bisa

menghasilkan harmonisa. Karakteristik harmonisa yang

akan menyuntikkan arus menuju sumber atau berlawanan

arah dengan arus normal akan menyebabkan sistem

tegangan menengah 20kV PLN yang menyuplai gardu ini

juga ikut terdistorsi. Oleh karena itu, dengan menyelidiki

THD-F di kubikel suplai kereta dan kubikel kontrol tersebut

akan dapat dirancang filter yang dapat mengurangi efek

distorsi harmonisa terhadap sistem dan peralatan listrik

gardu traksi.


http://www.bumn.go.id/len/files/2012/11/Gardu-Traksi.jpg

http://www.bumn.go.id/len/files/2012/11/Gardu-Traksi.jpg

B. Diagram Alir Pengukuran Harmonisa

Gambar 6. Diagram alir Pengukuran

C. Spesifikasi Alat Ukur yang Digunakan

Peralatan pengukuran yang digunakan dalam

pengambilan data ini adalah Power Analyzer Hioki seri

3169-20. Alat ini bisa menampilkan dan menyimpan nilai

dari parameter-parameter kualitas daya yang dibutuhkan

yang meliputi tegangan (V), arus (I), frekuensi (f), daya

kompleks (S), daya nyata (P), daya reaktif (Q), konsumsi

energi, dan faktor daya (PF). Selain itu, alat ini juga mampu

mengukur komponen harmonisa arus dan tegangan sampai

dengan orde ke-40. Data hasil pengukuran disimpan di PC

card dan dengan mudah dapat ditransfer ke komputer

melalui universal card reader. Dengan bantuan program

“HIOKI 9625 Power Measurement Support Software”, hasil

pengukuran dapat dilihat di komputer untuk kemudian

dianalisis. Dengan software diatas kita bisa melihat data

hasil pengukuran berupa ringkasan data yang dicuplik

berdasarkan interval waktu yang ditentukan, grafik

gelombang, dan spektrum untuk memudahkan analisis.

Berikut gambar alat yang digunakan dalam pengukuran :

Gambar 7. Hioki 3169-20

D. Metode Pengukuran Harmonisa pada Kubikel

20kV/1,2kV

Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui besarnya

distorsi harmonisa pada kubikel yang menyuplai silicon

rectifier. Pada pengukuran ini, alat ukur dipasang pada

metering atau sisi sekunder transformator tegangan (PT) dan

transformator arus (CT). Hal ini dikarenakan keterbatasan

rating pengukuran tegangan dan arus alat ukur. Pengukuran

dilakukan selama 7 hari non-stop dengan interval

pencuplikan data 1 menit untuk mendapatkan data yang

valid dikarenakan beban kereta yang berubah setiap saatnya.

Skema rangkaian pengukuran dapat dilihat seperti pada

gambar.8 berikut ini:

Gambar 8. Rangkaian Pengukuran Kubikel 20kV/1,2kV

E. Metode Pengukuran Harmonisa pada Kubikel

20kV/0,4kV

Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui besarnya

distorsi harmonisa pada kubikel yang menyuplai AC/DC

Panel atau panel yang digunakan untuk kebutuhan utilitas,

kontrol dan pengisian baterai.

Gambar 9. Rangkaian Pengukuran Kubikel 20kV/0,4kV

F. Harmonisa di Kubikel Penyearah 20kV/1.2kV

Berdasarkan hasil pengukuran selama 7 hari, diperoleh

data Total Harmonic Distortion (THD) maksimum tegangan

sebagai berikut :

