THD Overload: Bagaimana Harmonik Menghancurkan Peralatan Listrik

Ketika THD Grid Aktual Melebihi Batas (misalnya, THDv Tegangan > 5%, THDi Arus > 10%), Hal Ini Menyebabkan Kerusakan Organik pada Peralatan di Seluruh Rantai Tenaga Listrik — Transmisi → Distribusi → Pembangkitan → Kontrol → Konsumsi. Mekanisme Inti Adalah Penambahan Kerugian, Arus Resonansi Berlebih, Fluktuasi Torsi, dan Distorsi Sampling. Mekanisme dan Manifestasi Kerusakan Bervariasi Secara Signifikan Menurut Jenis Peralatan, Seperti Dijelaskan Berikut:

1. Peralatan Transmisi: Overheating, Penuaan, dan Umur Pakai yang Drastis Berkurang

Peralatan transmisi secara langsung membawa arus/tegangan grid. Harmonisa memperburuk kerugian energi dan degradasi isolasi. Komponen kunci yang terpengaruh adalah garis transmisi (kabel/udara) dan transformator arus (CTs).

1.1 Garis Transmisi (Kabel / Garis Udara)

• Mekanisme Kerusakan: Frekuensi harmonisa yang lebih tinggi memperparah "efek kulit" (arus frekuensi tinggi berkonsentrasi di permukaan konduktor, mengurangi area penampang efektif), meningkatkan resistansi garis. Kerugian tembaga tambahan meningkat dengan kuadrat orde harmonisa (misalnya, kerugian tembaga harmonisa ke-5 adalah 25× dari fundamental).

• Kerusakan Spesifik:

• Overheating: Pada THDi = 10%, kerugian tembaga meningkat sebesar 20%-30% dibandingkan kondisi nominal. Suhu kabel dapat naik dari 70°C menjadi 90°C (melebihi toleransi isolasi), mempercepat penuaan dan retak lapisan isolasi (misalnya, XLPE).

• Umur Pakai yang Berkurang: Overheating jangka panjang mengurangi umur kabel dari 30 tahun menjadi 15–20 tahun, berpotensi menyebabkan "kegagalan isolasi" dan gangguan pendek sirkuit. (Sebuah kawasan industri membakar dua kabel 10kV dalam satu tahun karena harmonisa ke-3 berlebih, biaya perbaikan melebihi 800.000 RMB.)

1.2 Transformator Arus (CTs)

• Mekanisme Kerusakan: Arus harmonisa (terutama orde ke-3 dan ke-5) menyebabkan "saturasi sementara" inti besi CT, meningkatkan tajam kerugian histeresis dan arus eddy (kerugian besi tambahan). Saturasi mendistorsi gelombang keluaran sisi sekunder, mencegah representasi akurat arus primer.

• Kerusakan Spesifik:

• Overheating Inti: Suhu inti CT dapat melebihi 120°C, membakar isolasi pada gulungan sekunder dan menyebabkan ketidakakuratan rasio.

• Kesalahan Operasi Perlindungan: Arus sekunder yang distorsi menyebabkan relai perlindungan (misalnya, perlindungan overcurrent) salah mendeteksi "pendek sirkuit," memicu pemutusan palsu. (Jaringan distribusi mengalami 10 trip feeder karena saturasi CT, mempengaruhi 20.000 rumah tangga.)

2. Peralatan Distribusi: Kegagalan Frequent, Kollapse Stabilitas Sistem

Peralatan distribusi sangat penting untuk "menghubungkan hulu dan hilir" dalam jaringan. THD melebihi batas menyebabkan kerusakan paling langsung. Perangkat kunci yang terpengaruh termasuk transformator daya, bank kapasitor, dan reaktor.

2.1 Transformator Daya (Transformator Distribusi / Utama)

• Mekanisme Kerusakan: Tegangan harmonisa meningkatkan kerugian histeresis magnetik dan arus eddy pada inti transformator (kerugian besi tambahan); arus harmonisa meningkatkan kerugian tembaga pada gulungan. Gabungan ini secara signifikan meningkatkan total kerugian. Harmonisa tiga fase tidak seimbang juga meningkatkan arus netral (hingga 1,5× arus fasa), memperburuk overheating lokal.

