Memahami Harmonik: Dampak pada Sistem Daya dan Teknik Mitigasi
Apa itu Harmonik dan Cara Memfilter serta Menghilangkannya.
(Manuel Bolotinha)
Pengantar Harmonik
Kualitas pasokan daya listrik adalah isu penting baik untuk perusahaan listrik maupun pengguna, namun kualitas itu dapat terganggu oleh gangguan elektromagnetik.
Di antara gangguan ini harus diunggulkan harmonik yang terjadi di semua tingkat tegangan dan studi, perhitungan nilai yang dapat diterima dan metode koreksi didefinisikan dalam IEC[1] Standard 61000-2-4: Electromagnetic compatibility (EMC)[2] – Environment – Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances.
Apa itu Harmonik?
Alternator menghasilkan tegangan alternatif (V) dan arus (I) dengan bentuk gelombang sinus dan frekuensi (f) dari 50 Hz atau 60 Hz (frekuensi ini, harmonik pertama, biasanya disebut frekuensi industri atau fundamental), yang dapat diamati pada Gambar 1.
Gambar 1 – Tegangan alternatif sinus
Namun, karena beberapa karakteristik peralatan yang dipasang di jaringan, tegangan dan/atau arus dengan frekuensi berbeda, kelipatan ganjil utuh dari frekuensi industri, dapat diinduksi di jaringan, harmonik, misalnya: harmonik ke-3 – 150 Hz atau 180 Hz; harmonik ke-5 – 250 Hz atau 300 Hz; harmonik ke-7 – 350 Hz atau 420 Hz; dst.
Kita dapat mengatakan bahwa harmonik adalah gangguan (steady-state) kontinu atau distorsi pada jaringan listrik dan merupakan topik atau masalah yang sama sekali berbeda dari line spikes, surges, sags, impulses, dll., yang dikategorikan sebagai gangguan transient.
Gambar 2 menunjukkan contoh harmonik ke-1, harmonik ke-3, dan harmonik ke-5.
Gambar 2 – Gelombang fundamental, harmonik ke-3, dan harmonik ke-5
Keberadaan harmonik menghasilkan gelombang yang terdistorsi dari tegangan (atau arus) yang dapat diamati pada Gambar 3, dengan mempertimbangkan bahwa semua waveform kompleks dapat dipecahkan menjadi serangkaian gelombang sinus dengan frekuensi yang berbeda, oleh karena itu setiap waveform kompleks adalah jumlah sejumlah harmonik dengan nilai lebih kecil atau lebih besar.
Fourier series[3] menyatakan nilai instantaneous dari jumlah tersebut – u(t) – dengan persamaan:
Dimana:
- t adalah waktu [s]
- ω = 2πf [s-1]
- T adalah periode [s]
- f0 adalah frekuensi fundamental [Hz]
- s(t) adalah fungsi periodik yang dapat diintegrasi dalam interval [0, T]
Gambar 3 – Harmonic distortion
Biasanya harmonik ke-3 adalah yang paling berbahaya, namun dalam kondisi tertentu, harmonik ke-5 dan ke-7 tidak dapat diabaikan.
Harmonic Distortion
Menurut IEC Standard 61000-2-4 harmonic distortion dikarakterisasi oleh parameter THD – Total Harmonic Distortion – yang dihitung dengan persamaan:
Dimana Q1 mewakili nilai rms dari tegangan atau dari arus pada frekuensi industri dan Qi adalah gelombang harmonik dari urutan “i” (harmonik ke-2 – i=2; harmonik ke-3 i=3; dst.) dari tegangan atau arus.
Standar IEC yang sama juga mendefinisikan parameter berikut:
- TDC (Total Harmonic Content), yang nilai rms dihitung dengan persamaan:
Dimana Q1 mewakili nilai rms dari tegangan atau dari arus pada frekuensi industri dan Q adalah nilai rms dari tegangan atau dari arus.
- TDR (Total Harmonic Ratio) – hubungan antara nilai rms dari TDC dan nilai rms dari tegangan atau dari arus pada frekuensi industri (Q1), yang dihitung dengan persamaan:
Biasanya perhitungan dilakukan untuk tegangan, mempertimbangkan minimum three-phase short-circuit power (S”K) dari jaringan dan nilai maksimum (dalam Ω) dari short-circuit impedance di titik di mana THD dihitung (ZK; RK; XK[4]); perangkat lunak spesifik diperlukan untuk melakukan perhitungan ini.
Standar IEC di atas mendefinisikan 3 kelas untuk lingkungan elektromagnetik[5]:
- Class 1: Kelas ini berlaku untuk supply yang dilindungi dan memiliki tingkat kompatibilitas lebih rendah dari pada jaringan publik. Ini terkait dengan penggunaan peralatan yang sangat sensitif terhadap gangguan di pasokan daya, misalnya instrumentasi listrik di laboratorium, beberapa peralatan otomatisasi dan perlindungan, beberapa komputer, dll.
