Pengantar Harmonik – Pengaruh Harmonik pada Sistem Tenaga

Apa itu Harmonik dan Bagaimana Memfilter dan Menghilangkannya.

(Manuel Bolotinha)

Pengantar Harmonik

Kualitas catu daya listrik merupakan masalah penting baik bagi perusahaan utilitas maupun pengguna, tetapi kualitas tersebut dapat dipengaruhi oleh gangguan elektromagnetik .

Di antara gangguan ini itu harus disorot harmonik yang terjadi di semua level tegangan dan yang studi, kalkulasi nilai yang dapat diterima, dan metode koreksi didefinisikan dalam IEC ^[1] Standar 61000-2-4: Kompatibilitas elektromagnetik (EMC) ^[2 – Lingkungan – Tingkat kompatibilitas dalam industri tanaman untuk gangguan frekuensi rendah .

Apa itu Harmonik?

Alternator menghasilkan tegangan bolak-balik (V ) dan arus (Saya ) dengan bentuk gelombang sinusoidal dan frekuensi (f ) dari 50 Hz atau 60Hz (frekuensi ini, harmonik pertama , biasanya dilambangkan dengan frekuensi industri atau fundamental ), apa yang dapat diamati pada Gambar 1.

Gambar 1 – Tegangan bolak-balik sinusoidal

Namun, karena beberapa karakteristik peralatan , yang dipasang di jaringan, tegangan dan/atau arus dengan frekuensi berbeda , kelipatan integral ganjil frekuensi industri , dapat diinduksi dalam jaringan, harmonik , saya. e.:harmonik ke-3 – 150Hz atau 180Hz; harmonik ke-5 – 250Hz atau 300Hz; harmonik ke-7 – 350Hz atau 420Hz; dll.

Kita dapat mengatakan bahwa harmonik adalah gangguan terus menerus (keadaan tetap) atau distorsi pada jaringan listrik dan merupakan subjek atau masalah yang sama sekali berbeda dari lonjakan garis, lonjakan, penurunan, impuls, dll., yang dikategorikan sebagai gangguan sementara .

Gambar 2 menunjukkan contoh harmonik ke-1, ke-3, dan ke-5.

Gambar 2 – Fundamental, gelombang harmonik ke-3 dan ke-5

Kehadiran harmonik memberikan asal ke gelombang terdistorsi dari tegangan (atau saat ini ) yang dapat diamati pada Gambar 3, dengan mempertimbangkan bahwa semua bentuk gelombang kompleks dapat diselesaikan menjadi rangkaian gelombang sinusoidal dari berbagai frekuensi , oleh karena itu setiap bentuk gelombang kompleks adalah jumlah dari sejumlah harmonik dari nilai yang lebih kecil atau lebih besar .

Seri empat ^[3] mengekspresikan nilai sesaat dari jumlah . itu – u(t) – dengan persamaan:Di mana :

• t adalah waktu [s ]
• ω =2πf [s ^-1 ]
• T adalah periode [s]
• f₀ adalah frekuensi dasar [Hz ]
• s(t) adalah fungsi periodik yang dapat diintegralkan dalam interval [0, T]

Gambar 3 – Distorsi harmonik

Biasanya harmonik ke-3 adalah paling berbahaya , tetapi dalam kondisi tertentu, harmonik ke-5 dan ke-7 tidak bisa diabaikan .

Distorsi Harmonik

Menurut Standar IEC 61000-2-4 distorsi harmonik dicirikan oleh parameter THD – Distorsi Harmonik Total – dihitung dengan persamaan:

Di mana Q₁ mewakili nilai rms dari tegangan atau dari saat ini pada frekuensi industri dan T_i gelombang harmonik pesanan “ saya ” (harmonik ke-2 – i=2; harmonik ke-3 i=3; dll.) dari tegangan atau arus.

