6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 State of The Art Review

Terdapat beberapa penelitian yang mendukung tugas akhir ini, dimana

pada penelitian tersebut dijadikan acuan pada tugas akhir ini. Seperti penelitian

yang dilakukan oleh Ida Wayan Ekastawa Putra (2014) dengan judul kajian dan

analisa distorsi harmonisa di Hotel Amankila. Dimana penelitian ini akan

dilakukan suatu kajian dan analisa distorsi harmonisa yang melebihi standar IEEE

519-1992 dan akan dilakukan simulasi penempatan filter harmonisa dengan

menggunakan software simulink MATLAB. Hasil simulasi yang telah dilakukan

dengan pengoperasian filter aktif shunt mengakibatkan turunnya persentase THD

arus dan THD tegangan pada panel LVMDP di Hotel Amankila secara berturut-

turut sebesar 6,5% dan 2,17% dan persentase nilai tersebut telah memenuhi

standar IEEE 519 tahun1992.

Penelitian yang dilakukan oleh Nyoman Abisatya Priatna (2014) dengan

judul Analisa Pengaruh Lokasi Distributed Generation terhadap Susut Daya dan

Keandalan pada Penyulang Abang di Karangasem dimana metode Penelitian

dalam tugas akhir ini menggunakan software ETAP untuk mendapatkan nilai

susut daya dan keandalan sistem distribusi tenaga listrik. Untuk mencari nilai

susut daya dilakukan dengan menjalankan load flow analisys pada ETAP,

sedangkan untuk mendapatkan nilai keandalan (SAIFI, SAIDI) dilakukan dengan

menjalankan reliability analisys pada ETAP. Hasil yang didapat setelah

menjalankan load flow analisys memperoleh nilai susut daya sebelum adanya DG

sebesar 238,8 kW, sedangkan setelah masuknya DG susut daya menjadi 113,2

kW. Lokasi DG yang menghasilkan nilai susut daya yang minimum terletak pada

lokasi eksisting DG saat ini (Bus 96) di jarak 63,04 %. Hasil perhitungan

keandalan dengan menjalankan reliability analisys pada ETAP sebelum masuknya

DG (PLTS) mendapatkan parameter SAIFI sebesar 5,0413 kali/tahun dan SAIDI

sebesar 15,4464 jam/tahun, setelah masuknya DG nilai parameter SAIFI menjadi

4,8187 kali/tahun, sedangkan SAIDI menjadi 12,3519 jam/tahun. Lokasi

7

penempatan DG untuk mendapatkan nilai parameter keandalan yang terbaik

adalah pada jarak 100 % panjang saluran utama.

Perbandingan metode yang dilakukan pada penelitian sebelumnya diatas

dengan penelitian pada tugas akhir ini.

Tabel 2.1 Perbandingan metode penelitian sebelumnya dengan penelitian ini

No Nama Judul Metode

1 Ida Wayan

Ekastawa

Putra

Kajian dan Analisa

Distorsi Harmonisa

di Hotel Amankila

Metode yang dilakukan adalah

dengan mengkaji dan menganalisis

kandungan THD arus dan THD

tegangan dan Filter aktif shunt

digunakan untuk mereduksi

kandungan THDi dan THDv yang

berlebih dan kemudian

membandingkan hasil simulasi

tersebut dengan standar IEEE 512

tahun 1992.

3 Nyoman

Abisatya

Priatna

Analisa Pengaruh

Lokasi Distributed

Generation

Terhadap Susut

Daya Dan

Keandalan Pada

Penyulang Abang

Di Karangasem

Metode yang dilakukan adalah akan

dibandingkan bagaimana susut daya

dan keandalan sistem sebelum dan

sesudah beroperasinya PLTS, juga

akan menganalisa dimana lokasi DG

yang memberikan susut daya

terkecil. Dalam menyelesaikan studi

analisis ini digunakan ETAP power

station 7.

2.2 Sistem Distribusi Tenaga Listrik

Sistem distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem

distribusi ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya listrik

besar (Bulk Power Source) sampai ke konsumen. Jadi fungsi distribusi tenaga

listrik adalah:

- Sebagai pembagian atau penyaluran tenaga listrik ke beberapa tempat

(pelanggan)

- Merupakan sub sistem tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan

pelanggan, karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani

langsung melalui jaringan distribusi.

