23 Bab 2 Tinjauan Pustaka

BAB 2TINJAUAN PUSTAKA

2.1.Sistem Distribusi Tenaga Listrik[1]Sistem Distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem distribusi ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya listrik besar (Bulk Power Source) sampai ke konsumen. Jadi fungsi distribusi tenaga listrik adalah; 1) pembagian atau penyaluran tenaga listrik ke beberapa tempat (pelanggan), dan 2) merupakan sub sistem tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan pelanggan, karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani langsung melalui jaringan distribusi. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh pembangkit tenaga listrik besar dengan tegangan dari 11 kV sampai 24 kV dinaikkan tegangannya oleh gardu induk dengan transformator penaik tegangan menjadi 70 kV ,154kV, 220kV atau 500kV kemudian disalurkan melalui saluran transmisi. Tujuan menaikkan tegangan ialah untuk memperkecil kerugian daya listrik pada saluran transmisi, dimana dalam hal ini kerugian daya adalah sebanding dengan kuadrat arus yang mengalir (I2.R). Dengan daya yang sama bila nilai tegangannya diperbesar, maka arus yang mengalir semakin kecil sehingga kerugian daya juga akan kecil pula. Dari saluran transmisi, tegangan diturunkan lagi menjadi 20 kV dengan transformator penurun tegangan pada gardu induk distribusi, kemudian dengan sistem tegangan tersebut penyaluran tenaga listrik dilakukan oleh saluran distribusi primer. Dari saluran distribusi primer inilah gardu-gardu distribusi mengambil tegangan untuk diturunkan tegangannya dengan trafo distribusi menjadi sistem tegangan rendah, yaitu 220/380Volt. Selanjutnya disalurkan oleh saluran distribusi sekunder ke konsumen-konsumen. Dengan ini jelas bahwa sistem distribusi merupakan bagian yang penting dalam sistem tenaga listrik secara keseluruhan. Menurut nilai tegangannya sistem distribusi dibedakan menjadi dua yaitu sistem distribusi primer dan sistem distribusi sekunder.

2.1.1.Sistem Distribusi Primer[2]Sistem distribusi primer digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik dari gardu induk distribusi ke pusat - pusat beban. Sistem ini dapat menggunakan saluran udara, kabel udara, maupun kabel tanah sesuai dengan tingkat keandalan yang diinginkan dan kondisi serta situasi lingkungan. Saluran distribusi ini direntangkan sepanjang daerah yang akan disuplai tenaga listrik sampai ke pusat beban.

2.1.2.Sistem Distribusi Sekunder[2]Sistem distribusi sekunder digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik dari gardu distribusi ke beban-beban yang ada di konsumen. Pada sistem distribusi sekunder bentuk saluran yang paling banyak digunakan ialah sistem radial. Sistem ini biasanya disebut sistem tegangan rendah yang langsung akan dihubungkan kepada konsumen/pemakai tenaga listrik. Sistem sekunder dapat terdiri atas empat jenis umum antara lain :1. Sebuah transformator tersendiri untuk tiap pemakaiPelayanan dengan transformator tersendiri dilaukan untuk pemakai yang agak besar atau bila para pemakai terletak agak berjauhan terutama di daerah luar kota, sehingga saluran tegangan rendahnya akan menjadi terlampau panjang.2. Penggunaan satu transformator dengan saluran tegangan rendah untuk sejumlah pemakai.Yang mungkin terbanyak dipakai adalah sistem yang mempergunakan satu transformator dengan saluran tegangan rendah yang melayani sejumlah pemakai. Sistem ini memperhatikan beban dan keperluan pemakai yang berbeda beda sifat bebannya. Di Indonesia sistem ini banyak dipakai.3. Penggunaan satu saluran tegangan rendah yang tersambung pada beberapa transformator secara paralel. Sejumlah pemakai dilayani dari saluran tegangan rendah ini. Transformator diisi dari satu sumber energi. Hal ini disebut banking sekunder transformator.Sistem yang menggunakan banking sekunder tidak begitu banyak dipakai. Antara transformator dan saluran sekunder biasanya terdapat sekring atau saklar daya otomatis guna melepaskan transformator dari saluran tegangan rendah bila terdapat gangguan pada transformator. Kelebihan sistem ini dianggap dapat memberikan pelayanan yang tidak terganggu dalam waktu begitu lama. Di lain pihak bilamana salah satu transformator terganggu, beban tambahan yang harus dipikul transformator lain dapat mengakibatkan banyak transformator ikut terganggu.4. Suatu jaringan tegangan rendah yang agak besar diisi oleh beberapa transformator, yang pada gilirannya diisi oleh dua sumber energi atau lebih. Jaringan tegangan rendah ini melayani suatu jumlah pemakai yang cukup besar. Hal ini dikenal sebagai jaringan sekunder atau jaringan tegangan rendah.Pada umumnya, jaringan sekunder terjadi dengan menghubungkan semua sisi tegangan rendah dari gardu gardu transformator yang diisi oleh dua atau lebih feeder tegangan menengah. Pada sisi tegangan rendah gardu distribusi terdapat saklar daya yang dioperasikan secara otomatis dan dikenal dengan nama proteksi otomatik. Proteksi ini akan melepaskan transformator dari jaringan sekunder bilamana pengisian primer hilang tegangan. Hal ini akan menghindari suatu arus balik dari sisi tegangan rendah ke sisi tegangan menengah. Saklar daya didukung oleh sebuah sekering sehingga bila proteksi otomatik gagal, sekring akan bekerja dan melepaskan transformator dari jaringan sekunder. Jumlah pengisi primer pada sisi tegangan menengah penting, karena jika hanya ada dua feeder dan satu feeder terganggu, maka akan perlu adanya kapasitas cadangan transformator yang cukup agar sistem yang masih bekerja tidak mengalami kelebihan beban.

