Pengantar Studi dan Analisis Harmonik
Definisi
Studi analisis harmonik adalah kegiatan yang dilakukan untuk menentukan tingkat gangguan harmonisa, persyaratan dan perancangan filter harmonik, dan untuk menentukan apakah tegangan dan arus harmonik berada pada tingkat yang dapat diterima — Omazaki Engineering adalah konsultan yang melayani layanan konsultasi studi dan analisis harmonik. Jika Anda mencari perusahaan konsultan analisis dan studi gangguan harmonik untuk proyek baru atau fasilitas sistem kelistrikan eksisting Anda di Indonesia dan Asia Tenggara, hubungi kami dengan mengirim email ke cs@omazaki.co.id atau mengisi formulir di kontak. Kami melakukan studi dan analisa harmonik sebagian besar dengan menggunakan software ETAP.
———————————————
Pengetahuan Dasar
Apa itu Harmonik?
Dalam kelistrikan, harmonisa adalah bentuk gelombang sinusoidal priodik yang dapat direpresentasikan sebagai penjumlahan gelombang sinus yang memiliki frekuensi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar. Bila terjadi superposisi antara gelombang frekuensi dasar dengan gelombang frekuensi harmonik maka terbentuklah gelombang yang terdistorsi sehingga bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal.
Apa yang Menghasilkan Harmonik?
Sumber utama yang membangkitkan gelombang harmonisa adalah beban non-linier. Beban non linear dirancang untuk dapat menghemat penggunaan energi listrik dan lebih efisien karena menggunakan komponen semi konduktor yang dapat diatur waktu penggunaannya. Akan tetapi disisi lain, penggunaan dari komponen semi konduktor ini juga menyebabkan gangguan berupa distorsi sinyal arus dan tegangan yang mengalir kembali ke sistem tenaga listrik. Gangguan ini dikenal dengan sebutan distorsi harmonik.
Berikut ini adalah sumber utama harmonisa dalam aplikasi industri:
Peralatan Magnetik Jenuh
Terdapat berbagai peralatan magnet jenuh yang menyebabkan masalah harmonisa, seperti:
- Mesin berputar — mesin berputar seperti motor induksi dapat bertindak sebagai sumber arus harmonisa ketiga ketika beroperasi dalam kondisi tidak normal atau kelebihan beban.
- Ballast dari discharge lamp — discharge lamp seperti uap merkuri, sodium bertekanan tinggi dan lampu fluorescent merupakan sumber dominan dari arus harmonisa ketiga.
- Harmonik transformator — transformator menciptakan harmonisa ketika mereka terlalu bersemangat. Selain itu, arus masuk transformator mungkin mengandung beberapa harmonisa, tetapi durasinya agak terbatas.
- Generator harmonik — harmonisa tegangan dibuat dari generator sinkron karena distribusi fluks non-sinusoidal di celah udara. Pemilihan faktor rentang kumparan yang sesuai (disebut juga faktor pitch) dapat secara signifikan mengurangi harmonisa tegangan dari generator.
Perangkat Elektronika Daya
Ada berbagai perangkat elektronika daya yang menyebabkan distorsi harmonik, seperti:
- Penggerak Frekuensi Variabel (VFD) yang digunakan pada kipas dan pompa
- Catu daya mode sakelar (SMPS), digunakan di instrumen dan komputer pribadi
- Stasiun transmisi DC tegangan tinggi (HVDC)
- Kompensator VAR statis
- Sistem catu daya tak terputus (UPS)
- Sistem pengisi daya baterai
- Sistem transmisi AC fleksibel (FACTS)
- Tungku busur AC dan DC di pabrik baja
Efek Apa yang Diakibatkan Harmonik?
———————————————
Mengapa dan Kapan Perlu Dilakukan Studi Harmonik?
