655_4 tinjauan pustaka tentang tenaga listrik

8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik

http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 1/97

http://montirlistrik.blogspot.com

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Distribusi Tenaga Listrik

Saluran distribusi berfungsi untuk mendistribusikan energi listrik dari

gardu distribusi ke konsumen dengan menggunakan tegangan rendah.

Sistem distribusi dapat pula di kelompokkan dalam dua tingkat yaitu :

1. Jaringan Distribusi Primer (Jaringan Distribusi Tegangan Menengah)

2. Jaringan Distribusi Sekunder (Jaringan Distribusi Tegangan Rendah)

Jaringan distribusi primer (JDTM) merupakan suatu jaringan yang

letaknya sebelum gardu distribusi berfungsi menyalurkan tenaga listrik

bertegangan menengah (misalnya 6kV atau 20 kV). Hantaran dapat berupa listrik

bertegangan rendah (misalnya 220 V/380 V). Hantaran berupa kabel tanah atau

kawat udara yang menghubungkan dari gardu distribusi (sisi sekunder trafo

distribusi) ke tempat konsumen atau pemakai (misalnya industri atau rumah-

rumah)

Sedangkan gardu distribusi sendiri adalah suatu tempat/sarana, dimana

terdapat transformator step down yaitu transformator yang menurunkan tegangan

dari tegangan menengah menjadi tegangan rendah (sesuai kebutuhan konsumen).

Jaringan distribusi primer atau JTM dapat berupa fasa-tiga, fasa-tunggal

atau Single Wire Earth Return (SWER). Jaringan Distribusi sekunder atau

jaringan tegangan rendah (JTR) dapat berupa fasa-tunggal, fasa-tiga dengan empat

kawat atau fasa-tunggal tiga kawat dari sistem JTM SWER.



8

2.2 Dasar Pengaturan Tegangan

Meskipun telah ditetapkan didalam (SPLN 72 :1987) tentang spesifikasi

desain untuk Jaringan Tegangan Menengah (JTM) dan Jaringan Tegangan Rendah

(JTR) bahwa drop tegangan yang dapat ditoleransi pada saluran distribusi adalah

sebesar 5 %, pada kenyataannya nilai tersebut sangat sulit untuk diwujudkan. Hal

ini karena drop tegangan terjadi di semua bagian sistem dan akan berubah dengan

adanya perubahan beban. Untuk itulah, penggunaan kapasitor sebagai pengatur

tegangan sistem dapat dilakukan dengan mengurangi drop tegangan dan rugi-rugi

di jaringan tanpa menggunakan AVR ( Automatic Voltage Regulator ) yang secara

ekonomis instalasi dan pemeliharaannya lebih mahal.

Penurunan tegangan maksimum pada beban penuh, yang dibolehkan

dibeberapa titik pada jaringan distribusi adalah (SPLN 72 : 1987) :

a. SUTM = 5 % dari tegangan kerja bagi sistem radial

b. SKTM = 2 % dari tegangan kerja pada sistem spindel dan gugus.

c. Trafo distribusi = 3 % dari tegangan kerja

d. Saluran tegangan rendah= 4 % dari tegangan kerja tergantung kepadatan beban.

2.3 Kapasitor dan Perbaikan Faktor Daya

Sama seperti perkembangan beban pada sistem distribusi tenaga di

perkotaan, faktor daya juga ikut berubah. Pertumbuhan beban dan turunnya faktor

daya pada sistem distribusi 20 kV menyebabkan:

1. Masalah regulasi tegangan.

2. Meningkatnya losses sistem

3. Turunnya kapasitas sistem.



9

Kapasitor berguna untuk perbaikan faktor daya sistem dan membantu

memperbaiki keadaan dengan mengurangi daya reaktif pada sistem. Untuk hasil

yang maksimal dan menanggulangi hal yang tidak diinginkan perlu perencanaan

yang baik untuk menjaga faktor daya tetap dalam batasan yang diperbolehkan.

Untuk menjaga performa yang maksimal dan memperoleh keuntungan secara

ekonomis, bank kapasitor untuk perbaikan faktor daya harus ditentukan secara

efektif jarak, tujuan pemasangan di jaringan distribusi listrik, dan perkiraan waktu

yang tepat dengan melakukan pendataan karakteristik beban di sistem.

2.3.1 Regulasi Tegangan

Salah satu keuntungan terbesar dari penentuan ukuran dan lokasi

penempatan kapasitor adalah kenaikan tegangan. Dengan menempatkan kapasitor

sebagai sumber daya reaktif semakin dekat dengan sumber beban reaktif seperti

motor, AC, maka kebutuhan arus lagging dan daya reaktif akan berkurang yang

menghasilkan kenaikan tegangan pada sistem. Akan tetapi kebutuhan kapasitor

ternyata tidak berlangsung konstan sepanjang waktu, ketika beban normal

kebutuhan sumber daya reaktif tidak terlalu besar, tapi ketika beban puncak maka

maka dibutuhkan daya reaktif lebih besar dibanding ketika beban normal.

Kapasitor dapat diatur hanya untuk kebutuhan beban puncak dan dapat

dilepas ketika beban turun, biasanya digunakan saklar otomatis (switched) .

Kapasitor menghasilkan arus leading yang disuplai ke beban reaktif akibat adanya

impedansi sistem dan beban induktif sehingga dapat menghasilkan kenaikan

tegangan. Kenaikan tegangan ini kadang tidak dibutuhkan bahkan tidak

diharapkan ketika beban dalam kondisi turun.



10

2.3.2 Mengurangi Losses Sistem

Penempatan kapasitor pada saluran distribusi dapat berfungsi untuk

mengurangi losses sistem selama faktor daya tidak sampai berubah pada kondisi

leading (pf >1). Losses pada saluran distribusi akibat faktor daya leading hampir

sama seperti losses saluran akibat faktor daya lagging pada magnitude yang sama.

Sehingga kadang pemasangan kapasitor dan kapasitas yang digunakan untuk

mengurangi losses sistem secara ekonomi keuntungannya tidak dapat menutupi

biaya pemasangan dan harganya.

Jika akan digunakan bank kapasitor switched untuk memperbaiki regulasi

tegangan operator harus melakukan studi sistem secara teliti untuk memonitor

pertumbuhan beban dan mengetahui kapan kapasitor harus aktif dan kapan

kapasitor harus lepas dari sistem. Studi ini sangat penting dilakukan terutama jika

beban pada fedeers tidak seragam.

2.3.3 Penalti Faktor Daya

Perbaikan faktor daya kebanyakan dilakukan untuk mengurangi penalti

charges kVAR pada tingkat pembelian daya. Faktor daya yang rendah di sisi

konsumen dapat mengakibatkan turunnya tegangan pada sisi penerima dan

kerugian daya aktif pada jaringan yang mengakibatkan perbedaan pengukuran

kWh di sisi pemasok dan di sisi beban (Pribadi Kadarisman dkk, 2002). Di

Indonesia PLN Distribusi sebagai perusahaan penjualan daya listrik ke konsumen

masyarakat maupun industri menetapkan batas faktor daya yang diperbolehkan

(treshold ) dalam tingkat penjualan adalah sebesar 0,85 Jika pengukuran

kebutuhan beban lebih rendah dari kontrak minimal faktor daya yang



11

diperbolehkan yaitu 0,85 maka pelanggan akan terkena penalti. Sedang PLN

distribusi juga membeli listrik dari PLN Pusat Penyaluran dan Pengaturan

Beban(P3B), dengan treshold sebesar 0,90. Faktor daya dapat diukur sepanjang

beban atau dapat dihitung dengan rumus :

=kWh

pf jamkVAR.

Tan ARCcos …………………………….(2.1)

Dimana:

Pf = faktor daya

kVAR = besar daya reaktif terukur

kWh = besar energi aktif terukur

kVA = daya semu/daya kompleks

Hubungan antara daya aktif(kW), daya reaktif(kVAR), dan daya

semu/kompleks(kVA) dapat digambarkan dengan segitiga daya seperti pada

Gambar 2.1 dibawah ini:

Gambar 2.1. Segitiga daya

2.3.4 Menurunnya Kapasitas Sistem

Akibat naiknya losses pada saluran distribusi mempunyai efek yang

hampir sama pada Gardu Induk dan seluruh saluran transmisi yang menyuplai

daya ke saluran distribusi. Semua fasilitas tenaga menggunakan beberapa dari

kapasitas mereka untuk membawa arus lagging ke sistem distribusi yang



12

membutuhkan daya reaktif. Akibat dari daya reaktif menyebabkan losses pada

saluran distribusi, membuang biaya yang tidak penting karena daya reaktif tidak

dapat digunakan untuk kerja. Generator menghasilkan daya reaktif yang

dibutuhkan oleh peralatan yang terdapat pada saluran distribusi yang bersifat

induktif, hal ini akan mengurangi kapasitas generator untuk memproduksi daya

nyata, dengan kata lain kapasitas sistem akan berkurang.

2.4 Cara Kerja Kapasitor

Daya reaktif dibutuhkan ketika generator terhubung dengan beban induktif

seperti motor listrik, trafo, dan juga reaktansi pada konduktor saluran transmisi

serta distribusi. Jadi daya reaktif diproduksi oleh generator pada sistem tenaga

listrik kemudian ditransmisikan pada saluran transmisi tegangan tinggi, dan

akhirnya ditransformasikan pada saluran distribusi untuk kemudian dikirimkan

pada beban reaktif yang membutuhkannya.

Tapi pendistribusian daya reaktif dapat dikurangi dengan menempatkan

kapasitor pada pusat beban reaktif. Kapasitor sebagai sumber daya reaktif akan

menyuplai VAR ke beban yang biasanya disuplai oleh generator, sehingga

generator sepenuhnya dapat memproduksi daya nyata yang dibutuhkan. Jika

kapasitor ditempatkan terlalu jauh dari pusat beban induktif, kapasitor masih dapat

menyuplai daya reaktif, tetapi sistem tidak akan memperoleh keuntungan yang

sama seperti kenaikan tegangan dan mengurangi losses sistem dibanding dengan

menempatkan kapasitor pada lokasi yang tepat.

Komponen daya reaktif yang terukur dalam kVAR, dibutuhkan dan

disuplai untuk membangkitkan medan magnet pada motor kumparan medan,



13

sedang pada trafo digunakan untuk membangkitkan medan elektromagnet pada

kumparan trafo dan inti besi, serta pada kawat penghantar fasa untuk

menghasilkan fluks magnetik ketika arus listrik mengalir di penghantar (S.L.

Uppal,1980). Komponen daya reaktif (kVAR) :

1. Tidak bisa digunakan pada sistem.

2. Tidak dapat diukur dengan kWh meter.

3. Telah ada pada pada beban, terutama beban reaktif.

4. Dapat diukur dengan kVARh meter.

Arus leading yang dihasilkan oleh kapasitor dapat secara efektif

mengurangi arus lagging yang diminta oleh komponen daya reaktif. Resultan

daya yang dikirim ke beban terdiri dari daya aktif dan daya reaktif. Daya total

diukur dalam satuan VA. Sedang rasio perbandingan antara daya nyata (kW) dan

daya total/semu (kVA) disebut sebagai faktor daya ( power factor/ pf).

2.4.1 Hubungan Daya dan Faktor Daya

Cara yang mudah untuk menggambarkan daya total atau daya semu

(kVA/ kilovolt.ampere) adalah penjumlahan vektor antara daya nyata (kW/

kilowatt) dengan daya reaktif (kVAR/kilovar). Vektor mempunyai panjang, besar,

dan arah. Untuk mempermudah perhitungan diagram vektor digunakan hubungan

segitiga daya trigonometri seperti terlihat pada Gambar 2.2 :

Gambar 2.2. Faktor daya identik dengan sudut vektor tegangan dan arus



14

Dari definisi, persamaan faktor daya adalah kVAkW

, faktor daya juga

dapat dirumuskan sebagai cosinus dari sudut fasa ( θ ) antara vektor tegangan dan

arus. Faktor daya juga cosinus antara daya nyata dan daya semu, sudut ini identik

dengan sudut antara vektor tegangan dan arus seperti terlihat pada gambar 2.2

diatas. Dalam teorema trigonometri:

kVARsudut fasa Arc tan

kW

=

…………………………….(2.2)

2.4.2 Perbaikan Faktor Daya

Kapasitor menghasilkan arus leading 90 0 dalam periode yang sama

dengan tegangan. Arus leading dapat digunakan dengan tujuan masing-masing

dan kegunaan masing-masing jika diterapkan pada sistem. Akan tetapi

keuntungan yang utama dari pemasangan kapasitor adalah kenaikan tegangan

akibat berkurangnya kebutuhan daya reaktif pada beban.

Arus leading yang dihasilkan oleh kapasitor kemudian disuplai ke

impedansi dengan arus lagging pada jaringan distribusi dan trafo menyebabkan

kenaikan tegangan. Dengan menambah kapasitor pada pusat beban induktif di

sistem akan menurunkan kebutuhan kVAR yang disuplai generator, Dengan

turunnya daya reaktif akan mengurangi losses pada sistem sehingga sistem dapat

menyuplai lebih banyak daya nyata yang lebih berguna. Jika ukurannya tepat

maka banyak efek dari beban induktif yang dapat dihilangkan, tapi karena variasi

beban yang berubah-ubah dan tidak selalu tepat dengan kapasitas kapasitor maka

optimasi secara maksimal tidak mungkin diperoleh secara terus menerus.