- Class 2: Kelas ini umumnya berlaku untuk PCC[6] dan untuk IPC[7] di lingkungan pasokan daya industri dan non-publik lainnya. Tingkat kompatibilitas kelas ini umumnya identik dengan yang ada di jaringan publik. Oleh karena itu, komponen yang dirancang untuk supply dari jaringan publik dapat digunakan di kelas lingkungan industri ini.
- Class 3: Kelas ini hanya berlaku untuk IPC di lingkungan industri. Ini memiliki tingkat kompatibilitas yang lebih tinggi dari kelas 2 untuk beberapa fenomena gangguan. Misalnya, kelas ini harus dipertimbangkan ketika salah satu kondisi berikut terpenuhi: sebagian besar beban dijalankan melalui konverter; mesin las hadir; motor besar sering dimulai; beban berubah dengan cepat.
Tingkat kompatibilitas harmonik [8] (Uh [%]) untuk frekuensi ganjil kelipatan dari 3 ditunjukkan pada Tabel 1 dan 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 setiap kelas adalah:
- Class 1 – 5%.
- Class 2 – 8%.
- Class 3 – 10%.
Sumber dan Efek Harmonik
Harmonik adalah sumber permanen masalah pada peralatan dan sistem listrik.
Jenis beban berikut (non-linear loads [9]) adalah sumber utama harmonik:
- Peralatan elektronika daya (contoh: rectifier – terutama yang digunakan dalam sistem traksi listrik – dan konverter statis).
- Peralatan arc (contoh: arc furnace, AC atau DC, welding machine arc).
- Peralatan dapat jenuh (contoh: arus beban nol yang diserap oleh trafo dengan daya terkatup yang tidak cukup besar).
Untuk meminimalkan pembangkitan harmonik unit rectifier sebaiknya six-pulse dan tipe unit ini untuk sistem traksi listrik biasanya menghasilkan arus harmonik dari urutan ke-5, ke-7, ke-17 dan ke-19, yang dihasilkan dari ketidakseimbangan dioda dan dari impedansi jaringan.
Meskipun dengan magnitudo lebih rendah, di bawah kondisi kerja normal peralatan dan jaringan, perlu dipertimbangkan risiko resonansi untuk frekuensi tersebut.
Operasi switching dari capacitor banks dan power transformers dengan overload permanen juga adalah sumber harmonik penting.
Power transformers untuk tegangan di atas 60 kV dengan koneksi star-star (Yy) juga sama-sama sumber harmonik. Untuk mengomensasi harmonik tersebut, power transformers yang disebutkan harus memiliki tertiary winding, delta connected.
Selain dari distorsi gelombang tegangan, harmonik adalah asal dari operasi yang salah dari sistem kontrol dan perlindungan, karena interferensi elektromagnetik, meningkatkan skin effect [10], menyebabkan osilasi mekanis dan getaran dari mesin listrik, terutama power transformers dan mesin berputar, menurunkan power factor (cos Φ), mengarah pada penuaan dini material isolasi, yang mengakibatkan hilangnya karakteristik dielektrik, berasal overheating dan peningkatan kerugian, terutama power transformers dan kabel, dan menurunkan umur pakai peralatan.
Harmonik, yang menyebabkan distorsi gelombang tegangan, mengalir di non-linear loads, seperti motor, ketika diberi fluks magnet variabel, menginduksi arus sirkulasi (Foucault currents) di material konduktif, yang menurunkan torsi.
Pada sistem tidak seimbang, harmonik dapat menyebabkan arus netral lebih tinggi dari jumlah vektor arus fase pada frekuensi fundamental, mengakibatkan overload pada konduktor netral.
Skin effect meningkatkan resistansi konduktor dan oleh karena itu penurunan tegangan dan kerugian oleh efek Joule. Masalah ini sangat sensitif di garis tegangan tinggi dengan tegangan di atas 150 kV dan panjang dari 800 km ke atas. Solusi umum untuk memecahkan masalah ini adalah menggunakan DC garis tegangan tinggi, di mana skin effect tidak ada.
Getaran dan osilasi mekanis dari mesin listrik berputar dapat menghasilkan kesesudahan poros dan kerusakan stator, rotor dan bearing.
Kerugian meningkat di power transformers, terjadi di kerugian besi, karena Foucault currents dan hysteresis[11], yang proporsional dengan frekuensi dan di kerugian tembaga, karena skin effect.
Kompensasi Harmonik & Jenis Filter
Ketika capacitor banks digunakan untuk pengkorreksi power factor, komponen harmonik yang signifikan mengalir ke capacitor bank; dalam situasi ini perlu matikan sementara capacitor bank untuk memungkinkan penempatan sumber harmonik yang akurat.
Pada instalasi tersebut, sangat penting untuk memverifikasi apakah ada risiko resonansi harmonik yang disebabkan oleh harmonik capacitor bank spesifik. Ini adalah langkah pertama untuk menentukan solusi yang benar untuk kompensasi harmonik.
