Dasar Perancangan atau Desain Filter Harmonik

Pengantar Desain Filter Harmonik

Perancangan atau desain filter harmonik adalah salah satu solusi mitigasi distorsi atau gangguan gelombang harmonik pada sistem kelistrikan modern, khususnya di sektor industri dan komersial, Artikel ini akan membahas secara singkat teori dasar, pertimbangan dan prosedur tahapan desain filter harmonisa. —Omazaki Engineering adalah konsultan desain filter harmonik listrik juga melayani jasa konsultasi studi harmonisa baik filter harmonik aktif atau pun pasif. dan assessment gangguan harmonic. Hubungi kami jika anda membutuhkan desainer perancangan filter harmonisa dengan mengirimkan email ke cs@omazaki.co.id atau mengisi formulir di kontak.

———————————————

Pengertian Filter Harmonisa dan Desain Filter Harmonisa

Harmonisa yang tidak dapat dikendalikan dapat menurunkan keandalan sistem listrik dan meningkatkan biaya operasional serta risiko kerusakan peralatan. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengendalikan harmonisa adalah dengan perancangan filter harmonik.

Filter harmonisa adalah perangkat yang dirancang untuk meredam atau mengurangi tingkat harmonisa dalam sistem tenaga. Sedangkan, Desain filter harmonisa merujuk pada proses perencanaan dan perhitungan teknis saat menentukan jenis, kapasitas, dan konfigurasi filter yang paling sesuai dengan karakteristik beban dan tingkat distorsi harmonisa di suatu sistem. Desain harus mempertimbangkan efisiensi, keandalan, serta menghindari kemungkinan resonansi sistem.

Fungsi dari pemasangan filter harmonisa adalah untuk menjaga kualitas daya listrik agar tetap sesuai dengan standar, seperti IEEE 519. Filter ini dapat bekerja dengan cara menyerap harmonisa tertentu (pada frekuensi tertentu) atau secara aktif menyuntikkan sinyal pembatal harmonisa ke sistem.

———————————————

Jenis Filter Harmonisa

Filter Harmonik Pasif

Filter harmonisa pasif adalah jenis filter harmonisa yang terdiri dari komponen pasif seperti resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C). Filter ini dirancang untuk meresonansi atau menyerap harmonisa pada frekuensi tertentu, terutama harmonisa orde rendah (seperti harmonisa ke-5, ke-7, atau ke-11). Jenis-jenis filter pasif antara lain:

• Single-tuned filter (disetel pada satu frekuensi harmonik)
• High-pass filter (mengurangi harmonisa orde tinggi)
• Band-pass filter (untuk rentang frekuensi tertentu)

Keunggulan filter pasif:

• Biaya relatif rendah
• Struktur sederhana

Kelemahan:

• Tidak fleksibel terhadap perubahan beban
• Berisiko menyebabkan resonansi jika tidak didesain dengan benar

Filter Harmonik Aktif

Filter harmonisa aktif menggunakan komponen elektronik seperti inverter, sensor, dan kontroler digital untuk menghasilkan arus pembatal harmonisa secara real-time. Prinsip kerja filter aktif adalah mendeteksi harmonisa pada sistem dan secara aktif menyuntikkan arus dengan bentuk gelombang yang berlawanan fasa terhadap harmonisa tersebut, sehingga harmonisa tersebut dinegasikan.

Keunggulan filter aktif:

• Mampu mengatasi harmonisa orde tinggi dan fluktuatif
• Fleksibel untuk berbagai jenis beban
• Dapat mengoreksi faktor daya sekaligus

Kelemahan:

• Biaya lebih mahal
• Kompleksitas sistem lebih tinggi
• Membutuhkan perawatan berkala

———————————————

Pertimbangan Desain Filter Harmonisa

Desain filter harmonik bukan sekadar memilih jenis filter yang sesuai, melainkan membutuhkan pertimbangan teknis komprehensif agar sistem tidak hanya bebas dari gangguan harmonisa, tetapi juga tetap efisien, aman, serta ekonomis. IEEE Std 1531-2020 menggarisbawahi beberapa faktor penting harus diperhatikan sebelum menentukan konfigurasi akhir filter harmonisa.