15

Gambar 2.3. Perbaikan faktor daya dengan kapasitor

Dari Gambar 2.3 diatas diperoleh persamaan-persamaan untuk mencari

faktor daya, yaitu:

cos θ 0 = pf 0

20

2

)()(

QP

P

kVAS kWatt P

+=

=

…………………………….(2.3)

Untuk mendapatkan faktor daya sesuai dengan keinginan kita:

( )0 1

10 argtan cos

C

t et

Q Q Q

Q pf P−

= −

= − ......................(2.4)

Faktor Daya setelah dipasang kapasitor:

20

21)()( C QQP

PCos

−+=θ .........................(2.5)

Dimana:

P = Daya aktif (Watt)

S0 = Daya semu sebelum dipasang kapasitor (VA)

S1 = Daya semu setelah dipasang kapasitor (VA)

Q0 = Daya reaktif sebelum dipasang kapasitor (VAR)

Q1 = Daya reaktif setelah dipasang kapasitor (VAR)



16

Qc = Daya reaktif kapasitor (VAR)

pf 0 = faktor daya sebelum dipasang kapasitor

pf target = Faktor daya target setelah dipasang kapasitor

θ 0 = Sudut fasa sebelum dipasang kapasitor

θ 1 = Sudut fasa setelah dipasang kapasitor

2.4.3 Perbaikan Tegangan Dengan Kapasitor

Ketika ditambahkan kapasitor untuk perbaikan faktor daya sistem,

kapasitor juga memberikan koreksi terhadap drop tegangan. Ini disebabkan

karena kapasitor menyuplai arus leading ke beban induktif yang mempunyai arus

lagging , maka kapasitor menaikkan tegangan sistem. Kenaikan tegangan dari

sumber ke lokasi penempatan kapasitor shunt , atau pada titik manapun di saluran

distribusi antara kapasitor dan sumber / trafo di Gardu induk dapat dihitung

dengan:

feeders Z .ITeganganKenaikan C= ………………….(2.6)

dimana:

netraltoline

fasaperC kV

kVAR I = ……………………....…….(2.7)

IC = Arus Kapasitor (Ampere)

Zfeeder = impedansi konduktor = R+jX (ohm)

R = Tahanan nyata(ohm)

X = Tahanan semu/reaktansi(ohm)

Kenaikan tegangan dalam persen ketika dipasang kapasitor shunt , pada lokasi

pemasangan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:



17

%100.DasarTegangan

TeganganKenaikanTeganganKenaikan% =

atau

( )( )( )2kV10

..ckVAR egangankenaikan t%

d X = …………………(2.8)

(Blaine D. Stocckton dkk, 2001)

Sedang untuk menghitung kenaikan tegangan di saluran tegangan rendah sebagai

efek pemasangan kapasitor pada saluran distribusi, dapat dihitung dengan:

teg 220V

teg 20 kV

Trafo Kenaikan tegangan

380V3=

20kV3

rise

rise

V Rasio

V

= ×

×...........................(2.9)

dimana:

d = Panjang jaringan, dari sumber tegangan ke lokasi kapasitor (km)

ckVAR= Kapasitas kapasitor dalam kVAR (1 fasa dan 3 fasa kapasitor hubungan

delta)

= ½ total kapasitor (V fasa )

= 1/3 total kapasitor (3 fasa , dengan kapasitor hubungan Y )

X = Reaktansi jaringan (ohm/ km)

kV = Tegangan 1 fasa ke tanah (I fasa dan V fasa , 3 fasa , kapasitor hubungan Y)

Operator sistem bisa mengambil keuntungan kenaikan tegangan akibat

pemasangan kapasitor untuk mengembalikan ke kondisi normal tegangan sistem

yang turun. Akan tetapi harus berhati-hati jangan sampai memasang kapasitor

yang berlebihan untuk menaikkan tegangan karena arus leading yang dihasilkan



18

oleh kapasitor dapat meningkatkan losses jaringan, karena pemasangan kapasitor

yang berlebihan akan menyebabkan overkompensasi/faktor daya sistem berubah

ke kondisi leading .

Kapasitor merupakan cara yang murah untuk perbaikan tegangan, tapi

kapasitor juga dapat meningkatkan losses jaringan jika terjadi over kompensasi ,

juga dapat mengakibatkan harmonik atau interferensi jika letaknya dekat dengan

saluran komunikasi apabila tidak didesain dengan bijaksana.

2.4.4 Bank Kapasitor Tidak Ditanahkan

Ada satu cara untuk menghilangkan harmonik yang bisa terjadi akibat

switching kapasitor yaitu dengan menahan harmonik yang menuju ke netral pada

titik netral hubungan Y kapasitor bank dan menghalanginya menuju ke tanah.

Akan tetapi untuk alasan keamanan cara ini adalah pilihan paling terakhir untuk

dipilih. Ketika netral mengambang (tidak ditanahkan) maka pada casing bank

kapasitor akan terdapat tegangan listrik yang sama besar dengan tegangan listrik

di saluran distribusi yaitu sekitar 20 kV, dan ini sangat membahayakan petugas

lapangan.

Jika tidak ada cara lain yang dapat digunakan dan metode ini harus

diterapkan, maka untuk alasan keamanan casing kapasitor dan netral sistem harus

ditanahkan secara temporer. Saklar pentanahan( grounding) dalam posisi on jika

akan ada perbaikan atau pensaklaran manual bank kapasitor, sedang untuk operasi

normal setelah kapasitor aktif, saklar pentanahan di off kan kembali dan netral

kapasitor hubungan Y diubah dalam kondisi mengambang atau tidak ditanahkan,

seperti terlihat pada gambar 2.4 dibawah ini:



19

Gambar 2.4 . Kapasitor dengan grounding switching

2.5 Ukuran, Lokasi dan Kegunaan Kapasitor

Kebanyakan apabila bank kapasitor dipasang pada saat beban minimum

biasanya dipasang secara permanen di sistem distribusi, kapasitor permanen

(Fixed capacitor ) seharusnya tidak dipasang pada sistem dengan beban minimum

untuk menyuplai daya reaktif karena bisa menyebabkan faktor daya leading pada

feeder s yang dipasang. Dari pengalaman diperoleh bahwa beban minimum semuatergantung pada beban yang disuplai oleh feeders tersebut. Untuk beban industri

dan rumah tangga perkotaan secara umum mempunyai beban yang seragam

sepanjang hari bahkan sepanjang tahun. Oleh karena itu kebanyakan beban

mempunyai siklus yang sama setiap hari, dengan variasi beban minimum untuk

rumah tangga dan industri skala kecil bervariasi sekitar 0,25-0,5 kali dari beban

puncak (Blaine D.Stockton, 2001). Pemilihan lokasi kapasitor untuk

mengkompensasi beban kVAR terbesar harus memperhatikan data beban yang

bisa didapat dengan pengukuran di feeders atau pada busbar 20 kV. Urutan

metode yang dapat dilakukan agar dapat memperoleh optimasi penempatan

kapasitor yang maksimal adalah:



20

1. Rekaman data dari sistem SCADA( Supervisory Control and Data

Acquisition)

2. Pengukuran dengan alat ukur secara permanen.

3. Pengukuran dengan alat ukur secara berkala.

Pengukuran feeders di Gardu Induk atau di busbar dapat memberikan

infomasi kW/kVAR yang dibutuhkan untuk perbaikan faktor daya dan analisa

sistem.

2.5.1 Kondisi Beban Puncak

Selama ini pembahasan yang dilakukan tentang kapasitor adalah untuk

perbaikan faktor daya pada beban minimum. Untuk perbaikan faktor daya pada

beban yang sangat besar dan pada saat-saat tertentu sangat perlu penggunaan

kapasitor switched . Kapasitor s witched dapat dioperasikan secara manual atau

otomatis. Kontrol otomatis mempunyai biaya yang paling murah dibanding

dengan mengirimkan petugas untuk mengoperasikan kapasitor, karena kerja dari

kapasitor untuk mengurangi losses jaringan kadang tidak terjadi secara periodik.

Kontrol otomatis dapat menggunakan beberapa parameter untuk mengoperasikan

kapasitor sesuai dengan yang diinginkan untuk mengoptimalkan perbaikan faktor

daya sistem.

Secara umum kapasitor switched dipasang untuk membantu kerja dari

kapasitor fixed . Kapasitor Switched dipasang dengan cara yang sama seperti

pemasangan kapasitor fixed . Untuk penentuan lokasi dan ukuran kapasitor harus

dilakukan studi dan pendataan karakteristik beban. Kapasitor fixed dalam

pemasangannya harus didesain dengan pendekatan yang memperhatikan reaktansi



21

induktif jaringan dan beban minimum yang diprediksi, sedang untuk pemasangan

kapasitor switched harus memperhatikan reaktansi induktif jaringan dan beban

maksimal secara periodik yang diprediksi.

Untuk perhitungan aliran daya dan penempatan kapasitor switched ,

pengukuran sebaiknya diambil pada pusat beban dengan cara yang sama untuk

penentuan kapasitor fixed , akan tetapi selain menghitung kondisi beban minimun

juga harus memperhatikan kondisi beban maksimum. Ketika memilih kapasitor

untuk kapasitor switched harus menentukan batas nilai faktor daya ( treshold) yang

diinginkan. Penentuan level faktor daya yang diinginkan harus memperhatikan

segi ekonomi. Biaya operasional pemasangan kapasitor harus lebih sedikit dari

besar daya yang dapat dihemat dari pemasangannya, karena biaya pemasangan

kapasitor switched sangat mahal.

Pemilihan peralatan kontrol kapasitor switched yang akan dipasang secara

manual atau otomatis tergantung pada keuntungan yang diinginkan, ukuran

kapasitor, variasi periodik kVAR dan kW dari tipe beban yang disuplai, serta

regulasi tegangan di beban. Pensaklaran secara manual membutuhkan waktu

untuk melakukan observasi tegangan, faktor daya dan kebutuhan kVAR, sehingga

pensaklaran secara otomatis lebih banyak dipilih dibanding dengan cara manual.

2.5.2 Lokasi Kapasitor

Keuntungan maksimal dapat diperoleh dengan menempatkan kapasitor

dekat dengan pusat beban reaktif sesuai dengan kebutuhan kVAR yang diminta

oleh beban. Untuk asumsi beban seragam pada saluran distribusi dengan semakin

panjang feeders atau semakin jauh dari Gardu Induk maka akan semakin besar



22

konsumen yang disuplai per km. Untuk menentukan keuntungan yang maksimal

dalam perbaikan mutu tegangan dan mengurangi losses sistem pada saluran,

dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor pada jarak 1/2 -2/3 dari panjang

main feeders dari Gardu Induk, atau jika bank kapasitor lebih dari 1 unit maka

dipasang membagi secara simetris panjang main feeder , akan tetapi jarang sekali

feeders yang mempunyai karakteristik beban seperti itu (Blaine D.Stockton, 2001

dan Kumar Suresh, 2004).

Sedang untuk beban industri penempatan kapasitor yang paling optimal

adalah pada beban itu sendiri. Sangat penting untuk mempertimbangkan

pemasangan kapasitor pada ujung main feeders dengan memeriksa setting dari

peralatan proteksi, karena dengan kenaikan tegangan yang dihasilkan kapasitor

dapat mengganggu kerja dari Penutup Balik Otomatis ( autorecloser) . Sehingga

dalam tujuan untuk perbaikan faktor daya harus memperhatikan fungsi main

feeders yang lebih penting, trafo, peralatan proteksi dan saluran tegangan rendah

yang berhubungan langsung dengan pelanggan (Blaine D. Stockton Dkk, 2001).

2.5.3 Kapasitor 3 Fasa

Kapasitor yang dipasang pada sistem 3 fasa harus dipasang sesuai dengan

kebutuhan kVAR per fasa, sesuai dengan beban total yang dihubungkan dengan

kapasitas trafo pada tiap fasa. Sistem beban harus seimbang dengan fluktuasi

beban sekitas 20% pada beban puncak. Secara umum, kapasitor tidak bisa

dipasang pada feeders 1 fasa sebagai perpanjangan main feeders 3 fasa, oleh

karena itu jika sangat dibutuhkan memasang kapasitor 1 fasa pada feeders 3 fasa



23

maka akan tetap dihitung kebutuhan per fasa dan dipasang terhubung satu sama

lain sehingga tampak seperti bank kapasitor hubungan Y.

2.5.4 Saklar Otomatis Kapasitor

Penambahan peralatan sangat dibutuhkan jika akan memasang kapasitor

switched karena ini sangat berhubungan dengan alasan proteksi peralatan dan

mempermudah pengoperasian. Peralatan yang perlu dipasang pada kapasitor

switched adalah peralatan switching , peralatan kontrol, dan peralatan kontrol daya

masukan.

Peralatan kontrol untuk kapasitor switched terdiri dari elemen utama,

peralatan waktu tunda, dan peralatan tambahan seperti saklar automanual, dan

close-trip switch . Elemen utama dapat memilih sistem kontrol untuk beberapa

kondisi dan menentukan sensor mana yang akan digunakan. Sensor yang biasa

digunakan pada kapasitor switched antara lain adalah sensor tegangan, sensor

faktor daya, sensor kVAR, sensor waktu atau gabungan dari beberapa sensor.

2.5.4.1 Sensor Tegangan

Respon yang digunakan adalah perubahan tegangan yang terjadi akibat

variasi beban. Salah satu tipe dari sensor tegangan mempunyai cara kerja seperti

pada voltmeter, dimana mempunyai range antara 90%-110% tegangan nominal.

Sedang untuk tipe yang lain adalah pemasangan resistor ke dalam rele regulasi

tegangan yang dihubung seri yang dapat mendeteksi tegangan yang turun dalam

periode beban puncak, untuk operasi yang cepat tipe ini bekerja berkoordinasi

dengan regulator. Sekarang ini banyak terdapat kontrol elektronik baru yang

dilengkapi dengan dua sensor yang dapat bekerja secara bersamaan.



24

2.5.4.2 Sensor Arus

Sensor terhadap perubahan arus beban hampir sama dengan rele arus. Ini

berarti kontrol bekerja ketika tegangan baik, faktor daya beban cenderung konstan

terhadap variasi pembebanan kW, atau faktor daya pada saluran bervariasi sesuai

dengan variasi kilowatt di beban. Sensor arus selalu dipasang dekat konduktor

primer dalam insulator yang menempel pada konduktor.

2.5.4.3 Sensor Suhu

Sensor untuk suhu udara disekitar peralatan untuk menggerakkan saklar

mempunyai cara kerja seperti pada AC atau pemanas. Range setting dapat diatur

untuk kapasitor masuk dan keluar dari sistem dengan perubahan suhu.. Contohnya

kapasitor dapat on pada suhu 85 0-90 0 F dan off pada suhu antara 75 0-80 0 F.

2.5.4.4 Sensor kVAR

Sensor untuk beban induktif dan bekerja ketika tegangan berubah dan

faktor daya beban bervariasi diluar prediksi akibat akibat variasi beban kilowatt.

Tipe kontrol kVAR menggunakan hubungan langsung atau rele dipasang pada

indikator 1 fasa. Kontrol kVAR memberikan pendekatan yang paling baik untuk

mengontrol switching kapasitor, tapi ini tidak efektif digunakan sekarang karena

harganya yang tergolong mahal. Kontrol kVAR sangat baik untuk feeders yang

menyuplai beban induksi pada industri skala besar dan pelanggan tidak memasang

peralatan perbaikan faktor daya sendiri.

2.5.4.5 Sensor Faktor Daya

Sensor untuk perubahan faktor daya hampir sama dengan sensor kVAR

yang dihubungkan langsung pada konduktor. Pengaturan range dibutuhkan untuk



25

menghitung lebar pergeseran faktor daya yang mungkin terjadi menjadi lebih

kecil akibat switching kapasitor. Sama seperti sensor kVAR, peralatan kontrol ini

juga sekarang sudah jarang digunakan karena harganya yang mahal.

