Ilmu Listrik (Electrical Science): Pengaruh Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik

Pengaruh Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik

Harmonisa adalah gelombang yang terdistorsi secara periodik yang terjadi pada gelombang tegangan, arus, atau daya terdiri dari gelombang-gelombang sinus yang frekuensinya merupakan kelipatan bulat frekuensi sumber / fundamental, sehingga bentuknya tidak sinusoidal. Hubungan antara frekuensi harmonik dan fundamental dapat ditulis sebagai berikut:

$f_h=nf_i\ldots$ (1)

Dengan $f_h$ adalah frekuensi harmonic, $n$ adalah kelipatan gelombang (bilangan bulat), dan $f_i$ adalah frekuensi fundamental. Gelombang harmonik ini akan menumpang pada gelombang fundamental sehingga akan terbentuk gelombang yang terdistorsi. Ini dikarenakan efek penjumlahan dari gelombang harmonisa dengan gelombang fundamentalnya. Gelombang harmonisa ini dapat dijabarkan pada deret Fourier berikut ini:

$f(t) = \frac{a_0}{2}+\sum_{h+1}^{\infty}\{a_h\cos(h\omega_0t)+b_h\sin(h\omega_0t)\}\ldots$ (2)

dengan :

$a_0=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}f(t)dt\ldots$ (3)

$a_h=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}f(t)\cos(h\omega t)dt\ldots$ (4)

$b_h=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}f(t)\sin(h\omega t)dt\ldots$ (5)

$a_0$ adalah komponen DC, sedangkan $a_h$ dan $b_h$ adalah komponen AC.

Peran harmonisa pada sistem tenaga listrik cukup besar, terutama pada alat-alat yang terdapat pada sistem tenaga. Harmonisa akan menimbulkan beberapa dampak seperti panas berlebih pada beberapa alat seperti generator dan transformator karena kecenderungan harmonisa mengalir ke tempat dengan impedansi yang lebih rendah. Beberapa dampak lain akan dijelaskan pada artikel ini. Parameter besarnya harmonisa dinyatakan dalam Total Harmonic Distortion (THD) yang dapat ditulis sebagai:

Untuk tegangan,

$THD_V=\frac{\sqrt{V_2^2+V_3^2+V_4^2+\cdots+V_n^2}}{V_1}\ldots$ (6)

Untuk arus,

$THD_I=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\cdots+I_n^2}}{I_1}\ldots$ (7)

Berdasarkan kesepakatan yang disepakati dunia internasional, THD yang diterima adalah apabila bernilai dibawah 5% dari tegangan atau arus fundamentalnya.Apabila diatas batas tersebut maka alat elektronik tersebut tidak boleh digunakan.

Efek harmonisa tidak dapat dihilangkan secara sepenuhnya, tetapi dapat dikurangi. Ada beberapa cara yang biasa digunakan dalam mengurangi harmonisa, yaitu dengan penggunaan filter pasif seperti pemasangan kapasitor, penambahan jumlah fasa, dan kompensasi atau injeksi harmonisa negatif.

Ada tiga macam urutan fasa serta urutan harmonisa yaitu :

Urutan fasa positif, urutan fasanya adalah R-S-T yang antar fasanya terpisah 1200. Orde harmonisanya adalah n = 1, 7, 13, ….
Urutan fasa negatif, urutan fasanya adalah R-T-S yang antar fasanya terpisah 1200. Orde harmonisanya adalah n = 5, 11, 17, …
Urutan nol yang mempunyai beda fasa sama dengan nol (sefasa). Orde harmonisanya adalah n = 3, 9, 15, ….

Terdapat dua jenis beban pada sistem ketenagalistirikan.Beban tersebut terdiri dari beban linier dan beban non linier.Beban disebut linier jika nilai arus berbanding secara linier dengan tegangan beban. Berarti bentuk gelombang arus akan sama dengan bentuk gelombang tegangan.

