35

BAB III

RANCANG BANGUN SIMULATOR

3.1 Umum

Di dalam merancang alat, penulis menginginkan bahwa jaringan distribusi

tegangan menengah yang sebenarnya dapat disimulasikan ke dalam bentuk sebuah

simulator. Sistem SUTM dan SKTM direduksi menjadi 100 kali nilai sebenarnya

denga menggunakan nilai impedansi yang telah diperhitungkan. Perancangan

merupakan tahapan awal sebagai landasan dalam melaksanakan rangkaian

kegiatan. Pada tahap perancangan dilakukan pembuatan gambar layout simulator

dan tata letak komponen, penentuan komponen yang akan digunakan dan

penentuan spesifikasi komponen. Tahapan ini penting karena menentukan

bagaimana modul simulator dibuat sesuai dengan fungsinya dan sesuai dengan

yang diharapkan.

3.2 Tujuan Perancangan

Perancangan dilakukan dengan tujuan sebagai berikut :

1. Untuk mempersiapkan segala sesuatu yang diperlukan untuk rancang bangun

berdasarkan teori yang telah dipelajari sebagai dasar dari proses kegiatan

yang akan dilakukan.

2. Untuk menentukan langkah-langkah yang akan dilakukan dalam pengerjaan

agar dapat meminimalkan kesalahan dan kegiatan yang tidak produktif

sehingga dapat menghemat biaya, tenaga, dan waktu.

3. Untuk mengetahui dan menentukan material dan komponen yang diperlukan

dalam membangun sebuah perangkat agar dapat menentukan anggaran biaya.

4. Mendeteksi hambatan yang akan ditemui agar dapat terarah pada pencapaian

tujuan dan alat berfungsi sesuai yang diharapkan dan memenuhi spesifikasi

yang ditetapkan.

5. Memberi gambaran menyeluruh yang jelas dan rancang bangun yang lengkap.

36

3.3 Langkah Perancangan

Dalam proses perancangan diperlukan tahapan perancangan yang terbagi

dalam beberapa bagian, diantaranya :

1. Sistematika perancangan

2. Perancangan konstruksi simulator

3. Perancangan modul simulator SUTM dan SKTM

4. Pemilihan komponen

5. Realisasi alat

6. Perancangan jobsheet

37

3.3.1 Sistematika Rancangan

Langkah-langkah aktivitas pembuatan modul simulator sebagai berikut :

Gambar 3.1 Flowchart Perancangan Simulator

Pembuatan Kontruksi

Simulator

Mulai

Penentuan Bentuk

Kontruksi Simulator

Penentuan Spesifikasi

Komponen

Tidak Tersedia

di Pasar

?

Ya

Perbaikan

Desain Letak

Komponen

Cetak Layout

Pemasangan Layout

pada Simulator

Pemasangan Komponen

dan Wiring Komponen

Pengujian

Selesai

Perbaikan

Ukuran

Sesuai

?

Ya

Tidak

A

A

A

Sesuai

?

Tidak

Ya

Perbaikan

Sesuai?

Ya

Tidak

Perbaikan

Kriteria Desain

38

3.3.2 Perancangan Konstruksi Simulator

Perancangn konstruksi sangat penting karena akan dipasang komponen-

komponen, sehingga penempatan dan ukuran harus diperhitungkan. Perancangan

meja dan layout simulator dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 3.2 Meja Simulator tampak samping

39

Gambar 3.3 Layout Simulator

40

3.3.3 Perancangan Modul Simulator SUTM dan SKTM

Modul praktikum yang akan direalisasikan adalah modul praktikum

Saluran Udara Tegangan Menengah dan Saluran Kabel Tegangan Menengah.

Sehingga dipelukan komponen-komponen untuk merealisasikan modul tesebut.

Modul ini merupakan bagian dari modul Sistem Jaringan Distribusi Tegangan

Menengah yang mensimulasikan penyaluran tenaga listik tegangan menengah ke

beban melalui SUTM, SKTM dan hubung singkat pada SUTM.