• Kerusakan Spesifik:

• Overheating Inti: Pada THDv = 8%, kerugian besi transformator meningkat sebesar 15%-20%. Suhu inti naik dari 100°C menjadi 120°C, mempercepat degradasi minyak isolasi (misalnya, minyak transformator 25#), meningkatkan asam, dan mengurangi kekuatan dielektrik.

• Gulungan Hangus: Overheating jangka panjang mengkarbonisasi kertas isolasi gulungan (misalnya, Nomex), menyebabkan pendek sirkuit. Sebuah transformator utama 110kV stasiun pembangkit mengalami pendek sirkuit gulungan setelah 3 tahun karena harmonisa ke-5 berlebih, dengan biaya perbaikan melebihi 5 juta RMB.

• Umur Pakai yang Berkurang: THD melebihi batas mengurangi umur pakai transformator dari 20 tahun menjadi 10–12 tahun.

2.2 Bank Kapasitor Seri (untuk Kompensasi Daya Reaktif)

• Mekanisme Kerusakan: Reactans kapasitif menurun dengan frekuensi (Xc = 1/(2πfC)), sehingga harmonisa frekuensi tinggi menginduksi arus berlebih. Jika kapasitor membentuk "resonansi harmonisa" dengan induktansi jaringan (misalnya, resonansi orde ke-5), arus dapat melonjak hingga 3–5× nilai nominal—jauh melebihi rating kapasitor.

• Kerusakan Spesifik:

• Kegagalan Isolasi: Arus berlebih memanaskan dielektrik internal (misalnya, film polipropilena), menyebabkan tusukan, bengkak, atau bahkan ledakan. (Sebuah bengkel industri merusak tiga bank kapasitor 10kV dalam satu bulan karena resonansi harmonisa ke-7; biaya penggantian per bank melebihi 150.000 RMB.)

• Kegagalan Perlindungan: Arus resonansi membakar tautan pelatuk; jika perlindungan gagal bertindak, risiko kebakaran meningkat.

2.3 Reaktor Seri (untuk Supresi Harmonisa)

• Mekanisme Kerusakan: Meskipun digunakan untuk menekan harmonisa spesifik (misalnya, orde ke-3, ke-5), reaktor mengalami peningkatan kerugian tembaga gulungan di bawah arus harmonisa jangka panjang. Medan magnet pulsa dari harmonisa juga meningkatkan getaran inti, menyebabkan aus mekanis.

• Kerusakan Spesifik:

• Overheating Winding: Pada THDi = 12%, kerugian tembaga reaktor meningkat lebih dari 30%; suhu winding melebihi 110°C, menyebabkan varnis isolasi menjadi karbon dan terkelupas.

• Noise & Aus Inti: Frekuensi getaran mengkombinasikan dengan harmonisa, menghasilkan suara keras (>85 dB). Getaran jangka panjang merenggangkan laminasi baja silikon, mengurangi permeabilitas dan membuat penekanan harmonisa tidak efektif.

3. Peralatan Pembangkit: Batasan Output, Risiko Keselamatan yang Meningkat

Peralatan pembangkit adalah "sumber energi" dari jaringan. THD berlebihan berdampak negatif pada stabilitas operasional. Perangkat kunci yang terpengaruh: generator sinkron, inverter terbarukan (PV/angin).

3.1 Generator Sinkron (Pembangkit Panas/Bendungan)

• Mekanisme Kerusakan: Harmonisa jaringan masuk ke dalam winding stator generator, menciptakan "torsi elektromagnetik harmonis." Ditambahkan pada torsi dasar, ini membentuk "torsi pulsa," meningkatkan getaran. Arus harmonis juga meningkatkan kerugian tembaga stator, menyebabkan overheating lokal.

• Kerusakan Spesifik:

• Pengurangan Output: Unit 300MW pada THDv = 6% mengalami fluktuasi kecepatan ±0.5% karena torsi pulsa, mengurangi output di bawah 280MW, menurunkan efisiensi sebesar 5%-8%.