Beban disebut sebagai beban non linier jika bentuk gelombang arus tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan (mengalami distorsi). Arus yang ditarik beban non linier tidak sinusoidal tetapi periodic.Bentuk gelombang tidak periodic tersebut dapat diuraikan berdasarkan komponen fundamental dan komponen harmonic.Beban non linier tersebut misalnya semi konduktor yang digunakan sebagai switching device.Beban non linier inilah yang berperan sebagai sumber harmonisa pada sistem ketenagalistrikan.

Dalam sistem tenaga listrik sumber beban non linier antara lain berasal dari converter statis, magnetisasi transformator yang tidak linier, putaran mesin arus AC, bangku kapasitor dan lainnya.

PENGARUH HARMONISA PADA SISTEM TENAGA

Sistem Proteksi

Pada peralatan sistem proteksi, harmonisa dapat menyebabkan:

Penurunan rating (derating) akibat pemanasan yang terjadi.
Menyebabkan peningkatan pemanasan dan rugi-rugi pada switchgear, sehingga mengurangi kemampuan mengalirkan arus dan mempersingkat umur beberapa komponen isolator.
Timbulnya getaran mekanis pada panel listrik yang merupakan getaran resonansi mekanis akibat harmonisa arus frekuensi tinggi.
Harmonisa dapat menimbulkan tambahan torsi pada kWh-meter jenis elektromekanis yang menggunakan piringan induksi berputar, akibatnya putaran piringan akan lebih cepat atau terjadi kesalahan ukur pada kWh-meter karena piringan induksi tersebut dirancang hanya untuk beroperasi pada frekuensi dasar.
Triple harmonisa pada kawat netral dapat memberikan induksi harmonisa yang mengganggu sistem telekomunikasi.
Pemutus beban dapat bekerja di bawah arus pengenalnya atau mungkin tidak bekerja pada arus pengenal.
Untuk sistem tenaga, arus pada kawat netral membesar (terutama akibat munculnya kelipatan harmonisa ke-3) serta tegangan sentuh peralatan membesar dan berbahaya bagi operator.

Motor Listrik

Harmonisa arus atau tegangan menyebabkan peningkatan rugi-rugi pada belitan stator, rangkaian rotor, serta laminasi stator dan rotor sehingga efisiensi mesin menurun. Akibat efek kulit dan arus eddy, rugi-rugi ini lebih besar dibandingkan rugi-rugi yang disebabkan arus DC. Medan bocor pada stator dan rotor juga menyebabkan rugi-rugi tambahan. Pada mesin induksi dan mesin sinkron, rugi-rugi panas tambahan paling banyak dibangkitkan pada rotor karena urutan polaritas harmonisa yang dihasilkan oleh motor khususnya motor induksi, polaritasnya dapat bernilai positif atau negatif. Dari perubahan urutan polaritas harmonisa yakni harmonisa ke-5 urutan polaritasnya negatif (-), sedangkan harmonisa ke-7 urutan polaritasnya positif (+), akan memiliki dampak sendiri-sendiri. Bila motor menghasilkan harmonisa dengan urutan polaritas negatif, maka pada sistem distribusi akan menimbulkan medan magnet putar dengan arah maju (forward). Sedangkan untuk polaritas harmonisa negatif akan menimbulkan medan magnet putar dengan arah mundur (reverse). Urutan polaritas positif dan negatif harmonisa inilah yang menyebabkan motor menjadi panas. Sehingga kemampuan mesin akan menurun akibat pemanasan berlebih karena harmonisa, selain itu umur mesin juga akan menurun. Sedangkan pada arus harmonisa urutan polaritas nol tidak akan menimbulkan masalah pada motor itu sendiri, melainkan akan menimbulkan masalah pada sistem 3 fasa 4 kawat. Yaitu akan menimbulkan penambahan arus pada kawat netral, biasanya terjadi pada transformator hubungan wye. Penambahan arus pada kawat netral ini akan menyebabkan kawat netral menjadi panas, karena kawat netral tidak memiliki pengaman seperti pemutus arus untuk proteksi tegangan atau arus lebih. Selain itu, polaritas harmonisa urutan nol ini menyebabkan terjadinya interferensi pada kabel saluran telekomunikasi. Frekuensi harmonisa yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadinya kerugian daya.