Pada umumnya sistem distribusi tenaga listrik di Indonesia terdiri atas

beberapa bagian, sebagai berikut:

8

- Gardu Induk (GI)

- Saluran Tegangan Menengah (TM)/ Distribusi Primer

- Gardu Distribusi (GD)

- Saluran Tegangan Rendah (TR)

Gardu induk akan menerima daya dari saluran transmisi kemudian

menyalurkannya melalui saluran distribusi primer menuju gardu distribusi. Sistem

jaringan distribusi terdiri dari dua buah bagian yaitu jaringan distribusi primer dan

jaringan distribusi sekunder. Jaringan distribusi primer umumnya bertegangan

tinggi (20 kV atau 6 kV). Tegangan tersebut kemudian diturunkan oleh

transformator distribusi pada gardu distribusi menjadi tegangan rendah (220 V

atau 380 V) untuk selanjutnya disalurkan ke konsumen melalui saluran distribusi

primer dan di kontrol lewat Panel Hubung Bagi Tegangan Rendah (PHBTR).

2.2.1 Sistem Distribusi Primer

Sistem distribusi primer merupakan bagian dari sistem distribusi yang

berfungsi untuk menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik dari pusat suplai

daya besar (Bulk Power Source) atau disebut gardu induk ke pusat-pusat beban.

Sistem distribusi primer atau sistem distribusi tegangan menengah tersususn oleh

penyulang utama (main feeder) dan penyulang percabangan (lateral). Jaringan

distribusi di Indonesia adalah jaringan distribusi bertegangan 20 KV.

Pada sistem jaringan distribusi primer saluran yang digunakan untuk

menyalurkan daya listrik pada masing-masing beban disebut penyulang (Feeder).

Pada umumnya setiap penyulang diberi nama sesuai dengan daerah beban yang

dilayani, hal ini bertujuan untuk memudahkan mengingat dan menandai jalur-jalur

yang dilayani oleh penyulang tersebut. Sistem penyaluran daya listrik pada sistem

jaringan distribusi primer dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu (Kadir, 2000):

1. Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM)

Jenis penghantar yang dipakai adalah kabel telanjang (tanpa isolasi), seperti

kawat AAAC (All Aluminium Alloy Conductor), kawat ACSR (Aluminium

Conductor Stell Reinforced), dll.

9

2. Saluran Kabel Udara Tegangan Menengah (SKUTM)

Jenis penghantar yang dipakai adalah kabel berisolasi, seperti kabel MVTIC

(Medium Voltage Twisted Insulated Cable).

3. Saluran Kabel Tegangan Menengah (SKTM)

Jenis penghantar yang dipakai adalah kabel tanam berisolasi, seperti kabel

PVC (Poly Venyl Clorida), kabel XLPE (Crosslink Polyethelene).

2.2.2 Sistem Distribusi Sekunder

Sistem distribusi sekunder merupakan bagian dari sistem distribusi yang

bertugas mendistribusikan tenaga listrik secara langsung dari trafo distribusi ke

pelanggan. Jaringan distribusi sekunder di Indonesia adalah jaringan distribusi

bertegangan 220/380 Volt.

Sistem penyaluran daya listrik pada jaringan distribusi sekunder dapat

dibedakan menjadi dua, yaitu:

1. Saluran Udara Tegangan Rendah (SUTR)

Jenis penghantar yang dipakai adalah kabel telanjang (tanpa isolasi), seperti

kawat AAAC, kawat ACSR.

2. Saluran Kabel Udara Tegangan Rendah (SKUTR)

Jenis penghantar yang dipakai adalah kabel berisolasi, seperti kabel LVTIC

(Low Voltage Twisted Cable).

2.3 Konfigurasi Sistem Distribusi

Sistem distribusi dasar yang digunakan untuk keperluan penyaluran daya

ke konsumen adalah sebagai yang diberikan di bawah ini:

2.3.1 Sistem Distribusi Radial

Sistem radial adalah sebuah sistem dimana sistem ini hanya terhubung ke

satu sumber suplai, dalam sistem ini kemungkinan bisa sering terjadi gangguan.

Yang paling penting adalah yang disebabkan oleh saluran udara atau kegagalan

kabel bawah tanah atau kegagalan transformer. Sehingga sistem ini memiliki

keandalan yang lebih rendah. Kerugian lain yaitu mutu tegangan pada gardu

distribusi yang paling ujung kurang baik, hal ini dikarenakan jatuh tegangan

terbesar ada diujung saluran. Keunggulan sistem ini adalah tidak rumit dan lebih

murah disbanding sistem lainnya. Sistem ini banyak dipergunakan di daerah

10

pedesaan (Umumnya merupakan jaringan luar kota) yang tidak membutuhkan

nilai keandalan yang tinggi.

Gambar 2.1 Sistem Distribusi Radial

(Sumber: 1SPLN 59: 1985)

2.3.2 Sistem Distribusi Lingkar (Loop)

Sistem distribusi tipe Loop merupakan perpaduan dari dua buah sistem

radial, secara umum sistem ini beroperasi hamper sama dengan sistem radial.