Kebutuhan Daya Reaktif (kVAR)

Filter harmonisa umumnya terdiri dari kapasitor, reaktor, dan dalam beberapa kasus juga dilengkapi resistor. Selain berfungsi mereduksi distorsi harmonisa, penggunaan kapasitor dalam filter juga menghasilkan daya reaktif kapasitif. Daya ini langsung berpengaruh terhadap sistem tenaga.

Salah satu hal penting dalam desain filter harmonisa adalah mengetahui berapa besar kebutuhan daya reaktif (kVAR), juga bagaimana pengaruhnya terhadap pengendalian tegangan sistem. Kapasitor pada filter dapat sekaligus digunakan mengkompensasi daya reaktif, sehingga dapat mengurangi kebutuhan kompensasi tambahan dari luar.

Namun, penambahan kapasitor secara langsung juga bisa memicu perubahan tegangan. Berdasarkan IEEE Std 1036, disarankan agar perubahan tegangan akibat switching kVAR tidak lebih dari 2–3% dari tegangan nominal. Hal ini bertujuan agar tegangan sistem tetap stabil dan tidak memberikan efek negatif terhadap peralatan maupun kinerja sistem secara keseluruhan.

Nilai total kVAR dan langkah penambahan (step size) dari filter perlu dirancang berdasarkan hasil analisis aliran daya dan kebutuhan pengendalian tegangan. Pada sistem tertentu, filter harmonisa dirancang menjadi beberapa step switching agar kapasitor dapat diaktifkan secara bertahap sesuai kebutuhan beban, kondisi sistem, sekaligus menghindari lonjakan arus saat penyalaan.

Batasan Harmonisa

1) Batasan Sistem

Batasan harmonisa pada sistem tenaga listrik bertujuan untuk mencegah gangguan fungsional maupun kerusakan peralatan akibat distorsi gelombang listrik. Dalam hal ini, IEEE Std 519 menjadi acuan utama ketika menentukan ambang batas distorsi harmonisa yang masih diperbolehkan, khususnya di titik Point of Common Coupling (PCC).

Pada sistem distribusi dengan tegangan di bawah 1 kV, distorsi tegangan total (THD Voltage) umumnya dibatasi hingga maksimal 8%. Sistem di atas 1 kV dibatasi maksimal 5%, tergantung level tegangan dan karakteristik jaringan. Sedangkan untuk arus harmonik, nilai Total Demand Distortion (TDD) diizinkan berkisar antara 2,5% hingga 20%, bergantung pada kapasitas beban harmonik serta rasio arus gangguan terhadap beban (Isc/IL).

Dalam kondisi tertentu seperti gangguan sementara atau startup sistem, batasan harmonisa lebih tinggi dapat ditoleransi dengan waktu yang terbatas, misalnya kurang dari satu jam.

2) Kemampuan Tahan Peralatan

Selain sistem, kemampuan peralatan menahan harmonisa juga merupakan aspek penting pada tahap perencanaan filter harmonik. Distorsi harmonisa tinggi dapat menyebabkan pemanasan berlebih, penurunan efisiensi, dan kegagalan dini pada peralatan.

Contoh peralatan yang terdampak adalah:

• Transformator, saat digunakan untuk menyuplai beban non-sinusoidal, akan mengalami arus harmonik yang mengakibatkan kerugian tambahan dan peningkatan suhu. Untuk menghindari kelebihan panas, IEEE Std C57.110 memberikan metode perhitungan faktor derating, yaitu penyesuaian kapasitas operasi transformator berdasarkan tingkat distorsi harmonik. Derating ini bukan berarti transformator harus dirating ulang, tetapi digunakan untuk memastikan bahwa transformator tetap dioperasikan dalam batas termal yang aman sesuai kondisi aktual beban harmonik.
• Kapasitor, sebagaimana dijelaskan dalam IEEE Std 18, harus beroperasi dalam batas berikut:
  • Tegangan RMS ≤ 110% dari nilai nominal
  • Tegangan puncak ≤ 120%
  • Arus ≤ 135% dari arus nominal
  • Daya reaktif ≤ 135% dari kVAR nominal

Kelebihan dari batas ini dapat menyebabkan pemanasan dielektrik, penuaan dini, bahkan kegagalan permanen.

Setiap komponen sistem, terutama yang berada dalam lintasan arus harmonik, perlu dievaluasi ketahanannya terhadap distorsi. Perancangan filter harmonik yang baik tidak hanya untuk menekan harmonisa, namun juga untuk melindungi peralatan sistem dari dampaknya.