Tabel 3 THD-V Kubikel 20kV/1.2kV

Hari Parame

ter

Fasa R Fasa S Fasa T

THD-

v (%) Jam

THD-

v (%) Jam

THD-

v (%) Jam

Senin

Maksim

um 1.76 23:20 1.67 5:45 1.71 23:20

Rata-

rata 1.45 1.43 1.27

Selasa

Maksim

um 1.68 5:55 1.65 5:55 1.58 0:25

Rata-

rata 1.46 1.45 1.29

Rabu

Maksim

um 1.73 5:25 1.73 5:40 1.64 5:40

Rata-

rata 1.46 1.43 1.31

Kamis

Maksim

um 1.79 5:35 1.77 5:55 1.62 12:05

Rata-

rata 1.52 1.51 1.34

Jumat

Maksim

um 1.87 7:15 1.81 7:15 1.75 7:15

Rata-

rata 1.47 1.49 1.3

Studi Literatur

Pengukuran

kubikel

20kV/1,2kV

Pengukuran

kubikel

20kV/0,4kV

Rancang Filter Analisis

Data Harmonisa

Kesimpulan


Sabtu

Maksim

um 1.81 8:40 1.76 6:15 1.63 6:20

Rata-

rata 1.46 1.51 1.27

Mingg

u

Maksim

um 1.78 16:00 1.67 6:15 1.53 16:00

Rata-

rata 1.38 1.38 1.13

Mengacu pada standar distorsi harmonisa IEEE 512-

1992, besar distorsi harmonisa maksimum yang terjadi

masih dibawah standar yaitu < 5%. Oleh karena itu, belum

perlu adanya tindak lanjut terhadap gangguan harmonisa

tersebut.

Sedangkan untuk harmonisa arus, diperoleh data Total

Harmonic Distortion (THD) maksimum arus sebagai berikut

:

Tabel 4. THD-I Kubikel 20kV/1.2kV

Hari Parame

ter

Fasa R Fasa S Fasa T

THD-i

(%) Jam

THD-i

(%) Jam

THD-i

(%) Jam

Senin

Maksim

um 47.33 15:20 48.32 11:15 38.54 11:15

Rata-

rata 18.13 17.6 15.92

Selasa

Maksim

um 46.29 10:55 48.32 14:20 36.88 14:50

Rata-

rata 18.02 17.67 15.83

Rabu

Maksim

um 52.47 16:35 47.95 9:20 38.44 16:35

Rata-

rata 19.07 18.5 16.74

Kamis

Maksim

um 51.67 14:35 46.33 7:40 38.64 14:20

Rata-

rata 19.73 19.33 17.22

Jumat

Maksim

um 39.91 0:15 39.98 3:40 33.32 3:30

Rata-

rata 24.66 24.22 21.05

Sabtu

Maksim

um 63.38 10:30 50.92 11:20 45.91 10:30

Rata-

rata 20.49 19.95 17.17

Minggu

Maksim

um 42.01 19:45 46.73 12:40 34.01 12:40

Rata-

rata 17.12 17.12 15.37

Gambar 10. Gelombang THD-i (Sabtu)

Dari tabel 4, dapat dilihat bahwa distorsi harmonisa

arus diluar standar IEEE yaitu >20% dengan tingkat distorsi

terbesar terjadi pada hari sabtu sebesar 63.38% pada pukul

10:30 WIB.

1). Orde Penyumbang Harmonisa Terbanyak

Berikut ini orde penyumbang harmonisa terbanyak

saat harmonisa maksimum terjadi per hari :

Tabel 5. THD-V Maksimum Kubikel 20kV/1.2kV

Orde

IHD-V (%)