3.3.3.1 Trafo Distribusi Eksiting

Gambar 3.4 Transformator 6,6 kVA

Gambar 3.5 Wiring Diagram Trafo Distribusi 6,6 KVA

41

Gardu Distribusi berfungsi menerima tenaga listrik dari jaringan transmisi

dengan tegangan transmisi dan meneruskan tenaga listrik dengan tegangan yang

diturunkan menjadi tegangan distribusi primer. Gardu Induk distribusi dilengkapi

dengan peralatan ukur dan peralatan proteksi.

Gardu Distribusi 20 kV berfungsi sebagai penurun tegangan dari tegangan

tinggi ke tegangan menengah untuk kemudian didistribusikan energi listrik

melalui jaringan tegangan menengah ke beban. Maka komponen dari gardu induk

ialah transformator dengan dua belitan, yaitu belitan primer dan sekunder dengan

kapasitas 6,6 KVA dengan 6 tap sisi primer yaitu 220V, 340V, 360V, 380V,

400V, 420V, tujuan dibuat tap ini adalah untuk mensimulasikan pengaturan

tegangan dengan tap trafo pada percobaan sistem distribusi. Sedangkan pada sisi

sekunder memiliki dua tap, yaitu tap 220 V untuk catu daya beban dan tap 127 V

untuk melakukan simulasi hubung singkat.

3.3.3.2 Pemilihan Pengaman

Pemutus tenaga berfungsi untuk mengamankan terhadapa beban lebih dan

hubung singkat. Komponen pemutus tenaga yang digunakan dalam simulasi ini

menggunakan MCB. Pemutus rangkaian ini dirancang agar tidak trip saat

melakukan percobaan, untuk itu perlu di hitung ratting MCB yang tepat.

Gambar 3.6 MCB 3 Fasa, Schneider (kiri) dan Chint (kanan)

42

Gambar 3.7 Standart Operating curve for a thermal magnetic and for an electric circuit

breaker

(Sumber : Instalation Handbook)

Gambar 3.8 Grafik Karakteristik MCB

Digunakan MCB dengan spesfikasi C6 dan 3 pole. Ini berarti In = 6A dan

tripping curve tipe C. Tripping curve tipe C menunjukkan bahwa magnetic trip

akan berkisar 5-10 x In (jadi sekitar 30 60 A). Ada beberapa tripping curve

untuk MCB:

B: trip 3 5 x In

C: trip 5 10 x In

D: trip 10 20 x In

43

3.3.3.3 Penetapan Arus Nominal dan Tegangan Kerja Maksimum

Modul yang dirancang mensimulasikan jaringan distribusi saluran udara

dengan menggunakan jenis penghantar AAAC ( All Aluminium Alloy Conductor )

untuk SUTM. Luas penampang penghantar yang akan disimulasikan oleh modul

ini adalah 150 mm2. Arus kerja maksimal diperoleh dengan mereduksi KHA dari

jenis penghantar yang digunakan. Berikut tabel KHA penghantar menurut SPLN

64 : 1985, yang dihitung atas dasar kondisi kondisi :

1) Kecepatan angin 0,6 m/detik

2) Suhu keliling akibat sinar matahari 35o C

3) Suhu penghantar maksimum 80o

4) Bila tidak ada angin maka KHA dapat dikali dengan 0,7

Tabel 3.1 Daftar KHA Penghantar AAC dan AAAC

Luas

Penampang

(mm2)

KHA terus menerus,

untuk penghantar AAC

(A)

KHA terus menerus,

untuk penghantar AAAC

(A)

16 110 105

25 145 135

35 180 170

50 225 210

70 270 225

95 340 320

120 390 365

150 455 425

185 520 490

240 625 585 sumber : SPLN 64:1985 tabel VIII

Dari tabel di atas diperoleh nilai KHA 425 Ampere , dengan mereduksi

100 kali dari nilai sebenarnya maka menjadi 4,25 Ampere.