———————————————

Kondisi Normal Sistem

Kondisi operasi sistem tenaga dalam keadaan normal harus dianalisis secara menyeluruh untuk memastikan bahwa filter harmonisa yang dirancang dapat memenuhi kebutuhan daya reaktif (kVAR) dan performa peredaman harmonisa yang diharapkan. Beberapa aspek penting yang perlu diperhatikan antara lain:

1) Tegangan dan Arus Harmonik Sistem

Semua bentuk tegangan dan arus harmonik harus diperhitungkan, baik yang bersifat karakteristik maupun tidak karakteristik:

• Harmonisa karakteristik berasal dari beban harmonik utama seperti inverter, VFD, UPS, dan peralatan kontrol elektronik lainnya.
• Harmonisa tak karakteristik, seperti harmonisa genap, triplen (kelipatan 3), atau harmonisa yang bukan kelipatan bulat dari frekuensi dasar, juga dapat muncul akibat ketidakseimbangan sistem atau cacat operasi peralatan. Nilai-nilai ini perlu diperkirakan berdasarkan pengalaman lapangan, pengukuran langsung, atau simulasi sistem.

Selain itu, harmonisa latar belakang (background harmonics) yang sudah ada di sistem serta potensi penambahan beban harmonik di masa depan juga harus diantisipasi. Hal ini penting untuk mencegah overload pada filter harmonisa yang dipasang.

2) Variasi Tegangan Sistem

Untuk kondisi beban normal, sistem bisa mengalami tegangan lebih hingga +5%, dan untuk sistem tanpa beban bisa mencapai +10%. Meskipun kondisi undervoltage umumnya tidak terlalu kritis terhadap desain filter harmonisa, dalam kasus tegangan hilang total, filter harus segera diputus dari sistem hingga tegangan kembali normal.

3) Variasi Frekuensi Sistem

Dalam sistem yang terhubung ke jaringan umum, variasi frekuensi biasanya tidak lebih dari ±0,1 Hz. Namun pada sistem yang menggunakan genset lokal, variasi bisa lebih besar dan hal ini dapat berdampak pada akurasi tuning filter serta performa peredaman harmonisanya.

4) Konfigurasi Sistem Tenaga

Variasi dalam konfigurasi sistem seperti perpindahan trafo, perubahan jalur suplai, atau pengaturan ulang feeder tegangan menengah dapat mengubah impedansi sistem secara signifikan. Oleh karena itu, simulasi sistem harus mencakup:

• Representasi transformator lengkap (dengan koneksi gulungan yang tepat),
• Konduktor dan reaktansi kabel,
• Efek kapasitansi,
• Beban harmonik sekitar lokasi filter.

Semua sumber harmonisa yang secara elektrik terhubung dekat ke lokasi filter harus dimasukkan dalam model.

5) Kondisi Pembebanan

Kondisi beban sistem yang berubah-ubah dapat memengaruhi performa filter. Hal ini mencakup:

• Perubahan status beban harmonik (misalnya inverter hidup/mati),
• Status motor induksi,
• Perubahan pengoperasian kapasitor bank atau filter harmonisa lainnya.

Perlu juga diperhatikan bahwa beban linier (resistif) dapat membantu meredam resonansi harmonik, sehingga sebaiknya juga disertakan dalam perhitungan.

6) Ketidakseimbangan Tegangan Sistem

Ketidakseimbangan tegangan dapat memicu peningkatan suntikan harmonisa, terutama harmonisa triplen, dan memperluas penyebarannya ke seluruh sistem. Oleh karena itu, sistem yang tidak seimbang perlu ditangani terlebih dahulu sebelum pemasangan filter.

———————————————

Kondisi Normal Filter Harmonisa

Filter harmonik tidak selalu beroperasi pada kondisi ideal, sehingga perlu diperhitungkan berbagai variabel yang memengaruhi kinerjanya, seperti:

• Toleransi komponen, misalnya variasi nilai induktansi dan kapasitansi akibat produksi
• Perubahan suhu lingkungan, yang dapat menurunkan kapasitansi sebesar 0,4–0,8% per kenaikan 10°C
• Kegagalan elemen kapasitor, yang bisa menyebabkan perubahan tuning dan tegangan lebih pada sisa kapasitor

Untuk filter besar, kegagalan satu elemen mungkin masih bisa ditoleransi. Namun, pada filter kecil, kegagalan unit tunggal bisa menyebabkan performa filter menurun drastis.