• Overheating Winding: Suhu stator dapat mencapai 130°C (melebihi batas isolasi Kelas A yaitu 105°C), mempercepat penuaan isolasi dan berisiko terjadinya short circuit antar putaran.

• Aus Bantalan: Getaran yang meningkat mempercepat aus bantalan (misalnya, bantalan lengan), mengurangi umur dari 5 tahun menjadi 2–3 tahun.

3.2 Inverter Terbarukan (PV / Angin)

• Mekanisme Kerusakan: Inverter sensitif terhadap THD jaringan (sesuai GB/T 19964-2012). Jika THDv titik interkoneksi > 5%, inverter akan memicu "perlindungan harmonis" untuk menghindari kerusakan. Selain itu, tegangan harmonis menyebabkan ketidakseimbangan daya antara sisi DC dan AC, menyebabkan overheating modul IGBT.

• Kerusakan Spesifik:

• Pemutusan Jaringan: Di sebuah peternakan angin dengan THDv = 7%, 20 unit inverter 1.5MW terputus secara bersamaan, meninggalkan lebih dari 100.000 kWh energi angin dalam satu hari, mengakibatkan kerugian pendapatan sekitar 50.000 RMB.

• Korsleting IGBT: Operasi jangka panjang di bawah harmonisa meningkatkan kerugian switching pada modul IGBT (komponen inti), menaikkan suhu di atas 150°C, berisiko "pecah panas." Biaya perbaikan per inverter melebihi 100.000 RMB.

4. Peralatan Kontrol: Distorsi Pengambilan Sampel, Malfunction Sistem

Peralatan kontrol bertindak sebagai "otak dan sistem saraf" dari jaringan. THD berlebihan menyebabkan data pengambilan sampel terdistorsi dan transmisi perintah abnormal. Perangkat kunci yang terpengaruh: relai pelindung, sistem komunikasi otomatisasi.

4.1 Relai Pelindung (Perlindungan Overcurrent / Diferensial)

• Mekanisme Kerusakan: Arus harmonis menyebabkan saturasi CT sementara, mendistorsi gelombang arus yang diambil (misalnya, gelombang datar), menyebabkan algoritma perlindungan salah menilai amplitudo dan fase, memicu tindakan yang salah. Tegangan harmonis juga dapat mengganggu pasokan daya relai, menyebabkan malfunction sirkuit logika.

• Kerusakan Spesifik:

• Trip Salah: Jaringan distribusi dengan THDi = 12% mengalami output CT yang terdistorsi karena saturasi, menyebabkan perlindungan overcurrent salah mendeteksi "pendek sirkuit garis" dan trip 10 feeder, memutus daya ke 20.000 rumah tangga selama 4 jam, mengakibatkan kerugian ekonomi tidak langsung melebihi 2 juta RMB.

• Gagal Trip : Jika gangguan harmonis menyebabkan fluktuasi tegangan ±10% pada pasokan daya relai, sirkuit logika mungkin crash, gagal trip saat ada gangguan nyata, memungkinkan eskalasi gangguan.

4.2 Perangkat Komunikasi Otomatisasi (RS485 / Modul Serat Optik)

• Mekanisme Kerusakan: Radiasi elektromagnetik dari harmonisa (misalnya, 10V/m interferensi RF) mengkombinasikan dengan jalur komunikasi, menyebabkan "bit flip" dalam transmisi data. Tegangan harmonis juga mengganggu modul jam, meningkatkan kesalahan sinkronisasi.

• Kerusakan Spesifik:

• Penyimpangan Bit yang Meningkat: Karena gangguan harmonis, laju kesalahan bit komunikasi RS485 dalam sistem otomatisasi distribusi naik dari 10⁻⁶ menjadi 10⁻³, menunda atau menghilangkan perintah dispen (misalnya, "menyesuaikan pergantian kapasitor").

• Korsleting Modul: Harmonisa frekuensi tinggi dapat merusak sirkuit isolasi sinyal (misalnya, optokopler) dalam modul komunikasi, menyebabkan kegagalan. Satu gardu induk merusak 8 modul serat optik dalam sebulan karena gangguan harmonisa ke-5.