Mensimulasikan jaringan distribusi saluran kabel dengan menggunakan

jenis kabel NA2XSEFGbY untuk SKTM. Luas penampang kabel yang akan

disimulasikan oleh modul ini adalah 3 x 240 mm2. Arus kerja maksimal diperoleh

dengan mereduksi KHA dari jenis penghantar yang digunakan.

44

Tabel 3.2 KHA dan KTD Kabel Tanah Berinti Tiga Berisolasi XLPE

Luas

Penampang

(mm2)

KHA terus menerus

(A)

KTD pada 20 KV

(MVA)

Al Cu Al Cu

3 x 1 x 240 358 474 12,4 16,4

3 x 1 x 300 398 533 13,8 18,5 Sumber : SPLN 56-3-1: 1996

Dari tabel di atas diperoleh nilai KHA 358 Ampere, dengan mereduksi 100

kali dari nilai sebenarnya maka menjadi 3,58 Ampere.

Dari kedua hasil reduksi KHA baik SUTM ataupun SKTM maka di putuskan

untuk membulatkan nilai hasil reduksi dari 4,25 A dan 3,58 A sehingga diperoleh :

1. Arus nominal : 5 Ampere

2. Tegangan kerja maksimum : 220 Volt

3.3.3.4 Rancangan Beban

Beban yang akan diukur ada dua jenis, diantaranya beban resistif dapat

digunakan lampu. Sedangkan untuk perbandingan juga digunakan beban induktif

dapat digunakan induktor 3 fasa (load reactor).

Gambar 3.9 Lampu sebagai Beban Resistif

Gambar 3.10 Induktor 3 Fasa sebagai Beban Induktif

45

3.3.3.5 Rancangan Pentanahan

Pentanahan sistem berfungsi untuk mengurangi besarnya arus akibat

adanya gangguan hubung singkat. Komponen pentanahan sistem yang digunakan

dalam simulasi ini menggunakan jenis pentanahan langsung, tahanan 20 dan

tahanan 100 . Pentanahan sistem ini diambil berdasarkan pentanahan sistem

pada sistem distribusi yang ada di Indonesia.

3.3.3.6 Rancangan Parameter Simulator SUTM dan SKTM

Untuk mensimulasikan penghantar udara diperlukan perhitungan R dan L

untuk SUTM. Sedangkan untuk SKTM yang menggunakan kabel tanah selain R

dan L juga diperlukan perhitungan C.

1. SUTM

Jenis kabel / penghantar yang umum dipakai sistem SUTM adalah AAAC

(All Alumunium Alloy Conductor) atau AAAC-S. Untuk mensimulasikan

hantaran tersebut maka perlu menentukan R dan L. Diketahui dari tabel

spesifikasi penghantar tersebut bahwa parameter yang digunakan yaitu sebagai

berikut:

Berdasarkan SPLN 41-8: 1981 Tabel IV Ukuran dan Konstruksi

AAAC diperoleh data :

Jenis penghantar AAAC (All Alumunium Alloy Conductor)

Ukuran Hantaran : 150 mm2

Tahanan Hantaran RDC : 0,210 /Km

GMR (Geometric Mean Radius) : 5,2365 mm

Berdasarkan SPLN 64: 1985 Tabel VIII diperoleh data :

Kemampuan Hantaran Arus (KHA) : 425 A

Berdasarkan data sebelumnya diketahui :

Panjang Saluran : 28,25 Km

Akan diubah menjadi : 20 Km

46

Untuk sistem tegangan 20 kV, panjang saluran efektif adalah 20 Km.

jaringan distribusi 20 kV PLN umumnya radial dan terdapat banyak cabangnya

sesuai kebutuhan distribusi dan panjangnya ada yang melebihi dari 20 Km.

Dikarenakan panjang saluran pada sistem distribusi primer bisa melebihi 20 Km

sehingga sangat memungkinkan terjadinya gangguan-gangguan. Gangguan ini

dapat terjadi pada kabel hantaran udara ataupun kabel bawah tanah. Simulator ini

dapat dirangkai menjadi 100% dan 50% panjang saluran untuk SUTM karena

parameter dibagi dua. Selain itu, karena parameter yang dipasang seperti ini untuk

sistem SKTM dapat dibuat dua model saluran yaitu model T atau Model nya.