Gambar 2.5 Instalasi kapasitor di Saluran Distribusi 20 kV



26

2.5.4.6 Sensor Waktu

Penggunaan sensor waktu adalah dengan pengaturan timer untuk masuk

atau keluarnya kapasitor dari sistem dengan memprediksi waktu. Ini sangat

penting karena karakteristik beban tiap harinya dapat diprediksi dan biasanya

konstan secara periodik seperti beban industri dan perkotaan. Dengan

memasukkan data karakteristik beban pada hari minggu dan hari libur, ini adalah

cara yang paling murah. Direkomendasikan agar melakukan observasi secara teliti

untuk menentukan karakteristik beban secara periodik untuk mendapatkan

optimasi pemasangan bank kapasitor switched .

2.5.5 Faktor Daya Leading

Jika beban induksi menjadi lebih kecil dibanding dengan rating bank

kapasitor yang dipasang di sistem distribusi, maka akan terjadi faktor daya

leading . Faktor daya leading pada level transmisi dapat menyebabkan generator

menjadi tidak stabil, tapi hanya terjadi untuk beberapa tipe generator. Faktor daya

leading dapat menyebabkan losses sama seperti pada faktor daya lagging untuk

magnitud e yang sama. Ketika faktor daya leading , sistem membelanjakan biaya

yang tidak penting untuk instalasi kapasitor yang seharusnya mengurangi losses

akan tetapi malah menyebabkan losses . Cara yang mudah adalah menonaktifkan

kapasitor ketika tidak dibutuhkan. Akan menjadi masalah lagi ketika beban motor

induksi melakukan operasi start/stop yang menyebabkan autorecloser bekerja.

Kapasitor fixed dapat menaikkan tegangan sampai di luar batas yang wajar

sehingga dapat dan menyebabkan kerusakan pada peralatan elektronika di sisi

beban.



27

2.6 Kapasitor di Gardu Induk

Dalam banyak kasus, efisiensi pemasangan kapasitor shunt adalah dengan

penempatan bank kapasitor sepanjang saluran distribusi. Untuk beberapa kasus

kapasitor juga dapat dipasang di Gardu Induk, hal ini mungkin disebabkan karena

Gardu Induk letaknya sangat dekat dengan beban industri, atau feeders outgoing

dari saluran distribusi menggunakan kabel tanah dimana untuk pemasangan

kapasitor sangat sulit dan memerlukan biaya yang mahal.

Perbaikan tegangan pada Gardu Induk busba r 20 kV dengan trafo dibebani

penuh, dipasang kapasitor shunt pada lokasi tersebut dapat dihitung dengan

rumus:

( ) ( )ckVAR .% Perbaikan tegangan

MVA

Z = ………………….(2.10)

Untuk mencari Z trafo tenaga:

( )100%

2

%

%

trafo trafo

trafo

Z X Z

kV Z

MVA

= ×

= × ........................................(2.11)

dimana:

Z = impedansi trafo (ohm)

kV = Tegangan nominal(kV)

MVA = Kapasitas trafo (MVA)

X trafo = Reaktansi trafo nominal (%)

ckVAR= Kapasitor total (kVAR) (Blaine D. Stockton dkk, 2001)



28

Kenaikan tegangan di Gardu Induk kebanyakan dipengaruhi oleh

komponen reaktansi impedansi (Z) trafo. Oleh karena itu kebanyakan impedansi

trafo di Gardu Induk praktis sebanding dengan nilai reaktansi, sehingga nilai

impedansi trafo (%) yang terdapat pada nameplate trafo tenaga di Gardu Induk

dapat digunakan untuk perhitungan kenaikan tegangan

Perbaikan tegangan total diperoleh dari pemasangan kapasitor shunt di

Gardu Induk adalah jumlah perbaikan tegangan dari semua komponen di sistem.

Ketika tidak terdapat regulator tegangan yang dipasang di Gardu Induk, maka

perbaikan tegangan di Gardu Induk akan diteruskan ke saluran distribusi untuk

membantu perbaikan tegangan di saluran distribusi.

Kenaikan tegangan pada saluran distribusi atau di Gardu Induk, dengan

memasang kapasitor dengan lokasi jauh dari Gardu Induk pada sistem sebenarnya

tidak tergantung pada beban sistem. Arus leading dari kapasitor mengalir ke

reaktansi sistem yang lagging dan membuat tegangan naik. Sebenarnya

keuntungan yang diperoleh dari kenaikan tegangan ini kurang menguntungkan

dibanding dengan mengurangi losses sistem atau meningkatkan kapasitas kVA

yang dapat digunakan pada beban.

2.7 Penyebaran Kapasitor di Saluran Distribusi

Penambahan kapasitor untuk meningkatkan tegangan di feeders , saluran

transmisi atu di trafo Gardu Induk sebenarnya mempunyai keuntungan yang tidak

jauh bebeda, karena akan memberikan efek yang sama yaitu kenaikan tegangan

pada f eeder . Sistem tenaga listrik sangat luas dengan konstruksi yang rumit untuk

penyaluran energi listrik kenaikan tegangan tidak dapat digambarkan. Tapi ketika



29

impedansi total dari sistem distribusi dapat diketahui maka perhitungan kenaikan

tegangan dapat dihitung dari penempatan bank kapasitor di beberapa titik di

saluran distribusi.

2.8 Menaikkan Kapasitas Gardu Induk

Dengan kenaikan faktor daya akan mengurangi arus yang disuplai ke

beban. Dengan turunnya arus yang disuplai ke beban di Gardu Induk dengan

pemasangan kapasitor sangat berhubungan dengan kapasitas Gardu Induk. Untuk

meningkatkan kapasitas ini adalah sejalan dengan pendekatan desain kapasitas

Gardu Induk. Kapasitor juga dapat membantu Gardu Induk untuk bekerja pada

kondisi di atas kapasitas normalnya.

2.9 Pengaruh Kapasitor Seri dan Paralel

Pada umumnya tegangan yang terlalu tinggi dan berlangsung lama

dibanding dengan nominalnya akan mengakibatkan berkurangnya umur ekonomis

bola lampu, peralatan elektronis dan kerusakannya lebih awal dari peralatan

listrik. Sebaliknya tegangan yang terlalu rendah dibandingkan dengan tegangan

nominalnya akan mengakibatkan tingkat luminasi yang rendah, gambar TV yang

tidak stabil, pemanasan yang berlebihan pada peralatan elektronik, motor tidak

dapat distart serta beberapa peralatan bekerja pada toleransi tegangan yang tidak

sesuai.

Khususnya pemakaian kapasitor seri dan paralel pada sistem distribusi

menimbulkan daya reaktif atau menaikkan cos θ dan tegangan sehingga

menambah kapasitas sistem dan mengurangi kerugian. Daya reaktif kapasitor seri

sebanding dengan kuadrat arus beban, sedangkan daya reaktif kapasitor paralel



30

sebanding dengan kuadrat tegangan. Ada beberapa aspek tertentu yang tidak

menguntungkan pada pemasangan seri. Secara umum dikatakan pemasangan

kapasitor seri memerlukan biaya pemasangan yang lebih tinggi dibandingkan

dengan pemasangan kapasitor paralel. Dan peralatan proteksi untuk kapasitor seri

sering lebih komplek, dan kapasitor seri dirancang untuk daya yang lebih besar

dari kapasitor paralel untuk mengatasi perkembangan beban nantinya.

2.9.1 Kapasitor Seri

Kapasitor seri adalah kapasitor yang dihubungkan seri dengan saluran.

Penggunaan kapasitor seri sangat terbatas dan umumnya penerapannya sangat

sulit untuk memasang kapasitor seri dengan ukuran yang kecil. Seperti kapasitor

seri menghasilkan reaktansi induktif, dengan kata lain kapasitor seri adalah

reaktansi negatif (kapasitif) yang seri dengan rangkaian rektansi positif (induktif)

yang menghasilkan efek pada seluruh bagiannya. Oleh karena itu efek utama dari

kapasitor seri adalah mengurangi atau membatasi drop tegangan yang disebabkan

oleh reaktansi induktif pada rangkaian .

Kadang-kadang kapasitor seri dapat dianggap sebagai pengatur tegangan

yang memberikan penambahan tegangan yang besar dan faktor daya tepat pada

seluruh arusnya. Oleh karena itu kapasitor seri memberikan kenaikan tegangan

yang naik secara otomatis dan teratur sesuai dengan kenaikan beban. Kapasitor

seri juga memberikan kenaikan tegangan pada jaringan yang lebih besar dari

kapasitor paralel dengan cos lebih rendah, yang menyebabkan lebih turunnya

tegangan.



31

Drop tegangan sepanjang feeder dapat dicari dengan persamaan berikut :

VD = I R cos α + I XL sin α ………………………………(2.12)

Dimana:

R = Resistansi dari rangkaian feeder

XL = Reaktans induktif dari rangkaian feeder

Cos α = Faktor daya pada sisi penerima

Sin α = Sinus sudut dari faktor daya sisi penerima.

Ketika kapasitor seri dipasang maka hasil drop tegangan dapat dihitung dengan

rumus sebagai berikut :

VD = I R cos α + I (XL – XC) Sin α ………………………(2.13)

Dimana:

XC = Reaktansi kapasitif pada kapasitor seri

Biasanya ukuran kapasitor seri dipilih untuk feeder distribusi dipasang pada jalur

yang menghasilkan reaktansi kapasitif yang lebih kecil dari reaktansi induktifnya

sehingga drop tegangan dapat dicari sebagai berikut :

VD = I R cos α - I( XC – XL ) sin α ………………………….(2.14)

Kondisi seperti ini disebut dengan over kompensasi. Kadang-kadang level yang

dipilih dari over kompensasi yang didasarkan pada beban normal maka hasil

tegangan dari over kompensasi pada sisi penerima mungkin sangat tidak baik,

sebab arus tertinggal pada saat motor distart dapat menyebabkan naiknya

tegangan yang besar. Untuk mengoperasikan motor-motor besar karena saat

starting motor-motor besar dapat mengakibatkan kerusakan dan menyebabkan



32

adanya percikan bunga api. Hal tersebut akan menjadikan kerugian dari

pemakaian kapasitor.

Karena beberapa alasan, misalnya ferroresonansi trafo, resonansi sinkron

saat motor-motor dijalankan atau saat penggabungan motor-motor pada operasi

normal dan juga adanya kesulitan proteksi kapasitas seri dari arus gangguan pada

sistem, maka kapasitor seri tidak banyak memiliki kegunaan dalam sistem

distribusi, tetapi kapasitor seri dapat digunakan pada saluran Sub-transmisi, yang

digunakan untuk menahan beberapa saluran reaktansi dengan kemampuan suhu

tinggi. Kapasitor seri juga dapat digunakan pada sistem Subtransmisi untuk

mengurangi regulasi tegangan.

2.9.2 Kapasitor Shunt ( Paralel )

Kapasitor Shunt adalah kapasitor yang dihubungkan secara paralel dengan

saluran yang dapat digunakan secara luas dalam sistem distribusi. Pemasangan

kapasitor sangat penting untuk penyediaan daya reaktif dari sebuah sistem daya.

Saluran transmisi akan paling ekonomis bila dipakai untuk mengirimkan daya

aktif saja, yang kebutuhan daya reaktif bebannya didapat dalam sistem distribusi

konsumen atau kebanyakan pada tingkat Sub-transmisi (GI). Hal ini akan

memungkinkan penggunaan optimum saluran transmisi, memperbaiki penampilan

operationalnya dan mengurangi kerugian energi. Karena itu dibutuhkan penelitian

sistem dan perencanaan untuk memenuhi kebutuhan daya reaktif sistem, dengan

cara yang sama dengan perencanaan daya aktif dan perencanaan kapasitas

generator tambahan.



34

Dimana:

Ic = komponen reaktif dari arus yang mendahului.

Perbedaan antara penurunan tegangan yang dihitung berdasarkan persamaan

(2.15) dan (2.16) adalah kenaikan tegangan pada pemasangan kapasitor yang

dapat ditunjukkan sebagai berikut :

VR = I CXL Volt ………………………….(2.17)

2.10 ETAP Power Station 4.0.0

ETAP PowerStation 4.0.0 adalah program penganalisa transien listrik

yang diperkaya dengan grafis yang bekerja pada sistem operasi Microsoft®

Windows 98, NT 4.0, 2000, Me, dan XP. Windows NT 4.0 dan 2000

menyediakan performansi tertinggi dari aplikasi ini dimana kita bisa menganalisa

jaringan yang besar yang membutuhkan komputasi secara intensif dan

pengamatan secara online dan aplikasi kontrol yang lain.

Dalam perancangan dan analisis sebuah sistem tenaga listrik, sebuah

software aplikasi sangat dibutuhkan untuk merepresentasikan kondisi real. Hal ini

dikarenakan sulitnya menguji coba suatu sistem tenaga listrik dalam skala yang

besar terhadap kondisi transien yang ekstrim. ETAP Power Station 4.0.0

merupakan salah satu software aplikasi yang banyak digunakan untuk

mensimulasikan sistem tenaga listrik. Secara umum, dalam simulasi perancangan

dan analisis sistem tenaga listrik, langkah-langkah penting yang harus diambil

antara lain :

1. Menggambarkan denah beban-beban

2. Mengetahui data-data beban



35

3. Merancang One Line Diagram

4. Analisis Load Flow

5. Menghitung Short Circuit

6. Analisis Motor Starting

Untuk yang pertama dilakukan terlebih dahulu bertujuan untuk

menentukan panjang konduktor, sedangkan yang kedua dilakukan untuk

menentukan rating dan level tegangan di sisi primer transformer maupun di sisi

sekunder. Perancangan One Line Diagram, Load Flow, Short Circuit dan Motor

Starting dilakukan sepenuhnya pada ETAP Power Station 4.0.0.

PowerStation juga membuat kita bekerja secara langsung dengan grafis

diagram satu garis dan sistem pengkabelan bawah tanah. Program ini telah

dirancang sesuai dengan tiga konsep kunci yaitu:

1. Virtual Reality Operation

Operasi program ini menyerupai operasi sistem listrik yang nyata senyata

mungkin. Sebagai contoh, ketika membuka atau menutup CB, setel pada ’ out

of service ’ atau ganti status operasi dari motor. PowerStation berisi juga

konsep baru dalam menentukan koordinasi alat proteksi secara langsung dari

diagram satu garis.

2. Total Integration of Data

PowerStation mengkombinasikan unsur elektrik, mekanik, logik, dan fisik

unsur dari elemen-elemen sistem pada database yang sama. Sebagai contoh,

sebuah kabel tidak hanya terdiri atas data yang merepresentasikan properti

elektriknya dan dimensi fisiknya akan tetapi juga informasi yang menyatakan



36

bagaimana kabel tersebut dipasang. Oleh karena itu data untuk sebuah kabel

dapat digunakan untuk analisa aliran beban atau hubung singkat, yang

memerlukan parameter elektris dan interkoneksi sebagaimana perhitungan

derating ampacity kable diperlukan, yang memerlukan data fisik. Integrasi

dari data ini membutuhkan konsistensi pada keseluruhan sistem dan

menghilangkan masukan data berulang pada elemen yang sama.