5. Peralatan Pengguna Akhir: Penurunan Kinerja, Kecelakaan Produksi

Peralatan pengguna akhir mewakili "beban terminal" dari jaringan. Peralatan industri dan presisi paling parah terkena dampak dari THD berlebihan. Perangkat kunci yang terpengaruh: motor industri, peralatan presisi (mesin litografi / MRI medis).

5.1 Motor Industri (Motor Induksi / Motor Sinkron)

• Mekanisme Kerusakan: Tegangan harmonik menghasilkan "arus harmonik" di dalam gulungan stator motor, membentuk "medan magnet berputar urutan negatif." Ketika ditambahkan ke medan dasar, mereka menghasilkan "torsi pengereman," menyebabkan fluktuasi kecepatan dan peningkatan getaran. Arus harmonik juga meningkatkan kerugian tembaga stator/rotor, menyebabkan panas berlebih secara keseluruhan.

• Kerusakan Spesifik:

• Penurunan Efisiensi: Motor induksi 100kW dengan THDv = 7% melihat efisiensi turun dari 92% menjadi kurang dari 85%, mengonsumsi lebih dari 50.000 kWh tambahan setiap tahun (dengan harga 0,6 yuan/kWh, biaya listrik tambahan: 30.000 yuan/tahun).

• Terbakar: Motor pabrik baja terbakar dua kali dalam enam bulan karena paparan harmonik ke-7 yang berkepanjangan; suhu stator mencapai 140°C. Biaya penggantian per motor melebihi 2 juta RMB.

• Getaran & Kebisingan: Percepatan getaran motor meningkat dari 0,1g menjadi 0,5g, kebisingan melebihi 90dB, mempengaruhi lingkungan kerja dan mempercepat aus fondasi.

5.2 Peralatan Presisi (Mesin Litografi Semikonduktor / MRI Medis)

• Mekanisme Kerusakan: Perangkat ini memerlukan tegangan yang sangat bersih (THDv ≤ 2%). Harmonik meningkatkan ripple pada sumber daya internal dan mengurangi akurasi sampling ADC, akhirnya merusak fungsionalitas.

• Kerusakan Spesifik:

• Hilangnya Presisi: Mesin litografi semikonduktor dengan THDv = 4% melihat akurasi posisi laser turun dari 0,1μm menjadi 0,3μm, mengurangi hasil wafer dari 95% menjadi 80%, kehilangan lebih dari 500.000 yuan dalam nilai output per hari.

• Penghentian Peralatan: Harmonik menyebabkan fluktuasi arus pada kumparan gradien MRI, mencegah pencitraan yang jelas, memaksa penghentian. (Sebuah rumah sakit menghentikan operasi MRI selama 2 hari karena kelebihan harmonik ke-3, kehilangan lebih dari 100.000 yuan dalam pendapatan diagnosis.)

Ringkasan: Aturan Inti Kerusakan Peralatan Akibat THD

• Peralatan Induktif (Trafo, Motor, Reaktor): Rentan terhadap "Kerugian Tambahan" — harmonik meningkatkan kerugian besi/tembaga, dengan panas berlebih dan penuaan sebagai kerusakan utama.

• Peralatan Kapasitif (Kapasitor): Rentan terhadap "Arus Resonansi Berlebih" — harmonik mudah memicu resonansi, dengan pemutusan isolasi akibat arus berlebih sebagai kerusakan utama.

• Peralatan Kontrol (Relay, Sistem Komunikasi): Rentan terhadap "Distorsi Sampling" — harmonik mendistorsi data, menyebabkan operasi salah atau gagal beroperasi.

• Peralatan Presisi (Mesin Litografi, MRI): Rentan terhadap "Distorsi Gelombang" — harmonik meningkatkan ripple tegangan, menyebabkan hilangnya presisi.

Oleh karena itu, jaringan listrik harus mengadopsi strategi ganda:
"Pemantauan Harmonik (mengontrol kesalahan pengukuran THD ≤ ±0,5%) + Penyaringan Aktif (APF) / Penyaringan Pasif"
untuk menjaga THDv dalam batas standar nasional 5%, sehingga mencegah kerusakan peralatan dari sumbernya.