Ada bermacam macam sistem tegangan distribusi sekunder ditinjau dari cara pengawatannya dan cara pengawatan ini bergantung pula pada jumlah phasanya, yaitu:[1]1. Sistem satu phasa dua kawat 120 Volt2. Sistem satu phasa tiga kawat 120/240 Volt3. Sistem tiga phasa empat kawat 120/208 Volt4. Sistem tiga phasa empat kawat 120/240 Volt5. Sistem tiga phasa tiga kawat 240 Volt6. Sistem tiga phasa tiga kawat 480 Volt7. Sistem tiga phasa empat kawat 240/416 Volt8. Sistem tiga phasa empat kawat 265/460 Volt9. Sistem tiga phasa empat kawat 220/380 VoltDi Indonesia dalam hal ini PT. PLN menggunakan sistem tegangan 220/380 Volt.2.2.Transformator DistribusiTransformator distribusi merupakan peralatan yang terpenting dalam penyaluran tenaga listrik mulai dari pusat listrik sampai dengan ke konsumen, dalam hal ini transformator yang digunakan untuk penyaluran tenaga listrik dari gardu distribusi. Transformator distribusi berfungsi untuk menurunkan tegangan transmisi menengah 20 kV ke tegangan distribusi 220/380 V.

2.3.Hubungan 3 Phasa dalam Transformator[3]Secara umum hubungan belitan tiga phasa terbagi atas tiga jenis, yaitu hubungan wye (Y), hubungan delta () dan hubungan zig zag. Masing-masing hubungan belitan ini memiliki karakteristik arus dan tegangan yang berbeda-beda, selanjutnya akan dijelaskan dibawah. Baik sisi primer maupun sekunder masing-masing dapat dihubungkan wye ataupun delta.

2.3.1.Hubungan Bintang / Wye (Y)[3]Arus transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan bintang yaitu; IA, IB, IC masing-masing berbeda phasa 120. Untuk beban yang seimbang :

(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)

Gambar 2.1 (a) Rangkaian Hubungan Bintang (b) Diagram Vektor Hubungan Bintang

Dari gambar 2.1. (a) dan (b) diketahui bahwa untuk hubungan bintang berlaku hubungan :

(2.5)(2.6)(2.7)

Jadi besarnya daya pada hubungan bintang (VA)

(2.8)(2.9)(2.10)

2.3.2 Hubungan Segitiga/ Delta ()[3]Tegangan transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan secara delta, yaitu , , masing-masing berbeda phasa 120.

(2.11)

Untuk beban yang seimbang :

(2.12)(2.13)(2.14)

Gambar 2.2 (a) Rangkaian Hubungan Delta (b) Diagram Vektor Hubungan Delta

Dari vektor diagram (gambar 2.2b) diketahui arus IA (arus jala - jala) adalah (arus phasa). Tegangan jala jala dalam hubungan delta sama dengan tegangan phasanya.Jadi besarnya daya pada hubungan delta (VA)

(2.15)(2.16)(2.17)

2.3.3.Hubungan Zig Zag[3]Pada hubungan zig zag masing masing lilitan tiga phasa pada sisi tegangan rendah dibagi menjadi dua bagian dan masing masing dihubungkan pada kaki yang berlainan. Seperti pada gambar (2.3). Hubungan silang atau zig zag digunakan untuk keperluan khusus seperti pada transformator distribusi dan transformator converter.