3. Simplicity in Data Entry

PowerStation menyimpan data rinci dari setiap komponen listrik. Data editor

dapat mempercepat dalam memasukkan data dengan cara meminimumkan

data untuk studi khusus. Untuk itu, pada program ini editor propertinya sudah

terstruktur pada sifat logika terbaiknya dalam memasukkan data untuk tipe-

tipe analisa dan desain yang berbeda.

PowerStation mengatur pekerjaan kita pada sebuah basis proyek. Setiap

proyek menyediakan semua alat-alat yang diperlukan dan mendukung bagi

pemodelan dan analisa sistem tenaga listrik. Sebuah proyek terdiri atas sistem

elektrik yang membutuhkan suatu set yang unik dari komponen elektrik dan

interkoneksinya. Pada PowerStation , setiap proyek dilengkapi sebuah set dari

pengguna, akses kontrol dari penggunam dan data terpisah yang mana semua data

dari elemen dan konektivitasnya tersimpan.

Dengan PowerStation kita dapat membuat secara grafis diagram satu garis

dan sistem bawah tanahnya serta menampilkan aliran daya, hubung singkat,

starting motor , stabilitas transien, koordinasi peralatan proteksi, dan studi

derating kabel dari sistem elektriknya.



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Sistem Distribusi Listrik

Awalnya tenaga listrik dihasilkan di pusat–pusat pembangkit listrik seperti

PLTA, PLTU, PLTG, PLTGU, PLTP dan PLTD dengan tegangan yang biasanya

merupakan tegangan menengah 20 kV. Pada umumnya pusat pembangkit tenaga

listrik berada jauh dari pengguna tenaga listrik, untuk mentransmisikan tenaga listrik

dari pembangkit ini, maka diperlukan penggunaan tegangan tinggi 150/70 kV (TT),

atau tegangan ekstra tinggi 500 kV (TET). Tegangan yang lebih tinggi ini diperoleh

dengan transformator penaik tegangan ( step up transformator ).

Pemakaian tegangan tinggi ini diperlukan untuk berbagai alasan efisiensi,

antara lain, penggunaan penampang penghantar menjadi efisien, karena arus yang

mengalir akan menjadi lebih kecil, ketika tegangan tinggi diterapkan.

Setelah saluran transmisi mendekati pusat pemakaian tenaga listrik, yang dapat

merupakan suatu daerah industri atau suatu kota, tegangan, melalui Gardu Induk (GI)

diturunkan menjadi Tegangan Menengah (TM) 20 kV. Setiap GI sesungguhnya

merupakan Pusat Beban untuk suatu daerah pelanggan tertentu, bebannya berubah-

rubah sepanjang waktu sehingga daya yang dibangkitkan dalam pusat-pusat Listrik

harus selalu berubah. Perubahan daya yang dilakukan di pusat pembangkit ini

bertujuan untuk mempertahankan tenaga listrik tetap pada frekuensi 50 Hz. Proses

perubahan ini dikoordinasikan dengan Pusat Pengaturan Beban (P3B).

Tegangan Menengah dari GI ini melalui saluran distribusi primer, untuk

disalurkan ke gardu-gardu distribusi (GD) atau pemakai TM. Dari saluran distribusi

1



Gambar 2.3 Struktur Jaringan Tegangan Menengah Struktur Spindle

Pada sistem ini salah satu cara untuk meningkatkan kehandalan adalah dengan

membuat semua penyulang tanpa beban yang keluar dari gardu induk menuju ke satu

titik pertemuan sehingga membentuk suatu lingkaran yang terbuka pada titik

pertemuan tersebut. Dengan kata lain, semua penyulang ini sudah direncanakan

berakhir di suatu titik yang disebut titik refleksi. Titik refleksi ini dalam praktiknya

merupakan gardu hubung (GH) atau disebut juga switching substation. Biasanya pada

tiap penyulang terdapat gardu tengah ( middle point ) yang berfungsi untuk titik

manufer apabila terjadi gangguan pada jaringan tersebut.

Pada struktur spindle ini selalu ada penyulang cadangan khusus yang dikenal

dengan sebutan penyulang ekspres ( express feeder ). Penyulang ekspres ini tidak

mencatu gardu-gardu distribusi, tetapi merupakan penyulang penghubung antara

gardu induk dengan gardu hubung, yang bertujuan untuk menjaga kelangsungan

pasokan daya listrik kepada pelanggan bila terjadi gangguan pada suatu penyulang

yang memasok gardu-gardu distribusi. Dalam praktiknya penyulang ekspres ini

merupakan kabel yang bertegangan tanpa beban sampai ke gardu hubung.

•••• Struktur Gelang

Gambar 2.4 Struktur Jaringan Tegangan Menengah Struktur Gelang

Pada Jaringan Tegangan Menengah struktur gelang, dimungkinkan alternatifpemasokan dari gardu-gardu distribusi, sehingga tingkat keandalannya lebih baik. Bila

terjadi gangguan pada jaring primernya, maka pemutus beban yang ada di GI akan

membuka dan menyebabkan semua gardu distribusi akan mengalami pemadaman.

Semua sirkuit dari penyulang primer ini biasanya diambil sama dan perlu didesain

agar tidak berbeban lebih bila satu sirkuitnya tidak berfungsi.

3



II.3. Ketidakseimbangan Beban

Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan di mana :

• Ketiga vektor arus / tegangan sama besar.

• Ketiga vektor saling membentuk sudut 120 o satu sama lain.

Sedangkan yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan di

mana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak terpenuhi. Kemungkinan

keadaan tidak seimbang ada 3 yaitu :

• Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 120 o satu sama lain.

• Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 120 o satu sama lain.

• Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 120 o satu sama

lain.

Gambar 2.5. Vektor Diagram Arus

Gambar 2.5.(a) menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang.

Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya ( I R , I S , I T ) adalah sama

dengan nol sehingga tidak muncul arus netral ( I N ). Sedangkan pada Gambar 2.5.(b)

menunjukkan vektor diagram arus yang tidak seimbang. Di sini terlihat bahwa

penjumlahan ketiga vektor arusnya ( I R , I S , I T ) tidak sama dengan nol sehingga muncul

sebuah besaran yaitu arus netral ( I N ) yang besarnya bergantung dari seberapa besar

faktor ketidakseimbangannya.

II.4. Transformator Distribusi

Trafo distribusi yang umum digunakan adalah trafo step down 20/0,4 kV,

tegangan fasa-fasa sistem JTR adalah 380 Volt, karena terjadi drop tegangan maka

tegangan pada rak TR dibuat di atas 380 Volt agar tegangan pada ujung beban

4



menjadi 380 Volt. Pada kumparan primer akan mengalir arus jika kumparan primer

dihubungkan ke sumber listrik arus bolak-balik, sehingga pada inti transformator

terbuat dari bahan ferromagnet yang akan terbentuk sejumlah garis-garis gaya magnet

( fluks = ).

Karena arus yang mengalir merupakan arus bolak-balik maka fluks yang

terbentuk pada inti akan mempunyai arah dan jumlah yang berubah-ubah. Jika arus

yang mengalir berbentuk sinus maka fluks yang terjadi akan berbentuk sinus pula.

Karena fluks tersebut mengalir melalui inti yang mana pada inti tersebut terdapat

lilitan primer dan lilitan sekunder maka pada lilitan primer dan sekunder tersebut akan

timbul ggl (gaya gerak listrik) induksi, tetapi arah dari ggl induksi primer berlawanan

dengan arah ggl induksi sekunder sedangkan frekuensi masing-masing tegangan

tersebut sama dengan frekuensi sumbernya. Hubungan transformasi tegangan adalah

sebagai berikut :

(1)

atau E 1 = a E 2 E 1 I 1 = E 2 I 2

atau I 1 N 1 = I 2 N 2

II.5. Sistem Tiga Fasa

Kebanyakan sistem listrik dibangun dengan sistem tiga fasa. Hal tersebut

didasarkan pada alasan-alasan ekonomi dan kestabilan aliran daya pada beban. Alasan

ekonomi dikarenakan dengan sistem tiga fase, penggunaan penghantar untuk transmisi

menjadi lebih sedikit. Sedangkan alasan kestabilan dikarenakan pada sistem tiga fase

daya mengalir sebagai layaknya tiga buah sistem fasa tunggal, sehingga untuk

5



peralatan dengan catu tiga fasa, daya sistem akan lebih stabil bila dibandingkan

dengan peralatan dengan sistem satu fasa.

Sistem tiga fasa atau sistem fasa banyak lainnya, secara umum akan

memunculkan sistem yang lebih kompleks, akan tetapi secara prinsip untuk analisa,

sistem tetap mudah dilaksanakan. Sistem tiga fasa dapat digambarkan dengan suatu

sistem yang terdiri dari tiga sistem fasa tunggal, sebagai berikut :

Gambar 2.6. Sistem Tiga Fasa sebagai Tiga Sistem Fasa Tunggal.

(2)

II.6. Daya

Pengertian daya adalah perkalian antara tegangan yang diberikan dengan hasil

arus yang mengalir. Secara matematis dapat ditulis :

P = V I (3)

dimana :

P = Daya (Watt)

V = Tegangan (Volt)

I = Arus (Ampere)

Daya dibedakan menjadi 3 (tiga) jenis yaitu :

• Daya aktif

Daya aktif merupakan daya nyata yang terserap dari peralatan kW (kilo Watt)

yang digunakan oleh beban untuk melakukan tugas tertentu.

• Daya reaktif

Daya yang melakukan usaha dengan satuan kVAR ( kilo Volt Ampere Reaktif).

Daya reaktif merupakan daya yang tersendiri, daya ini sebenarnya adalah beban

6



atau kebutuhan pada suatu sistem listrik.

• Daya semu

Daya semu adalah daya yang tersedia untuk sebagai dasar melakukan usaha

dengan satuan kVA (kilo Volt Ampere).

Hubungan ketiga daya tersebut dapat dinyatakan dalam Segitiga Daya,

Gambar 2.7. Segitiga Daya

Penjumlahan vektor daya aktif dan daya reaktif merupakan daya total (semu),

diukur dalam kVA. Daya ini merupakan daya yang dikirim oleh perusahaan energi ke

pelanggan. Secara matematis dapat dinyatakan sebagai:

(4)

II.7. Variasi Tegangan rms ( root-mean-square )

Variasi tegangan rms merupakan variasi level tegangan yang terjadi lebih lama

dari setengah cycle gelombang sinus. Perubahan level tegangan yang terjadi bisa

singkat, bisa pula dalam waktu lama sehingga dapat dikategorikan menjadi :

• Variasi dalam waktu singkat ( Short-Duration Voltage Variations)

Variasi ini terbagi menjadi dua kategori, yaitu :

• SAG

SAG merupakan variasi tegangan rms yang berada di bawah tegangan

nominalnya artinya level tegangan turun. Penyebabnya antara lain starting

large loads, starting large motors , gangguan hubung singkat, dan kerja

7



Undervoltage merupakan penurunan tegangan rms kurang dari 90 % pada

frekuensi daya dengan durasi waktu lebih dari satu menit. Undervoltage

disebabkan antara lain karena penambahan atau pelepasan beban ( load

switching on), pelepasan kapasitor bank, dan overloaded circuits. Solusi

untuk mengatasi undervoltage dengan menambahkan rangkaian untuk

startup beban besar yaitu dengan star-delta configuration dan adjustable

speed drives (ASDs).

Gambar 2.10. Undervoltage

• Overvoltage

Overvoltage merupakan peningkatan tegangan rms lebih dari 110 % pada

frekuensi daya dengan durasi waktu lebih dari satu menit. Overvoltage

disebabkan oleh load switching (pelepasan beban besar atau penambahan

daya kapasitor bank), dan pengaturan tap trafo yang tidak tepat. Untuk

mengatasi overvoltage dengan menggunakan UPS ( Uninterruptible Power

Supply).

Gambar 2.11. Overvoltage

9



II.8. Analisis Aliran Daya

Analisis aliran daya memiliki peranan yang sangat penting dalam

merencanakan perluasan sistem tenaga dan dalam menentukan operasi terbaik untuk

sistem yang telah ada. Keterangan utama didapatkan dari sebuah analisis aliran daya

yaitu besar tegangan, sudut fasa tegangan pada tiap rel, aliran daya nyata dan daya

reaktif pada tiap node. Keterangan tambahan didapat dari hasil printout penyelesaian

program komputer yang digunakan oleh perusahaan penyedia listrik.

II.8.1. Masalah Aliran Daya

Baik admitansi sendiri maupun admitansi bersama yang membentuk matriks

admitansi rel Y rel maupun impedansi titik penggerak dan impedansi pemindah yang

membentuk Z rel dapat digunakan untuk penyelesaian masalah aliran daya.

Pembahasan ini akan dibatasi pada metode yang menggunakan admitansi saja. Untuk

mendapatkan data, akan dilakukan simulasi pada komputer melalui diagram segaris

sistem. Saluran transmisi direpresentasikan dengan rangkaian ekivalen π -nominal.

Gambar 2.12. Rangkaian Ekivalen π -nominal Saluran Transmisi

Nilai impedansi seri dan admitansi shunt (biasanya dalam megavar pada

tegangan nominal) pada saluran transmisi diperlukan agar komputer dapat

menentukan semua elemen dari matrik admitansi ( Y rel) ukuran N Х N dimana elemen

Y ij adalah

(5)

Data penting lainnya meliputi rating dan impedansi tranfo, rating kapasitor

shunt dan setting center tap trafo. Tegangan pada rel i diberikan dalam bentuk

koordinat polar,

10



(6)

Tegangan pada rel j sama seperti persamaan di atas tetapi subskrip i diganti

menjadi j. Arus yang diinjeksi ke jaringan pada rel i dalam bentuk Y in dari Y rel yaitu

(7)

Pi dan Qi merupakan daya nyata dan daya reaktif yang masuk ke jaringan pada

rel i, maka komplek konjugat dari daya yang masuk ke rel i adalah

(8)

Dan jika kita substitusi dari persamaan (5) dan (6) didapatkan

(9)

Jika persamaan (9) dibagi menjadi daya nyata dan daya rektif, kita dapatkan

(10)

(11)

Persamaan (10) dan (11) merupakan bentuk polar dari persamaan aliran daya

untuk menentukan besar daya nyata ( Pi) dan daya reaktif ( Qi) pada masing-masing rel.