Jarak Pemasangan antar Hantaran : 630 mm

Pemasangan Hantaran : Horizontal

Dari datadata hantaran (AAAC) dan simulator yang dibuat dirancang

dengan 2 tap panjang saluran, maka di dapat harga :

a. Resistansi

RAC = K . RDC (persamaan 2.3)

Untuk mengetahui nilai K, maka hitung dengan rumus :

X = 0,050133 . (persamaan 2.4)

= 0,050133 .

= 0,773569

Dari tabel 2.1 tentang skin effect, masukan nilai X diatas sekitar 0,8 maka

diketahui nilai K sebesar 1,00212. Sehingga,

RAC = K . RDC

= 1,002 x 0,210

= 0,21042 /fasa/Km

Saluran dibuat dengan dua macam panjang, yaitu : 50% panjang saluran

dan 100% panjang saluran. Untuk panjang 50%, nilai resistansinya adalah :

47

RAC (50 %) = 0,21042 /fasa/Km x panjang saluran

= 0,21042 /fasa/Km x 20 Km x 50 %

= 2,1042 /fasa

Sedangkan untuk nilai resistansi panjang saluran total adalah :

RAC (100%) = 0.21042 /fasa/km x panjang saluran

= 0.21042 x 20 km x 100 %

= 4,2084 /fasa

I nominal = 5 Ampere

P = I x R

= 5 x 4,2084

= 105,21 Watt

b. Induktansi

Untuk mencari nilai L harus diketahui terlebih dahulu nilai XL. nilai XL

tersebut dapat dihitung dengan cara :

= (persamaan 2.7)

= 793,75 mm

= 7,9375 x 10-4

Km

(persamaan 2.5)

(persamaan 2.6)

1,0047 mH/Km

48

Sama seperti resistansi, karena saluran yang dibuat dapat dibagi menjadi

50% dan 100% panjang saluran, maka untuk nilai induktansi dengan 50% panjang

penyulang adalah :

Km x 50 %

Sedangkan untuk nilai induktansi dengan 100% panjang

penyulang nilainya adalah :

Km x 100 %

c. Impedansi

Setelah menghitung, maka nilai resistansi dan induktansi sudah diketahui

dapat dimasukan ke persamaan berikut:

Z = R + j XL (persamaan 2.10)

Z = 0,21042 + j /Km

Z = 4,2084 +j 6,31 /fasa

Standar untuk penghantar AAAC menurut SPLN Impedansi urutan positif

sebesar 0,2162 + j 0,3305 /Km

2. SKTM

Jenis kabel yang umum dipakai sistem SKTM adalah kabel tanah yang

berisolasi XLPE 150 240mm. Gardu Distribusi yang berada di Polban sistem

SKTM nya menggunakan jenis kabel tanah NA2XSEBY 3 x 240 mm. Untuk kali

ini kita gunakan jenis kabel tanah NA2XSEFGbY 3 x 240 mm. Untuk

mensimulasikan hantaran tersebut maka perlu menentukan R, L dan C. Diketahui

dari tabel spesifikasi penghantar tersebut bahwa parameter yang digunakan yaitu

sebagai berikut :

49

Berdasarkan Tabel 2.2 katalog SUPREME Cable tentang Medium

Voltage XLPE Insulated Cable diperoleh data spesifikasi kabel :

Jenis penghantar N2XSEFGbY / NA2XSEFGbY (3 cores)

Ukuran Hantaran : 3 x 240 mm2

Tahanan Hantaran RDC : 0,125 /Km

Tabel 2.2 Spesifikasi Kabel N2XSEFGbY / NA2XSEFGbY

Nominal Cross Sectional Area mm 240

Conductor diameter (approx) mm 18.7

Nominal insulation thickness mm 5.5

Insulation diameter (approx) mm 31.3

Nominal armou thickness mm 0.8

Nominal sheath thickness mm 3.6

Overall cable diameter (approx) mm 85

Max. dc conductor resistance at 20C Ohm/km 0.125

Capacitance per-phase F/km 0.307

Inductance per-phase mH/km 0.302

Sumber : SUPREME Cable Medium Voltage XLPE Insulated Cable

Berdasarkan SPLN 56-3-1: 1996 diperoleh data :

