## STUDI KASUS PENGARUH HARMONISA PADA PENGOPERASIAN TRANSFORMATOR
1 Ahsanul Fuad, 2 Rismen Sinambela
1,2 Program Pascasarjana Universitas Kristen Indonesia *Corresponding Author e-mail: 1 ahsanulfuad24@gmail.com , 2 rismen.sinambela@uki.ac.id
Article History Received: 12-6-2024 Revised: 19-6-2024 Published: 3-7-2024
Key Words: Harmonics,
Capacitors,  Operation of Electrical Loads
Abstract: Harmonics are periodically distorted waves occuring in voltage, current, or power waves consisting of sine waves whose frequency is an integer multiple of the source  /  fundamental  frequency,  so  that  the  shape  is  not  sinusoidal.  Harmonic distortion  will  result  in  losses  to  the  network  system,  including  the  occurrence  of parallel and series resonances. One of the causes is the installation of shunt capacitors in the network used to compensate reactive power. Capacitors  are very sensitive to harmonic currents because the capacitor impedance will decrease proportionally to the order of harmonics in the system. In the use of capacitors must go through a safety called a detunedreactor. This study concludes: if you use a capacitor with  a 54 kVAR / step unit at a voltage of 434,783V, and an 8% reactor is installed in series with a reactor impedance value of 0.695 ohms, then the maximum current that will flow is 10.25 A.  It is necessary to adjust the voltage and current. harmonics, because they are connected in series with the reactor, a capacitor rating of 550 volts is required with a reactive power of 86.412 kVAR. Kata Kunci: Harmonisa,  Kapasitor, Pengoperasian  Beban
Listrik
Abstrack: Harmonisa adalah gelombang yang terdistorsi secara periodic terjadi pada gelombang  tegangan,  arus,  atau  daya  terdiri  dari  gelombang-gelombang  sinus  yang frekuensinya  merupakan  kelipatan  bulat  frekuensi  sumber/fundamental,  sehingga bentuknya  tidak  sinusoidal.  Distorsi  harmonis  akan  mengakibatkan  kerugian  pada system jaringan, diantaranya adalah terjadinya resonansi parallel maupun seri. Salah satu penyebabnya adalah pemasangan kapasitor shunt pada jaringan yang digunakan untuk  kompesasi  daya  reaktif.  Kapasitor  sangat  sensitive  terhadap  arus  harmonisa dikarenakan  impedansi  kapasitor  akan  menurun  secara  proporsional  ke  urutan harmonisa  yang  ada  pada  sistem.  Dalam  penggunaan  kapasitor  harus  melalui pengaman  yang disebut dengan detunedreactor. Penelitian ini member kesimpulan : apabila  menggunakan  kapasitor  dengan  satuan  54  kVAR/step  pada  tegangan 434,783V, dan reactor 8% terpasang seri dengan nilai impedansi reaktor 0,695 ohm, maka arus maximum yang akan mengalir adalah 10,25 A. Perlu dilakukan penyesuaian terhadap  tegangan  dan  arus  harmonisa,  dikarenakan  terhubung  seri  dengan  reaktor, diperlukan  rating  kapasitor  sebesar  550  volt  dengan  daya  reaktif  sebesar  86,412 kVAR.

## Pendahuluan
Harmonisa  adalah  gelombang  yang  terdistorsi  secara  periodik  yang  terjadi  pada gelombang  tegangan,  arus,  atau  daya  terdiri  dari  gelombang-gelombang  sinus  yang frekuensinya  merupakan  kelipatan  bulat  frekuensi  sumber/fundamental,  sehingga  bentuknya tidak  sinusoidal.  Penggunaan  beban-beban  non  linier,  akan  menimbulkan  perubahan  pada bentuk  gelombangnya.  Cacat  gelombang  yang  disebabkan  oleh  interaksi  antara  bentuk gelombang  sinusoidal  sistem  dengan  komponen  gelombang  lain  lebih  dikenal  dengan harmonisa.