Misalkan, Pgi adalah daya tetap yang dibangkitkan pada rel i dan Pdi adalah daya nyata

permintaan yang ditetapkan pada beban di rel. Kemudian, Pi,sch = P gi Pdi adalah daya

yang diinjeksikan ke jaringan melalui rel i. Jadi, daya mismatch P merupakan hasil

pengurangan dari daya menurut perhitungan ( Pi,calc) terhadap daya yang ditetapkan

(Pi,sch) :

(12)

Untuk daya reaktif pada rel i, kita dapatkan

11



(13)

Mismatch terjadi pada penyelesaian aliran daya ketika Pi,calc dan Qi,calc tidak

sama dengan Pi,sch dan Qi,sch . Jika Pi,calc dan Qi,calc sama dengan Pi,sch dan Qi,sch, maka

mismatch Pi dan Qi bernilai nol pada rel i dan kita tuliskan persamaan keseimbangan

daya:

(14)

(15)

Fungsi gi’ dan gi” digunakan untuk menuliskan persamaan yang menyangkut

mismatch Pi dan Qi. Jika rel i tidak ada pembangkitan maupun beban, persamaan yang

tepat adalah persamaan (14) dan (15). Tiap rel pada jaringan memiliki dua bagian

persamaan, dan masalah aliran daya dapat diselesaikan dengan persamaan (10) dan

(11) untuk nilai-nilai tegangan rel yang tidak diketahui yang menyebabkan persamaan

(14) dan (15) terpenuhi pada tiap rel. Jika Pi,sch tidak diketahui untuk rel i, sehingga

mismatch Pi = P i,sch Pi,calc tidak dapat ditentukan yang akhirnya persamaan (14) tidak

terselesaikan dalam penyelesaian masalah aliran daya. Sama halnya, jika Qi,sch tidak

diketahui pada rel i maka persamaan (15) tidak akan terpenuhi.

Ada empat besaran yang tidak diketahui pada rel i adalah Pi , Qi, sudut

tegangan i, dan besar tegangan | V i|. Pada umumnya ada dua persamaan keseimbangan

daya seperti persamaan (14) dan (15) untuk tiap rel pada masing-masing node, maka

harus dihitung jumlah variabel yang tidak diketahui dapat dikurangi untuk disesuaikan

dengan jumlah persamaan yang tersedia sebelum memulai untuk menyelesaikan

masalah aliran daya. Cara yang umum pada analisis aliran daya adalah

mengidentifikasi tiga tipe rel pada jaringan. Pada tiap rel i, dua dari empat besaran Pi ,

12



Qi, i, dan | V i| telah ditentukan dan dua yang lain dihitung.

•••• Rel beban ( Load Buses )

Pada setiap rel nongenerator disebut rel beban, Pgi dan Qgi keduanya bernilai nol.

Daya nyata Pdi dan daya reaktif Qdi diketahui dari rekaman kejadian, perkiraan

beban, atau pengukuran. Pada kenyataannya, hanya daya nyata yang diketahui dan

daya reaktif didasarkan pada asumsi faktor daya, misalkan 0.85 atau lebih tinggi

lagi. Sebuah rel beban i sering disebut rel P-Q karena nilai-nilai yang diketahui

Pi.sch = -P di dan Qi.sch = -Qdi sehingga mismatch Pi dan Qi dapat ditentukan.

Persamaan (14) dan (15) secara tegas menyatakan masalah aliran daya, dan dua

nilai yang belum diketahui adalah i, dan | V i|.

•••• Rel tegangan yang terkontrol ( Voltage-controlled buses )

Beberapa rel pada sistem dengan besar tegangan konstan sehingga dapat

dikatakan sebagai tegangan terkontrol, sedangkan besaran lain yang diketahui

adalah P i baik daya yang ditetapkan maupun perhitungan. Pada tiap rel yang

terhubung dapat dikontrol oleh penyetelan prime mover (mesin penggerak), dan

besar tegangan dapat dikontrol oleh penyetelan eksitasi generator. Oleh karena

itu, pada tiap rel generator i, kita dapat menentukan Pi, dan | V i|. Dengan

diketahuinya Pdi, kita dapat menghitung mismatch Pi dari persamaan (12). Daya

reaktif generator Qgi digunakan untuk menghitung | V i|, dan mismatch Qi. Oleh

karena itu, sudut tegangan i pada rel generator i harus dihitung dan persamaan

(14) digunakan untuk mencari Pi. Setelah masalah aliran daya terselesaikan, Qi

dapat dihitung dari persamaan (11). Untuk tujuan tertentu, rel generator biasanya

disebut voltage-controlled atau PV bus.

•••• Rel berayun ( Slack bus )

13



Diasumsikan rel 1 sebagai slack bus. Ciri khas dari rel ini adalah besar tegangan

dan sudutnya diketahui, jadi bisa digunakan sebagai referensi.

Untuk mengetahui mengapa P1 dan Q1 tidak ditetapkan pada slack bus, kita

bandingkan bahwa tiap rel N pada sistem sebuah persamaan sama dengan persamaan

(14) dapat dituliskan dengan kisaran i dari 1 sampai N , sehingga

Real power loss

Total load

Total generation

(16)

P L merupakan I 2 R (total loss) pada saluran transmisi dan transformator pada

jaringan. Arus individu dalam saluran transmisi yang berbeda pada jaringan tidak

dapat dihitung sampai setelah besar dan sudut tegangan diketahui pada setiap rel.

Salah satu cara penyelesaian masalah aliran daya, kita pilih salah satu rel, yaitu slack

bus, dimana P g tidak ditetapkan. Setelah masalah aliran daya dapat diselesaikan,

perbedaan antara P total yang masuk ke sistem pada semua rel lain dan keluran P total

ditambah I 2 R (losses) diberikan ke slack bus. Untuk alasan ini, rel generator harus

dipilih sebagai slack bus. Perbedaan antara keseluruhan megavars yang dikirim oleh

generator pada rel dan megavars yang diterima oleh beban sebagai berikut :

(17)

Persamaan ini terpenuhi pada rel individu dengan memenuhi persamaan (15)

pada tiap rel i untuk menyelesaikan masalah aliran daya. Q i dapat dihitung dari

persamaan (11) setelah solusi aliran daya terselesaikan. Nilai pada sisi kiri persamaan

(17) dapat dihitung dengan menggabungkan megavars yang terhubung dengan saluran

14



(23)

Jika kita abaikan turunan parsial orde lebih besar dari satu, persamaan (22) dan

(23) dapat ditulis kembali dalam bentuk matrik,

J (0)

(24)

Di mana matrik bujur sangkar turunan parsial disebut matrik Jacobian (J (0)).

Kemudian kita mendapatkan sistem linear persamaan mismatch

(25)

Dengan menyelesaikan persamaan mismatch dengan inversnya sehingga dapat

x1(0) dan x2(0) ditentukan. Nilai ini ditambahkan pada estimasi awal namun belum

mendekati hasil yang sebenarnya, jadi diulangi lagi untuk estimasi baru x1(1) dan x2(1)

di mana

(26)

Proses ini diulangi sampai koreksi menjadi sekecil mungkin dan memenuhi

indeks presisi yang telah ditentukan, misalnya ε > 0 yaitu sampai ∆ x1dan ∆ x2

lebih kecil dari ε . Dengan menggunakan metode Newton-Raphson untuk

16



Mismatch baru adalah

Dengan menggunakan matrik Jacobian didapatkan hasil baru

Hasil ini juga melewati batas toleransi indeks ketelitian, sehingga berlanjut ke

iterasi berikutnya yang menghasilkan

Berlanjut ke iterasi ketiga, ditemukan hasil x1(3) dan x2(3) besarnya lebih kecil

dari toleransi yang ada yaitu 10 -5. Oleh karena itu, didapatkan penyelesaian

Pada contoh ini, kita selesaikan masalah aliran daya pertama dengan metode

Newton-Raphson. Hal ini disebabkan karena kedua persamaan nonlinear dari contoh

tersebut merupakan persamaan aliran daya untuk sistem sederhana.

(27)

(28)

Dimana x1 menunjukkan sudut 2 dan x2 menunjukkan besar tegangan | V 2| pada

rel 2. Kontrol u adalah besar tegangan | V 1| pada slack bus, dan dengan mengubah

nilainya menjadi 1.0 per unit, dapat digunakan untuk mengatasi masalah ini.

18



II.8.3. Penyelesaian Aliran Daya Newton-Raphson

Metode Newton-Raphson digunakan pada penyelesaian dari persamaan aliran

daya. Diasumsikan tegangan rel dan admitansi saluran dalam bentuk polar. Ketika n =

i pada persamaan (10) dan (11) dan didapatkan

(29)

(30)

Persamaan ini dapat dibedakan dari sudut dan besar tegangannya. Gii dan Bii

berasal dari elemen Y ij pada persamaan (5) dan kenyataan bahwa sudut ( ni) adalah nol

ketika n = i.

Dengan mempertimbangkan rel-rel tegangan terkontrol dan menganggap

semua rel (kecuali slack bus) sebagai rel-rel beban dengan parameter yang diketahui

Pdi dan Qdi. Slack bus diketahui dengan variabel 1 dan |V 1| sedangkan rel-rel lain pada

jaringan memiliki variabel i dan | V i| yang akan dihitung pada penyelesaian aliran daya.

Variabel yang diketahui untuk Pdi dan Qdi sesuai dengan konstanta negatif b pada

persamaan (18) dan (19). Pada rel yang bukan slack bus diperkirakan variabel i dan | V i|

sesuai dengan perkiraan x1(0) dan x2(0). Mismatch ∆ g pada persamaan (25) sesuai

dengan persamaan (12) dan (13) dengan menuliskan mismatch daya untuk tipe rel

beban i,

(31)

(32)

Untuk daya nyata Pi,

19



(33)

Ketiga bentuk terakhir dapat dikalikan dan dibagi dengan besar tegangan tanpa

mengubah nilainya, sehingga didapatkan

(34)

Persamaan mismatch yang sama dapat dituliskan untuk daya reaktif Qi,

(35)

Tiap rel bukan slack bus memiliki dua persamaan untuk ÄPi dan ÄQi. Seluruh

persamaan mismatch dimasukkan ke dalam bentuk matrik vektor,

jacobian

correction

mismatches

(36)

Mismatch tidak dapat dimasukkan pada slack bus jika P1, Q1 tidak terdefinisi

dan P1,Q1 tidak ditetapkan. 1 dan | V 1| diabaikan dari persamaan karena bernilai nol

20



pada slack bus.

Salah satu bentuk pada persamaan (36) menekankan empat tipe turunan parsial

berbeda yang masuk ke jacobian J . Elemen J 12 dan J 22 memiliki pengali besar

tegangan. Dengan memilih bentuk ini, dapat kita gunakan,

koreksi

Elemen J 12

(37)

Penyelesaian persamaan (32) didefinisikan oleh iterasi sebagai berikut:

• Perkirakan i(0) dan | V i|(0) untuk state variable.

•Gunakan perkiraan tadi untuk menghitung :

dan dari persamaan (29) dan (30),

Mismatch Pi(0) dan Qi(0) dari persamaan (31) dan (32)

Elemen turunan parsial dari Jacobian J

• Selesaikan persamaan (36) i(0) dan | V i|(0) / |V i|(0) sebagai koreksi awal.

• Tambahkan koreksi tadi ke estimasi awal untuk menghasilkan

(38)

(39)

• Gunakan variabel baru i(1) dan | V i|(1) sebagai variabel awal untuk iterasi 2 dan

berikutnya.

21



Pada umumnya, formula terbaru untuk variabel awal adalah

(40)

(41)

Untuk sistem keempat rel, submatrik J 11 memiliki bentuk

(42)

Ekspresi tiap elemen pada persamaan ini lebih mudah ditentukan dengan

menurunkan nilai yang sesuai dengan bentuk persamaan (29). Ketika varibel n = j,hanya satu bentuk cosinus pada persamaan (29) yang mengandung unsur j, dan

dengan turunan parsial bentuk tunggal j, akan menghasilkan elemen diagonal J 11 ,

(43)

Di sisi lain, setiap bentuk pada persamaan (29) mengandung unsur j, sehingga

tipe elemen diagonal dari J 11 adalah

(44)

Dengan membandingkan persamaan ini dan persamaan (30), dihasilkan

22



(45)

Elemen J 21 didapatkan dengan cara yang sama,

(46)

(47)

Bandingkan persamaan ini untuk Qi / i dengan persamaan (29) untuk Pi, dapat

diperlihatkan

(48)

Elemen submatrik J 12 lebih mudah ditentukan dengan menurunkan Pi / |V j| dan

kemudian dikalikan dengan |V j| menghasilkan

(49)

Bandingkan dengan persamaan (46)

(50)

Ini merupakan hasil yang sangat berguna, untuk mengurangi perhitungan

jacobian yang rumit maka dapat disederhanakan J 12 merupakan kebalikan dari J 21 .

Persamaan ini tidak akan menjadi jelas jika Pi / |V j| tidak dikalikan dengan |V j| pada

persamaan (34). Dengan cara yang sama, elemen diagonal dari J 12 dapat dicari dengan

(51)

23



Dan bandingkan hasil ini dengan persamaan (47) dan (48), didapatkan

(52)

Akhirnya, elemen diagonal submatrik J 22 dari jacobian didapatkan

(53)

(54)

Hasil tersebut dijabarkan lagi dengan definisi :

Off-diagonal elements, i ≠ j

(55)

(56)

Diagonal elements, i = j

(57)

(58)

Hubungan timbal-balik antar elemen pada keempat submatrik jacobian lebih jelas

terlihat jika kita gunakan definisi tadi dengan menuliskan ulang persamaan (36) pada

bentuk berikut:

(59)

Sejauh ini, kita menganggap semua rel bukan slack bus sebagai rel-rel beban.

24



• Instalasi rumah

Sesuai dengan definisi, jatuh tegangan adalah :

∆V= |V k |− |V t | ( 60 )

dimana:

Vk = nilai mutlak tegangan ujung kirim

V t = nilai mutlak tegangan ujung terima

Jadi, ∆V pada persamaan 60 merupakan selisih antara tegangan ujung kirim dan

tegangan ujung terima.

II.9.2 Drop Voltage Pada Sistem Tiga Fasa

Dalam menghitung jatuh tegangan pada sistem tiga fasa – tiga kawat

diasumsikan bebannya seimbang. Untuk sistem tiga fasa seimbang dengan beban ,

maka arus jala-jalanya adalah :

Jatuh tegangan dapat ditulis :

(61)

Atau

(62)

Bisa juga dinyatakan dalam bentuk daya aktif dan reaktif yaitu :

(63)

Atau

(64)

dimana k adalah suatu konstanta yaitu:

(65)

II.10. ETAP PowerStation 4.0

ETAP PowerStation 4.0 adalah program penganalisa transient listrik yang

26



diperkaya dengan grafis yang bekerja pada sistem operasi Microsoft® Windows 98,

NT 4.0, 2000, Me, dan XP. Windows NT 4.0 dan 2000 menyediakan performansi

tertinggi dari aplikasi ini dimana kita bisa menganalisa jaringan yang besar yang

membutuhkan komputasi secara intensif dan pengamatan secara online dan aplikasi

kontrol yang lain.