Kemampuan Hantaran Arus (KHA) : 358 A

Berdasarkan SPLN 56-3-1-1996 dapat ditentukan panjang saluran

SKTM. Dengan mengambil panjang maksimum kabel yang luas

penampang 3 x 240 mm maka ditentukan panjangnya 8,5 Km.

Tabel 3.3 Panjang Maksimum Kabel Berinti 3 dan Berisolasi XLPE

Sumber : SPLN 56-3-1-1996

50

Untuk mensimulasikan kabel NA2XSEFGbY inti tiga dengan luas

penampang 240 mm maka diperlukan perhitungan R, L dan C. Model saluran

dapat dibuat dengan dua jenis, yaitu model T dan model . Sehingga dalam

perhitungan R, L, dan C nilainya dibagi dua menyesuaikan gambar rangkaian di

bawah ini.

Gambar 3.11 Saluran Model T

Gambar 3.12 Saluran Model

Dari gambar 3.7 dan gambar 3.8 untuk mempermudah merangkai kedua

model tersebut maka dapat dibuat rangkaian pada layout simulator untuk model T

dan TT dalam satu layout seperti berikut :

Gambar 3.13 layout Saluran Model T dan dalam Satu Simulator

a. Resistansi

RAC = K . RDC (persamaan 2.3)

Untuk mengetahui nilai K, maka hitung dengan rumus :

A B C D

E G

F H

L

N

51

X = 0,050133 . (persamaan 2.4)

= 0,050133 .

= 1,00266

Dari tabel 2.1 juga, masukan nilai X diatas sekitar 1,00266 1,0 maka

diketahui nilai K sebesar 1,00519. Sehingga,

RAC = K . RDC

= 1,00519 x 0,125

= 0,12546875 /fasa/Km 0,125 /fasa/Km

Rac total = 0,125 x panjang saluran

= 0,125 x 8,5 Km

= 1,0625 / fasa

Membuat simulasi SKTM dengan model atau model T sesuai gambar

3.9 maka :

R / fasa =

=

= 0,53125

I nominal = 5 Ampere

P = I x R

= 5 x 1,0625

= 26,5625 Watt

b. Induktansi

Dari tabel 2.2 tentang spesifikasi kabel yang digunakan sudah diketahui

nilai induktansi per fasanya, maka dapat dihitung nilai induktansi dalam saluran

dengan cara :

L / fasa = L x panjang saluran

= 0,302 mH/fasa/Km x 8,5 Km

52

= 2,567 mH/fasa

Membuat simulasi SKTM dengan model atau model T, maka :

L / fasa =

=

= 1,2835 mH

reaktansi induktifnya adalah :

XL = 2 x x f x L

= 2 x 3,14 x 50 x 2,567 . 10-3

= 0.806

c. Kapasitansi

Dari tabel 2.2 tentang spesifikasi kabel yang digunakan sudah diketahui

nilai kapasitansi per fasanya, maka dapat dihitung nilai kapasitansi dalam saluran

dengan cara :

C / fasa = C x Km

= 0,307 F/fasa/km x 8,5 km

= 2,6095 F/fasa

Untuk konfigurasi nominal

C/2 = 2,6095 /2

= 1,30475 F/fasa

Jadi reaktansi kapasitifnya adalah :

XC

2.440,86

53

d. Impedansi

Z = R + j (L + )

= 0,125 /Km + (0.806 + )

= 0,125 + j 0,8064 /Km

= 1,0625 + j 6,854 /fasa

3.3.4 Pemilihan Komponen Parameter SUTM dan SKTM

Untuk mensimulasikan penghantar udara sepanjang 20 Km diperlukan

perhitungan R dan L untuk SUTM. Sedangkan untuk mensimulasikan SKTM

dengan panjang saluran 8,5 Km yang menggunakan kabel tanah selain R dan L

juga diperlukan perhitungan C.