Standar IEC yang sama juga mendefinisikan parameter berikut:

• TDC (Total Konten Harmonis ), yang nilai rms dihitung dengan persamaan:

Di mana Q₁ mewakili nilai rms dari tegangan atau dari saat ini pada frekuensi industri dan T nilai rms dari tegangan atau saat ini .

• TDR (Rasio Harmonik Total ) – hubungan antara nilai rms dari TDC dan nilai rms dari tegangan atau dari saat ini pada frekuensi industri (T₁ ), yang dihitung dengan persamaan:

Biasanya perhitungan dibuat untuk tegangan , mempertimbangkan daya hubung singkat tiga fase minimum (S”_K ) dari jaringan dan nilai maksimum (di Ω ) dari impedansi hubung singkat di titik di mana THD dihitung (Z_K; R_K; X_K ^[4] ); sebuah perangkat lunak tertentu diperlukan untuk melakukan perhitungan ini.

Hal di atas mengacu pada Standar IEC mendefinisikan 3 kelas untuk lingkungan elektromagnetik ^[5] :

1. Kelas 1 :Kelas ini berlaku untuk persediaan yang dilindungi dan memiliki tingkat kompatibilitas yang lebih rendah daripada yang ada di jaringan publik. Hal ini berkaitan dengan penggunaan peralatan yang sangat sensitif terhadap gangguan pada catu daya, misalnya instrumentasi listrik di laboratorium, beberapa peralatan otomasi dan proteksi, beberapa komputer, dll.
2. Kelas 2 :Kelas ini berlaku secara umum untuk PCC ^[6] dan ke IPC ^[7] di lingkungan industri dan pasokan listrik non-publik lainnya. Tingkat kompatibilitas kelas ini umumnya identik dengan jaringan publik. Oleh karena itu, komponen yang dirancang untuk suplai dari jaringan publik dapat digunakan di kelas lingkungan industri ini.
3. Kelas 3 :Kelas ini hanya berlaku untuk IPC di lingkungan industri. Ini memiliki tingkat kompatibilitas yang lebih tinggi daripada kelas 2 untuk beberapa fenomena gangguan. Misalnya, kelas ini harus dipertimbangkan ketika salah satu dari kondisi berikut terpenuhi:sebagian besar beban diumpankan melalui konverter; mesin las hadir; motor besar sering dimulai; beban bervariasi dengan cepat.

Harmonis kompatibilitas level ^[8] (U_h [%] ) untuk frekuensi ganjil kelipatan dari 3 ditunjukkan pada Tabel 1dan untuk frekuensi ganjil bukan kelipatan dari 3 ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 1 – Tingkat kompatibilitas harmonik untuk frekuensi ganjil kelipatan 3

Tabel 2 – Tingkat kompatibilitas harmonik untuk frekuensi ganjil kelipatan 3

Tingkat kompatibilitas dari THD untuk masing-masing kelas adalah:

• Kelas 1 – 5% .
• Kelas 2 – 8% .
• Kelas 3 – 10% .

Sumber dan Efek Harmonik

Harmonik adalah sumber permanen masalah pada peralatan dan sistem kelistrikan.

Berikut jenis pemuatan (beban non-linier ^[9] ) adalah sumber utama harmonik:

• Peralatan elektronik daya (contoh:penyearah – yaitu yang digunakan dalam sistem traksi listrik – dan konverter statis).
• Peralatan busur api (contoh:tungku busur api, AC atau DC, mesin las lengkung ).
• Perangkat saturasi (contoh:gelombang arus lepas beban yang diserap oleh transformator dengan peringkat daya yang tidak cukup besar).

Untuk meminimalkan generasi harmonik unit penyearah sebaiknya enam pulsa dan jenis unit ini untuk sistem traksi listrik biasanya menghasilkan harmonik arus dari urutan ke-5, 7, 17, dan 19 , akibat dioda tidak seimbang dan dari impedansi jaringan .

Meskipun besarnya lebih rendah , dalam kondisi kerja normal peralatan dan jaringan , harus diperhitungkan risiko resonansi untuk frekuensi itu .