Kondisi Sistem Saat Kontingensi

Desain filter harmonisa tidak hanya perlu bekerja optimal dalam kondisi normal, tetapi juga harus mampu menghadapi skenario kontingensi atau gangguan sistem sementara maupun ekstrem. Evaluasi terhadap kondisi ini penting agar rating filter tetap mencukupi dan tidak mengalami overloading. Berikut beberapa hal yang harus dipertimbangkan:

1) Switching Sistem atau Filter

Proses switching, baik pada harmonic filter maupun komponen sistem lainnya, dapat menimbulkan tegangan transien dinamis yang signifikan. Misalnya:

• Penyalaan trafo berukuran besar dapat menimbulkan lonjakan tegangan yang berbahaya bagi filter.
• Penyalaan beberapa filter single-tuned secara bersamaan, terutama pada frekuensi rendah, dapat menimbulkan transien sangat tinggi.
• Jika filter multi-step digunakan, maka urutan penyalaan harus dikendalikan untuk mencegah resonansi paralel yang merugikan.

Agar tidak terjadi lonjakan tegangan yang berlebihan, perlu diterapkan waktu jeda switching yang memadai. IEEE Std 18 merekomendasikan:

• Minimal 5 menit untuk kapasitor tegangan menengah atau tinggi (>1000V),
• Minimal 1 menit untuk kapasitor tegangan rendah (≤1000V),
  agar tegangan sisa pada kapasitor turun di bawah 50 V sebelum penyalaan ulang.

Jika sistem membutuhkan switching yang lebih cepat, dapat digunakan:

• Discharge device (alat pembuang muatan cepat),
• Switching device dengan resistor/insertion reactor, atau
• Switch yang bisa menutup pada tegangan mendekati nol di terminal terbuka, untuk menghindari lonjakan transien.

2) Penggunaan Filter yang Disetel pada Frekuensi Sama

Jika lebih dari satu filter harmonisa dipasang di lokasi yang sama dan disetel untuk frekuensi harmonik yang sama, perlu dipastikan bahwa arus harmonik terbagi secara proporsional antar filter. Ketidakseimbangan impedansi antar filter dapat menyebabkan konsentrasi arus berlebih hanya pada salah satu filter.

3) Variasi Frekuensi Sistem

Dalam kondisi kontingensi, variasi frekuensi bisa jauh lebih besar dibanding kondisi normal, terutama bila sistem ditopang oleh generator lokal. Variasi ini dapat menggeser titik tuning filter dan mengganggu performa redaman harmonisa.

4) Perubahan Konfigurasi Sistem

Skenario seperti pemadaman sebagian sistem, perubahan koneksi sumber, atau bahkan kehilangan satu atau lebih filter perlu dianalisis. Pergeseran konfigurasi dapat menyebabkan resonansi harmonik berpindah ke frekuensi baru, lalu membuat beberapa peralatan menjadi lebih rentan terhadap harmonisa.

5) Peningkatan Harmonisa Tak Khas

Pada kondisi darurat, harmonisa yang tidak lazim (seperti harmonisa genap atau triplen) bisa meningkat lebih tinggi dari nilai normal. Nilai ini sebaiknya dimasukkan sebagai nilai rating dalam desain filter agar tetap aman saat kondisi ekstrem terjadi.

6) Sumber Harmonik Tak Teridentifikasi

Tidak semua sumber harmonik bisa dikenali sejak awal. Dalam sistem kompleks, sering kali ada harmonisa dari beban tersembunyi atau tambahan di masa depan. Maka, untuk keamanan desain, sebaiknya ditambahkan faktor margin untuk mengantisipasi harmonisa dari sumber tak dikenal atau yang akan muncul di kemudian hari.

———————————————

Lokasi Pemasangan Filter

Secara umum, filter harmonisa dapat dipasang langsung pada perangkat individu (misalnya pada beban non-linear seperti VFD atau UPS), atau pada bus umum yang melayani beberapa beban sekaligus. Masing-masing pendekatan memiliki kelebihan dan pertimbangan teknis tersendiri.