Senin Selasa Ra

bu

Ka

mis Jumat

Sabt

u Minggu

2 0.01 0.03 0.0

3 0.02 0.02 0.02 0.02

3 0.26 0.25 0.2

9 0.25 0.25 0.29 0.25

4 0.01 0.01 0.0

2 0.01 0.01 0.01 0.01

5 1.55 1.53 1.5

6 1.67 1.42 1.55 1.54

6 0.02 0.01 0.0

2 0.01 0.01 0.02 0

7 0.57 0.35 0.5

8 0.48 0.06 0.09 0.27

8 0.01 0 0.0

1 0.01 0 0.02 0.01

9 0.07 0.09 0.0

8 0.09 0.09 0.06 0.05

10 0.01 0 0.0

1 0 0.01 0.01 0

11 0.5 0.47 0.2

9 0.32 0.87 0.64 0.56

12 0.01 0 0 0.01 0.01 0.01 0

13 0.21 0.24 0.1

4 0.03 0.79 0.57 0.56

14 0 0.01 0.0

1 0.01 0 0.01 0

15 0.02 0.02 0 0.02 0.01 0.03 0.02

16 0.01 0 0.0

1 0.01 0 0 0.01

17 0.06 0.03 0.0

7 0.06 0.1 0.12 0.14

18 0 0 0 0 0 0 0

19 0.03 0.02 0.0

7 0.09 0.09 0.09 0.14

20 0 0.01 0 0 0.01 0 0

THD-V 1.76 1.68 1.7

3 1.79 1.87 1.81 1.78

Tabel 6. THD-I Maksimum Kubikel 20kV/1.2kV

Orde

IHD-I (%)

Senin Selasa Rabu Kamis Juma

t

Sabt

u

Mingg

u

2 1.99 4.06 7.22 6.85 2 9.96 3.55

3 13.33 15.56 14.81 13.89 20.15 8.76 22.02

4 0.75 2.48 4.32 5.68 1 9.47 0.27

5 16.14 25.01 18.81 23.05 19.99 29.4

4 24.94

6 1.83 3.38 5.09 5.47 0.67 4.23 0.56

7 36.69 29.64 38.46 33.98 24.71 42.7

2 18.95

8 1.51 2.59 0.77 4.73 0.29 2.33 0.43

9 2.03 2.11 3.42 1.92 1.24 0.93 2.44

10 0.3 1.32 1.67 1.52 0.4 4.2 0.34

11 15.5 12.68 18.82 19.35 9.9 25.7

4 12.09

12 0.58 0.88 2.49 0.87 0.55 2.76 0.39

13 9.88 9.48 10.45 12.48 4.85 13.0

5 6.7

14 0.42 1.23 1.34 2.21 0.28 3.23 0.2

15 2.56 3.37 2.45 3.76 0.81 3.71 2.3


16 0.07 0.84 0.7 1.22 0.96 1.63 0.6

17 5.51 4.43 6.68 3.88 3.15 7.66 3.91

18 0.12 0.68 0.88 1.54 0.72 0.42 0.44

19 2.75 1.04 2.86 2.54 1.32 2.75 1.51

20 0.82 0.66 0.67 0.76 0.97 1.54 0.14

TH

D-I 47.33 46.29 52.47 51.67 39.91

63.3

8 42.01

Berdasarkan data pada tabel 6, orde-orde penyumbang

harmonisa arus terbanyak adalah pada orde ke-5, ke-7, dan

ke-11. Oleh karena itu, filter pasif dapat dirancang untuk

memotong harmonisa yang ditimbulkan oleh frekuensi 250

Hz, 350 Hz, dan 550 Hz.

G. Konsumsi Daya Kubikel Penyearah 20kV/1.2kV

Tabel 9. Data Daya Pengukuran

Parameter /

Hari

Se

nin

Sel

asa

Ra

bu

Ka

mis

Jum

at

Sa

btu

Min

ggu

rata-

rata

P

(kW

)

Mak

s

30

03

232

6

20

51

255

2

385

2.4

331

5 2082

2740.

20

rata-

rata

38

4 355

31

8 349

300.

7 282 353

334.5

3

Min 18 18 19 18 19.7 19 20 18.81

Q

(kV

AR)

Mak

s 8 8 9 8 7.4 7 7 7.77

rata-

rata

-

41

2

-

380

-

34

0

-

371

-

307.

2

-

299 -379

-

355.4

6

Min

-

30

80

-

248

1

-

22

12

-

269

8

-

370

3.7

-

334

6

-

2254

-

2824.

9

S

(kV

A)

Mak

s

43

02

340

1

30

17

371

3

534

4

471

0 3068

3936.

43

rata-

rata

56

7 523

46

9 513

436.

5 414 520

491.7

9

Min 19 19 20 19 20.3 20 20 19.61

Tabel 9 diatas merupakan data hasil pengukuran

daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan daya semu (S) dalam

kondisi minimum, maksimum, dan rata-rata disetiap

harinya. Pada bagian daya reaktif, lambang negatif (-)

menunjukkan beban dalam keadaan lagging sedangkan

lambang positif (+) menunjukkan beban dalam keadaan

leading.