Pengalihan operasi dari bank kapasitor dan trafo daya dengan kelebihan beban permanen juga merupakan sumber harmonik penting .

Transformator daya untuk tegangan di atas 60 kV dengan koneksi bintang-bintang (Yy ) sama-sama merupakan sumber harmonik . Untuk mengimbangi harmonik itu, trafo daya yang dimaksud harus memiliki belitan tersier, terhubung delta .

Selain dari distorsi gelombang tegangan , harmonik adalah asal operasi yang salah sistem kontrol dan perlindungan, karena interferensi elektromagnetik , meningkatkan efek kulit ^[10] , menyebabkan osilasi dan getaran mekanis mesin listrik, yaitu transformator daya dan mesin berputar, menurunkan faktor daya (karena ), menyebabkan penuaan dini bahan insulasi , yang menyebabkan hilangnya karakteristik dielektriknya , asal panas berlebih dan kerugian meningkat , yaitu transformator daya dan kabel, dan mengurangi masa manfaat peralatan .

Harmonik , yang merupakan penyebab distorsi gelombang tegangan , bersirkulasi dalam beban non-linier , seperti motor , ketika mengalami fluks magnet variabel , menginduksi arus sirkulasi (Arus Foucault ) dalam bahan konduktor, berapa penurunan torsi .

Dalam sistem yang tidak seimbang , harmonik dapat menyebabkan arus netral lebih tinggi daripada jumlah vektor arus fasa pada frekuensi dasar , menyebabkan beban berlebih pada konduktor netral .

Efek kulit meningkat resistensi konduktor dan karena itu jatuh dan rugi tegangan oleh efek Joule . Masalah ini sangat sensitif di saluran overhead dengan tegangan di atas 150 kV dan panjang dari 800 km ke atas . Solusi umum untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan DC saluran overhead , di mana efek kulit tidak ada .

Getaran dan osilasi mekanis mesin listrik yang berputar dapat menyebabkan ketidaksejajaran poros dan penghancuran stator, rotor, dan bantalan .

Kerugian meningkat pada transformator daya, terjadi pada kerugian besi , karena arus Foucault dan histerisis ^[11] , yang sebanding dengan frekuensi dan dalam kerugian tembaga , karena efek kulit .

Kompensasi Harmonik &Jenis Filter

Saat kapasitor bank digunakan untuk koreksi faktor daya , komponen harmonik yang signifikan mengalir ke bank kapasitor; dalam situasi ini diperlukan untuk mematikan sementara bank kapasitor untuk memungkinkan lokasi sumber harmonik yang akurat .

Dalam instalasi seperti itu penting untuk memverifikasi apakah ada risiko resonansi harmonik disebabkan oleh harmonik bank kapasitor tertentu . Ini adalah langkah pertama untuk menentukan solusi yang benar untuk kompensasi harmonik .

Setelah mengkonfirmasi keberadaan harmonik dan nilai THD melebihi batas ditentukan oleh Standar IEC 61000-2-4 dan/atau didirikan oleh perusahaan utilitas itu wajib lanjutkan ke kompensasi harmonik; solusi yang akan diterapkan tergantung pada karakteristik instalasi .

Solusi paling sederhana, digunakan di tegangan rendah (V 1 kV ) instalasi, adalah penggunaan gulungan tembaga (lihat Gambar 4) bahwa bertindak sebagai filter frekuensi tinggi , membatasi arus awal penyearah dan menahan campur tangan timbal balik .

Gambar 4 – Reaktansi untuk kompensasi harmonik

Induktansi (L ) dari setiap fase dihitung dengan persamaan:Di mana:

• ΔV_L saya s penurunan tegangan internal reaktansi [% ]
• V_n adalah tegangan fase-ke-fase jaringan [V ]
• f_n adalah frekuensi industri jaringan [Hz ]
• Saya_n adalah [A saat ini ]

Di jaringan dan instalasi dengan polusi listrik yang kuat (tingkat harmonik yang lebih tinggi ), di mana G_h /S_n> 60% (G_h adalah kekuatan nyata dari semua beban non-linier bertanggung jawab atas produksi harmonik dan S_n adalah kekuatan nyata dari semua trafo hulu terhubung ke bar bus yang sama di mana beban terhubung ) disarankan untuk memasang filter harmonik , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5).