Gambar 2.3 (a) Rangkaian Hubungan Zig Zag (b) Diagram Vektor Hubungan Zig Zag

2.4.Jaringan Tiga Phasa[4]Sistem tegangan bolak balik (AC) mempunyai aplikasi yang sangat luas, hal ini disebabkan keunggulan yang dimiliki dibandingakan sistem tegangan searah (DC). Dalam pengiriman daya listrik, selalu digunakan sistem AC karena lebih efisien. Jaringan AC tiga phasa merupakan metode yang paling banyak digunakan dalam transmisi daya listrik. hal ini karena ketiga phasa dapat mengalirkan arus yang besarnya sama, serta transfer daya yang konstan dibandingkan dengan sistem AC satu phasa.

2.4.1Jaringan Tiga Phasa Tiga Kawat[4]Jika tegangan tegangan phasa disusun membentuk segitiga, maka akan diperoleh hubungan delta. Sistem tiga phasa tiga kawat tidak memiliki kawat netral. Tegangan phasa pada sistem tiga phasa tiga kawat hubungan delta lebih tinggi daripada sistem tiga phasa empat kawat hubungan bintang, namun juga memiliki kesamaan tergeser 120o.

Gambar 2.4. Fasor Sistem Tegangan Tiga Phasa Tiga Kawat

Pada sistem tegangan tiga phasa tiga kawat, tegangan saluran sama dengan tegangan phasanya sehingga :

(2.18)(2.19)(2.20)Jika maka arus phasanya :

(2.21)(2.22)(2.23)

Arus pada saluran aA ditentukan dengan menjumlahkan arus phasa :

(2.24)

Dengan cara yang sama dapat ditentukan arus saluran lainnya :

(2.25)(2.26)

2.4.2.Jaringan Tiga Phasa Empat Kawat[4]Sebagian besar fasilitas publik menggunankan jaringan tiga phasa empat kawat hubungan bintang pada jaringan kelistrikannya. Jaringan tiga phasa empat kawat terdiri dari tiga kawat phasa yang memiliki tegangan yang tergeser 1200, serta sebuah kawat netral yang merupakan tempat kembalinya arus yang berasal dari ketiga phasa. Tegangan saluran VAB mendahului VBC sejauh 1200 dan VBC mendahului VCA sejauh 1200. Jika sistem dalam keadaan seimbang. Jika sistem dalam keadaan seimbang, maka tidak ada arus yang mengalir pada kawat netral. Sistem ini kemudian akan digunakan untuk memberi tegangan ke beban beban yang sebagian besar merupakan beban satu phasa, dengan cara menghubungkan beban tersebut ke salah satu kawat phasa dan kawat netral.Tegangan VAN, VBN, VCN disebut tegangan phasa dengan merupakan tegangan phasa efektif :

(2.27)(2.28)(2.29)

Tegangan saluran ditentukan dengan menjumlahkan tegangan phasanya :

(2.30)(2.31)

Dengan cara yang sama dapat ditentukan tegangan saluran lainnya :

(2.32)(2.33)

Jika nilai efektif dari tegangan phasa memiliki nilai yang sama semua (sistem seimbang), maka persamaan di atas menunjukkan bahwa seluruh phasor tegangan saluran merupakan tegangan phasa dikali akar tiga dan mendahului phasor tegangan phasa sejauh 300. Sebagai contoh sistem tiga phasa empat kawat memiliki tegangan phasa efekif 220 V dan VAN dipilih sebagai phasor referensi, maka tegangan saluran VAB akan bernilai 380 V. Arus pada masing masing phasa akan sama dengan arus salurannya.

Gambar 2.5. Fasor Tegangan Tiga Phasa Empat Kawat

2.5.Penyaluran Daya Pada Saluran Distribusi[5]2.5.1.Penyaluran Daya Pada Keadaaan Arus SeimbangApabila daya disalurkan melalui suatu saluran dengan penghantar netral dan arus arus phasa dalam keadaan seimbang, maka besarnya daya dapat dinyatakan sebagai berikut :

(2.34)

Dimana :P: daya pada ujung kirim (watt)V: tegangan pada ujung kirim (V)Cos : faktor daya

2.5.2.Penyaluran Daya Pada Keadaaan Arus Tak Seimbang Jika (I) adalah besaran arus phasa dalam penyaluran daya sebesar P pada keadaan seimbang, maka pada penyaluran daya yang sama tetapi dengan keadaan tidak seimbang besarnya arus arus phasa dapat dinyatakan dengan koefisien a, b, c sebagai berikut :

(2.35)

Dengan IR, IS dan IT berturut turut adalah arus pada phasa R, S dan T.

