Apa dampak buruk ketidakseimbangan tiga fase dalam sistem tenaga listrik?

Ketidakseimbangan tiga fase dalam sistem tenaga listrik menyebabkan berbagai efek buruk, termasuk peningkatan kerugian energi listrik pada saluran, peningkatan kerugian energi listrik pada transformator distribusi, penurunan kapasitas keluaran transformator distribusi, timbulnya arus urutan nol pada transformator distribusi, terganggunya operasional aman peralatan listrik, serta penurunan efisiensi motor listrik. Bagaimana cara mengatasi ketidakseimbangan tiga fase dalam sistem tenaga listrik? Bagian berikut dari PT Nantong Zhifeng Electric Technology Co., Ltd. memberikan penjelasan rinci mengenai bahaya yang ditimbulkan oleh ketidakseimbangan tiga fase dan pendekatan untuk memperbaikinya.

Bahaya yang disebabkan oleh ketidakseimbangan tiga fase dalam sistem tenaga listrik:

1. Peningkatan kerugian energi listrik pada saluran

Dalam jaringan pasokan listrik tiga fase empat kawat, ketika arus mengalir melalui penghantar saluran, kehilangan energi listrik secara tak terelakkan terjadi akibat adanya impedansi, dan kehilangan ini sebanding dengan kuadrat arus. Ketika jaringan tegangan rendah disuplai oleh sistem tiga fase empat kawat, keberadaan beban satu fase secara tak terelakkan menyebabkan ketidakseimbangan beban tiga fase. Dalam kondisi beban yang tidak seimbang seperti ini, arus mengalir melalui penghantar netral. Hal ini tidak hanya menyebabkan kehilangan pada penghantar fase, tetapi juga kehilangan pada penghantar netral, sehingga meningkatkan kehilangan keseluruhan pada saluran jaringan listrik.

2.Peningkatan kehilangan energi listrik pada transformator distribusi

Transformator distribusi merupakan peralatan pasokan listrik utama dalam jaringan tegangan rendah. Ketika beroperasi dalam kondisi ketidakseimbangan beban tiga fase, hal ini menyebabkan peningkatan kehilangan pada transformator karena kehilangan daya pada transformator bervariasi sesuai tingkat ketidakseimbangan beban.

3. Pengurangan Output Trafo Distribusi

Dalam desain sebuah transformator distribusi, struktur belitan transformator tersebut didasarkan pada kondisi operasi beban seimbang, dengan kinerja belitan pada dasarnya seragam dan kapasitas terukur yang sama untuk setiap fase. Output maksimum yang diizinkan dari transformator distribusi dibatasi oleh kapasitas terukur masing-masing fase. Ketika transformator distribusi beroperasi dalam kondisi ketidakseimbangan beban tiga fase, fase dengan beban ringan memiliki kapasitas cadangan, yang menyebabkan penurunan output transformator. Tingkat penurunan output berkaitan dengan tingkat ketidakseimbangan beban tiga fase tersebut. Semakin besar ketidakseimbangannya, semakin besar pula penurunan output transformator distribusi. Akibatnya, ketika beroperasi dalam kondisi ketidakseimbangan beban tiga fase, kapasitas output transformator distribusi tidak dapat mencapai nilai terukurnya, kapasitas cadangannya berkurang secara proporsional, dan kemampuan transformator dalam menghadapi beban berlebih pun berkurang. Jika transformator distribusi beroperasi dalam kondisi beban berlebih, sangat mungkin menyebabkan panas berlebih pada transformator, yang dalam kasus yang parah bahkan dapat menyebabkan kebakaran transformator.

