Definisi
Unbalance (Imbalance) voltage didefiniskan oleh Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) perbandingan komponen urutan negatif atau urutan nol terhadap komponen positif. Dengan istilah yang lebih sederhana, ketidakseimbangan tegangan merupakan perubahan nilai tegangan dalam sistem tenaga listrik di mana besar tegangan atau beda sudut tegangan diantara tegangan tiga fase tidak sama. Dengan demikian, ketidakseimbangan tegangan hanya terjadi pada sistem tenaga listrik fase banyak (polyphase), sebagai contoh sistem 3 fase.
Secara praktis, tegangan sangat jarang dalam keadaan seimbang dalam sistem 3 fase. Namun demikian, ketika ketidakseimbangan yang terjadi telah sangat besar (melebihi standar yang ditentukan, IEEE atau NEMA), hal ini dapat menyebabkan permasalahan untuk motor dan beban 3 fase. Selain itu, motor dengan kendali kecepatan putar variabel akan lebih terasa dampaknya dibandingkan dengan motor standar.
Ketidaksaimbangan Tegangan terutama sekali disebabkan oleh ketidakseimbangan beban pada saluran distribusi atau pada fasilitas industri/bangunan. Dengan kata lain, tegangan urutan negatif atau urutan nol di dalam sistem tenaga listrik dihasilkan oleh ketidakseimbangan beban yang mengakibatkan arus urutan negatif dan urutan nol mengalir.
Penyebab dan Sumber
Umum
Perusahaan penyedia energi listrik dapat merupakan sumber ketidakseimbangan tegangan sebagai akibat kesalahan operasi atau kerusakan peralatan, sebagai contoh sekering kapasitor yang meledak, regulator open-delta, dan transformator open-delta. Peralatan sistem tenaga listrik dengan open-delta dapat lebih rentan terhadap ketidakseimbangan tegangan dari pada peralatan closed-delta. Hal ini disebabkan hanya digunakannya dua fase dalam transformasi dengan menggunakan peralatan terhubung open-delta.
Dan juga, ketidakseimbangan tegangan dapat juga disebabkan oleh ketidakseimbangan pada distribusi beban pada salah satu fase dibandingkan dengan fase-fase lainnya. Ketidakseimbangan beban seperti ini merupakan penyebab ketidakseimbangan tegangan kurang dari atau sama dengan 2%. Selain itu, untuk kasus yang lebih parah (lebih dari 5%), ketidakseimbangan sebesar ini dapat terjadi sebagai akibat dari meleburnya sekering di salah satu penyulang saluran distribusi.
Motor
Sebuah motor listrik dapat sebagai sumber ketidakseimbangan tegangan meskipun sumber sudah dirancang sedemikian rupa sehingga tegangan yang masuk ke terminal motor telah seimbang. Hal ini dapat disebabkan oleh kegagalan/kerusakan peralatan pada motor atau tidak cocoknya antara tap dan impedans transformator. Sama seperti perusahaan penyedia energi listrik, distribusi beban yang tidak baik pada suatu industri/bangunan dapat menyebabkan masalah ketidakseimbangan tegangan.
Motor listrik sendiri dapat juga sebagai sumber ketidakseimbangan tegangan. Ketidakseimabangan resistif dan induktif di dalam peralatan motor akan menyebabkan ketidakseimbangan tegangan dan arus. Kerusakan/korosi terminal pada panel listrik, kontak pada motor, lilitan rotor dan stator, semuanya dapat sebagai penyebab ketidakteraturan impedans antar fase di dalam motor yang kemudian mengakibatkan ketidakseimbangan tegangan.
Dampak
Sistem tenaga listrik dengan tegangan yang tidak seimbang mengindikasikan terdapatnya komponen urutan negatif yang dapat merusak beban sistem 3 fase, terutama mesin-mesin induksi 3 fase.
Dampak utama ketidakseimbangan tegangan pada motor induksi adalah kerusakan yang disebabkan oleh panas yang berlebihan. Ketidakseimbangan tegangan dapat menghasilkan ketidakseimbangan arus 6 sampai 10 kali lebih besar. Sebagai akibatnya, ketidakseimbangan arus akan menghasilkan panas pada lilitas motor yang akan merusak isolasi motor dan pada akhirnya menyebabkan kerusakan kumulatif dan permanen pada motor. Jika motor mengalami kerusakan, suatu industri/bangunan akan mengelami downtime yang sangat mahal.
Grafik di bawah ini menunjukkan hubungan antara ketidakseimbangan tegangan dan kenaikan temperatur. Kenaikan termperatur yang dihasilkan mendekati dua kali kuadrat kenaikan ketidakseimbangan tegangan.
Formula
Ketidakseimbangan tegangan dapat diestimasikan sebagai deviasi maksimum dari rata-rata tegangan tiga fase dibagi dengan rata-rata tegangan tiga fase. Ketidakseimbangan dinyatakan dalam persen.