Analisis harmonik diperlukan ketika beban nonlinier jumlahnya besar (biasanya lebih dari 25% hingga 30% dari total beban pada bus atau sistem) ada/atau ada kemungkinan untuk bertambah, atau telah terjadi persoalan kualitas daya pada sistems. Seringkali capasitor bank ditambahkan tanpa mempertimbangkan resonansi, sehingga studi diperlukan sebagai langkah korektif. Kerusakan yang sering terjadi pada komponen sistem daya juga dapat menjadi alasan dilakukannya studi analisa harmonisa.
- Menghindari kerusakan akibat arus harmonisa yang berlebihan pada trafo dan bank kapasitor.
- Memastikan peralatan elektronik yang sensitif tidak akan rusak karena distorsi tegangan harmonik yang berlebihan.
- Memenuhi persyaratan distorsi harmonik arus dan tegangan utilitas.
———————————————
Tujuan dan Manfaat Studi Harmonik
Tujuan
Standar daftar situasi berikut yang mungkin memerlukan studi harmonik:
- Untuk mematuhi IEEE Std 519, yang menetapkan batas distorsi saat ini yang harus dipenuhi pengguna di Point of Common Coupling (PCC) dengan utilitas.
- Untuk mengevaluasi dampak pada sistem karena distorsi harmonik tegangan utilitas yang ditentukan dalam IEEE Std 519.
- Untuk menyelidiki akar penyebab sistem dengan riwayat masalah terkait harmonisa, seperti kegagalan kapasitor kompensasi faktor daya, kabel terlalu panas, transformator, motor, dll., Atau kesalahan pengoperasian relai pelindung atau perangkat kontrol.
- Untuk merencanakan dan mensimulasikan perluasan sistem di mana beban nonlinier yang signifikan ditambahkan atau di mana sejumlah besar kapasitansi ditambahkan.
- Untuk merancang fasilitas atau sistem tenaga baru di mana aliran beban, kompensasi faktor daya, dan analisis harmonik dianggap sebagai satu studi terintegrasi.
Manfaat
Alasan dan manfaat untuk melakukan studi analisis harmonik pada sistem tenaga industri dan komersial meliputi:
- Benchmark sistem yang ada dan kumpulkan data untuk mengkalibrasi model dengan mengukur sistem yang ada dengan rencana pengujian yang ditentukan dengan baik
- Identifikasi lokasi, jenis, dan besarnya sumber harmonik dalam sistem
- Simulasikan dampak dari sumber harmonik ini pada tegangan dan arus sistem
- Pelajari penetrasi harmonik ke sistem
- Hitung distorsi harmonik tegangan dan arus pada setiap frekuensi dan Total Harmonic Distortion (THD)
- Periksa apakah ada pelanggaran pada voltase harmonik dan tingkat distorsi arus
- Hitung indeks harmonik lainnya dan bandingkan dengan standar atau batasan kode
- Selidiki apakah sistem memiliki kondisi resonansi paralel atau seri
- Rancang filter harmonik dan uji filter harmonik
- Menguji pergeseran fasa transformator dan menganalisis pengaruhnya terhadap pembatalan arus harmonik dan pengurangan distorsi harmonik
- Uji desain dan kinerja mitigasi harmonik lainnya
———————————————
Prosedur untuk Melakukan Studi dan Analisis Harmonik
Standar Referensi
Referensi paling umum, dan mayoritas digunakan dalam penulisan artikel ini, untuk melakukan studi analisis harmonisa adalah
- IEEE 3002.8-2018: Recommended Practice for Conducting Harmonic Studies and Analysis of Industrial and Commercial Power Systems.
- IEEE Std 519-2014: Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems
Langkah-langkah Analisis Harmonik dalam Sistem Industri dan Komersial
Studi harmonisa merupakan langkah penting dalam memastikan sistem tenaga listrik bebas dari gangguan kualitas daya yang disebabkan oleh distorsi gelombang. IEEE Std 3002.8-2018 memberikan panduan sistematis dalam melakukan studi harmonisa untuk sistem kelistrikan industri. Berikut adalah tahapan-tahapan utama dalam pelaksanaan studi harmonisa:
Langkah 1: Menyusun Diagram Satu Garis Sistem (Single Line Diagram)
Langkah awal dalam studi harmonisa adalah menyusun diagram satu garis yang memuat seluruh elemen sistem kelistrikan. Diagram ini penting untuk memetakan posisi peralatan utama, seperti kapasitor bank, line panjang (long lines), dan beban nonlinier, terutama yang berada dekat dengan Point of Common Coupling (PCC).