IV. PERANCANGAN FILTER HARMONISA DAN

SIMULASI PERANCANGAN FILTER PASIF

A. Perancangan Filter Pasif

Filter pasif yang akan dirancang pada skripsi ini adalah

jenis single tuned. Idealnya sebuah filter single tuned hanya

akan bekerja mereduksi distorsi harmonisa pada satu orde

saja, yaitu pada orde kerjanya. Oleh karena itu hal pertama

yang dibutuhkan dalam merancang filter ini adalah data

acuan level distrosi harmonisa tegangan (THD-v) dan

harmonisa arus (THD-i) maksimum di setiap ordenya pada

kubikel penyearah 20kV/1.2kV dan kubikel 20kV/0.4kV.

Data acuan ini dibutuhkan agar filter tidak bekerja di orde

kerja yang salah yang tentu mengakibatkan kurang

optimalnya kinerja filter.

Kriteria untuk menentukan orde kerja filter lebih

baik jika didasarkan pada nilai harmonisa tegangan pada

setiap orde. Hal ini disebabkan karena lebih mudah

menjamin berada dalam batas tegangan yang layak daripada

membatasi tingkat arus akibat adanya perubahan impedansi

jaringan AC. Akan tetapi bila dilihat dari tabel 5 dan tabel 6,

orde penyumbang THD-v terbanyak adalah pada orde ke-5

dan orde penyumbang THD-i terbanyak adalah pada orde

ke-5, ke-7, dan ke-11. Oleh karena THD-v masih dibawah

standar IEEE, maka lebih baik merancang filter untuk

mengatasi THD-i yaitu filter pasif single tuned orde ke-5,

orde ke-7, dan ke-11.

Untuk mendapatkan kinerja filter optimum, maka

perancangan spesifikasi filter pasif single tuned orde ke-5,

orde ke-7, dan ke-11 dilakukan berdasarkan profil daya per

hari. Kemudian akan disimulasikan dan ditentukan

spesifikasi filter berdasarkan profil daya hari yang memiliki

kinerja paling baik atau dapat menekan distorsi harmonisa

sekecil mungkin.

Gambar 11. Diagram Alir Perancangan Fiter Pasif

Sebelum melakukan perancangan filter single tuned

maka terlebih dahulu mengetahui karakteristik impedansi

filter single tuned. Kemudian mengetahui IHD arus pada bus

yang akan dipasang filter. Setelah itu langkah berikutnya

adalah menentukan harmonisa arus terbesar yang dihasilkan

oleh orde n, kemudian orde n dengan nilai harmonisa arus

terbesar dipilih sebagai frekuensi untuk tuning.

Setelah melakukan proses identifikasi terhadap

orde yang akan dilakukan eliminasi, langkah selanjutnya

adalah menentukan nilai faktor daya. Nilai faktor daya dapat

ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :

Sebagai contoh, perhitungan perancangan filter

berdasarkan profil daya hari jumat akan dibahas.

Sebagaimana terlihat dari tabel 9, penggunaan daya semu

Mulai

Tentukan orde penyumbang harmonisa terbanyak

Tentukan QVAR untuk

perbaikan Power Factor

Cari besar Xc dan C

Cari besar XL dan L sesuai

orde yang ingin difilter

Selesai


(S) maksimum terjadi pada hari jumat adalah 5344 kVA

dengan P sebesar 3852,4 Watt. Dari persamaan diatas

diperoleh nilai faktor daya pada saat kondisi daya semu (S)

maksimum adalah sebesar 0,72. Pendekatan pada kondisi

maksimum diambil untuk mengantisipasi besarnya daya

reaktif yang dibutuhkan dalam sistem.

Dengan penambahan kompensator daya reaktif

kepada sistem sebesar 1730 kVAR, filter ini akan

memperbaiki faktor daya sistem dari 0,72 menjadi 0,89.