Sistem ini memiliki tingkat keandalan dan kontinuitas lebih baik dibandingkan

sistem radial, karena jumlah sumber dan penyulang yang ada pada suatu jarring

lebih dari satu buah.

Gambar 2.2 Sistem Distribusi Loop

(Sumber: SPLN 59: 1985)

Sistem ini memiliki dua sumber dan arah pengisian yang satu dapat

sebagai cadangan. Jika terjadi gangguan atau pekerjaan pada salah satu jaringan,

penyaluan tidak terputus karena menggunakan sumber pengisian cadangan.

Keunggulan dan kelemahan sistem ini adalah:

a. Keunggulan

- Kontinuitas penyaluran daya listrik cukup tinggi

- Sistem tegangan yang cukup stabil

- Tingkat keandalan dan keamanan yang cukup tinggi

- Fleksibilitas tinggi

b. Kelemahan

- Biaya pemasangan cukup mahal

11

- Biaya perawatan cukup tinggi

2.3.3 Sistem Distribusi Spindel

Sistem jaringan distribusi tipe Spindel merupakan perpaduan dari sistem

lingkar (Loop) dengan sistem radial. Sistem Spindel terdiri dari beberapa

penyulang yang tegangannya berawal atau diberikan oleh Gardu Induk dan

tegangan tersebut berakhir pada sebuah Gardu Hubung (GH). Penyulang tersebut

dibagi menjadi dua jenis yaitu:

1) Penyulang Kerja/Working Feeder

Adalah penyulang yang dioperasikan untuk mengalirkan daya listrik

dari sumber pembangkit sampai kepada konsumen, sehinga penyulang

ini dioperasikan dalam keadaan bertegangan dan sudah dibebani.

Operasi normal penyulang ini hampir sama seperti sistem radial.

2) Penyulang Cadangan/Express Feeder

Adalah penyulang yang menghubungkan gardu induk langsung ke

gardu hubung dan tidak dibebani gardu-gardu distribusi. Pada operasi

normal, penyulang ini tidak dialiri arus-arus beban dan hanya

berfungsi sebagai penyulang cadangan untuk menyuplai penyulang

tertentu yang mengalami gangguan melalui gardu hubung.

Gambar 2.3 Sistem Distribusi Spindel

(Sumber: SPLN 59: 1985)

Sistem jaringan spindle biasa diterapkan pada kota yang memiliki tingkat

kerapatan beban yang tinggi. Keuntungan dan kelemahan sistem ini adalah:

a. Keuntungan

- Memiliki tingkat keandalan yang tinggi

- Beban pada setiap feeder terbatas

- Rugi daya dan rugi tegangan relatif kecil

12

b. Kelemahan

- Penyaluran daya yang relatif besar

- Biaya investasi dan operasional yang tinggi

- Sistem penyaluran tidak dapat dikembangkan

2.4 Jenis-Jenis Saluran

Di dalam penyaluran atau distribusi tenaga listrik pada jaringan distribusi

terdiri dari saluran udara dan saluran bawah tanah.

2.4.1 Saluran Udara

Jenis penghantar yang biasa digunakan pada saluran udara tegangan

menengah (SUTM) adalah AAAC (All Aluminium Alloy Conductor), kawat

ACSR (Aluminium Conductor Stell Reinforced), MVTIC (Medium Voltage

Twisted Insulated Cable). Daerah yang dilalui merupakan daerah yang tidak

terdapat perumahan yang padat dan tidak melalui pusat pertokoan yang biasanya

memiliki banyak gedung bertingkat.

Pada penyaluran tenaga listrik hingga ke konsumen di kawasan-kawasan

yang berpenduduk padat, saluran udara menimbulkan banyak permasalahan

seperti factor keindahan dan keamanan. Keuntungan dari saluran udara yaitu:

- Investasi saluran udara lebih murah/rendah

- Dalam menentukan daerah gangguan pada feeder lebih mudah, sehingga

pemadaman listrik karena perbaikan lebih cepat

- Fleksibel terhadap perkembangan beban

Dan kerugian yang ditimbulkan, yaitu:

- Mudah terkena gangguan eksternal (angina, pohon, cuaca, dan lainnya)

- Mengganggu keindahan lingkungan

2.4.2 Saluran Bawah Tanah

Kabel tanah yang biasa digunakan dalam jaringan distribusi tenaga listrik

untuk menyalurkan tenaga listrik ke konsumen adalah PVC (Poly Venyl Clorida),

kabel XLPE (Crosslink Polyethelene). Keuntungan dari saluran bawah tanah

yaitu:

- Tingkat keandalannya tinggi

- Tidak mudah terkena gangguan dari alam (Hujan, petir, dan lainnya)

13

- Sistem ini tidak mengganggu keindahan pemandangan atau lingkungan

Sedangkan kerugian yang ditimbulkan yaitu:

- Susah dilacak bila terjadi gangguan

- Biaya investasi yang tinggi

2.5 Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Energi matahari merupakan sumber energi penting sejak dahulu, dimulai

cara memanfaatkan yang primitif sampai teknologi photovoltaic. Matahari

melepas 95% energinya sebagai cahaya yang bisa dilihat dan sebaian lagi sebagai

yang tidak terlihat seperti sinar infra-red dan ultra-violet. Sebagai negara tropis,

Indonesia mempunyai potensi energi surya yang cukup besar. Berdasarkan data

penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, radiasi surya di

Indonesia dapat diklasifikasikan berturut-turut sebagai berikut: untuk kawasan

barat dan timur Indonesia dengan distribusi penyinaran di Kawasan Barat

Indonesia (KBI) sekitar 4,5 kWh/m2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 10 %

dan di Kawasan Timur Indonesia (KTI) sekitar 5,1 kWh/m2/hari dengan variasi

bulanan sekitar 9%. Dengan demikian, potensi energi surya rata-rata Indonesia

sekitar 4,8 kWh/m2/hari dengan variasi bulanan sekitar 9%.

Gambar 2.4 Skema dari Sistem Photovoltaic

(Sumber: Ingenieros, A.M., 2011)

Kelebihan dan kekurangan dari penggunaan energi panas matahari antara lain:

a. Kelebihan:

14

- Energi panas matahari merupakan energi yang tersedia hampir diseluruh

bagian permukaan bumi dan tidak habis (renewable energy).

- Penggunaan energi panas matahari tidak menghasilkan polutan dan emisi

yang berbahaya baik bagi manusia maupun lingkungan.

b. Kerugian:

- Sistem pemanas air dan pembangkit listrik tenaga surya tidak efektif

digunakan pada daerah memiliki cuaca berawan untuk waktu yang lama.

- Pada musim dingin, pipa-pipa pada sistem pemanas ini akan pecah karena

air di dalamnya membeku.

- Membutuhkan lahan yang sangat luas yang seharusnya digunakan untuk

pertanian, perumahan, dan kegiatan ekonomi lainya. Hal ini karena rapat

energi matahari sangat rendah.

- Sistem hanya bisa digunakan pada saat matahari bersinar dan tidak bisa

digunakan ketika malam hari atau pada saat cuaca berawan.

2.6 Kualitas Daya Listrik

Kualitas daya listrik adalah tenaga listrik yang handal, energi listrik

dengan kualitas yang baik dan memenuhi standar, mempunyai kontribusi yang

sangat penting bagi kehidupan masyarakat. Kualitas daya listrik juga diartikan

sebagai hubungan dari daya listrik dengan peralatan listrik. Jika peralatan listrik

bekerja secara tepat dan handal tanpa mengalami tekanan dan kerugian dapat

dikatakan peralatan listrik tersebut mempunyai kualitas daya yang baik,

sebaliknya ketika perlengkapan listrik gagal fungsi (malfunction), kurang handal

atau mengalami kerugian pada saat penggunaan normal, dapat dikatakan bahwa

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

disuplai dalam bentuk sinusoidal yang mempunyai 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):

- Peak variation atau RMS adalah 2 hal yang penting dalam membedakan

jenis dari peralatan.

15

- Swell adalah Saat dimana tegangan RMS melebihi dari tegangan nominal

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

- Dip atau Sag adalah kejadian dimana tegangan RMS di bawah tegangan

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

- 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.

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

selama lebih dari 1 menit.

- Overvoltage terjadi saat tegangan nominal meningkat sampai di atas 110%

selama lebih dari 1 menit.

- Variasi frekuensi.

- Variasi gelombang (biasanya menggambarkan harmonisa).

2.6.1 Konsep Kualitas Daya Listrik

Perhatian terhadap kualitas daya listrik dewasa ini 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. Istilah kualitas daya listrik merupakan suatu konsep yang

memberikan gambaran tentang baik atau buruknya mutu daya listrik akibat

adanya beberapa jenis gangguan yang terjadi pada sistem kelistrikan (Roger

C.Dugan, 1996).

Terdapat empat alasan utama, mengapa para ahli dan praktisi di bidang

tenaga listrik memberikan perhatian lebih pada isu kualitas daya listrik (Roger

C.Dugan, 1996), yaitu :

1. Pertumbuhan beban-beban listrik dewasa ini bersifat lebih peka terhadap

kualitas daya listrik seperti sistem kendali dengan berbasis pada

mikroprosesor dan perangkat elektronika daya.