Langkah 2: Mengumpulkan Data Peralatan dan Nilai Rating
Data teknis setiap komponen seperti trafo, motor, kapasitor, dan perangkat elektronik lainnya perlu dikumpulkan. Data ini mencakup rating tegangan, arus, daya, dan impedansi untuk digunakan dalam simulasi sistem.
Langkah 3: Menentukan Lokasi Beban Nonlinier dan Arus Harmonisa yang Dihasilkan
Identifikasi titik-titik sumber harmonisa sangat krusial. Perangkat seperti VFD, UPS, dan inverter biasanya menjadi penyumbang utama harmonisa. Data arus harmonisa dari masing-masing sumber akan menjadi input utama dalam simulasi analisis harmonisa.
Langkah 4: Mendapatkan Data yang Relevan dari Penyedia Listrik dan Persyaratan Harmonisa di PCC
Informasi dari penyedia listrik (utility) di sekitar PCC diperlukan, terutama:
-
- Level gangguan minimum dan maksimum, atau lebih baik lagi impedansi sistem, sebagai fungsi frekuensi untuk kondisi sistem yang berbeda.
- Batas toleransi harmonisa seperti THD, TDD, serta I-T factor yang berlaku. Nilai tipikal untuk tegangan sistem yang berbeda dapat dilihat dalam IEEE Std 519.
Langkah 5: Melakukan Analisis Harmonisa
Analisis dilakukan pada konfigurasi dasar sistem dengan menghitung impedansi titik penggerak (driving point impedance) pada lokasi sumber harmonisa dan kapasitor bank. Tujuan utamanya adalah mengetahui bagaimana harmonisa mengalir dan berapa besar dampaknya di titik-titik tertentu.
Langkah 6: Menghitung Faktor Distorsi Tegangan dan Arus Harmonisa
Langkah selanjutnya ialah menghitung besar harmonisa individual maupun total, baik untuk tegangan maupun arus. Jika diperlukan, nilai I-T factor juga dihitung pada PCC untuk dibandingkan dengan batas yang diperbolehkan.
Langkah 7: Evaluasi Hasil
Hasil simulasi ditinjau kembali untuk mengetahui apakah sistem memenuhi kriteria. Bila tidak, dapat dilakukan iterasi ulang ke tahap sebelumnya untuk menyesuaikan data, rating, atau konfigurasi sistem.
Langkah 8: Bandingkan dengan Standar
Bandingkan beban harmonisa total (gabungan fundamental dan harmonisa) pada kapasitor bank dengan batas yang diperbolehkan dalam standar seperti IEEE Std 18. Batas operasi yang berlaku antara lain:
-
- Tegangan operasi ≤ 110% dari nilai nominal
- Rms crest voltage ≤ 1.2 kali tegangan RMS nominal
- Daya reaktif (kVAR) ≤ 135% dari rating kapasitor
- Arus ≤ 180% dari arus nominal
Jika nilai-nilai ini terlampaui, maka perlu dilakukan tindakan korektif.
Langkah 9: Koreksi Sistem Bila Diperlukan
Apabila nilai harmonisa menyebabkan rating kapasitor terlampaui, maka kapasitor perlu diganti atau di-relokasi. Jika terjadi resonansi, dapat dipasang reaktor tuning (detuning reactor) untuk menghindari efek resonansi, meskipun hal ini bisa menambah tegangan dasar pada kapasitor.
Langkah 10: Tambahkan Filter Bila Perlu
Langkah terakhir adalah menambahkan filter harmonisa apabila nilai harmonisa melebihi batas yang ditetapkan oleh penyedia listrik atau standar. Filter bisa berupa pasif atau aktif, tergantung tingkat dan jenis harmonisa yang terjadi di lapangan.