Berikut persamaaannya :

√[

]

√[

]

Perhitungan filter single tuned orde ke-5 :

Berdasarkan besarnya daya reaktif yang dibutuhkan

kemudian ditentukan impedansi dari kapasitor dengan

persamaan berikut :

Dengan besar rating tegangan adalah 1,2kV dan

rating daya reaktif adalah 1,730 MVAR, didapatkan

impedansi kapasitor sebesar 0,832 . Besar kapasitansi

kapasitor dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Dengan f = frekuensi fundamental 50Hz

Dari perhitungan didapatkan kapasitansi sebesar

3826 μF. Setelah itu ditentukan besar impedansi reaktor

filter dengan persamaan berikut :

Dengan n = orde harmonisa tegangan yang difilter (disetel sedikit dibawah

ordenya)

Seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa orde

harmonisa yang akan difilter adalah orde 5. Penyetelan

diturunkan sedikit dibawahnya yakni pada nilai 4,9. Hal ini

perlu dilakukan sebagai toleransi komponen filter untuk

mencegah resonansi yang terjadi dalam sistem pada

frekuensi yang mengganggu. Berdasarkan perhitungan

didapatkan impedansi reaktor filter sebesar 0,034

Besar induktansi induktor dapat dihitung dengan

persamaan berikut :

Dengan f = frekuensi fundamental 50Hz

Dari perhitungan didapatkan induktansi sebesar

0,11 mH. Dengan melakukan perhitungan yang sama untuk

semua profil daya per hari didapatkan hasil perancangan

filter single tuned orde 5 seperti terlihat pada tabel dibawah

ini:

Tabel 10. Spesifikasi filter orde 5 hasil rancangan

Hari QVAR n = 5

XC (Ω) XL (Ω) C (μF) L (mH)

Senin 1541.971 0.933 0.038 3410 0.12

Selasa 1289.589 1.116 0.046 2852 0.15

Rabu 1161.862 1.239 0.051 2570 0.16

Kamis 1389.545 1.036 0.043 3073 0.14

Jumat 1730.051 0.832 0.034 3826 0.11

Sabtu 1647.549 0.874 0.036 3644 0.11

Minggu 1186.779 1.213 0.050 2625 0.16

Perhitungan yang sama juga dilakukan untuk

menentukan spesifikasi filter single tuned orde 7, dan orde

11. Hasil perancangan filter untuk orde 7 dan orde 11 untuk

semua profil daya per hari dapat dilihat pada tabel 11 dan

tabel 12 dibawah ini :


Hari QVAR n = 7


Senin 1541.971 0.933 0.019 3410 0.062

Selasa 1289.589 1.116 0.023 2852 0.074

Rabu 1161.862 1.239 0.026 2570 0.082

Kamis 1389.545 1.036 0.021 3073 0.069

Jumat 1730.051 0.832 0.017 3826 0.055

Sabtu 1647.549 0.874 0.018 3644 0.058

Minggu 1186.779 1.213 0.025 2625 0.081


Hari QVAR n = 11


Senin 1541.971 0.933 0.007 3410 0.025

Selasa 1289.589 1.116 0.009 2852 0.029

Rabu 1161.862 1.239 0.010 2570 0.033

Kamis 1389.545 1.036 0.008 3073 0.027

Jumat 1730.051 0.832 0.007 3826 0.022

Sabtu 1647.549 0.874 0.007 3644 0.023

Minggu 1186.779 1.213 0.010 2625 0.032

B. Simulasi Hasil Rancangan Menggunakan ETAP Power

Station 7.0.0

Adapun tahapan-tahapan simulasi filter single tuned

hasil rancangan digambarkan secara umum dengan diagram

alir pada gambar 4.2 sebagai berikut :


Gambar 12. Diagram Alir Simulasi

Pertama-tama yang dilakukan adalah memodelkan

rangkaian gardu traksi LAA. Permodelan ini berdasarkan

data single line diagram dan spesifikasi peralatan atau

komponen pada gardu sehingga didapatkan rangkaian

simulasi mendekati kondisi di lapangan sesungguhnya.