2. Meningkatnya perhatian yang ditekankan pada efisiensi sistem daya

listrik secara menyeluruh, sehingga menyebabkan terjadinya peningkatan

penggunaan peralatan yang mempunyai efisiensi tinggi, seperti pengaturan

kecepatan motor listrik dan penggunaan kapasitor untuk perbaikan faktor

16

daya. Penggunaan peralatan – peralatan tersebut dapat mengakibatkan

peningkatkan terhadap tingkat harmonik pada sistem daya listrik, di mana

para ahli merasa khawatir terhadap dampak harmonisa tersebut di masa

mendatang yang dapat menurunkan kemampuan dari sistem daya listrik itu

sendiri.

3. Meningkatnya kesadaran bagi para pengguna energi listrik terhadap

masalah kualitas daya listrik. Para pengguna utilitas kelistrikan menjadi

lebih pandai dan bijaksana mengenai persoalan seperti interupsi, sags, dan

peralihan transien dan merasa berkepentingan untuk meningkatkan

kualitas distribusi daya listriknya.

4. Sistem tenaga listrik yang saling berhubungan dalam suatu jaringan

interkoneksi, di mana sistem tersebut memberikan suatu konsekuensi

bahwa kegagalan dari setiap komponen dapat mengakibatkan kegagalan

pada komponen lainnya.

2.6.2 Jenis-Jenis Permasalahan Kualitas Daya Listrik

1. Gejala Peralihan (Transient), yaitu suatu gejala perubahan variabel

(tegangan, arus dan lain-lain) yang terjadi selama masa transisi dari

keadaan operasi lunak (steady state) menjadi keadaan yang lain.

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

yaitu suatu gejala perubahan nilai tegangan dalam waktu yang singkat

yaitu kurang dari 1 (satu) menit.

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

yaitu suatu gejala perubahan nilai tegangan, dalam waktu yang lama yaitu

lebih dari 1 (satu) menit.

4. Ketidakseimbangan Tegangan, adalah gejala perbedaan besarnya tegangan

dalam sistem tiga fasa serta sudut fasanya.

5. Distorsi Gelombang, adalah gejala penyimpangan dari suatu gelombang

(tegangan dan arus) dari bentuk idealnya berupa gelombang sinusoidal

6. Fluktuasi Tegangan, adalah gejala perubahan besarnya tegangan secara

sistematik.

17

7. Gejala Perubahan Frekuensi Daya yaitu gejala penyimpangan frekuensi

daya listrik pada suatu sistem tenaga listrik.

2.7 Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik

Harmonisa merupakan suatu fenomena yang muncul akibat pengoperasian

beban listrik non linier. Harmonisa pada sistem kelistrikan merupakan salah satu

penyebab yang mempengaruhi kualitas daya. Pengaruh adanya harmonisa sangat

dominan karena bersifat permanen dan menyebabkan terbentuknya gelombang

frekuensi tinggi (kelipatan dari frekuensi fundamental, misal: 100Hz, 150Hz,

200Hz, 300Hz, dan seterusnya). Hal ini dapat mengganggu sistem kelistrikan pada

frekuensi fundamentalnya yaitu 50/60 Hz, sehingga bentuk gelombang arus

maupun tegangan yang idealnya adalah sinusoidal murni akan menjadi cacat

akibat distorsi harmonisa yang terjadi (Dugan, dkk, 2003).

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 2.5 Penurunan Derajat Tegangan pada Jaringan yang di Sebabkan Beban Non

Linier. (Sumber: Ferracci, Ph. 2001)

2.7.1.1 Penerangan (Ligthing)

Timbulnya sumber gangguan harmonisa khususnya harmonisa ke 3 salah

satunya disebabkan oleh sistem penerangan (Marsudi, 2002).

18

Gambar 2.6 Grafik Arus dan Spektrum Harmonisa oleh Fluorescent Lighting

(sumber: Ferracci, Ph. 2001)

2.7.1.2 Arc furnace

Arc furnace merupakan salah satu beban non linier yang menghasilkan

harmonisa pada sistem tenaga listrik, arc furnace banyak dipakai dalam industri

pengecoran logam. Arc furnace dapat dibedakan menjadi 2 (dua), yaitu: (Marsudi,

2002).

a. Tipe AC.

Merupakan beban non linier yang tidak simetris dan tidak stabil yang

menghasilkan spektrum harmonisa yang mengandung harmonisa orde ganjil

dan harmonisa orde genap ( Odd and Even Numbered Harmonisa ). Even

numbered harmonisa merupakan orde harmonisa (2, 4, 6, dan seterusnya)

yang akan mengakibatkan rugi-rugi yang cukup besar yang akan dapat

mengakibatkan kerugian pada sistem kelistrikan. Odd numbered harmonisa

merupakan orde harmonisa (3, 5, 7, dan seterusnya). sehingga menyebabkan

gangguan (Noise) pada semua frekuensi.

b. Tipe DC.