Distorsi  harmonisa  akan  mengakibatkan  kerugian  pada  sistem  jaringan,  diantaranya adalah  terjadinya resonansi paralel  maupun  seri. Salah satu  penyebabya adalah pemasangan kapasitor  shunt  pada  jaringan  yang  digunakan  untuk  kompesasi  daya  reaktif.  Terjadinya resonansi ini akan meningkatkan tegangan - tegangan harmonisa yang cukup besar pada bus kapasitor  yang  bisa  merusak  kapasitor  itu  sendiri  dan  komponen  jaringan  lainnya,  sehingga
dalam upaya memperoleh efisiensi dan kualitas sistem tenaga listrik, maka pengaruh harmonisa harus diperhitungkan.
Harmonisa  ini  dapat  diminimalisir  dengan  pemasangan  filter  harmonisa.  Tujuan pemasangan filter harmonisa untuk mereduksi amplitudo frekuensi dari sebuah tegangan atau arus.  Nilai  harmonisa  hasil  pengukuran  yang  tinggi  mengakibatkan  kualitas  daya  listrik menurun. Dengan demikian perlu dilakukan pemasangan filter aktif untuk menangani distorsi harmonisa  agar  nantinya  dapat  memenuhi  standar  yang  telah  ditetapkan. Transformator digunakan secara luas dalam sistem tenaga listrik untuk mengubah tegangan listrik dari satu tingkat ke tegangan lainnya. Harmonisa adalah gelombang sinusoidal dengan frekuensi yang merupakan  kelipatan  dari  frekuensi  dasar  sistem  (misalnya,  50  Hz  atau  60  Hz),  yang  dapat timbul dari beban non-linear seperti beban bersemikonduktor.

## Metode Penelitian
Detuned  reaktor  yang  dipasang  secara  seri  bertujuan  untuk  melindungi  kapasitor dengan  mencegah  kenaikan  harmonisa  yang  timbul  pada  jaringan.  Namun  hal  ini  berakibat naiknya tegangan pada terminal kapasitor. Sehingga rating tegangan kapasitor yang digunakan harus  menyesuaikan dengan kenaikan tegangan akibat  dipasangnya reactor tersebut. Seperti gambar berikut :
Gambar 1 Kapasitor 400 V Dalam Jaringan
Seperti gambar 1,sebuah jaringan dengan tegangan 400 V, terpasang kapasitor 400 V, 72 A, 50 kVAR/step. Untuk meningkatkan kinerja kapasitor , dipasang detuned reactor sebesar  8%  sehingga  rangkaian  menjadi  seperti  gambar  2  dibawah  ini.  Dari  penjelasan diawal, telah disebutkan bahwa pemasangan detuned reactor yang dihubungkan secara seri dengan kapasitor akan meningkatkan level tegangan pada terminal kapasitor.
Untuk  mengetahui  besarnya  kenaikan  tegangan  yang  terjadi  setelah  ditambahkan reactor dapat digunakan formula sebagai berikut:
•  U1 = Un /(1-p)
•  U1 = 400 / ( 1- 0.08 )
•  U1 = 400 / 0.92
•  U1 = 434.783
Terlihat  bahwa  ketika  kapasitor  dengan  rating  tegangan  operasional  400  V dipasangkan  seri  dengan  reactor  kapasitas 8%, maka akan terjadi kenaikan tegangan pada terminal kapasitor 400 V tersebut menjadi 434.783 V.
Jika  dibiarkan  akan  memperpendek  umur  pakai  kapasitor.  Dalam  hal  ini,  rating tegangan  kapasitor  400  V  tidak  cocok  dipasangkan  dengan  reactor  8%,  sehingga  perlu disesuaikan dengan  mengganti  kapasitor tersebut dengan rating  tegangan yang sesuai yaitu 434.783 V atau yang lebih besar.