Filter juga dapat ditempatkan pada sistem dengan tegangan rendah seperti 480 V, maupun pada sistem dengan tegangan menengah hingga tinggi seperti 4.16 kV atau 12.47 kV, tergantung dari lokasi sumber harmonisa dan cakupan area yang ingin dilindungi.

Pemilihan lokasi harus mempertimbangkan:

• Kemampuan lokasi tersebut dalam mencapai batas harmonisa tegangan dan arus yang dapat diterima oleh sistem,
• Dampak aliran arus harmonik terhadap peralatan dan penghantar, termasuk potensi kerugian daya (losses) dan pemanasan konduktor (heating) yang dapat mempengaruhi keandalan sistem distribusi tenaga listrik.

Dengan penempatan yang tepat, filter harmonisa dapat memberikan perlindungan maksimal tanpa menimbulkan efek samping seperti resonansi atau pembebanan lokal yang berlebihan.

———————————————

Konfigurasi Filter Harmonik

Filter harmonisa dapat dirancang dalam berbagai konfigurasi, baik untuk sistem grounded maupun ungrounded. Pemilihan konfigurasi tidak hanya berdasarkan efektivitas redaman, tetapi juga bergantung pada:

• Ketersediaan perangkat dan hardware di lapangan,
• Kemudahan instalasi dan perawatan,
• Pertimbangan sistem proteksi.

Prinsip utamanya adalah memastikan bahwa konfigurasi yang dipilih tidak hanya meredam harmonisa dengan baik, tetapi juga tidak memunculkan titik resonansi baru dalam sistem.

Pemanfaatan Kapasitor Bank Eksisting

Dalam banyak kasus, sistem tenaga sudah memiliki kapasitor bank eksisting yang digunakan untuk koreksi faktor daya. Agar lebih efisien dari sisi biaya dan ruang, kapasitor tersebut sering dipertimbangkan untuk dijadikan bagian dari filter harmonisa.

Namun, tidak semua kapasitor bank layak digunakan untuk keperluan ini. Hal-hal yang perlu diperiksa antara lain:

• Rating tegangan, arus, dan kVAR dari kapasitor harus cukup untuk menahan harmonisa,
• Perlu diperhitungkan peningkatan tegangan fundamental dan harmonik yang akan dialami kapasitor,
• Dalam banyak kasus, kapasitor eksisting hanya bisa digunakan jika unitnya telah di-overrate saat instalasi awal.

———————————————

Prosedur Desain Filter Harmonisa

Desain filter harmonik yang efektif tidak hanya membutuhkan pemahaman teknis tentang harmonisa, tetapi juga pendekatan sistematis dalam menentukan spesifikasi dan konfigurasi yang sesuai. IEEE Std 1531-2020 memberikan panduan langkah demi langkah yang dapat diikuti untuk menghasilkan filter harmonisa yang andal, efisien, serta sesuai standar kualitas daya.

Berikut adalah tahapan utama dalam prosedur desain filter harmonisa:

Langkah 1: Menentukan kVAR Size dari Harmonic Filter Bank

Selain berfungsi untuk meredam harmonisa, filter harmonisa juga berperan dalam menyediakan daya reaktif kapasitif bagi sistem tenaga. Daya reaktif ini bermanfaat untuk meningkatkan faktor daya dan menstabilkan tegangan, terutama saat sistem berada pada kondisi beban berat.

Ukuran kapasitas reaktif ini dikenal sebagai “effective kVAR”, yaitu nilai kVAR aktual yang disuplai oleh filter harmonisa setelah dikurangi efek reaktansi dari reaktor seri di dalam filter. Nilai ini selalu lebih kecil daripada nilai nameplate kVAR dari kapasitor filter, karena adanya penurunan tegangan akibat tahanan dan induktansi pada reaktor filter tersebut.

Penentuan nilai kVAR umumnya dilakukan dengan bantuan perangkat lunak analisis aliran daya (power flow), agar dapat menyesuaikan kebutuhan daya reaktif sistem secara akurat. Beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam menentukan ukuran kVAR ini mencakup:

• Jumlah langkah switching (steps) pada kapasitor filter harmonisa,
• Rentang variasi tegangan sistem, baik pada kondisi normal maupun tidak seimbang,
• Rentang variasi beban yang mungkin terjadi dalam operasi sistem,
• Konfigurasi sistem tenaga, baik dalam kondisi normal maupun kontingensi, termasuk sistem yang sedang direncanakan.