PowerStation juga membuat kita bekerja secara langsung dengan grafis

diagram satu garis dan sistem pengkabelan bawah tanah. Program ini telah dirancang

sesuai dengan tiga konsep kunci yaitu:

• Virtual Reality Operation

Operasi program ini menyerupai operasi sistem listrik yang nyata senyata

mungkin. Sebagai contoh, ketika membuka atau menutup CB, setel pada ’out of

service’ atau ganti status operasi dari motor. PowerStation berisi juga konsep baru

dalam menentukan koordinasi alat proteksi secara langsung dari diagram satu

garis.

• Total Integration of Data

PowerStation mengkombinasikan unsur elektrik, mekanik, logik, dan fisik unsur

dari elemen-elemen sistem pada database yang sama. Sebagai contoh, sebuah

kabel tidak hanya terdiri atas data yang merepresentasikan properti elektriknya dan

dimensi fisiknya akan tetapi juga informasi yang menyatakan bagaimana kabel

tersebut dipasang. Oleh karena itu data untuk sebuah kabel dapat digunakan untuk

analisis aliran beban atau hubung singkat, yang memerlukan parameter elektris dan

interkoneksi sebagaimana perhitungan derating ampacity cable diperlukan, yang

memerlukan data fisik. Integrasi dari data ini membutuhkan konsistensi pada

keseluruhan sistem dan menghilangkan masukan data berulang pada elemen yang

27



sama.

• Simplicity in Data Entry

PowerStation menyimpan data rinci dari setiap komponen listrik. Data editor

dapat mempercepat dalam memasukkan data dengan cara meminimumkan data

untuk studi khusus. Untuk itu, pada program ini editor propertinya sudah

terstruktur pada sifat logika terbaiknya dalam memasukkan data untuk tipe-tipe

analisis dan desain yang berbeda.

PowerStation mengatur pekerjaan kita pada sebuah basis proyek. Setiap

proyek menyediakan semua alat-alat yang diperlukan dan mendukung bagi pemodelan

dan analisa sistem tenaga listrik. Sebuah proyek terdiri atas sistem elektrik yang

membutuhkan suatu set yang unik dari komponen elektrik dan interkoneksinya. Pada

PowerStation, setiap proyek dilengkapi sebuah set dari pengguna, akses kontrol dari

pengguna dan data terpisah yang mana semua data dari elemen dan konektivitasnya

tersimpan.

Akses kepada file proyek yang ada adalah melalui sebuah file proyek yang

khusus dengan ekstentis .oti. Database program disimpan memalui ODBC kedalam

sebuah file database seperti Microsoft Access (*.mdb). File ini bekerja bersama-sama

untuk menyediakan kontrol akses dan penyimpanan untuk setiap proyek dan

dinamakan persis seperti proyek yang kita kerjakan. PowerStation menempatkan

semua laporan hasilnya dari program kita ke dalam sub-directory yang sama di mana

database berada.

Dengan PowerStation kita dapat membuat secara grafis diagram satu garis dan

sistem bawah tanahnya serta menampilkan aliran daya, hubung singkat, starting

motor , stabilitas transien, koordinasi peralatan proteksi, dan studi derating kabel dari

28



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Proses terjadinya petir

Pada keadaan tertentu, dalam lapisan atmosfer bumi terdapat gerakan

angin ke atas membawa udara lembab. Makin tinggi dari muka bumi, makin

rendah tekanan dan suhunya. Uap air mengkondensasi menjadi titik air, dan

membentuk awan.

Angin keras yang meniup ke atas membawa awan lebih tinggi. Pada

ketinggian ±5 km, membeku menjadi kristal es yang turun lagi karena adanya

gravitasi bumi. Karena tetesan air mengalami pergeseran horizontal maupun

vertikal, maka terjadilah pemisahan muatan listrik. Tetesan air yang bermuatan

positif biasanya berada di bagian atas, dan yang bermuatan negatif di bagian

bawah.

Dengan adanya awan yang bermuatan akan timbul induksi pada muka

bumi, hingga timbul medan listrik. Mengingat dimensinya, bumi dianggap rata

terhadap awan. Jadi awan dan bumi dianggap sebagai kedua plat kondensator.

Jika medan listrik yang terjadi melebihi medan tembus udara, maka akan terjadi

pelepasan muatan. Pada saat itulah terjadi petir.

Gambar II.1 Proses terjadinya petir

Kondisi ketidak mantapan di dalam atmosfer, dapat saja timbul akibat

pemisahan tidak seperti diatas. Misalnya muatan yang terjadi berpisah ke arah

horizontal, yang kemudian menimbulkan pelepasan muatan antara dua awan, atau

1



pemisahan muatan vertikal tersebut dan sebaliknya, hingga arah discharge

muatan atau petir juga terbalik. (Reynaldo Zoro,1999)

II.2. Tahapan sambaran petir ke tanah

Pada saat gradien listrik di awan melebihi harga tembus udara yang

terionisasi, terjadilah pilot streamer , yang menentukan arah perambatan muatan

dari awan ke udara yang ionisasinya rendah, diikuti dengan titik cahaya.

Setiap sambaran petir bermula sebagai suatu lidah petir ( steped leader )

yang bergerak turun ( down leader ), dari awan bermuatan. Kemudian gerakan

pilot streamer yang diikuti dengan lompatan titik titik cahaya yang dinamakan

step leader . Arah setiap langkah step leader berubah ubah, sehingga secara

keseluruhan jalanya tidak lurus dan patah-patah.

Menurut hipotesa Wagner dan Hileman, step leader terdiri dari dua bagian

yaitu suatu inti tipis berdaya hantar tinggi, disebut kanal dan dikelilingi oleh suatu

muatan ruang negatif, disebut korona. Gradien tegangan di dalam selubung

korona mempunyai karakteristik suatu pelepasan muatan korona, temperaturnya

rendah, tertembusi oleh banyak alur.

Gambar II.2.a. Model Stepped Leader dari Wagner dan Hileman

Jika suatu saat ujung kanal mencapai titik maksimum dalam

perambatannya berupa suatu lompatan, selubung korona akan mendahului

terbentuknya pada bagian depan ujung kanal. Bila pembentukan selubung korona

konsentrasi energi pada ujung kanal mencapai harga kritis atau jika arus pada

salah satu alur korona mencapai harga kritis (sekitar 1A), maka akan terjadi

perambatan kanal. Kecepatan tinggi perambatan kanal dapat diterangkan sebagai

2



Gambar II.2.b. Tahapan sambaran petir

II.3. Mekanisme Sambaran Petir

Petir lebih cenderung menyambar tempat-tempat yang tinggi di

permukaan bumi. Hal ini karena kuat medan disekitar ujung atau puncak

bangunan tersebut lebih rapat, dan sifat dari muatan akan cenderung mengumpul

pada puncak atau ujung dari bagian yang runcing, begitu pula tepian runcing

bangunan.

Bukan tidak mungkin pula sebuah bangunan yang tinggi tidak

disambar oleh petir pada puncaknya, tetapi pada dasarnya ataupun tengahnya

disebabkan oleh lompatan stepped leader .

Arus petir akan discharge ke bumi dengan jalan yang paling konduktif

4



atau paling kecil resistifitasnya. Dan pada saat konduktor penangkal petir dilalui

arus sambaran petir, sangatlah mungkin orang ataupun bangunan disekitanya

akan diloncati oleh arus sambaran tersebut.

Mekanisme terjadinya petir dapat dibagi menjadi sambaran perintis dan

sambaran balik:

• Sambaran Perintis ( Initial Leader )

Peralihan muatan ke tanah dimulai dengan sambaran yang berjalan ke

dekat dasar daerah bermuatan negatif dalam awan melalui beberapa tahapan.

Tiap tahapan akan hilang sebagai kilauan yang bertambah. Hal ini disebabkan

oleh udara yang terionisasi di ujung sambaran.

Sambaran perintis menuju ke tanah dengan dengan kecepatan rata-rata

109 cm/detik melalui lintasan zig-zag. Sambaran ini mengangkut muatan

negatif sepanjang lintasannya sehingga menciptakan medan listrik dalam

ruang antara ujung sambaran perintis dengan tanah.

• Sambaran balik ( Return Stroke )

Pada saat sambaran perintis mencapai ketinggian tertentu dari

permukaan bumi maka dimulailah sambaran positif ke atas untuk menemui

ujung sambaran perintis yang bermuatan negatif. Kilauan cahaya dari

sambaran balik ini jauh lebih besar dari sambaran perintis.

Sambaran balik menyalur melalui lintasan perintis yang terionisasi

dengan kecepatan 3x10 9 cm/detik. Arus dari sambaran balik inilah yang

menjadi arus utama petir yang berkisar 5 kA sampai 200 kA dengan nilai rata-

rata arus puncak 20 kA. (Reynaldo Zorro, 1995).

5



Pelepasan awal

utama (initial leader)

Menurut Whitehead :

Dimana : I = kA

d = striking distance

(jarak pukul petir)

Pelepasan

Gambar II.3.a Mekanisme terjadinya petir

II.4 Karakteristik Terpa arus petir

Bagian dasar awan kebanyakan bermuatan negatif, tetapi dapat juga

bermuatan positif. Polaritas ini berpengaruh pada besar arus disamping arahnya. Di

bawah awan positif arus sambaran perintis berkisar antara 1000-3000 A di bawah

awan negatif berkisar 50-300 A. tetapi sambaran balik berkisar 8-150 kA di bawah

awan negatif dan sampai 300 kA di bawah awan positif.

K. Berger telah melakukan pengamatan dan pengukuran terhadap arus petir

yang dijelaskan pada gambar di bawah ini:

6



Gambar II.4.a Osilogram arus petir negatif

Gambar II.4.b Osilogram arus petir positif

Gambar II.4.c. Karakteristik Terpa petir

Dimana :

t1 berharga 1 ÷ 10 µs

t2 berharga 1 ÷ 100 µs

terpa petir umumnya digambarkan sebagai t 1 /t2

polaritas petir statistik, positif = 14%

negatif = 80%

Pos/neg = 6%

Dan arus petir tertinggi yang pernah di ukur = 400 kA

II.5 Parameter petir

Parameter ini berguna dalam studi efek perusakan akibat sambaran petir

dan kemungkinan pemanfaatanya. Parameter-parameter tersebut adalah :

• Arus puncak, menentukan jatuh tegangan resistif, misalnya pada tahanan

pentanahan.

• Kecuraman kenaikan arus (), menentukan tegangan jatuh induktif, misalnya

pada konduktor, rangkaian terkopling magnetis.

• Muatan arus (), merupakan ukuran energi arus petir sebagai arus loncat petir

7



ke logam.

• Integral kuadrat arus , merupakan dasar efek mekanik dan panas impuls listrik

pada resistor.

II.6. Jumlah Sambaran Kilat ke Bumi

Jumlah sambaran kilat ke bumi adalah sebanding dengan jumlah hari

guruh per tahun atau “ Iso Keraunik Level ” (IKL) di tempat itu.banyak para

penyelidik yang telah memberikan perhatian ke arah ini dan mengemukakan

rumus-rumus yang berlainan. Rumus- rumus tersebut diberikan pada tabel di

bawah ini,

Untuk Indonesia penulis mengusulkan menggunakan,

…………………………… II.6

Dimana,

N = Jumlah sambaran per km 2 per tahun

IKL = jumlah hari guruh per tahun

Tabel II.6. Klasifikasi kerapatan petir

N

No.

Lokasi Kerapatan sambaran

petir N (per km.kwadrat

per tahun) (!)

Penyelidik

India 0,10 IKL Aiya (1968)

8



Rhodesia 0,14 IKL Anderson dan Jenner

(1954)

Afrika Selatan 0,023 IKL Anderson-Eriksson

(1954)

Swedia 0,004 IKL Muller-Hillebrand

(1964)

Inggris (UK) a(IKL) b

a = 2,6 ± 0,2x10 -3

b = 1,9 ± 0,1

String fellow (1974)

USA (bag. Utara) 0,11 IKL Horn & Ramsey

(1951)

USA (bag. Selatan) 0,17 IKL Horn & Ramsey

(1951)

USA 0,1 IKL Anderson (1968)

USA 0,15 IKL Brown & whitehead

(1969)

Russia 0,036 (IKL) 1,3 Kolokov & Pavlova

(1972)

Dunia (iklim sedang) 0,19 IKL Brooks (1950)

Dunia (Iklim sedang) 0,15 IKL Golde (1966)

Dunia (Iklim tropis) 0,13 IKL Brooks (1950)

(!) untuk daerah di sekitar khatulistiwa dengan iklim tropis seperti di Indonesia

dengan IKL berkisar antara 60 sampai 150.

9



udara, menara, gardu induk) dapat berupa:

II.7.1 Sambaran langsung

Tegangan lebih akibat sambaran kilat selain tergantung pada parameter

kilat (arus puncak dan waktu muka) juga dipengaruhi oleh jenis saluran dan

tiang penopang. Jenis saluran adalah saluran tanpa kawat tanah dan saluran

dengan kawat tanah, dan jenis tiang penopang adalah : tiang besi, tiang kayu

dan tiang beton, tiang kayu atau beton, demikian juga lengan ( cross arm )

kayu mempengaruhi besar tingkat ketahanan impuls isolasi saluran.

Perhitungan-perhitungan akan dilakukan berdasarkan tiang dan lengan

besi. Pengaruh penambahan tingkat ketahanan isolasi dari kayu atau beton

dapat ditambahkan pada tingkat ketahanan impuls isolasi dari isolator.

Tahanan kontak tiang pada tiang-tiang yang diketanahkan

mempengaruhi juga tegangan yang timbul pada isolator saluran. Besar

tahanan kontak ini berkisar antara 5 Ω sampai 50 Ω . Dalam perhitungan-

perhitungan dianjurkan menggunakan 20 Ω .