Dikarenakan  adanya  penyesuaian  terhadap  perubahan  tegangan,  maka  untuk mendapatkan  nilai  kompensasi  yang  sama  dengan  kapasitor  sebelumnya  yaitu  400  V,  50 kVAR/step, nilai  kapasitor  sebesar  50  kVAR tersebut harus disesuaikan kembali dengan tegangan yang baru 434,783 V. Sehingga Daya Reaktif (Q1) menjadi sebagai berikut : Q1 = Q / (1-p) Q1 = 50 / 1-0,08)
Q1  =   50/   0,92   =   54,347   =  54VAR/step
Dari  hasil  perhitungan  di  atas  didapat  data  spesifikasi  kapasitor  yang  baru  yaitu sebesar  :  434,783  V  ;  54  kVAR/step.  Namun  data  yang  didapat  dari  hasil  perhitungan tersebut masih berdasarkan frekuensi fundamental 50 Hz.
Besaran frekuensi untuk setiap tingkatan harmonisa adalah 50 Hz, 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, untuk harmonisa pertama, ketiga, kelima, dan ketujuh. Agar kapasitor dapat bekerja di level aman untuk setiap tingkatan harmonisa. Perlu dilakukan evaluasi tegangan, arus, dan Nilai kVAR untuk setiap tingkatan harmonisa.

## Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan  standar  International  Electrotechnical  Commission  (IEC),  kenaikan tegangan  pada  suatu  sistim  jaringan  disebabkan  karena  mengalirnya  arus  harmonisa  pada jaringan  tersebut.  Untuk  perhitungan  besarnya  arus  yang  akan  mengalir  ke  kapasitor  untuk setiap tingkatan harmonisa, yang pertama kita tentukan adalah nilai  impedansi  kapasitor dan Impedansi inductor (reaktor)  dengan menggunakan rumus :
• XC  = 1 / ( 2 x π x f x C )
• XL = 2 x π x f x L
Total impedansi dikarenakan Reaktor dan Kapasitor yang terhubung seri adalah : • | XL – XC  |
Nilai  XC  dan  XL  yang  didapat  dari  kedua  rumus  diatas  sangat  dipengaruhi  oleh  nilai frekuensi, dan pada kasus harmonisa ini,  untuk   setiap tingkatan   harmonisa,   nilai  XC dan XL akan berubah. Mencari Nilai Impedansi Kapasitor  (XC)  dan  Reaktor (XL).
Sekarang akan kita coba hitung nilai XL dan XC. Pada contoh diawal telah didapatkan nilai kVAR baru  sebesar  54 kVAR pada tegangan 434,783 V dengan nilai reactor 8%. Dengan menggunakan rumus :
• XC = (U2)2 / Q,
Sehingga nilai XC  = 434,783 / 54 k = 3,5006 ohm Dengan  diketahuinya   nilai   reactor   P   = 8 %, nilai impedansi XL dapat  dihitung, sebagai berikut :
• P = XL / XC
• 0.08 = XL / 8,696 • XL = 8,696 x 0,08 • XL = 0,695 ohm
Setelah nilai XC dan XL  didapat,  yaitu 3,5006 ohm dan 0,695 ohm, langkah berikutnya adalah menghitung nilai impedansi kapasitor ( XC ) dan reaktor ( XL ) untuk setiap frekuensi tingkatan harmonisa.
Nilai  Impedansi  Kapasitor  (XC)  dan  Reaktor  (XL)  Pada  Tiap  Tingkat  Harmonisa Besarnya frekuensi harmonisa adalah : Nilai frekuensi untuk setiap tingkatan harmonisa adalah kelipatan    tingkatan  harmonisa  dikali  dengan  nilai  frekuensi  fundamental.  Sehingga  jika frekuensi 50 Hz maka besarnya frekuensi untuk harmonisa ke 5 adalah:
= 5 x 50 = 250 Hz.
