HARMONISA : PENJELASAN, IDENTIFIKASI, CARA MENGATASI DAN PENGARUH

Static VAR Compensator

Untuk meningkatkan kualitas daya listrik, perlu dilakukan upaya untuk menurunkan permasalahan yang menyebabkan kualitas daya listrik memburuk. Salah satu permasalahan yang menyebabkan kualitas daya buruk adalah harmonisa.

Harmonisa adalah gelombang sinusoidal tegangan atau arus yang memiliki frekuensi kelipatan dari frekuensi fundamentalnya. Bila harmonisa menyatu dengan gelombang frekuensi fundamentalnya, maka akan mengakibatkan bentuk gelombangnya tidak sinus lagi.

Penyebab Harmonisa
Penyebab terjadinya harmonisa adalah adanya beban non linier pada sistem. Beban non linier dapat berupa :

1. Tungku busur api (pengecoran logam)
2. Las
3. Inti magnet pada trafo dan mesin-mesin berputar
4. Mesin-mesin sinkron
5. Adjustable Speed Drives (ASD)
6. Solid State Switch
7. Transmisi tegangan tinggi DC
8. Inverter photovoltaik.

Akibat Adanya Harmonisa
Berikut adalah beberapa akibat yang ditimbulkan oleh adanya harmonisa :

1. Temperatur pada tranformator lebih meningkat dari normalnya.
2. Terlalu panasnya motor-motor yang dioperasikan (karena eddy current yang timbul sehingga menambah kerugian daya).
3. Terjadinya kesalahan pada penunjukan alat ukur.
4. Putusnya pengaman (fuse) pada kapasitor bank atau isolasi kapasitor menjadi lebih panas, sehingga bila terlalu melampaui batas dapat mengalami kerusakan pada kapasitor itu sendiri.
5. Terjadinya kesalahan operasi pada peralatan-peralatan kontrol dan pemutus yang terhubung dengan bus yang telah terganggu.

Macam-Macam Harmonisa
Ada 3 macam harmonisa, yaitu :

1. Harmonisa ganjil : kelipatan ganjil dari frekuensi fundamentalnya
2. Harmonisa genap: kelipatan genap dari frekuensi dasarnya, ini diakibatkan karena gelombangnya tidak simetris terhadap sumbu absisnya. Hal ini terjadi karena adanya komponen dc pada suplainya / bebannya.
3. Interharmonisa: adalah harmonisa yang frekuensinya tidak merupakan kelipatan integral dari frekuensi dasarnya.
4. Subharmonisa : harga frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi fundamentalnya

Polaritas Komponen Harmonik dan AkibatnyaHarmonik pertama urutan polaritasnya adalah positif, harmonik kedua urutan polaritasnya adalah negatif dan harmonik ketiga urutan polaritasnya adalah nol, harmonik keempat adalah positif (berulang berurutan sampai seterusnya).

Polaritas Komponen Harmonik

Berikut adalah akibat yang ditimbulkan dari masing-masing polaritas komponen harmonik

Akibat Polaritas Komponen Harmonik

Indeks-Indeks Harmonisa
Dua indeks yang paling sering digunakan untuk mengukur harmonik gelombang adalah total distorsi harmonik (Total Harmonic Distortion/ THD) dan total permintaan distorsi (Total Demand Distortion/ TDD). Keduanya adalah ukuran dari nilai efektif suatu gelombang dan dapat diterapkan baik pada tegangan maupun arus.

THD adalah rasio nilai rms dari komponen harmonisa ke nilai rms dari komponen fundamental yang biasanya dinyatakan dalam persen (%). Digunakan untuk mengukur deviasi dari bentuk gelombang periodik yang mengandung harmonisa dari gelombang sinus sempurna.

, dimana :

M1 adalah komponen fundamental harmonik

Mh adalah komponen harmonik ke-h dari M


Total Demand Distortion (TDD) adalah total distorsi arus harmonisa yang didefinisikan sebagai

, dimana :

Ih adalah arus harmonik ke-h

IL adalah arus fundamental harmonik


Selain dua indeks diatas, ada juga Faktor Harmonisa (HF)

Untuk mengurai komponen harmonisa, dapat digunakan deret fourier :

Identifikasi Harmonik
Untuk mengidentifikasi kehadiran harmonik pada sistem distribusi, dapat diketahui melalui langkah-langkah sebagai berikut :

1. Identifikasi Jenis Beban
Jenis beban yang dipasok, misalnya peralatan apa yang dipakai oleh konsumen. Bila banyaknya peralatan yang mempunyai komponen utama terbuat dari bahan semikonduktor seperti komputer dan alat bantunya, pengatur kecepatan motor, atau peralatan lain yang menggunakan arus searah maka dapat diperkirakan masalah harmonik ada diintalasi konsumen tersebut.

2. Pemeriksaan Transformator
Untuk transformator yang memasok beban non linier apakah ada kenaikan temperaturnya tidak normal. Arus sekunder transformator baik phase maupun netral perlu dilihat. Bandingkan arus netralnya dengan arus fasa pada keadaan beban tidak seimbang. Apabila arus netralnya lebih besar maka dapat diperkirakan adanya trilen harmonik dan kemungkinan turunnya kinerja transformator.