Langkah-langkah di atas harus dilakukan untuk konfigurasi sistem dasar serta untuk topologi sistem yang dihasilkan dari kemungkinan kontinjensi. Setiap perluasan sistem dan perubahan level arus pendek utilitas di masa mendatang juga harus dipertimbangkan.
Alat untuk Melakukan Analisis dan Studi Harmonik
Studi harmonik dapat dilakukan dengan salah satu alat berikut:
- Perhitungan manual, yang dibatasi untuk jaringan berukuran kecil karena sangat rumit dan rentan terhadap kesalahan.
- Pengukuran lapangan, yang sering digunakan sebagai verifikasi desain, atau sebagai diagnosis awal masalah lapangan.
- Simulasi komputer digital, yang saat ini merupakan metode yang paling nyaman dan ekonomis untuk menganalisis harmonisa sistem
———————————————
Data yang diperlukan
Data untuk Studi Harmonik
Data berikut diperlukan untuk studi harmonik sistem tenaga industri dan komersial:
- Diagram satu garis
- Konfigurasi sistem tertentu
- Tegangan maksimum yang diharapkan untuk sistem yang memasok beban nonlinier.
- Tegangan nominal bus, faktor penyesuaian beban, dan batas distorsi harmonik tegangan dan arus
- Utilitas titik penghubung, rasio MVA dan X / R sirkuit pendek tiga fase dan fase tunggal atau rasio resistansi dan reaktansi positif, negatif, dan nol.
- Nilai MVA / kVA, tegangan pengenal, reaktansi negatif pada frekuensi dasar, resistansi, mode operasi (ayunan, kontrol tegangan, kontrol var beban P-Q), sambungan belitan dan jenis pengardean, dan pembangkitan untuk generator.
- MVA / kVA / HP terukur, voltase terukur, reaktansi negatif pada frekuensi fundamental, resistansi, koneksi belitan dan tipe ground, dan pemuatan motor.
- Saluran dan kabel transmisi, resistansi panjang, positif, negatif, dan urutan nol, reaktansi dan admitansi panjang unit, dan karakteristik frekuensi khusus dari impedansi resistif, induktif, dan kapasitif.
- Reaktansi dan resistansi urutan positif, negatif, dan nol, dan karakteristik frekuensi resistansi dan reaktansi saluran bus, reaktor pembatas arus, dan elemen rangkaian lainnya.
- Peringkat MVA / kVA, voltase pengenal, persen positif, impedansi urutan negatif dan nol dan rasio X / R, peringkat MVA / kVA, dan koneksi tiga fase dan jenis pentanahan transformator daya.
- kvar, dan unit kV pengenal kapasitor shunt dan reaktor shunt.
- ID beban pasif, koneksi bus, MVA / kVA terukur, voltase terukur, pemuatan awal, koneksi fase dan tipe grounding, dan karakteristik frekuensi beban resistif, induktif, dan kapasitif.
- Peringkat pelat nama, jumlah fase, pulsa, dan koneksi konverter.
- Untuk pemasangan tungku busur, impedans timbal sekunder dari transformator ke elektroda ditambah siklus pembebanan yang mencakup megawatt busur, tegangan sekunder, tap transformator tungku arus sekunder, dan sambungan transformator.
- Jenis dan struktur filter harmonik, resistansi, reaktansi, dan kapasitansi untuk semua elemen, tegangan maksimum untuk kapasitor, dan arus maksimum untuk induktor.
- Batas harmonik untuk bus khusus (PCC, dedicated, critical, dll.) Dalam Total Harmonic Distortion serta dalam harmonic individu.
Pengumpulan dan Persiapan Data
Pemodelan sistem dan pengumpulan data sangat penting untuk analisis harmonik. Prosedur umum berikut direkomendasikan untuk berbagai jenis perangkat sistem, peralatan, dan keseluruhan guna menyiapkan data untuk pemodelan komputer dan studi harmonik.