Desain optimum akan mempertimbangkan semua faktor di atas agar kapasitor bank tidak hanya efektif dalam menyuplai daya reaktif dan meredam harmonisa, tetapi juga aman dan stabil terhadap berbagai kondisi operasi.

Langkah 2: Menentukan Tuning Awal Filter Harmonisa

Setelah kapasitas kVAR ditentukan, langkah selanjutnya dalam desain filter harmonisa adalah menentukan frekuensi tuning awal, yaitu frekuensi di mana filter memiliki impedansi minimum dan bekerja paling efektif dalam menyerap arus harmonik. Penyetelan awal ini bertujuan untuk menurunkan distorsi arus dan tegangan agar sesuai dengan standar kualitas daya yang ditetapkan.

Secara umum, tuning dilakukan terhadap harmonisa dengan amplitudo tertinggi. Sebagai contoh, jika harmonisa orde ke-5 dan ke-7 dominan, maka cukup satu filter yang disetel dekat dengan harmonisa ke-5 untuk secara signifikan menurunkan tingkat distorsi. Namun demikian, evaluasi lebih lanjut melalui simulasi harmonik diperlukan untuk memastikan apakah satu filter cukup atau perlu tambahan.

Hal penting untuk dicatat, penyetelan filter tidak dilakukan tepat pada frekuensi harmonik. Ada dua alasan utama mengapa tuning sedikit di bawah frekuensi harmonik lebih disarankan:

1. Jika tuning tepat pada frekuensi harmonik, seluruh arus harmonik pada frekuensi tersebut akan mengalir ke filter. Hal ini memaksa filter untuk dirancang dengan ukuran yang lebih besar dan mahal dari yang sebenarnya diperlukan.
2. Tuning tepat bisa menciptakan resonansi paralel dengan impedansi sistem. Interaksi ini dapat menggeser titik resonansi sistem ke frekuensi yang berdekatan dengan harmonisa dominan, menghasilkan penguatan harmonik (amplifikasi) alih-alih penyaringan, serta bahkan menyebabkan lonjakan tegangan yang merusak.

Faktor Penyebab Resonansi

Beberapa faktor yang dapat menyebabkan penyimpangan titik resonansi dari desain aslinya meliputi:

• Kegagalan elemen kapasitor, baik karena pemutusan sekring internal maupun eksternal, yang mengubah total kapasitansi dan menggeser frekuensi resonansi ke atas atau ke bawah.
• Toleransi manufaktur dan perubahan suhu, yang dapat memengaruhi nilai L (reaktor) dan C (kapasitor).
• Variasi konfigurasi sistem tenaga, seperti pemadaman trafo, perubahan jalur suplai, atau konversi jaringan udara ke bawah tanah, yang semuanya mengubah impedansi sistem dan memengaruhi posisi resonansi paralel.

Untuk itu, disarankan agar filter disetel sekitar 3% hingga 15% di bawah frekuensi harmonik target. Misalnya, untuk harmonisa ke-5 (300 Hz di sistem 60 Hz), filter dapat disetel di sekitar 282 Hz (≈ 4,7 kali 60 Hz), bukan tepat di 300 Hz.

Dalam sistem dengan beberapa filter harmonisa, strategi penyetelan ini tetap perlu dikaji secara menyeluruh agar tidak terjadi tumpang tindih efek antar filter. Seluruh spektrum harmonik pada titik pemasangan filter, baik dalam kondisi normal maupun kontingensi, harus dianalisis.

Selain itu, ada pendekatan alternatif di mana filter tidak dirancang untuk menyerap harmonisa, melainkan untuk menghindari harmonisa. Ini diterapkan pada sistem yang tidak terlalu sensitif terhadap distorsi, namun ingin melindungi kapasitor dari arus harmonik berlebih atau mencegah resonansi. Dalam hal ini, tuning dilakukan di bawah harmonisa karakteristik (misalnya ke-4,3 atau ke-4,7), dan filter bisa tidak dibumikan, untuk menghindari resonansi triplen seperti harmonisa ke-3.