Bila faktor daya di ketiga phasa dianggap sama walaupun besarnya arus berbeda, besarnya daya yang disalurkan dapat dinyatakan sebagai berikut :

(2.36)

2.6. Ketidakseimbangan Beban[5]Keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana : ketiga vektor arus / tegangan sama besar. ketiga vektor saling membrntuk sudut 1200 satu sama lain. Seperti ditunjukan pada gambar 2.6 (a).

(a) (b)Gambar 2.6 (a) Diagram Vektor Arus Keadaan Seimbang (b) Diagram Vektor Arus yang Tidak SeimbangSedangkan yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan dimana : ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 1200 satu sama lain ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 1200 satu sama lain ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 1200 satu sama lain.Seperti terlihat pada gambar 2.6 (b) terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arus (IR, IS dan IT) tidak sama dengan nol sehingga muncul besaran yaitu arus netral (IN). Besarnya arus netral bergantung dari seberapa besar faktor ketidakseimbangannya.Berdasarkan persamaan (2.35) persentase ketidakseimbangan beban dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

(2.37)

2.6.1.Beban Tak Seimbang Terhubung DeltaPenyelesaian beban tak seimbang tidaklah dapat disamakan dengan beban yang seimbang. Penyelesaiannya akan menyangkut perhitungan arus arus phasa dan selanjutnya dengan hukum arus Kirchoff akan didapatkan arus arus saluran pada masing masing phasa.

Gambar 2.7. Beban tak seimbang terhubung delta

2.6.2.Beban Tak Seimbang Terhubung BintangPada sistem ini masing masing phasa akan mengalirkan arus yang tak seimbang menuju netral (pada sistem empat kawat). Sehingga arus netral merupakan penjumlahan secara vektor arus yang mengalir dari masing masing phasa.

Gambar 2.8. Beban Tak Seimbang Terhubung Bintang Empat Kawat

2.7.Losses Pada Jaringan Tegangan Rendah[6]2.7.1.Losses Pada Penghantar PhasaPada pembebanan sistem jaringan tegangan rendah, adanya tahanan pada penghantar phasa menyebabkan losses :

(2.38)Dimana :P= Losses pada penghantar phasa (kW)Ip= Arus phasa (A)R= Tahanan()

Persamaan untuk mentukan tahanan penghantar adalah :

(2.39)Dimana : = Jarak persegmen saluran (km)r = Tahanan penghantar per km (/km)

Untuk mendapatkan besar losses pada penghantar phasa sepanjang saluran diperlukan perhitungan arus per segmen yang didapatkan dalam metode pendekatan arus yang terukur di gardu terhadap arus total yang mengalir dalam satu jurusan tersebut :

(2.40)Dimana :Isgmn= Arus pada segmen-n (A)Imaks= Hasil perhitungan arus pada segmen-n sesuai dengan daya kontrak pelanggan (A) Imaks= Total perhitungan arus jurusan sesuai dengan daya kontrak pelanggan (A)Iukur= Arus pengukuran di gardu (A)

Arus maksimal pada segmen-n dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan :

(2.41)Dimana :Smakssgmn= Daya Maksimum pada segmen-n (VA)Vl-l= Tegangan line line (V)

2.7.2.Losses Pada Penghantar NetralAkibat pembebanan di tiap phasa yang tidak seimbang, maka akan mengalir arus pada penghantar netral. Arus yang mengalir pada penghantar netral akan menyebabkan losses sebesar :

(2.42)Dimana :PN = Losses pada penghantar netral (watt)IN = Arus yang mengalir pada penghantar netral (A)RN = Tahanan penghantar netral ()

Untuk memperoleh besar losses sepanjang saluran diperlukan perhitungan arus netral per tiang yang mempunyai beban (segmen). Perhitungan arus netral dilakukan dengan perbandingan arus netral maksimum (sesuai daya kontrak pelanggan) dengan arus netral pengukuran di gardu.

(2.43)Dimana :IN sgmn= Arus netral pada segmen-n (A)IN maks= Arus netral pada segmen-n sesuai dengan daya kontrak pelanggan (A) IN maks= Total perhitungan arus netral jurusan sesuai dengan daya kontrak pelanggan (A)IN ukur= Arus netral pengukuran di gardu (A)

Perhitungan arus netral menggunakan metoda penjumlahan Phytagoras komponen imaginer dan komponen real dari arus phasa tiap segmen

(2.44)Dimana :IN maks= Arus netral pada segmen-n sesuai dengan daya kontrak pelanggan (A)Iimag= Komponen imaginer arusIreal= Komponen real arusKomponen imaginer dan real didapat dari perhitungan sebagai berikut :

(2.45) (2.46)Dimana :IR= Arus phasa R pada segmen-n (sesuai daya kontrak)IS= Arus phasa S pada segmen-n (sesuai daya kontrak)IT= Arus phasa T pada segmen-n (sesuai daya kontrak)6