Sedangkan untuk harmonisa  ke  3 besarnya frekuensi untuk harmonisa ke 3 adalah : = 3 x 50 = 150 Hz.
Formula untuk XC dan XL • XC  = 1 / ( 2 x π x f x C ) • XL = 2 x π x f x L
Misalkan  sekarang  kita  mengukur  nilai  XC  dan  XL  untuk  harmonisa  ke  3,  maka  dari formula diatas nilai frekuensi untuk setiap tingkatan harmonisa yaitu 3 x 50 Hz, sehingga untuk tingkatan harmonisa ke 3, nilai XC adalah :
• XC  = 1 / ( 2 x π x f x C  )…… pada 50 H
• XC3 = 1 / ( 2 x π x 3 x f x C ).pada 150 Hz (harmonisa ketiga)
• Atau XC3 = XC / 3 Sedangkan untuk XL adalah :
• XL =  2  x π x  f  x L  ……… ada 50 Hz
• XL3  = 2x π x 3 x f x L.... pada 150 Hz (harmonisa ketiga)
• Atau XL3 = XL x 3
Berdasarkan  hal  diatas,  untuk  tingkatan  harmonisa  yang  lainya  dapat  kita  hitung  nilai impedansi kapasitor XC dan nilai impedansi reaktor XL sbb :
• Harmonisa tingkat 1; XC1 = 3,5006 ; XL1 = 0,695
• Harmonisa tingkat 3; XC3 = 3,5006  / 3
= 1,167 ; XL3 = 0,695 x 3 = 2,085
• Harmonisa tingkat 5; XC5 = 3,5006  / 5
= 0,7 ; XL5 = 0,695 x 5 = 3,475
• Harmonisa tingkat 7; XC7 = 3,5006  / 7
= 0,5 ; XL7 = 0,695 x 7 = 4,865
Dari hasil perhitungan diatas telah didapat nilai   impedansi    XC    dan    XL untuk setiap tingkatan harmonisa.
Telah disebutkan diawal, standar IEC EN 61000-2-2, kenaikan tegangan untuk setiap tingkatan harmonisa adalah :
• U1= %106 x UN  =1,06 x 400 = 424 V
• U3= %0.5 x UN = 0,005 x 400 = 2 V
• U5= %5 x UN  = 0,05 x 400 = 20 V • U7= %5 x UN  = 0,05 x 400 = 20 V
Nilai Arus untuk setiap tingkatan harmonisa diatas adalah :
• Ih1 = U1  / (1.732 x | XL – XC | )
Sehingga : • Harmonisa tingkat 1 :
U1=106 % (106 % of fundamental) ; I1 = 1,06 * 400 / (1.732 * |3,5006 – 0.695  | ) = 87,257 A • Harmonisa tingkat 3 : U3=0.5% I3 = 0.005 x 400 / (1,732 x | 1,167 – 2,085 | ) = 1,258 A • Harmonisa tingkat 5 :
U5=5% I5  = 0.05 x 400 / (1,732 x | 0,7 – 3,475 | ) = 4,161 A • Harmonisa tingkat 7 :
U7=5% I7 = 0.05 x 400 / (1,732 x | 0,5 – 4,865 | ) = 2,645 A Untuk arus total harmonisa adalah :
• IS (Arus total Harmonisa) = √ (I12 + I32+ I52 + I72) = √ (87,257 + 1,258 + 4,161 + 2,645) = 9,763  A Dengan  demikian,  arus  maksimum  yang  mengalir  ke  kapasitor  adalah  9,763  A.  dan dikarenakan terpasang seri dengan reactor sebesar 8 %,  maka reactor harus   dapat  menahan arus maksimum  sekitar  1.05 x  IS =
1,05 x 9,763 A = 10,25 A ( 1,05 adalah safety factor ). Untuk menghitung Tegangan pada kapasitor tersebut digunakan formula berikut : Uh = 1,732 x Ih  x  XC / h dimana :