Langkah 3: Optimasi Konfigurasi Filter agar Sesuai Pedoman Harmonisa

Setelah frekuensi tuning awal ditentukan, langkah penting berikutnya dalam proses perancangan filter harmonik adalah melakukan optimasi konfigurasi filter harmonisa agar sistem memenuhi batas distorsi harmonik yang direkomendasikan oleh standar. Salah satu referensi utama dalam hal ini adalah IEEE Std 519, yang menetapkan batas maksimum distorsi tegangan dan arus harmonik pada berbagai level sistem tegangan dan titik koneksi (PCC – Point of Common Coupling).

Filter harmonisa harus dirancang untuk tetap efektif dalam:

• Kondisi normal sistem tenaga, dan
• Skenario abnormal atau kontingensi, seperti pemadaman sebagian, switching jaringan, atau perubahan beban mendadak.

Untuk mencapai hal tersebut, diperlukan analisis harmonik menyeluruh, yang biasanya dilakukan menggunakan perangkat lunak simulasi harmonik. Perhitungan manual hanya cocok untuk sistem sederhana. Pada sistem yang lebih kompleks, simulasi numerik diperlukan untuk mengevaluasi performa filter di seluruh spektrum frekuensi harmonik dan dalam berbagai kondisi operasi.

Faktor Penting

Beberapa hal penting yang perlu dipertimbangkan saat melakukan optimasi konfigurasi filter antara lain:

• Jumlah langkah switching filter (jika filter digunakan secara bertingkat),
• Kemungkinan kegagalan (outage) salah satu filter, terutama jika terdapat lebih dari satu filter dalam sistem,
• Variasi tegangan sistem selama kondisi normal dan ekstrem,
• Fluktuasi beban, termasuk beban nonlinier,
• Perubahan konfigurasi sistem tenaga, baik dalam kondisi normal maupun saat kontingensi,
• Efek detuning akibat:
  • Perubahan frekuensi sistem,
  • Toleransi manufaktur komponen (L, C),
  • Perubahan nilai kapasitansi akibat suhu ekstrem,
  • Kegagalan sebagian unit kapasitor,
• Harmonisa karakteristik dan tidak karakteristik, termasuk harmonisa genap dan triplen,
• Harmonisa latar belakang (background harmonics) dari sistem eksisting.

Jika hasil simulasi menunjukkan bahwa distorsi harmonik masih di atas batas standar, maka beberapa solusi dapat dipertimbangkan:

• Retuning frekuensi filter sedikit ke bawah, agar menghindari resonansi paralel dengan sistem,
• Menambahkan filter baru dengan tuning berbeda (multi-tuned filter),
• Meningkatkan kapasitas filter (kVAR), yang secara otomatis memperlebar bandwidth penyaringan dan mengkompensasi toleransi komponen.

Langkah 4: Menentukan Rating Komponen Filter

Setelah konfigurasi dan performa filter harmonisa dioptimalkan, langkah selanjutnya adalah menentukan rating dari setiap komponen utama dalam filter. Proses ini melibatkan penentuan spesifikasi teknis kapasitor, reaktor, resistor (jika digunakan), serta perangkat switching.

Berikut ini adalah rincian masing-masing komponen yang harus ditentukan:

4.1) Kapasitor Filter Harmonisa

Kapasitor merupakan komponen utama yang menghasilkan daya reaktif pada frekuensi dasar, sekaligus terpapar langsung oleh harmonisa. Rating kapasitor biasanya ditentukan oleh pabrikan berdasarkan:

• Spektrum harmonik sistem,
• Tegangan transien dan dinamis akibat switching atau gangguan,
• Kebutuhan var sistem, dan
• Data sistem yang diberikan oleh pengguna.

Ada tiga jenis tegangan yang harus dipertimbangkan dalam penentuan rating kapasitor:

• Tegangan steady-state (termasuk harmonik),
• Tegangan transien (berlangsung kurang dari setengah siklus),
• Tegangan dinamis (dapat berlangsung beberapa detik).

Dalam banyak aplikasi single-tuned, tegangan steady-state sering kali menjadi dasar utama penentuan rating. Tegangan transien biasanya tidak terlalu kritis kecuali jika ada beberapa filter dengan frekuensi resonansi berbeda yang terhubung ke bus yang sama.

Untuk keamanan, tegangan puncak aktual (fundamental + harmonik) yang diterapkan ke kapasitor tidak boleh melebihi 100% dari tegangan puncak rating kapasitor. Tegangan ini dihitung dari spektrum arus harmonik terburuk dan reaktansi kapasitif total. Semua harmonisa signifikan harus dimasukkan dalam perhitungan.