Rangkaian Gardu LAA Stasiun Pasar Minggu pada simulasi

ETAP Power Station 7.0.0 disusun secara sederhana seperti

pada gambar 13 berikut ini :

Gambar 13. Rangkaian Simulasi

Oleh karena penyearah yang terdapat pada ETAP

Power Station 7.0.0 tidak tersedia merk Siemens dan agar

didapatkan besar distorsi harmonisa yang sama dengan

kondisi sebenarnya, maka perlu dibuat harmonic library

baru sebanyak 7 buah yang karakteristiknya sesuai dengan

karakteristik THD-i hasil pengukuran per hari di lapangan.

Seperti terlihat pada gambar 14, data IHD masing-masing

orde saat pengukuran (contoh hari jumat) dimasukkan ke

masing-masing orde pada library yang baru.

Gambar 14. Penambahan Harmonic Library

Setelah itu, harmonic analysis dilakukan untuk

mengetahui apakah besar THD-I pada sistem sama dengan

THD-I saat pengukuran.

1). Sebelum Pemasangan Filter

Setelah simulasi harmonic analysis dilakukan

didapatkan nilai THD-i pada kubikel 20kV/1.2kV seperti

terlihat pada tabel 13 dibawah ini :

Tabel 13. THD-i Simulasi Sebelum Pemasangan Filter

Hari THD-i (%)

Real Simulasi

Senin 47.33 43.36

Selasa 46.29 41.47

Rabu 52.47 47.95

Kamis 51.67 47.15

Jumat 39.91 33.04

Sabtu 63.38 60.13

Minggu 42.01 33.76

Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa

(contoh hari sabtu) dapat dilihat pada gambar 15 dan 16

berikut ini :

Gambar 15. Gelombang THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sebelum

Pemasangan Filter)

Gambar 16. Spektrum THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sebelum

Pemasangan Filter)

Mulai

Data Single Line

Diagram

Permodelan

Sistem

Penambahan

Harmonic Library

Load Flow

Analysis

Harmonic

Analysis

Tentukan QVar

THD OK?

Selesai

No

Yes

Desain Single

Tuned Filter


4.2.2 Setelah Pemasangan Filter

Filter single tuned orde 5,7, dan 11 berdasarkan

profil daya per hari yang telah dirancang sebelumnya

kemudian diimplementasikan pada rangkaian simulasi

dengan memvariasikan 7 buah library harmonic (yang

merepresentasikan THD-i per hari).

Gambar 4.7 Rangkaian Setelah Pemasangan Filter

Gambar 17. Gelombang THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sesudah

Pemasangan Filter Profil Daya Sabtu)

Gambar 18. Spektrum THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sesudah

Pemasangan Filter Profil Daya Sabtu)

Tabel 14. THD-i Simulasi Setelah Pemasangan Filter

Spesifik

asi Filter

THD-i (%) Rat

a-

Rat

a

Seni

n

Selas

a Rabu

Kam

is

Jum

at

Sabt

u

Mingg

u

Senin 4.09 8.34 14.83 14.07 4.11 20.47 7.29 10.4

5

Selasa 12.2

8 25.05 44.55 42.27 12.34 61.46 21.90

31.4

0

Rabu 31.0

5 63.34

112.6

4

106.8

7 31.2

155.3

9 55.38

79.4

1

Kamis 7.18 14.64 26.03 24.7 7.22 35.92 12.8 18.3

5

Jumat 2.45 4.98 8.85 8.41 2.46 12.22 4.35 6.24

Sabtu 3 6.11 10.86 10.31 3.01 15 5.34 7.66

Minggu 26.8

5 54.78 97.41 92.42 26.98

134.3

8 47.89

68.6

7

Berdasarkan tabel 14 diatas, dapat dilihat

spesifikasi filter berdasarkan profil daya hari jumat lah yang

paling optimum untuk digunakan karena dapat menekan

harmonisa setiap hari rata-rata hingga 6.24%. Spesifikasi

filter profil daya jumat atau filter optimum dapat dilihat

pada tabel 15 berikut ini :