Gambar 5 – Filter harmonik

Kompensasi harmonik mungkin terpusat , dengan filter harmonik terhubung di switchboard masuk utama , atau terdesentralisasi atau lokal , memasang filter harmonik dekat dengan peralatan yang merupakan sumber utama harmonik . Kedua solusi ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6 – Lokasi filter harmonik

Filter harmonik diklasifikasikan ke dalam tiga kategori:

Filter pasif

Ini dibentuk oleh sirkuit asosiasi seri LC , disetel untuk setiap frekuensi bahwa mereka dirancang untuk memberi kompensasi , biasanya harmonik ke-5, ke-7, dan ke-11 . Karakteristik utama mereka adalah:

• Tidak ada batasan untuk menghilangkan harmonisa arus.
• Mereka melakukan koreksi faktor daya.
• Mereka berisiko memperkuat harmonik saat ada modifikasi jaringan.
• Ada risiko kelebihan beban, yang disebabkan oleh polusi elektromagnetik eksternal.

Filter aktif

Ini dibentuk oleh unit elektronik dan mikroproses , mengendalikan harmonik dalam rentang antara pesanan ke-2 hingga ke-50; untuk setiap rentang frekuensi itu menghasilkan arus , yang memiliki pergeseran fasa 180° dan nilai yang sama dari arus harmonik yang akan dikompensasi .

Jenis filter ini disesuaikan dengan baik untuk modifikasi jaringan, beban, dan rentang harmonik , sangat cocok untuk kompensasi desentralisasi atau lokal .

Filter hibrida

Ini adalah kombinasi filter aktif dan pasif , mengendalikan harmonik dalam rentang antara pesanan ke-2 hingga ke-25 , melakukan juga koreksi faktor daya .

Baik untuk diketahui:

Senang untuk diketahui:

^[1] IEC :Komisi Elektroteknik Internasional.

^[2 Kompatibilitas elektromagnetik is defined as the capability of electrical equipments to worker properly in a “electromagnetic environment” without introducing any type of electromagnetic disturbances in other equipments and systems that may exist in that environment.

^[3] Fourier series are converging trigonometric series used to represent the sum of sinusoidal functions .

^[4] If the values of R_K e X_K of the network it is usual to consider, as an approximation, R_K /X_K =0.1 and the equation

Z_K =√(R_K ² +X_K ² ).

^[5] The definition of the classes is a transcription of IEC Standard 61000-2-4 .

^[6] PCC :Point on a public power supply network, electrically nearest to a particular load, at which other loads are, or could be, connected.

^[7] IPC :Point on a network inside a system or an installation, electrically nearest to a particular load, at which other loads are, or could be, connected.

^[8] Compatibility level defines the specified electromagnetic disturbance level used as a reference level in a specified environment for coordination in the setting of emission and immunity limits.

^[9] A load is said non-linear if its impedance vary with applied voltage .

^[10] Skin effect is a phenomenon that can be characterized by the repulsion of electromagnetic current lines, which consequence is a tendency for AC current to flow only at the surface of conductors.

^[11] Hysteresis is the by which, when magnetic field is applied to a ferromagnetic material , as the core of the transformers , the material stays permanently magnetized , even if the magnetic field is not present.

Tentang Penulis:Manuel Bolotinha

-Licentiate Degree in Electrical Engineering – Energy and Power Systems (1974 – Instituto Superior Técnico/University of Lisbon)
– Master Degree in Electrical and Computers Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– Senior Consultant in Substations and Power Systems; Professional Instructor