4. Pembangkitan arus urutan nol oleh trafo distribusi

Ketika trafo distribusi beroperasi dalam kondisi ketidakseimbangan beban tiga fase, arus sekuens nol akan dihasilkan. Arus ini bervariasi sesuai tingkat ketidakseimbangan beban tiga fase; semakin besar ketidakseimbangannya, semakin besar pula arus sekuens nol yang dihasilkan. Jika terdapat arus sekuens nol pada trafo distribusi yang sedang beroperasi, fluks sekuens nol akan dihasilkan di dalam intinya. (Tidak ada arus sekuens nol di sisi tegangan tinggi.) Hal ini memaksa fluks sekuens nol hanya melewati dinding tangki minyak dan komponen struktur baja. Karena permeabilitas magnetik komponen baja relatif rendah, ketika arus sekuens nol melewati komponen baja tersebut, akan terjadi kehilangan daya akibat histerisis dan arus eddy, yang menyebabkan kenaikan suhu lokal serta pemanasan pada komponen baja trafo. Usia isolasi belitan trafo distribusi akan mempercepat proses penuaan akibat panas berlebihan, sehingga usia peralatan menjadi berkurang. Selain itu, keberadaan arus sekuens nol meningkatkan kehilangan daya pada trafo distribusi.

5. Dampak terhadap Operasi Aman Peralatan Listrik

Trafo distribusi dirancang berdasarkan kondisi beban tiga fase seimbang, dengan resistansi, reaktansi bocor, dan impedansi magnetisasi setiap belitan fase pada dasarnya identik. Ketika trafo distribusi beroperasi di bawah beban tiga fase seimbang, arus tiga fase pada dasarnya sama, dan penurunan tegangan dalam setiap fase trafo juga pada dasarnya sama; oleh karena itu, tegangan output tiga fase trafo seimbang. Jika trafo distribusi beroperasi di bawah ketidakseimbangan beban tiga fase, arus output setiap fase akan tidak sama, dan penurunan tegangan internal setiap fase trafo akan berbeda, yang tak terhindarkan menyebabkan ketidakseimbangan tegangan tiga fase pada output trafo.

Secara bersamaan, ketika trafo distribusi beroperasi dalam kondisi ketidakseimbangan beban tiga fase, arus output tiga fase menjadi tidak sama, sehingga menyebabkan arus mengalir melalui konduktor netral. Hal ini menimbulkan tegangan jatuh karena impedansi pada konduktor netral, yang mengakibatkan perpindahan titik netral dan mengubah tegangan fase dari masing-masing fase. Tegangan pada fase yang beban berat menurun, sedangkan tegangan pada fase yang beban ringan meningkat. Menyuplai daya dalam kondisi ketidakseimbangan tegangan dapat dengan mudah merusak peralatan listrik yang terhubung ke fase tegangan tinggi, sementara peralatan yang terhubung ke fase tegangan rendah mungkin gagal beroperasi. Oleh karena itu, beroperasi dalam kondisi ketidakseimbangan beban tiga fase secara serius membahayakan keamanan operasi peralatan listrik.

6. Penurunan Efisiensi Motor Listrik

Ketika trafo distribusi beroperasi dalam kondisi ketidakseimbangan beban tiga fase, hal ini menyebabkan ketidakseimbangan tiga fase pada tegangan keluaran. Karena tegangan yang tidak seimbang terdiri atas komponen tegangan urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol, ketika tegangan tidak seimbang tersebut diterapkan pada motor listrik, tegangan urutan negatif menghasilkan medan magnet yang berputar berlawanan arah dengan yang dihasilkan oleh tegangan urutan positif, menimbulkan efek pengereman. Namun demikian, karena medan magnet urutan positif jauh lebih kuat dibandingkan medan magnet urutan negatif, motor listrik tetap berputar searah dengan medan magnet urutan positif. Akibat efek pengereman dari medan magnet urutan negatif, daya keluaran motor listrik secara tak terelakkan menurun, sehingga efisiensi motor berkurang. Pada saat bersamaan, kenaikan suhu dan kerugian daya reaktif pada motor listrik juga meningkat seiring tingkat ketidakseimbangan tegangan tiga fase. Oleh karena itu, mengoperasikan motor listrik dalam kondisi ketidakseimbangan tegangan tiga fase sangat tidak ekonomis dan tidak aman.