3. Pemeriksaan Tegangan Netral TanahTerjadinya arus lebih pada kawat netral (untuk sistem 3 phase dan 4 kawat) dapat diktahui dengan melihat tegangan netral-tanah pada keadaan berbeban. Apabila tegangan yang terukur lebih besar dari 2 Volt maka terdapat indikasi adanya masalah harmonik pada beban tersebut. Apabila indikasi-indikasi adanya harmonik telah diketahui maka perlu dilakukan langkah-langkah untuk mengatasi masalah gangguan harmonik antara lain dengan mengetahui harmonik untuk menentukan harmonik-harmonik yang dominan dan sumber utamanya.

Standar IEEE 519-1992
IEEE 519-1992 adalah standar yang digunakan untuk pengendalian harmonik pada sistem tenaga listrik. Dalam standar ini dijelaskan batasan gelombang harmonik untuk pengguna perorangan dengan rentang tegangan 120 V sampai dengan 69000 V. Rentang tersebut biasanya digunakan untuk perumahan, perkantoran dan fasilitas umum lainnya. Batasan untuk distorsi harmonik arus yang diperbolehkan dapat dilihat pada gambar berikut.

Batasan Distorsi Harmonik Arus Untuk Sistem Distribusi Umum Berdasar IEEE 519-1992

PCC adalah titik antara ujung dari pengguna atau pelanggan dengan sistem peralatan dimana pelanggan lain dilayani. PCC dapat bertempat pada sisi primer atau sekunder dari transformator tergantung pada keduanya dengan catatan tidak ada pelanggan lain yang disuplai oleh transformator tersebut.

Selain pada arus, distorsi harmonik juga dapat terjadi pada tegangan. Gambar di bawah menunjukkan batas maksimum distorsi harmonik pada tegangan berdasarkan standar IEEE 519-1992.

Batasan Distorsi Harmonik Tegangan Berdasar IEEE 519-1992

Cara Mengatasi Harmonisa
Untuk mengatasi harmonisa, dapat dilakukan dengan menggunakan filter harmonisa. Tujuan pokok dari filter harmonisa adalah untuk mereduksi amplitudo frekuensi-frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa keseluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem. Selain itu penggunaan filter harmonisa pada frekuensi dasarnya 50 Hz dapat mengkompensasi daya reaktif dan memperbaiki faktor daya mencapai rata-rata 0.80 – 0.94. Filter harmonisa itu sendiri digolongkan menjadi 2, yaitu filter pasif dan filter aktif.

1. Filter Pasif
Filter pasif bekerja dengan menghilangkan harmonisa dengan frekuensi tertentu. Filter ini tidak dapat menghilangkan seluruh frekuensi harmonisa yang ada. Komponen utama dari filter ini adalah induktor dan kapasitor. Induktor dan kapasitor yang digunakan pada filter pasif dipilih yang memiliki nilai yang ketika terjadi resonansi, maka frekuensi resonansi tersebut terjadi ketika tepat pada frekuensi harmonisa yang ingin kita hilangkan. Resonansi mengakibatkan induktor dan kapasitor akan saling menghilangkan. Sehingga bila rangkaian filter akan bertindak sebagai short circut. Ketika terjadi short circuit, maka harmonisa pada frekuensi resonansi akan dibuang ke ground.

400V Real-Time Passive Harmonic Filter

Secara garis besar, filter pasif dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu : single-tuned filter, double-tuned filter, dan high-pass filter.

Filter Pasif Umum

2. Filter Aktif
Filter aktif bekerja dengan menginduksikan arus induktif dan arus kapasitif ke sistem.

FN 3420 ECOsine™ Active Harmonic Filters (3-wire)

Pengaruh Harmonisa pada Sistem Tenaga
1. Sistem Proteksi
Pada peralatan sistem proteksi, harmonisa dapat menyebabkan:

1. Penurunan rating (derating) akibat pemanasan yang terjadi.
2. Menyebabkan peningkatan pemanasan dan rugi-rugi pada switchgear, sehingga mengurangi kemampuan mengalirkan arus dan mempersingkat umur beberapa komponen isolator.
3. Timbulnya getaran mekanis pada panel listrik yang merupakan getaran resonansi mekanis akibat harmonisa arus frekuensi tinggi.
4. 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.
5. Triple harmonisa pada kawat netral dapat memberikan induksi harmonisa yang mengganggu sistem telekomunikasi.
6. Pemutus beban dapat bekerja di bawah arus pengenalnya atau mungkin tidak bekerja pada arus pengenal.
7. Untuk sistem tenaga, arus pada kawat netral membesar (terutama akibat munculnya kelipatan harmonisa ke-3) serta tegangan sentuh peralatan membesar dan berbahaya bagi operator.

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. 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 ukur tersebut.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.

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

• Beban non-linear akan menyebabkan rugi-rugi tambahan pada generator sinkron
• Rugi-rugi tambahan akibat beban non-linear disebabkan oleh rugi-rugi arus urutan nol dan rugi-rugi arus urutan negative
• 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

Sumber Gambar :
- mussolainternacional.blogspot.com
- www.schaffner.com
- enspecpower.com