Setelah dikonfirmasi keberadaan harmonik dan bahwa nilai THD melebihi batas yang ditetapkan oleh IEC Standard 61000-2-4 dan/atau ditetapkan oleh perusahaan listrik maka wajib untuk melanjutkan ke kompensasi harmonik; solusi yang akan diimplementasikan tergantung pada karakteristik instalasi.
Solusi paling sederhana, yang digunakan di instalasi tegangan rendah (V ≤ 1 kV), adalah penggunaan kawat tembaga (lihat Gambar 4) yang berfungsi sebagai filter frekuensi tinggi, membatasi arus start rectifier dan menahan interferensi saling.
Gambar 4 – Reactance untuk kompensasi harmonik
Induktansi (L) setiap fase dihitung dengan persamaan:
Dimana:
- ΔVL is penurunan tegangan internal dari reactance [%]
- Vn is tegangan fase-fase jaringan [V]
- fn is frekuensi industri jaringan [Hz]
- In is arus [A]
Di jaringan dan instalasi dengan polusi listrik yang kuat (tingkat harmonik lebih tinggi), di mana Gh/Sn > 60% (Gh is daya schenan dari semua non-linear loads yang bertanggung jawab atas pembuatan harmonik dan Sn is daya schenan dari semua upstream transformers yang terhubung ke bus bar yang sama tempat beban terhubung) disarankan untuk memasang harmonics filters, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5).
Gambar 5 – Harmonics filter
Kompensasi harmonik dapat terpusat, dengan harmonic filters yang terhubung di main incoming switchboard, atau terdesentralisasi atau lokal, memasang harmonic filters dekat peralatan yang merupakan sumber utama harmonik. Kedua solusi ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6 – Lokasi harmonic filters
Harmonic filters diklasifikasikan menjadi tiga kategori:
Passive filters
Ini terdiri dari rangkaian LC seri, disetel untuk setiap frekuensi yang mereka dirancang untuk dikompensasi, biasanya harmonik ke-5, ke-7 dan ke-11. Karakteristik utamanya adalah:
- Tidak ada batas pada harmonik arus yang akan dihilangkan.
- Mereka melakukan pengkoreksi power factor.
- Mereka berisiko memperkuat harmonik ketika ada modifikasi jaringan.
- Ada risiko overload, yang disebabkan oleh polusi elektromagnetik eksternal.
Active filters
Ini terdiri dari unit elektronik dan mikroprosesor, mengontrol harmonik dalam rentang dari urutan ke-2 hingga ke-50; untuk setiap rentang frekuensi dihasilkan arusan, yang mempunyai geseran fase 180° dan nilai yang sama dari arus harmonik yang akan dikompensasi.
Tipe filter ini sangat cocok dengan modifikasi jaringan, beban, dan rentang harmonik, yang sangat sesuai untuk kompensasi terdesentralisasi atau lokal.
Hybrid filters
Ini adalah kombinasi dari active dan passive filters, mengontrol harmonik dalam rentang dari urutan ke-2 hingga ke-25, juga melakukan pengkoreksi power factor.
Good to know:
Good to know:
[1] IEC: International Electrotechnical Comission.
[2] Kompatibilitas elektromagnetik didefinisikan sebagai kemampuan peralatan listrik untuk bekerja dengan baik di “lingkungan elektromagnetik” tanpa mengintroduksi gangguan elektromagnetik tipe apa pun pada peralatan dan sistem lain yang mungkin ada di lingkungan tersebut.
[3] Fourier series adalah deret trigonometri konvergen yang digunakan untuk mewakili jumlah fungsi sinus.
[4] Jika nilai RK dan XK dari jaringan biasanya dipertimbangkan, sebagai perkiraan, RK/XK = 0.1 dan persamaan
ZK = √(RK2+XK2).
[5] Definisi kelas adalah transkripsi dari IEC Standard 61000-2-4.
[6] PCC: Titik pada jaringan pasokan daya publik, yang listrik terdekat pada beban tertentu, di mana beban lain ada atau dapat terhubung.
[7] IPC: Titik pada jaringan dalam sistem atau instalasi, yang listrik terdekat pada beban tertentu, di mana beban lain ada atau dapat terhubung.
[8] Tingkat kompatibilitas menentukan tingkat gangguan elektromagnetik yang ditentukan yang digunakan sebagai tingkat referensi di lingkungan yang ditentukan untuk koordinasi dalam pengaturan batas emisi dan kekebalan.
[9] Sebuah beban dikatakan non-linear jika impedansinya bervariasi dengan tegangan yang diterapkan.
[10] Skin effect adalah fenomena yang dapat dikarakterikan oleh tolakan garis arus elektromagnetik, yang akibatnya adalah kecenderungan arus AC hanya mengalir pada permukaan konduktor.
[11] Hysteresis adalah proses di mana, ketika medangan magnet diterapkan pada material ferromagnetis, seperti inti trafo, material tetap termagnetisasi permanen, bahkan jika medangan magnet tidak hadir.
About the Author: 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