Merupakan beban non linier yang dihasilkan dari penyearah (rectifier), yang

lebih stabil dari AC furnace.

2.7.1.3 Variabel Pengatur Kecepatan

Pengaturan inverter sumber tegangan ( VSI atau Voltage Source Inverter )

dan pengaturan inverter sumber arus ( CSI atau Current Source Inverter )

merupakan dua bagian kelompok dari variabel pengatur kecepatan. Dan kedua

pengatur kecepatan ini membutuhkan daya yang besar untuk mendapatkan

tegangan dan arus yang konstan untuk mengalirkan variabel frekuensi AC ke

19

motor, dan pengaturan motor menghasilkan harmonisa ke 5 dan ke 7 (Marsudi,

2002).

Gambar 2.7 Grafik Arus dan Spektrum oleh Variabel Pengatur Kecepatan

(sumber: Ferracci, Ph. 2001)

2.7.2 Permasalahan yang ditimbulkan oleh Harmonisa

Unsur-unsur individual pada sistem tenaga harus diuji sensitifitasnya

terhadap harmonisanya sebagai dasar untuk merekomendasikan pada tingkatan

yang diijinkan. Efek utama dari tegangan dan arus harmonisa di dalam sistem

tenaga adalah:

1. Penambahan tingkat harmonisa akibat dari resonansi hubungan seri dan

pararel.

2. Penurunan efisiensi pada daya generator, transmisi dan pemakaiannya.

3. Interferensi dengan rangkaian-rangkaian telepon (telekomunikasi) dan

pemancar karena arus harmonisa urutan nol.

4. Kesalahan-kesalahan pada meter-meter piringan putar pengukur energi.

Secara garis besar, efek harmonisa yang timbul pada sistem tenaga listrik

tergantung pada sumber harmonisa dan letak harmonisa. Harmonisa dalam sistem

tenaga listrik dapat menimbulkan pengaruh yang tidak diinginkan, seperti :

20

peralatan menjadi panas, life time (usia pakai) peralatan menjadi berkurang,

bahkan dapat menyebabkan peralatan menjadi rusak, interferensi sinyal (seperti

noise pada saluran telepon).

2.7.2.1 Permasalahan Harmonisa pada Transformator

Menyalurkan daya yang diperlukan ke beban dengan rugi-rugi minimum

merupakan tujuan dirancangnya transformator. Adanya harmonisa menyebabkan

rugi-rugi pada transformator meningkat sehingga menyebabkan timbulnya panas

berlebih. Arus harmonisa yang mengalir pada transformator meningkatkan arus

rms akibatnya menyebabkan rugi-rugi pada penghantar juga bertambah. Arus

harmonisa juga menyebabkan rugi-rugi eddy current bertambah sehingga

terjadinya peningkatan temperatur pada transformator.

2.7.2.2 Permasalahan Harmonisa pada Motor

Panas yang berlebih ditimbulkan karena terjadinya tegangan non-

sinusoidal pada mesin. Tegangan ataupun arus harmonisa meningkatkan rugi-rugi

tambahan pada kumparan stator, rangkaian rotor dan laminasi dari rotor dan

stator. Harmonisa pada motor menyebabkan penambahan rugi-rugi histerisis, eddy

current dan I2R pada kumparan motor. Rugi-rugi histerisis meningkat seiring

peningkatan frekuensi dan rugi-rugi eddy current meningkat sebagai hasil dari

frekuensi pangkat dua. Kerugian arus bocor yang di alami pada kumparan stator

dan rotor jauh lebih besar dibanding yang disebabkan eddy current dan skin effect.

2.7.2.3 Permasalahan Harmonisa pada Kapasitor Bank

Pada sistem tenaga listrik bidang komersial atau industri biasanya

ditemukannya kapasitor bank yang berfungsi memperbaiki kondisi faktor daya

yang rendah. Kapasitor bank didisain untuk beroperasi pada tegangan maksimum

110 % dari rating tegangan dan 135 % dari rating tegangan kVAr. Ketika

harmonisa arus dan tegangan muncul, ratingnya seringkali terlampaui dan

menimbulkan kegagalan/gangguan.

2.7.2.4 Permasalahan Harmonisa pada Kabel

Rugi-rugi I2R biasanya dihasilkan karena adanya aliran arus pada kabel,

rugi-rugi akan bertambah jika arus mengandung harmonisa. Selain itu kehadiran

harmonisa menyebabkan pengaruh skin effect menjadi semakin parah.

21

2.7.3 Beban Linier dan Beban Non Linier

Dua jenis beban yang sangat dekat hubungannya dengan sumber

harmonisa pada sistem tenaga listrik adalah beban linear dan beban non linear.