II.7.2 Sambaran langsung pada kawat phasa :

Pada sambaran ke kawat phasa untuk saluran tanpa kawat tanah

hanya di tinjau arus puncak kilat. Pada saluran tanpa kawat tanah,

hampir semua sambaran kilat mengenai tiang. Parameter sambaran kilat

yang yang berpengaruh jika terjadi sambaran kilat pada saluran tanpa

kawat tanah adalah arus uncaknya, sedangkan pengaruh dari kecuraman

arus dapat diabaikan. Selama terjadi sambaran pada kawat, suatu

11



impedansi yang sama dengan setengah dari impedansi surja kawat

dihubungkan pada tempat sambaran. Untuk sambaran langsung pada

kawat phasa, maka besar arus kilat pada tempat sambaran adalah,

……………………….. II.7.1.a

Di mana:

I = besar arus kilat pada tempat sambaran

Io = besar arus kilat bila kilat menyambar sesuatu objek dengan

tahanan nol ( zero resistance ground )

Zk = impedansi surja kanal kilat

Zp = impedansi surja kawat

Sebagai pendekatan, umumnya diambil sehingga persamaanya menjadi,

………………………….. II.7.1.b

Oleh karena itu pada tiap sisi dari titik sambaran, besar arus adalah dan

besar tegangan yang timbul pada kawat

………………………….. II.7.1.c

Dimana :

VP = Besar tegangan yang timbul pada kawat

Jumlah sambaran kilat pada saluran yaitu,

12



sambaran per 100 km per tahun

Dimana :

NL = jumlah sambaran per 100 km per tahun

IKL = hari guruh nasional

b = jarak antara kawat fasa (meter)

h = tinggi kawat fasa dari tanah (meter)

II.7.3 Sambaran Langsung pada Menara

Sambaran langsung pada menara akan menyebabkan

terjadi kenaikan tegangan yang dapat menyebabkan terjadinya back

flash over .

Gambar II.7.3. Sambaran pada menara

…………………………… II.7.2

Dimana :

is = arus petir

L = induktansi menara

RE = tahanan kaki menara

L = tinggi menara.

II.7.4. Sambaran Langsung pada Gardu

Dapat terjadi, yang dapat menyebabkan kerusakan peralatan

13



sehingga terhentinya pelayanan daya dalam waktu lama.kemungkinan

sambaran ini dihindarkan dengan melindungi gardu dengan kawat

tanah/ batang-batang konduktor dan penatanahan yang baik (<5 Ω).

(Reynaldo Zoro,1999).

II.8. Perlindungan Penghantar Akibat Sambaran Langsung

Alat pelindung yang paling umum digunakan adalah penangkap petir

(arrester). Alat ini dihubungkan antara kawat phasa dengan tanah pada gardu,

dengan tujuan menyalurkan tegangan lebih tinggi ke tanah sampai pada batas

aman untuk peralatan. Jika sebuah gelombang mencapai arrester akan terjadi

tembus pada tegangan tertentu (U A) dan arus akan melalui impedansi rendah ke

tanah. Jika arus terpatelah lalu dan tegangan kembali normal, maka impedansi ini

harus menjadi besar.

Lightning arrester mepunyai rating sebagai berikut

• tegangan nominal atau tegangan pengenal (U A) ( Nominal Voltage Arrester )

yaitu tegangan dimana penangkap petir masih bekerja sesuai dengan

karakteristiknya. Penangkap petir tidak dapat bekerja pada tegangan

maksimum sistem yang direncanakan, tetapi masih mampu memutuskan arus

ikutan dari sistem secara efektif.

• Arus pelepasan nominal ( Nominal Discharge Current )

Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu

yang digunakan untuk menentukan kelas dari penangkap petir sesuai dengan

14



kemampuan melewatkan arus dan karakteristik pelindungnya. Bentuk

gelombang arus pelepasan tersebut menurut standar Inggris dan Eropa (IEC)

adalah 8 µs/20 µs. Dan menurut standart Amerika 10 µs dengan kelas arus

2,5 kA dengan tegangan sistem dibawah 22 kV.

• Tegangan Percikan Frekswensi jala-jala ( Power Frequency Spark Over

Voltage )

Penangkap petir tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam ( internal

over voltage ) dengan amplitudo yang rendah karena dapat membahayakan

sistem. Untuk alasan ini maka ditentukan tegangan percikan frekwensi jala2

minimum. Menurut standart Inggris (B.S) tegangan percikan frekwensi jala-

jala minimum = 1,6 x tegangan pengenal penangkap petir. Menurut IEC

tegangan percikan frekwensi jala-jala minimum = 1,5 x tegangan pengenal

penangkap petir.

• Tegangan percikan impuls maksimum ( Maximum Impuls Spark Over

Voltage )

Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal

penangkap petir sebelum penangkap petir tersebut bekerja. Bentuk

gelombang impuls tersebut menurut IEC adalah 1,2 µs/50 µs. Hal inimenunjukkan bahwa jika tegangan puncak terpa petir yang datang

mempunyai harga yang lebih tinggi atau sama dengan tegangan percikan

maksimum dari penangkap petir, maka penangkap petir tersebut akan bekerja

memotong terpa petir tersebut dan mengalirkannya ke tanah.

15



• Tegangan sisa ( Residual Voltage dari Discharge Vol tage)

Adalah tegangan yang timbul diantara terminalpenangkap petir pada saat arus

petir mengalir ke tanah. Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu

penangkap petir tertentu tergantung pada kecuraman gelombang arus yang

datang (di/dt dalam A/ µs) dan amplitudo dari arus pelepasan ( discharge

current ). Untuk menentukan tegangan sisa ini digunakan impuls arus sebesar

8 µs/ 20 µs (IEC standart) dengan harga puncak 5 kA dan 10 kA. Untuk

harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka tegangan sisa ini tidak akan naik

lebih tinggi lagi. Hal ini dikarenakan karakteristik tahanan yang tidak linier

dari penangkap petir.

• Arus Pelepasan Maksimum ( Maximum Discharge Current )

Adalah arus terpa maksimum yang dapat mengalir melalui penangkap petir

setelah tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari

penangkap petir. Bentuk gelombang arus terpa menurut standar IEC : 4 µs/10

µs.

Transformator merupakan bagian instalasi pusat listrik yang paling mahal

dan rawan terhadap sambaran petir, selain itu jika sampai terjadi kerusakan

transformator, maka daya dari pusat listrik tidak dapat sepenuhnya disalurkan danbiayanya mahal serta waktu untuk perbaikan relatif lama.

16



Saluran trasmisi merupakan suatu sistem yang kompleks yang mempunyai

karakteristik yang berubah ‐ubah secara dinamis sesuai keadaan sistem itu sendiri.

Adanya perubahan karakteristik ini dapat menimbulkan masalah jika tidak segera

dapat diantisipasi. Dalam hubungannya dengan sistem pengamanan suatu sistem

transmisi, adanya perubahan tersebut harus mendapat perhatian yang besar

mengingat saluran transmisi memiliki arti yang sangat penting dalam proses

penyaluran daya.

Menurut Djiteng Marsudi (1990:V-18), gangguan didefinisikan sebagai

kejadian yang menyebabkan bekerjanya relai dan menjatuhkan Pemutus Tenaga

(PMT) di luar kehendak operator, sehingga menyebabkan putusnya aliran daya yang

melalui PMT tersebut. Bagian SUTT yang paling sering terkena gangguan ada pada

kawat transmisi (70% s.d. 80% dari seluruh gangguan). Hal ini disebabkan karena

luas dan panjang kawat transmisi yang terbentang dan beroperasi pada kondisi udara

yang berbeda – beda. (T.S. Hutauruk, 1985: 3). Ditinjau dari sifatnya, gangguan pada

SUTT 30 kV dan 150 kV terdiri dari gangguan yang bersifat temporer dan bersifat

permanen. (PLN:Pusdiklat).

a. Gangguan yang bersifat temporer

Gangguan temporer yaitu gangguan yang berlangsung singkat dan dapat hilang

dengan sendirinya. Sebab gangguan ini dapat terjadi karena petir, burung, atau

dahan pohon yang menyentuh kawat fasa SUTT dalam waktu singkat yang dapat

menyebabkan terjadinya loncatan api yang dapat mengakibatkan hubung

singkat.



b. Gangguan yang bersifat permanen

Gangguan permanen yaitu gangguan yang berlangsung lama dan tidak dapat

hilang dengan sendirinya. Gangguan ini baru bisa diatasi setelah gangguannya

dihilangkan. Gangguan ini bisa disebabkan karena ada kerusakan peralatan,

sehingga gangguan ini baru hilang setelah kerusakan ini diperbaiki atau karena

ada sesuatu yang mengganggu secara permanen, misalnya kawat putus atau

dahan yang menimpa kawat fasa SUTT. Gangguan temporer yang terjadi

berkali-kali dapat menyebabkan timbulnya kerusakan peralatan yang akhirnya

dapat menyebabkan gangguan yang bersifat permanen.

2.2. Trafo Tenaga (PT)

Trafo tenaga adalah suatu peralatan tenaga listrik yang berfungsi untuk

menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau

sebaliknya (mentransformasikan tegangan) (Soekarto Ir. , J. 2001). Trafo pada

pemakaian sistem tenaga listrik dapat dibagi:

a. Trafo penaik tegangan ( step up ) atau biasa disebut trafo daya, yaitu untuk

menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi.

b. Trafo penurun tegangan ( step down ) atau disebut trafo distribusi, yaitu untuk

menurunkan tegangan transmisi menjadi tegangan distribusi.

c. Trafo instrumen, yaitu untuk pengukuran yang terdiri dari trafo tegangan dan

trafo arus, dipakai menurunkan tegangan dan arus agar dapat masuk ke

meter-meter pengukuran.



2.3. Trafo Arus (CT)

Trafo arus ialah suatu trafo yang digunakan untuk mentransformasikan arus

primer yang akan diukur ke sekunder yang masuk ke meter-meter atau ke relai dan

sebagai isolasi antara sisi primer dengan sisi sekundernya dimana alat ukur atau relai

dipasang (Soekarto Ir. , J. 2001).

Pada umumnya trafo arus mempunyai beberapa bagian dan fungsinya, antara

lain :

a. Kumparan

Berfungsi untuk mentransformasikan besaran-besaran ukur arus listrik

dari yang tinggi ke rendah.

b. Isolasi

Umumnya terdiri dari zat cair yaitu minyak untuk mengisolasi bagian

yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan.

c. Porselen

Sebagai isolasi antara bagian yang bertegangan dengan bagian

bertegangan yang berlainan fasa.

d. Dehydrating Breather

Suatu peralatan pernafasan yang berfungsi untuk menyerap udara lembab

yang timbul dalam trafo, sehingga mencegah rusaknya isolasi.

e. Terminal

Tempat penghubung dari sisi primer atau sekunder ke bagian-bagian

peralatan listrik yang membutuhkannya.



Pada trafo arus memiliki arus primer dan juga sekunder, arus primer adalah

arus yang besar bertegangan tinggi dan arus sekunder adalah arus yang kecil

bertegangan rendah. Arus primer bisa diketahui dari arus nominal trafo itu sendiri

dan biasanya berkelipatan 10 (Ir. J Soekarto, 2001) dan untuk arus sekunder terdapat

tiga besaran arus yang telah distandarisasi yaitu:

- 1 A → Umumnya digunaka bila jarak antara trafo arus dengan alat ukur

atau relai jauh.

- 2 A → Untuk keperluan tertentu.

- 5 A → Umumnya digunaka bila jarak antara trafo arus dengan alat ukur

atau relai dekat.

2.4. Sistem Proteksi

Peranan proteksi didalam sistem tenaga listrik adalah untuk mengamankan

peralatan/sistem sehingga kerugian akibat gangguan dapat dihindari sekecil mungkin

dengan cara (PLN, 2006):

1. Mendeteksi adanya gangguan atau keadaan abnormal yang dapat

membahayakan sistem.

2. Melepas bagian sistem yang terganggu secepat mungkin sehingga kerusakan

dapat dikurangi sekecil mungkin dan bagian sistem lainnya tetap dapat

bekerja.

2.4.1. Fungsi dan Syarat Sistem Proteksi

Fungsi sistem proteksi yaitu dipergunakan untuk mengamankan semua

komponen yang terlibat didalamnya dari kemungkinan terjadinya kecelakaan akibat

gangguan. Apabila terjadi suatu keadaan yang tidak normal pada sistem tenaga



listrik, maka diperlukan suatu upaya kerja untuk meng-isolir keadaan tidak normal

tersebut secara sesaat atau didalam beberapa hal sesudah suatu kejadian kelambatan

waktu. Peralatan pengaman yang dipasang pada sistem tenaga listrik mempunyai 3

macam fungsi (J.Soekarto, 1985), yaitu:

1. Merasakan, mengukur, dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta

memisahkan secepat mungkin.

2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yan gterganggu.

3. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang tidak

terganggu di dalam sistem tersebut serta dapat beroperasi normal, juga untuk

mencegah meluasnya gangguan.

Sedangkan untuk memperoleh jaminan keamanan yang handal dari sistem

tenaga yang bersangkutan, maka alat-alat pengaman harus mempunyai syarat-syarat

(Supriyadi, E., 1999) sebagai berikut:

a. Kapekaan operasi ( sensitivity )

Kepekaan operasi adalah alat harus segera dapat bekerja oleh suatu kesalahan

pada daerah yang dilindungi, sehingga memberikan respon bila merasakan

adanya gangguan. Pada prinsipnya relai harus cukup peka sehingga dapat

mendeteksi gangguan di kawasan pengamanannya, termasuk kawasan

pengamanan cadangan-jauhnya, meskipun dalam kondisi yang memberikan

deviasi minimum. Menurut Artono A. dan Susumu K. (1993).

b. Keandalan ( reliability )

Keandalan relai dihitung dengan jumlah relai bekerja atau mengamankan

terhadap jumlah gangguan yang terjadi. Seandainya suatu saat terjadi



gangguan maka relai tidak boleh gagal bekerja dalam mengatasi gangguan

tersebut. Kegagalan kerja relai dapat mengakibatkan alat yang diamankan

rusak atau gangguannya meluas. Ada tiga aspek yang perlu diperhatikan

yaitu:

1) Dependability , yaitu tingkat kepastian bekerjanya.

2) Security , yaitu tingkat kepastian untuk tidak salah kerja.

3) Availability, yaitu perbandingan antara waktu di mana pengaman dalam

keadaan berfungsi dan waktu total dalam operasinya

c. Selektifitas ( selectivity )

Artinya dapat menentukan dan selanjutnya memisahkan atau memilih dengan

tepat letak gangguan yang terjadi sehingga terpisah dari bagian yang normal,

hal ini menyangkut koordinasi pengaman dari sistem secara keseluruhan.

Guna mendapat keandalan yang tinggi pada suatu sistem tenaga, maka

pengaman harus mempunyai kemampuan selektif yang baik. Pengaman harus

dapat memisahkan bagian sistem yang terganggu sekecil mungkin yaitu

hanya bagian yang terganggu saja yang menjadi kawasan pengamanan

utamanya.

d. Kecepatan ( speed )

Kecepatan bereaksi dari relai adalah saat relai mulai merasakan adanya

ganguan sampai dengan pelaksanaan pelepasan pemutus tenaga. Waktu

bereaksi diusahakan secepat mungkin, sehingga dapat menghindarkan

kerusakan-kerusakan pada alat yang ditimbulkan oleh gangguan yang terjadi,

serta mengurangi meluasnya akibat dari adanya gangguan itu sendiri. Untuk



menciptakan selektifitas yang baik, mungkin saja suatu pengaman terpaksa

diberi waktu tunda ( time delay ) namun waktu tunda tersebut harus secepat

mungkin karena kelambatan kerja proteksi dapat mengganggu kestabilan

sistem atau merusak peralatan karena thermal stress .

e. Ekonomis

Satu hal penting yang harus diperhatikan sebagai persyaratan relai pengaman

adalah masalah harga. Relai tidak akan diaplikasikan dalam sistem tenaga

listrik, jika harganya sangat mahal.