Arus frekuensi dasar untuk a wye-connected harmonic filter dapat dihitung dengan parsamaan:

Dimana,

V_S adalah tegangan pada rangkaian filter-harmonik-kapasitor-filter-harmonik-reaktor

X_C adalah reaktansi kapasitif pada frekuensi dasar

X_L adalah reaktansi induktif pada frekuensi dasar

Arus harmonik merupakan bagian dari kriteria desain filter harmonik. Total arus RMS dalam filter harmonik dihitung sebagai berikut:

Adapun arus RMS yang melewati kapasitor harus kurang dari 135% dari arus nominal berdasarkan rating kVAR dan tegangan kapasitor. Nilai ini juga harus tetap berada dalam batas kemampuan fuse kapasitor. Umumnya, batas arus bukan faktor pembatas utama kecuali untuk harmonisa orde tinggi.

4.2) Reaktor Filter Harmonisa

Rating reaktor filter (induktor) ditentukan setelah tuning ditetapkan melalui analisis harmonik. Parameter yang harus ditentukan mencakup:

• Nilai induktansi (L),
• Rasio Q (X/R pada frekuensi tuning),
• Toleransi induktansi dan nilai Q yang dapat diterima,
• Arus harmonik dan fundamental pada kondisi normal dan kontingensi.

Rating reaktor harus memadai untuk mengalirkan arus harmonik secara terus-menerus dan tahan terhadap pemanasan akibat rugi-rugi resistif.

4.3) Resistor Filter Harmonisa (jika digunakan)

Pada filter tipe high-pass, resistor digunakan untuk mengatur bentuk kurva impedansi dan membatasi resonansi tinggi. Parameter resistor yang harus ditentukan meliputi:

• Nilai resistansi (R),
• Toleransi resistansi yang diperbolehkan,
• Induktansi seri maksimum yang dapat diterima dalam resistor,
• Rating daya berdasarkan disipasi energi harmonik,
• Arus harmonik dan fundamental dalam berbagai skenario operasi.

4.4) Circuit Breaker atau Switch

Rating arus hubung singkat perangkat switching harus dihitung berdasarkan data sistem. Nilai ini bukan sama dengan arus hubung singkat reaktor filter harmonik, tetapi lebih merepresentasikan arus gangguan bus tempat switch dipasang.

Perlu diperhatikan:

• Saklar kapasitor tidak harus memutus arus gangguan, berbeda dengan circuit breaker.
• Namun, saklar harus mampu menahan arus gangguan saat proses penyalaan (close-and-latch).
• Persyaratan switching arus kapasitif harus memperhitungkan kombinasi terburuk antara tegangan maksimum sistem, toleransi kapasitansi, serta kehadiran harmonisa.
• Current transformer (CT) dan relay proteksi harus tetap bekerja secara akurat di bawah kondisi harmonisa tinggi.

4.5) Transien Switching

Transien akibat switching sering kali tidak dapat diprediksi secara presisi karena sifatnya acak serta cepat meredam. Oleh karena itu, disarankan agar desainer diberikan data hasil studi transien, misalnya dalam bentuk osilogram atau kurva waktu terhadap harmonik.

Untuk tujuan desain, sangat membantu jika tersedia informasi tentang:

• Besarnya arus harmonik yang mengalir melalui setiap kaki filter (kapasitor, reaktor, resistor),
• Distribusi arus berdasarkan urutan harmonik,
• Profil arus terhadap waktu pada saat kondisi transien terburuk.

Informasi tersebut memungkinkan perancang menentukan rating akhir komponen yang tahan terhadap kondisi terburuk yang mungkin terjadi pada sistem.

———————————————

Referensi

• IEEE 3002.8-2018: Recommended Practice for Conducting Harmonic Studies and Analysis of Industrial and Commercial Power Systems
• IEEE 1531-2020: IEEE Guide for the Application and Specification of Harmonic Filters
• IEEE Std 519-2014: Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems

———————————————

Hubungi Omazaki Engineering bila Anda mencari desainer atau konsultan jasa perancangan atau desain filter harmonik atau perancangan filter harmonisa untuk sistem kelistrikan fasilitas Industri dan komersial di Indonesia dan Asia Tenggara.

———————————————