Tabel 15. Spesifikasi Filter Optimum Hasil Rancangan

Spesifikasi Orde 5 Orde 7 Orde 11

L 0.11 mH 0.055 mH 0.022 mH

XL 0.034 0.017 0.007

C 3826 μF 3826 μF 3826 μF

XC 0.832 0.832 0.832

QVAR 1730 kVAR 1730 kVAR 1730 kVAR

Rating

tegangan 1,2kV 1,2kV 1,2kV

Q factor 80 80 80

V. KESIMPULAN

Dari skripsi yang telah disusun dapat diperoleh kesimpulan

sebagai berikut:

1. Hasil pengukuran harmonisa pada kubikel penyearah

20kV/1.2kV didapatkan THD-v maksimum sebesar

1.87% (sesuai standar IEEE) dan THD-i maksimum

sebesar 63.38% (melebihi standar IEEE).

2. Besarnya distosi harmonisa berfluktuasi setiap harinya

dengan besar THD-v maksimum terjadi pada hari

jumat dan THD-i maksimum terjadi pada hari sabtu.

3. Orde penyumbang harmonisa tegangan terbanyak

adalah orde ke-5 sedangkan orde penyumbang

harmonisa arus terbanyak adalah orde ke-5, orde ke-7

dan orde ke-11.

4. Pemasangan filter single tuned orde ke-5, orde ke-7

dan orde ke-11 yang dirancang berdasarkan profil daya

hari jumat dapat mengurangi harmonisa arus hingga

rata-rata THD-i sebesar 6.24% per hari.

REFERENSI

Victor Widiputra. "Analisis Efek Harmonisa Terhadap

Penyimpangan Pembacaan Alat Ukur kWh Meter Analog

Pelanggan Rumah Tangga PLN ". Skripsi, Program Sarjana

Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, 2014,

hal 4-14.

Sabri . “Perancangan Filter Pasif Untuk Mengatasi

Harmonisa Pada Gardu Penyearahan Pusat Listrik Aliran

Atas - PT KAI Commuter Jabodetabek Indonesia”. Jurnal.

Lab.Sistim Tenaga dan Distribusi Elektrik STEI ITB

Bandung,Indonesia.

Kurnia Refandra.“Perencanaan High Pass dan Single

Tuned Filter Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem

Kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur”.

Jurnal. Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro Institut

Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

Bestion Alzari. "Rancang Bangun Single Tuned Filter

Sebagai Alat Pereduksi Harmonik Untuk Karakteristik

Beban Rumah Tangga 2200VA ". Skripsi, Program Sarjana

Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, 2011,

hal 52-54.

Lokasi pemasangan filter


“Gardu Traksi (Traction Substation)”. Artikel

Karyawan. 3 Desember 2012.

<http://www.bumn.go.id/len/berita/294/>

I Nengah Suweden ; I Wayan Rinas. “Analisa

Penanggulangan Thd Dengan Filter Pasif Pada Sistem

Kelistrikan Di Rsup Sanglah”. Jurnal. Teknik Elektro

Universitas Udayana. 2009.

Dugan, Roger.C and McGranaghan, Mark.F. Electrical

Power Systems Quality. New York : McGraw-Hill. 2003,

hal 93-120.

Chapman, Stephen J. 2005. Electric Machinery

Fundamental.USA: Mc.Graw Hill.

Japan International Agency Japanese National

Railways Railway Electrification Asociation. Railway

Electrification, the 2nd Edition.

Irshadi Izhhar. " Sistem Kelistrikan Kereta Rel Listrik

(KRL) ". Seminar, Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro

Universitas Indonesia, Depok, 2014.

Endi Sopyandi. “Perancangan Single Tuned Filter

Untuk Mereduksi Harmonik Arus Dengan Simulasi Program

Etap Powerstation 5.0.3”. Jurnal. Teknik Elektro Universitas

Indonesia, Depok.


http://www.bumn.go.id/len/berita/294/Artikel.Karyawan.:.Gardu.Traksi.Traction.Substation

Perancangan Filter Optimum Untuk Mengatasi Efek Distorsi ...

Documents

Transcript of Perancangan Filter Optimum Untuk Mengatasi Efek Distorsi ...