2.4.2. Peralatan Proteksi Pada Saluran Transmisi

Peralatan sistem proteksi untuk mengamankan saluran transmisi dari gangguan

diantaranya adalah:

2.4.2.1. Relai Jarak (Distance Relay)

Relai jarak (Distance Relay) merupakan proteksi yang paling utama pada

saluran transmisi. Relai ini menggunakan tegangan dan arus untuk mendapatkan

impedansi saluran yang harus diamankan. Jika impedansi yang terukur di dalam

batas settingnya, maka relai akan bekerja. Disebut relai jarak, karena impedansi pada

saluran besarnya akan sebanding dengan panjang saluran. Oleh karena itu, relai ini

tidak tergantung oleh besarnya arus gangguan yang terjadi, tetapi tergantung pada

jarak gangguan yang terjadi terhadap relai proteksi. Impedansi yang diukur dapat

berupa Z, R saja ataupun X saja, tergantung jenis relai yang dipakai.



2.4.2.2. Relai Hubung Tanah (Ground Fault Relay)

Relai hubung tanah saluran transmisi pada dasarnya menggunakan relai arus

lebih seperti yang digunakan pada gangguan hubung singkat antar fasa, tetapi

berbebeda rangkaiannya seperti gambar 2.1.

Pada kondisi normal dengan beban seimbang IR, IS, IT adalah sama besar,

sehingga pada kawat netral tidak timbul arus dan relai hubung tanah tidak dialiri

arus. Bila terjadi gangguan hubung singkat ke tanah, maka akan timbul arus urutan

nol pada kawat netral, sehingga relai hubung tanah bekerja.

Gambar 2.1. Rangkaian pengawatan relai arus lebih gangguan fasa dan relai hubung tanah

2.4.2.3. Relai Arus Lebih (Over Current Relay)

Relai arus lebih adalah relai yang bekerja terhadap arus lebih, ia akan bekerja

bila arus yang mengalir melebihi nilai settingnya ( Iset ) (Soekarto Ir. , J. 2001).

Pada dasarnya prinsip kerja relai ini mendeteksi besaran arus yang melalui

suatu jaringan dengan bantuan trafo arus. Harga atau besaran yang boleh

melewatinya disebut dengan setting. Macam-macam karakteristik relai arus lebih :

a. Relai Waktu Seketika ( Instantaneous relay )

Relai yang bekerja seketika (tanpa waktu tunda) ketika arus yang mengalir

melebihi nilai settingnya, relai akan bekerja dalam waktu beberapa mili detik (100-



200 ms) atau bisa dikatakan bekerja tanpa waktu. Biasanya diset 4 x I n atau bahkan

diset lebih tinggi lagi. Relai ini dipakai bersama-sama atau dikombinasikan dengan

relai arus lebih karakteristik lainnya seperti definite time relay atau invers time relay

untuk mempercepat waktu kerja pengamanannya. Karakteristiknya dapat kita lihat

pada gambar 2.2 dibawah ini:

Gambar 2.2. Karakteristik relai waktu seketika

b. Relai arus lebih waktu tertentu ( definite time relay )

Relai ini akan memberikan perintah pada PMT pada saat terjadi gangguan

hubung singkat dan besarnya arus gangguan melampaui settingnya (Is), dan jangka

waktu kerja relai mulai pick up sampai kerja relai diperpanjang dengan waktu

tertentu tidak tergantung besarnya arus yang mengerjakan relai (waktu tundanya

tetap). lihat gambar 2.3. dibawah ini:

Gambar 2.3. Karakteristik relai waktu definite



Settingnya dapat dihitung dengan cara sebagai berikut :

Iset1 = Ip Id

In×1.1 (2.1)

Iset2 = ≤ 0.75 I hs 2 Φ (2.2)

Dimana :

In = Arus nominal trafo arus atau penghantar (dipilih harga

yang terendah).

Id / Ip = Perbandingan arus kembali dengan arus kerja relai (harus

≥ 0.7).

Ihs 2 Φ = Arus hubung singkat dua fasa diujung jaringan pada

pembangkitan minimum.

Dan : I set = I set 1 ; bila I set 1 < I set 2

Iset = I set 2 ; bila I set 1 > I set 2

c. Relai arus lebih waktu terbalik.

Relai ini akan bekerja dengan waktu tunda yang tergantung dari besarnya

arus secara terbalik ( inverse time ), makin besar arus makin kecil waktu tundanya.

Menentukan setting arus berarti menentukan daerah kerja relai tersebut. Komulasi

waktu dapat ditekan, sehingga dapat diartikan bahwa relai ini akan memberikan

pengamanan dengan waktu kerja yang lebih cepat khususnya untuk relai yang ada

dihulu. Namun relai ini sensitif terhadap perubahan kapasitas pembangkitan, waktu

kerjanya berubah sesuai dengan berubahnya kapasitas pembangkitan.



Gambar 2.4. Karakteristik relai waktu Inverse

Setting dari relai ini dapat dihitung dengan cara :

Iset = 1,3 × In (2.3)

tset = t f + ∆ t

Dimana :

In = Arus nominal trafo

tf = Setting waktu OCR yang terdapat pada feeder, umumnya di-set

pada waktu 0,3 – 0,5 detik.

∆ t = Selisih waktu yang diberikan untuk kerja relai.

Waktu kerja relai ini tidak perlu dikoordinasikan dengan relai lain, sehingga

waktu kerjanya dapat disetel sesingkat mungkin. Tetapi untuk menghindari

kesalahan kerja ( spurious tripping ) maka ditetapkan setting waktu yaitu sebesar 0,3-

0,5 detik.

Karakteristik relai ini bermacam-macam, setiap pabrik dapat membuat

karakteristik yang berbeda-beda. Karakteristik waktunya dibedakan dalam tiga

kelompok, yaitu :

1. Standard invers

Setting waktu relai standard inverse dapat diketahui dengan rumus berikut :



t = tms x

I

I

set

fault 1

14,002,0

−

(2.4)

Dimana t merupakan waktu kerja relai (diambil yang tercepat sesuai setting)

yaitu 0,3 detik, akan tetapi untuk t relai di incoming ditambah dengan 0,4 detik

(lebih lambat 0,4 detik dari waktu kerja relai di penyulang) t = 0,3 + 0,4.

Sehingga didapatkan:

tms =

( )

14,0

14,03,002,0

−

×+

set

fault

I

I

(2.5)

2. Very inverse

Setting waktu relai very inverse dapat diketahui dengan rumus berikut :

t = tms x

I

I

set

fault 1

5,131

−

(2.6)

3. Long time inverse

Setting waktu relai long time inverse dapat diketahui dengan rumus berikut:

t = tms x

I

I

set

fault 1

1201

−

(2.7)

3. extremely inverse

Setting waktu relai Extremely inverse dapat diketahui dengan rumus berikut :

t = tms x

I

I

set

fault 1

802

−

(2.8)



Setelan arus dari relai Arus Lebih dihitung berdasarkan arus beban yang

mengalir di penyulang ataupun di incoming trafo, artinya :

a. Untuk relai Arus Lebih yang terpasang di penyulang dihitung berdasarkan

arus beban maksimum yang mengalir di penyulang tersebut.

b. Dan untuk relai Arus Lebih di incoming trafo, dapat dihitung berdasarkan

arus nominal trafo itu sendiri.

Relai arus lebih ini tidak hanya dialiri oleh arus fasa saja tetapi juga dialiri oleh arus

beban, sehingga I set > I beban . Relai inverse biasa di-set sebesar 1,05 s/d 1,1 × Ibeban ,

sedangkan untuk relai definite di-set sebesar 1,2 s/d 1,3 × Ibeban .

Cara penentuan setting relai yang terpasang di penyulang dengan data yang

sudah didapat pada praktiknya adalah:

1. Iset dapat menggunakan 1,05 × Ibeban atau 1,2 × Ibeban tergantung jenis relai

yang digunakan. (2.9)

2. Setelan arus dihitung dapat dengan:

Iset6 = 1,2 x CT primer penyulang

Is6 =CTp

Iset 6 Tap6 =

66

In Is

(2.10)

3. Untuk setting waktunya dihitung dengan rumus:

Dengan waktu kerja yang diinginkan adalah (tof20) : 0,5 detik

Td6 = 20

215,06

2025,32

435,2 tof x

set I f I

+ − (2.11)



Jadi waktu kerja aktualnya adalah:

Tof20 = 6.4

215,06202

5,3235,2

td Iset

f I

+

×−

(2.12)

Kemudian cara penentuan setting relai terpasang di incoming menurut

praktiknya adalah:

1. Iset dihitung dengan 1,2 x CTp20

Is2 =2020

CT Iset

Tap2 =22

In Is

(2.13)

2. Iset20 = Tap2 x In2 x CT20 (2.14)

3. Waktu kerja yang diinginkan adalah toi20 = 1 s

Didapat: td2 = 20.14,0

120

20202,0

toi Iset

f I −

(2.15)

Waktu kerja aktualnya:

Toi20 = 2

120202

14,002,0 td x

set I f I

−

(2.16)

2.4.2.4. Relai Arus Lebih Berarah (Dirrectional Over Current Relay)

Konstruksi relai arus lebih berarah merupakan kombinasi antara relai arus lebih

dan relai tegangan berarah. Relai ini berfungsi untuk memproteksi saluran transmisi

terhadap arus lebih yang disebabkan oleh gangguan hubung singkat 2 fasa / 3 fasa

tetapi hanya bekerja untuk arah tertentu. Relai arus lebih berarah mempunyai arah

tertentu yang bekerja adanya besaran arus dan tegangan yang dapat membedakan

arah arus gangguan. Relai ini mempunyai 2 (dua) buah parameter ukur yaitu



tegangan dan arus yang masuk ke dalam relai untuk membedakan arah arus ke depan

atau arah arus ke belakang (Pusdiklat PLN. 1985).

Prinsip kerjanya relai ini berdasarkan adanya sumber arus dari CT (Current

Transformer) dan sumber tegangan dari PT (Potential Transformers) . Sumber

tegangan PT umumnya menggunakan rangkaian Open-Delta , tetapi tidak menutup

kemungkinan ada yang menggunakan koneksi langsung 3 fasa. Relai ini terpasang

pada jaringan tegangan tinggi, tegangan menengah, juga pada pengaman

transformator tenaga, dan berfungsi untuk mengamankan peralatan listrik akibat

adanya gangguan fasa-fasa. Untuk membedakan arah tersebut maka salah satu fasa

dari arus harus dibandingkan dengan tegangan pada fasa yang lain.

Gambar 2.5. Relai arus lebih berarah.

Relai seperti pada gambar 2.5, berfungsi untuk mendeteksi arus gangguan

yang menuju ke F1 dan bukan ke F2. misalkan dalam kondisi normal arus mengalir

ke arah F1, maka komponen arah bekerja menutup kontak D, sedangkan element

kerja belum bekerja dan kontak I terbuka. Bila terjadi gangguan hubung singkat di

F1, maka element kerja akan bekerja menutup kontak I dan mentripkan PMT.



Gambar 2.6 adalah sebuah dirrectional over current relay dari westinghouse

type CR . Dirrectional unitnya adalah type induction-cup dan over-current unitnya

type induction disc yang karakteristik waktu kerjanya inverse . Relai arus lebih

berarah mempunyai dua element, yaitu:

1. Element arah (Dirrectional element, dirrectional unit) , berfungsi untuk

menentukan arah kerja relai.

2. Element kerja (Operating element, Over-current unit) berfungsi untuk

mendeteksi besaran arus gangguan.

1. Coil tegangan

2. Coil arus

3. Kontak pengontrol arah

4. Silinder induksi

5. Coil utama

6. Shadding coil

7. Piringan induksi

Gambar 2.6. Gambar yang disederhanakan relai arus lebih berarah westinghouse type CR.



Bagian-bagian relai tersebut adalah sebagai berikut :

1. Elemen Arah

Elektromagnet terdiri atas dua coil tegangan yang dihubung seri dipasang

diameter saling berlawanan (no 1, gambar 2.6), arus pada coil ini menghasilkan

Ф 1, Ф 1 akan mempunyai sudut fasa sebesar 90 o tertinggal (lagging) terhadap

tegangan dan dua coil arus yang juga dihubung seri dipasang diameternya saling

berlawanan (no 2, gambar 2.6), arus pada coil ini menghasilkan Ф 2 yang

berhimpit dengan I (E).

θ

ϕ

Gambar 2.7. Vektor Diagram

Persamaan kopel:

θ φ φ SinT .. 21= (2.17)

Dimana:

T = Torsi

Ф 1 = Fluks kerja yang ditimbulkan oleh V

Ф 2 = Fluks referensi yang ditimbulkan oleh I

θ = Sudut relai

Karena Ф 1 sebanding dengan dengan V, dan Ф 2 sebanding dengan I maka:

ϕ Cos I V T ..= (2.18)



( )ϕ −= 90.. Sin I V T (2.19)

2. Elemen kerja

Terdiri atas coil utama yang dapat di-tap untuk pengaturan setting

dipasang pada kaki tengah elektromagnet berbentuk E (no 5, gambar 2.6)

menghasilkan flux utama, dan shadding coil (no 6, gambar 2.6) yang

menyebabkan flux di kaki magnetik sebelah kiri menjadi tertinggal fasanya

terhadap flux utama dan menimbulkan torsi putar. Karena shadding coil

dikontrol oleh kontak D, maka element kerja hanya bekerja bila arah gangguan

adalah benar.

Sebagai pengaman hubung singkat antar fasa relai arus lebih berarah

dapat dihubungkan seperti pada gambar 2.8.

Gambar 2.8. Penyambungan arus dan tegangan relai arus lebih berarah untuk gangguan antar

fasa.

Dengan hubung seperti pada gambar diatas sambungan pada arus dan

tegangan berbeda dimana:

Relai Arus TeganganR IR VSTS IS VTRT IT VRS



Untuk menganalisis gangguan hubung singkat, digunakan rumus sebagai berikut :

Rumus analisis gangguan hubung singkat 3 fasa :

I HS 3φ = f Z Z

E ++

(2.20)

Rangkaian pengganti analisa hubung singkat 3 fasa

Rumus gangguan hubung singkat 2 fasa :

I HS 2φ =−+ ++ Z Z Z

E

f

3 (2.21)

655_4 tinjauan pustaka tentang tenaga listrik

Documents