Uh = Tegangan pada kapasitor pada tingkatan harmonisa h Ih = Arus harmonisa pada tingkatan harmonisa h XC = Impdedansi kapasitor h =  Tingkatan harmonisa
Sehingga dari rumus diatas didapat hasil perhitungan sebagai berikut :
• Harmonisa tingkat 1 :
U1 = 8 %; I1 = 87,257 A ; maka U1 = 1,732 x 87,257 x 3,5006/1 =  529,042 V
• Harmonisa tingkat 3 :
• U3 = 0.5 %; I3 =1,258 A ; maka U3 = 1,732 x 1,258 x 3,5006/ 3 = 2,542 V • Harmonisa tingkat 5 :
U5 = 5 % ; I5 = 4,161 A ; maka U5 = 1,732 x 4,161 x 3,5006 /5 = 5,046 V
• Harmonisa tingkat 7 :
U7 = 5 % ; I7 =2,645 A ; maka U7 = 1,732 x 2,645 x 3,5006 /7 = 2,291 V Sehingga Tegangan maksimum kapasitor
=  U1  +   U3  +   U5   +    U7
=  529,042 + 2,542 + 5,046 + 2,291 = 538,921 V Untuk perbaikan faktor daya dengan kapasitor yang terpasang seri dengan reactor, maka tegangan kapasitor yang dipakai adalah 538,921 V. Apabila nilai kapasitor dengan tegangan 538,921  V  tidak  ada  dipasaran,  maka  dipilih  nilai  tegangan  kapasitor  yang  lebih  besar  dan mendekati nilai 538,921 V tersebut.
Seandainya tegangan kapasitor yang mendekati  adalah  550  V,   maka    nilai kVAR yang sebelumnya adalah 54 kVAR harus disesuaikan kembali dengan nilai tegangan kapasitor 550 V tersebut.
Untuk  mendapatkan  nilai  kVAR    dengan  tegangan  kapasitor  550  V,  dilakukan perhitungan sebagai berikut :
Q2 = Q1 x ( V2  / V12  ) = 54 kVAR  x  ( 5502  / 434,7832 ) = 86,412 Kvar
Sehingga apabila menggunakan kapasitor dengan satuan 54 kVAR /step pada tegangan 434,783 V, dan reactor 8% terpasang seri dengan nilai impedansi reaktor 0,695 ohm, maka arus maximum yang akan mengalir adalah 10,25 A. Perlu dilakukan penyesuaian terhadap tegangan dan  arus  harmonisa  sehingga  untuk  kapasitor  tersebut,  dikarenakan  terhubung  seri  dengan reaktor, diperlukan rating kapasitor sebesar 550 volt dengan daya reaktif sebesar 86,412 kVAR.
Membandingkan nilai  IHD  dan  THD  sebelum  ditambahkan  Reaktor    Filter  dan Sesudah  ditambahkan  Reaktor  Filter  Berdasarkan  standar  IEEE  519-1992  untuk  Batasan nilai   dari   IHD dan THD sudah ditentukan yaitu 3% untuk IHD dan 5% untuk THD, dari perhitungan tegangan Harmonisa sebelum dipasang raktor filter 8% dan setelah dipasang sudah  diperhitungkan  maka    akan  ditambahkan  table  dan  barchart  untuk  mengetahui  orde harmonisa mana  saja yang melewati dari  nilai Batasan menurut  IEEE 519-1992.