- Data jaringan listrik harus dari utilitas.
- Data mesin yang berputar harus didasarkan pada lembar data dan pelat nama yang disediakan oleh produsen mesin, ditambah data apa pun dari uji penerimaan pabrik yang tersedia, uji penerimaan lokasi, dan / atau uji commissioning.
- Data muatan harus dari pelat nama muatan ditambah data pengujian apa pun.
- Data jalur dan kabel harus dari lembar data yang disediakan pabrikan ditambah data pengujian apa pun.
- Data transformator harus didasarkan pada papan nama plus data pengujian apa pun.
- Data komponen sistem tenaga lainnya harus berdasarkan pada lembar data dan papan nama yang disediakan pabrikan, ditambah data pengujian apa pun.
- Karakteristik arus tegangan perangkat nonlinier harus didasarkan pada lembar data yang disediakan pabrikan ditambah data uji khusus.
- Data filter harmonik harus didasarkan pada lembar data pabrikan ditambah data pengujian apa pun.
- Data spektrum harmonik tegangan dan arus harus disediakan oleh pabrikan ditambah data pengujian yang diajukan.
Laporan Studi
Laporan studi harmonik harus berisi data dan informasi penting berikut tentang sistem yang dipelajari:
- Informasi keseluruhan sistem seperti jumlah bus, jumlah cabang dan jenis cabang, jumlah mesin, dll.
- Parameter solusi termasuk revisi data teknik, konfigurasi sistem, dll.
- Informasi tentang data masukan sistem asli lainnya, konfigurasi, skenario, dan parameter solusi
- informasi
- Data masukan bus meliputi nama atau ID bus, tegangan nominal bus, pembangkitan dan pembebanan bus, serta batas distorsi harmonisa tegangan bus, jika ada.
- Spektrum sumber harmonik termasuk besaran dan sudut fasa, serta lokasi
- Laporan arus beban fundamental lengkap
- Total tegangan bus THD dan pelanggaran IHD individu, jika ada
- Indeks harmonik lainnya untuk tegangan dan arus bus termasuk rms, puncak (puncak), TIF untuk tegangan bus dan arus cabang, dan I × T untuk arus cabang
- Laporan kelebihan beban trafo, kabel, kapasitor, dan filter, jika ada
- Lokasi osilasi paralel yang teridentifikasi, besaran impedansi penggerak bus, dan frekuensi dari
- studi pemindaian frekuensi harmonik
- Laporan tabulasi untuk tegangan harmonik pada setiap frekuensi harmonik untuk bus yang dipilih
- Laporan tabulasi untuk arus harmonik di setiap frekuensi harmonik untuk cabang yang dipilih
———————————————
Hubungi Omazaki Engineering bila anda mencari konsultan studi dan analisis distorsi gelombang harmonik pada sistem tenaga listrik untuk membantu proyek anda atau untuk keperluan lain terkait sistem kelistrikan eksisting anda.
———————————————
Artikel Terkait
- Studi & Analisis Sistem Tenaga Listrik
- Studi & Analisis Aliran Daya
- Studi & Analisis Hubung Singkat
- Studi Koordinasi Proteksi
- Studi & Analisis Pengasutan (Starting) Motor
- Studi Stabilitas Transien
- Studi & Asesmen Arc Flash
- Studi & Asesmen Kualitas Daya
- Studi & Analisis Jatuh Tegangan
Referensi
- IEEE 3002.8-2018: Recommended Practice for Conducting Harmonic Studies and Analysis of Industrial and Commercial Power Systems
- IEEE Std 519-2014: Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems
- Circutor, Procedure for The Study and The Analysis of Harmonic Disturbance.
- Harmonic Studies, http://electricaltestingsolutions.com/index.php/engineering/harmonic-studies
- JJ Dai, PhD, PE, SIEEE, Eaton Corporation Barranca Pkwy, Suite C-10, Irvine, CA, USA: Industrial and Commercial Power System Harmonic Studies.
———————————————