3.3.4.1 SUTM

Dalam simulasi SUTM ini, komponen yang digunakan yaitu sebagai

berikut:

1. Kabel fasa NYAF : 2,5 mm

Jenis penghantar untuk rangkaian daya kabel yang biasa dipakai

minimal berluas penampang 2,5 mm.

Fasa R : Warna merah 2,5 mm

Fasa S : Warna kuning 2,5 mm

Fasa T : Warna hitam 2,5 mm

Netral : Warna biru 2,5 mm

PE : Warna kuning-hijau 2,5 mm

2. Resistor

- Resistor Keramik : 27 /20 Watt

- Resistor Keramik : 33 /20 Watt

Nilai resistansi diperoleh dengan memparalelkan 12 buah resistor

keramik 27 /20 watt dan 1 buah resistor keramik 33 /20 watt.

54

Gambar 3.14 Resistor Simulasi SUTM

3. Induktor

- Induktor : 10 mH /10 A

Nilai induktansi yang telah diperoleh maka digunakan induktor

dengan nilai 10 mH, sebanyak 2 buah per fasa atau total sebanyak 6 buah

(3 fasa).

Gambar 3.15 Induktor Simulasi SUTM

3.3.4.2 SKTM

Dalam simulasinya digunakan komponen sebagai parameter yaitu sebagai

berikut:

1. Kabel fasaNYAF 2,5 mm

Jenis penghantar NYAF. Dimana untuk rangkaian daya kabel yang

biasa dipakai minimal berluas penampang 2,5 mm.

55

Fasa R : Warna merah 2,5 mm

Fasa S : Warna kuning 2,5 mm

Fasa T : Warna hitam 2,5 mm

Netral : Warna biru 2,5 mm

PE : Warna kuning-hijau 2,5 mm

2. Resistor

- Resistor keramik : 3,3 / 10 Watt

Nilai resistansi diperoleh dengan memparalelkan 6 buah resistor

keramik 3,3 / 10 watt.

Gambar 3.16 Resistor simulasi SKTM

3. Induktor

- Induktor : 1,28 mH/ 5A

Nilai induktansi yang telah diperoleh maka digunakan induktor

dengan nilai 1,28 mH sebanyak 2 buah per fasa atau total sebanyak 6 buah

(3 fasa).

56

Gambar 3.17 Induktor untuk Simulasi SKTM

4. Kapasitor

- Kapasitor : 1 mFD

Nilai kapasitansi diperoleh dengan menggunakan kapasitor yang

ada di pasaran yaitu senilai 1 mF, sebanyak 2 buah per fasa atau total

sebanyak 6 buah (3 fasa).

Gambar 3.18 Kapasitor Simulasi SKTM

3.3.5 Realisasi Meja Simulator

Pembuatan modul dilakukan dengan tahapan pembuatan meja simulator,

pencetakan layout, peletakan komponen, dan pengawatan. Pembuatan meja/box

disesuaikan dengan rancangan dan ukuran yang dibuat berkerangka besi dan

untuk layout dipasang papan pertinax. Untuk pencetakan layout disesuaikan

dengan meja yang sudah dibuat, layout dicetak dengan kertas luster. Peletakan

57

komponen dan pengawatan wiring dilakukan dibagian belakang untuk menjaga

nilai keamanan dan estetika. Realisasi hasil akhir meja simulator tampak seperti

gambar dibawah ini.

Gambar 3.19 Bentuk Fisik Meja Simulator

3.3.6 Perancangan Jobsheet

Pembuatan jobsheet sebagai media ajar dan panduan praktikum dalam

sebuah pengujian. Yang akan dibuat adalah jobsheet saluran udara tegangan

menengah dan saluran kabel tegangan menengah denagn konfigurasi jaringan

radial.