Transformator

Pada transformator daya, arus urutan nol yang bersirkulasi pada belitan delta dapat menyebabkan arus yang besar dan pemanasan berlebih.Untuk mengatasipemanasan berlebih akibat harmonisa, seringkali kapasitas daya transformator diperbesar untuk memperbesar kapasitas pendinginan.Tetapi konduktor yang lebih besar menyebabkan pemanasan yang lebih besar juga, yang diakibatkan harmonisa frekuensi tinggi.Selain itu, memperbesar kapasitas transformator berarti memperbesar arus harmonisa yang mungkin mengalir dalam sistem.Penurunan efisiensi transformator akibat harmonisa dapat mencapai sekitar 6%.Pada sisi transformator dampak yang bisa diketahui adalah transformator mengalami kenaikan suhu. Naiknya suhu transformator akan menyebabkan:

Penambahan rugi-rugi daya akan mengurangi kapasitas pembebanan transformator. Misal: pada transformator 750 kVA, dengan 10% rugi arus eddy dan rugi arus harmonisa akan bekerja hanya pada 77,5%-nya atau menjadi 578 KVA.
Mengurangi kemampuan arus maksimum.
Mengurangi umur transformator.

Dampak Harmonisa pada Peralatan

Distorsi harmonisa bisa menebabkan terjaadinya voltage zero crossing, yang beakibat pada kesalahan operasi bila digunakan untuk sinkronisasi kontrol. Komputer dan sejenisnya membutuhkan sumber AC yang bila megandung harmonisa THD (Total Harmonic Distortion) tegangannya tidak boleh lebih dari 5%, dan untuk masing-masing harmonisa tidak boleh lebih dari 3% gelombanng dasar (50 Hz).

Rugi-rugi pada Konduktor Kabel dan Kawat Transmisi

Apabila system mengalami resonansi, tegangan pada sistem dapat mengalami peningkatan. Akibatnya, kabel dan isolator lainnya akan mengalami stres tegangan berlebih dan korona, yang dapat menyebabakan kegagalan pada isolasi listrik atau mempercepat penuaan (aging). Dari segi pengukuran harmonisa mengakibatkan kesalahan pengukuran dari alat-alat ukur tergantung pada konstruksi dari alat ukurtersebut.Alat ukur yang bekerja berdasarkan induksi (induction disk), seperti watt-hour meters, dirancang dan dikalibrasi untuk gelombang sinus. Harmonisa membangkitkan tambahan kopel atau torque electromagnetic pada disk, sehingga hasil pengukurannya lebih tinggi.

Generator Sinkron

Dampak arus harmonisa pada generator sinkron yang disebabkan oleh penggangguan beba-beban non-linear adalah sebagai berikut:

a. Beban non-linear akan menyebabkan rugi-rugi tambahan pada generator sinkron
b. Rugi-rugi tambahan akibat beban non-linear disebabkan oleh rugi-rugi arus urutan nol dan rugi-rugi arus urutan negative
c. Dalam system pembangkitan energy listrik sendiri yang umumnya menggunakan konfigurasi tiga-fasa empat-kawat, kontribusi rugi-rugi tambahan akibat arus urutan nol lebih besar dibandingkan rugi-rugi tambahan akibat oleh arus urutan negatif

PENUTUP

Suatu sistem tenaga listrik dipemgaruhi banyak factor, salah satunya adalah harmonisa. Adanya harmonisa pada sistem tenaga listrik akanmenyebabkan timbulnya rugi-rugi pada konduktor kabel dan kawat transmisi, generator sinkron, transformator, sistem proteksi, dan motor listrik. Sehingga harmonisa harus diredam dalam sistem tenaga. Cara untuk meredam harmonisa adalah dengan pemasangan filter kapasitif atau induktif, converter, dan trafo isolasi hubungan Δ-Y pada sistem.

DAFTAR PUSTAKA

Dugen, Roger C., Electrical Power System Quality, IEEE 519-1992, 1992.

Santoso, Surya, 2002, Electrical Power System Quality.

Schneider Electric, Panduan Aplikasi Teknis

Ilmu Listrik (Electrical Science)

Sunday, 3 January 2016

Pengaruh Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik

No comments:

Post a Comment