## Kesimpulan
Dari  hasil  uji  coba  yang  dilakukan  maka  dapat  disimpulkan,  Nilai  frekuensi  untuk setiap tingkatan harmonisa adalah kelipatan tingkatan     harmonisa     dikali      dengan nilai frekuensi fundamental. Nilai Impedansi Kapasitor XC dan nilai Impedansi  Reaktor  XL untuk tingkatan harmonisa sbb :
a. Harmonisa  tingkat 1;
XC1 =  3,5006   ; XL1  = 0,695 b. Harmonisa tingkat 3; XC3= 3,5006 / 3
= 1,167 ;
XL3 = 0,695 x 3 = 2,085 c. Harmonisa tingkat 5; XC5 =  3,5006 / 5 =  0,7 ; XL5 = 0,695 x 5 = 3,475 d. Harmonisa tingkat 7; XC7 = 3,5006 / 7
= 0,5 ; XL7  = 0,695 x 7 = 4,865
Perbaikan  faktor  daya  dengan  kapasitor  yang  terpasang  seri  dengan  reactor,  maka tegangan  kapasitor  yang  dipakai  adalah538,921  V  dengan  nilai  reactor  8  %.  Apabilanilai kapasitor  dengan  tegangan  538,921  V  tidak  ada  dipasaran,  maka  dipilih  nilai  tegangan kapasitor yang lebih besar dan mendekati nilai 538,921 V tersebut. Tegangan kapasitor yang mendekati  adalah  550V,  maka  nilai  kVAR  yang  sebelumnya  adalah  54  kVAR  harus disesuaikan kembali dengan nilai tegangan kapasitor 550 V  tersebut. Dari hasil perhitungan didapat 86,412 kVAR.
Sehingga  apabila  menggunakan  kapasitor  dengan  satuan  54  kVAR  /step  pada tegangan434,783 V, dan reactor 8% terpasang seri dengan nilai impedansi reaktor 0,695 ohm, maka  arus  maximum  yang  akan  mengalir  adalah  10,25  A.  Perlu  dilakukan  penyesuaian terhadap  tegangan  dan  arus  harmonisa  sehingga  untuk  kapasitor  tersebut,  dikarenakan terhubung seri dengan reaktor, diperlukan rating kapasitor sebesar 550 volt dengan daya reaktif sebesar 86,412 kVAR.

## Referensi
Putu Adi Wirajaya, I Wayan Rinas, I Wayan Sukerayasa. 2019. Studi Analisa Pengaruh Total Harmonic Distortion  (THD)  terhadap  Rugi-Rugi,  Efisiensi,  dan  Kapasitas  Kerja  Transformator  pada Penyulang Kerobokan. Jurnal SPEKTRUM Vol. 6, No. 2 Juni 2019.
Zulkarnaini.  2012.  Pemetaan  Tingkat  Distorsi  Harmonik  Pada  Gedung  Kampus  Institut  Teknologi Padang. Jurnal Teknik Elektro ITP. Volume 1, Nomor 2.
Penangsang, Ontoseno. “Diktat Kuliah Kualitas Daya Listrik”. ITS. 2011.
Aini,  Z.,  &  Mar’i,  A.  (2021).  Desain  Singel  Tuned  Filter  Terhadap  Harmonisa  Pada  Transformator
Distribusi (Issue 4).
Apriliansyah, D., & Gaffar, A. (2021). Analisis Pengaruh Harmonisa Tehadap Rugi
– Rugi Daya Pada Transformator Distribusi ULP Karebosi. Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Dan Informatika (SNTEI), 2(3), 178– 184.
IEEE Std. 1531-2003. “Recommended Practises and Requirements  for Harmonic Control in Electrical Power Systems”.
Sudiharto,  Indhana,  dkk.  “Teknik  Pengurangan  Arus  Inrush  dan  Pengurangan  Harmonisa  pada Kapasitor Bank untuk Beban Non Linier”.2003.
Kusko, Alexander. Power Quality In Electrical Systems. The McGraw-Hill Companies, 2007. Setiajdi, J,S. Madmusyah, T. Wijaya, Y,C. (2017). Pengaruh Harmonisa Pada Gardu Trafo Tiang Daya 100 kVA di PLN APJ Surabaya Selatan. Jurnal Teknik Elektro Vol. 7, No. 1, Maret 2007: 13 – 17.