2.7.3.1 Beban Linier

Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran

yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedensi dan

perubahan tegangan. Beban linier ini tidak memberikan dampak yang buruk pada

perubahan gelombang arus maupun tegangan. Resistor (R) merupakan beban

linier tersebut.

Gambar 2.8 Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier (Dugan, dkk, 2003)

2.8 Deret Fourir

Setiap gelombang periodik, yaitu yang memiliki bentuk )()( Ttftf

dapat dinyatakan oleh sebuah deret Fourier bila memenuhi persyaratan Dirichlet :

1. Gelombang memiliki nilai rata-rata yang terbatas dalam perioda T.

2. Bila gelombang diskontinu, hanya terdapat jumlah diskontinuitas yang

terbatas dalam perioda T.

3. Gelombang memiliki jumlah maksimum dan minimum yang terbatas dalam

perioda T.

Dengan dipenuhinya syarat-syarat tersebut maka deret Fourier dapat

dinyatakan dalam bentuk:

1

0 sincos)(n

nn tnbtnaatf ................................................(2.1)

Secara umum, tegangan dan arus dapat dinyatakan dalam deret Fourier sebagai :

)cos()(1

h

h

oh hatv

..............................................................(2.2)

22

)cos()(1

h

h

oh hbti

...............................................................(2.3)

dengan :

T

o dttfT

a0

)(1

..............................................................................(2.4)

T

h tdttfT

a0

cosh)(2

...................................................................(2.5)

T

h tdttfT

b0

sinh)(2

....................................................................(2.6)

dimana h adalah orde harmonisa, yaitu bilangan 1, 2, 3, dan seterusnya.

2.8.1 Fast Fourier Transform (FFT)

Salah satu metode analisis sinyal yang handal adalah Fast Fourier

Transform (FFT), banyak digunakan di berbagai bidang seperti analisis spektra,

digital filtering, aplikasi mekanik, akustik, medical imaging, nemerik, sesimograpi

dan komunikasi.

X(f) = F{x(t)} =

x(t) e-j2 ft dt…………………………………….………..(2.7)

Dimana x(t) adalah time domain sinyal, dan

X(f) adalah transformasi fourier.

Hampir sama dengan FFT, Discrete Fourier Transform (DFT)

mengubah discrete-time sequence domain menjadi discrete- frequency. Dimana

DFT di representasikan sebagai berikut.

Xk =

1

0

n

i

xi e-j2 ik/n ..................................................................................... ....(2.8)

Untuk k = 0, 1, 2,..., n-1

Dimana x adalah input sequence

X adalah DFT, dan

n adalah jumlah sample dalam kedua discrete-time dan discrete frequency

2.9 Konsep Daya

Arus dan tegangan dapat dinyatakan secara umum sebagai : (Buhron, 2001)

23

)cos()(1

h

h

oh hatv

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

)cos()(1

h

h

oh hbti

...............................................................(2.10)

maka daya aktif dapat dinyatakan sebagai :

) cos(1

hh

h

hhtotal baP

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

dan 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 (2.12) 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)

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.

2.9.1 Konsep Faktor Daya

Bila arus dan tegangan berbentuk sinusoidal, maka faktor daya

didefinisikan sebagai cosinus sudut yang dibentuk antara simpangan nol (zero-

24

crossing) tegangan dan simpangan nol arus, dengan nol tegangan sebagai acuan

(Buhron, 2001). Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.9 di bawah ini.

t

arus

0

tegangan

Gambar 2.10 Kurva arus dan tegangan pada beban linier

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

definisi tersebut tidak lagi dapat diterapkan.

Permasalahan akan muncul apabila salah satu atau kedua besaran tidak

sinusoidal sebagaimana pada gambar di atas, terlebih apabila besaran-besaran

memiliki beberapa simpangan nol. Untuk menyelesaikan permasalahan mengenai

faktor daya, ada dua definisi yang umum digunakan berkaitan dengan bentuk arus

dan atau tegangan yang tidak sinusoidal, yaitu true power factor (tpf atau pf saja).

rms

fseluruhtotal

I

Ptpf

rms

rekuensi

V

......................................................................................(2.16)

dan displacement power factor (dpf),

11 IV

Pdpf

lfundamenta

.............................................................................................(2.17)

tpf (true power factor) 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).