Besar tegangan masing-masing fase dari sistem tiga fase adalah 226 V, 231 V, dan 233 V.
Rata-rata tegangan = (226 + 232 + 231) / 3 =230 V
Deviasi maksimum dari rata-rata tegangan adalah = 231 - 226 = 5 V
Jadi, ketidakseimbangan tegangan = 5 / 231 = 0,0216 = 2,16%
Mitigasi Ketidakseimbangan Tegangan
Dari sisi penyedia sumber energi listrik, ketidakseimbangan tegangan dapat diatasi dengan memperbaiki peralatan yang rusak atau tidak berfungsi dengan baik. Selain itu, distribusi ulang beban yang tidak seimbangan dapat juga mengurangi ketidakseimbangan tegangan. Dari sisi pengguna energi listrik, pengukuran dan komunikasi dengan penyediaan energi listrik akan dapat mengatasi permasalahan dengan baik.
Adjustable Speed Drive (ASD) yang digunakan pada motor listrik dapat digunakan dengan menambahkan reaktor pada saluran AC dan reaktor pada saluran DC untuk mengatasi ketidakseimbangan tegangan. Bergantung pada konfigurasi ASD dengan reaktor AC dan DC, baik nilai ketidakseimbangan arus RMS dan tegangan dapat dikurangi dengan signifikan. Namun, sebelum pemasangan reaktor ke sistem ASD, pembuat ASD harus ikut dalam perancangan sebagai konsultasi. Biasaya, jauh lebih menguntungkan secara finansial pada saat pemesanan ASD sudah termasuk dengan reaktor AC dan DC. Selain itu, keuntungan yang diperoleh bisa lebih lagi dengan menggunakan reaktor ASD juga sebagai korektor faktor daya, mitigasi harmonisa, dan perlindungan terhadap keadaan transien.
Sebagai metode yang sangat jarang digunakan adalah motor dapat dibebani dengan beban yang jauh dari nilai beban penuhnya (Motor Derating). Metode ini hanya digunakan untuk memperpanjang usia motor dengan ketidakseimbangan tegangan. Metode ini tidak menghilangkan ketidakseimbangan tegangan dan motor tidak bisa dioperasikan dengan potensi penuhnya. Faktor Motor Derating dapat ditemukan di dalam NEMA MG-1. Untuk penerapan metode ini, penyedia motor juga harus terlibat sebagai konsultasi.
Standar
ANSI C84.1 menyarankan bahwa sistem penyedia energi listrik harus dirancang dan dioperasikan untuk membatasi ketidakseimbangan tegangan sampai 3,00% pada saat diukur pada terminal sumber dan dalam keadaan tanpa beban.
Sementara itu, kebanyakan penyedia energi listrik di negara maju akan membatasi ketidakseimbangan tegangan pada nilai mencapai 2,50%.
Dilain pihak, National Equipment Manufacture Association (NEMA), hanya mengijinkan ketidakseimbangan sebesr 1% pada motor listrik untuk menghasilkan output sesuai ratingnya (NEMA MG-1). Dengan membatasi ketidakseimbangan tegangan 1%, NEMA lebih ketat jika dibandingkan dengan ANCSI C84.1 atau kebanyakan panduan yang digunakan oleh penyedia energi listrik.
Selain itu, beberapa perusahaan pembuah motor listrik telah mencoba batasan ketidakseimbangan arus 5% sebagai jaminan. NEMA MG-1 menyatakan bahwa 1% ketidakseimbangan tegangan dapat menghasilkan 6 - 10% ketidakseimbangan arus. Dengan demikian, perusahaan pembuat motor listrik memiliki persyaratan yang dapat lebih ketat dari pada NEMA MG-1.
Perbedaan-perbedaan ini menghasilkan ketidakharmonisan antara penyedia energi listrik, perusahaan pembuat peralatan listrik, dan pengguna energi listrik. Asesmen yang menyeluruh tetap harus dilakukan di setiap lokasi untuk memenuhi kriteria dari sisi penyedia energi listrik dan penduan pembuat peralatan listrik.
Rangkuman
Besar ketidakseimbangan: 0,5% - 2,5% (biasa terjadi)
Durasi: Steady-state
Sumber: Sumber dan beban
Dampak: Kerusakan dan pemanasan
Kejadian: Medium
Peralatan mitigasi: regulator tegangan
Referensi:
ANSI C84.1-2006
Dugan, R., McGranaghan, M., Santoso, S., and Beaty, H.W. (2004). Electrical Power Systems Quality (2nd ed.). New York: McGraw-Hill.
IEEE 1159-1995. Recommended Practice For Monitoring Electric Power Quality.
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) Publication No. MG 1-1998 Motors and Generators
No comments:
Post a Comment