25

2.10 Total Distorsi Harmonisa

Pada sistem tenaga listrik untuk melihat kandungan distorsi harmonisa

pada komponen fundamentalnya diistilahkan dengan THD atau Total Harmonic

Distortion. Persentase Total Distorsi Harmonisa atau Total Harmonic Distortion

(THD) tegangan dan arus dirumuskan seperti pada Persamaan (2.18) dan

Persamaan (2.19) sebagai berikut (Mohan. 1989):

√∑

............................................................................ (2.18)

Di mana:

Vh

= Komponen harmonisa tegangan ke-h

V 1= Tegangan frekwensi fundamental (rms)

√∑

.............................................................................. (2.19)

Di mana:

Ih

= Komponen harmonisa arus ke-h

I 1

= Arus frekwensi fundamental (rms)

Menurut Standar IEEE 519 – 1992, untuk total distorsi harmonisa atau

cacat gelombang sinusoidal diperlihatkan pada Tabel 2.1 dan Tabel 2.2 sebagai

berkut:

Tabel 2. 2 Batas distorsi arus harmonisa untuk sistem distribusi umum

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 : Dugan, 2003

26

THDi harmonisa urutan genap dibatasi 25% dari harmonisa urutan ganjil

di atas, Distorsi arus yang disebabkan sebuah penyearah setengah gelombang dc

tidak diizinkan atau tidak termasuk pada tabel di atas.

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 menentukan standar batas

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

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

SCratio =

..................................................................................................... (2.20)

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

(%) ZKV 3

100KVAcI

s

................................................................................. (2.21)

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

IL =

√ ................................................................................................... (2.22)

Keterangan :

SCI

= Arus hubung singkat maksimum pada PCC

LI = Arus beban maksimum

KW = Total daya aktif

Tabel 2. 3 Batas distorsi tegangan

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 : Dugan, 2003

2.11 IEEE Standard 519-1992

2.11.1 Batas Distorsi Tegangan Harmonik Utiliti

Tabel 2.4 dari IEEE standard 519-1992, menyarankan nilai-nilai berikut

sebagai batas maksimum yang direkomendasikan untuk ditorsi tegangan.

Tabel 2.4 IEEE standard 519-1992, standar batas distorsi tegangan harmonic maksimum

Voltage at PCC Individual Component Total Voltage Distortion

27

Voltage distortion (THDf)

V 69 KV 3.00% 5.00%

69 KV < V 161 KV 1.50% 2.50%

V161 KV 1.00% 1.50%

Sumber : Duffey, C. K ; Stratford, R. P, 1989

Nilai-nilai ini hanya berlaku untuk skenario kasus yang terburuk yang aoat

digunakan untuk kondisi operasi dengan waktu sedikitnya satu jam. Untuk

kondisi-kondisi yang sesaat seperti starting beban, switching, dan keadaan non

steady-state lainnya, batas-batas ini mungkin bisa terlewati sampai 50%.

2.11.2 Batas Distorsi Arus Harmonik Utiliti

Tabel 2.5 IEEE Standart 519-1992, standar batas distorsi arus harmonik maksimum

MAXIMUM HARMONINC CURRENT DISTORTION IN % OF FUNDAMENTAL

Is/IL Harmonic order (Odd Harmonic)

THD(%

)

< 11 11 h 17 17 h 23 23 h 25 35 h

<20* 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0

20-50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0

50-100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0

100-1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0

>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

Even harmoniccs are limted to 25% of the odd harmonics above

*All power generation equipment is limited to these values of cuerrent distortion, regardless of

actual Isc/IL

Where Isc= Maximum short circuit current at PCC

And IL = Maximum load current ( fundamental frequency )at PCC

For PCC's from 69 to 138 kV, the limits are 50 % of the limits above.

A case-by-case evaluation is requaried

Sumber : Duffey, C. K ; Stratford, R. P, 1989

28

2.12 Rugi-Rugi Daya

Pada suatu sistem dengan penghantar netral mengalir daya sebesar P.

Dalam penyaluran daya sebesar P jika arus – arus tiap fasa dalam keadaan

seimbang maka besarnya daya dapat dilihat pada persamaan (2.9). Daya yang

diterima pada ujung distribusi akan lebih kecil dari daya yang dikirimkan ini

disebabkan karena adanya penyusutan dalam saluran.

Pada keadaan beban seimbang dimana arus netral adalah nol, rugi-rugi

daya terjadi pada saluran dapat dihitung menggunakan persamaan :

PL = 3 x I2

Rline .............................................................................................................. (2.35)

Dimana :

PL = Rugi-rugi daya pada saluran (W)

I = arus saluran/beban (A)

R = resistansi saluran ()

Dalam keadaan tidak seimbang dimana arus netral tidak sama dengan nol

maka rugi-rugi daya yang terjadi pada saluran dapat dihitung menggunakan

persamaan berikut ini:

PL = (I2

A+I2

B + I2

C) Rline + I2

N Rnetral ............................................................. (2.36)

Dimana :

PL = losses pada saluran (W)

IA, IB, IC = arus saluran/beban fase A,B,C (A)

IN = IA+ IB+ IC = arus netral (A)

Rline = resistansi saluran ()

Rnetral = resistansi netral ()