BAB IITINJAUAN PUSTAKA2.1 Sistem Tenaga ListrikSebelum membahas mengenai sistem tenaga listrik, perlu diketahui terlebih dahulu pengertian dari sistem. Sistem merupakan seluruh unsur (baik alat maupun manusia) yang secara terstruktur saling berhubungan dan bekerja sama sehinggadapat menghasilkan sesuatu hal. Sistem tenaga listrik adalah salah satu dari alat-alat untuk mengubah dan memindahkan energi yang mempunyai peranan penting dalam menghadapi beberapa tantangan terbesar di dunia, diantaranya mampu mengembangkan dan menyediakan sumber energi bagi kebutuhan manusia di dunia.Menurut Stevenson, suatu sistem tenaga listrik secara umum terdiri dari 3 bagian utama yaitu pusat pembangkit tenaga listrik, saluran transmisi serta sistem distribusi. Selain itu dalam beberapa referensi ditambahkan satu bagian lagi yaitu Gardu Induk atau substation. Sistem tenaga listrik dimulai dari pusat pembangkit listrik seperti PLTA, PLTU, PLTG, PLTU, dan pembangkit listrik tenaga lainnya yang bertugas memproduksi tenaga listrik. Kemudian tegangan keluaran dari pembangkit dinaikkan terlebih dahulu menggunakan transformator step-up sebelum disalurkan melalui saluran transmisi. Setelah melalui saluran transmisi, tenaga listrik masuk ke Gardu Induk (GI) yang selanjutnya diturunkan tegangannya menggunakan transformator step-down menjadi tegangan menengah 20 kV. Tegangan 20 kV disebut sebagai tegangan distribusi primer. Setelah diturunkan menjadi 20 kV, tenaga listrik keluar dari GI menuju jaringan distribusi yang sistem konfigurasinya bermacam-macam. Dari saluran distribusi primer, sebagian tegangan diturunkan kembali melalui transformator step-down yang terpasang pada gardu-gardu distribusi menjadi tegangan rendah 220/380 volt. Selanjutnya dari jaringan tegangan rendah, listrik didistribusikan kepada konsumen TR seperti rumah, ruko, dll. Untuk konsumen tegangan tinggi dan menengah, sumber tenaga listrik langsung diambil dari incoming atau outgoing GI.

Gambar 2.1. Single Line Diagram Sistem Tenaga ListrikSuatu sistem tenaga listrik harus memiliki sistem yang aman dan handal dalam melayani kebutuhan listrik para pelanggannya. Dalam artian sistem tenaga listrik tersebut tidak membahayakan manusia dan lingkungan sekitar serta mampu melayani pelanggan dengan memuaskan contohnya dalam segi kontinuitas dan kualitas energi listrik yang disalurkan. Dari paparan diatas dapat disimpulkan bahwa sistem tenaga listrik merupakan kolaborasi dari beberapa unsur perangkat peralatan maupun manusia yang terdiri dari pembangkitan, penyaluran, dan distribusi, dimana mereka saling berhubungan antara satu dengan yang lain dan saling bekerja sama sehingga mampu menghasilkan tenaga listrik yang dapat tersalur secara aman dan handal sampai ke pelanggan.2.2 Saluran TransmisiSaluran transmis merupakan rantai penghubung antara pusat pembangkit listrik dengan sistem distribusi dan melalui hubungan-hubungan antar-sistem dapat pula menuju ke sistem-sistem tenaga yang lain (Stevenson, 1996: 1). Saluran transmisi di Indonesia, terutama pada PLN P3B (Transmisi) Jawa Bali, menggunakan tegangan pengenal sebesar 70 kV, 150 kV, dan 500 kV. Untuk macam saluran transmisi berdasarkan letak pemasangan dan besar tegangan yang ada pada sistem tenaga listrik Jawa Bali antara lain :a. Saluran Udara Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) 70 kV Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) 150 kV Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi (SUTETI) 500 kVb. Saluran Kabel Saluran Kabel Tegangan Tinggi (SKTT) 70 kV Saluran Kabel Tegangan Tinggi (SKTT) 150 kV Saluran Kabel Laut Tegangan Tinggi (SKLTT) 150 kVUntuk saluran kabel sangat jarang digunakan karena biaya pembangunan yang mahal dan pemeliharaannya sulit. Tetapi untuk saluran kabel laut digunakan, contohnya untuk menghubungkan ke Pulau Bali dan Pulau Madura.Tegangan Transmisi dibuat lebih tinggi dengan mempertimbangkan kemampuan transmisi (transmission capability) suatu saluran transmisi yang dinyatakan dalam megavolt-ampere (MVA). Namun kemampuan transmisi ini tidak dapat ditetapkan dengan pasti pada suatu saluran yang memiliki tegangan tertentu, karena kemampuan ini masih tergantung pada batasan-batasan termal dari penghantar, drop tegangan yang diijinkan, keterandalan serta kestabilan sistem. Tegangan transmisi yang sangat tinggi dilakukan karena dengan tegangan yang lebih tinggi dan daya yang ditransmisikan sama akan menyebabkan beberapa hal (Hermawan, 2008: 4), yaitu:1. Losses (rugi-rugi) jaringan akan lebih rendah.2. Dengan luas penampang konduktor yang sama, maka akan mampu menyalurkan daya yang lebih besar.3. Tegangan jatuh semakin kecil.4. Lebih andal terhadap gangguan seperti pohon, petir, dll.5. Lebih ekonomis2.3 Parameter Saluran TransmisiSuatu saluran transmisi tenaga listrik memiliki empat parameter yang mempengaruhi kemampuan saluran transmisi dalam fungsinya sebagai bagian dari suatu sistem tenaga (Stevenson, 1996: 36), yaitu: resistansi, induktansi, kapasitansi, dan konduktansi.2.3.1 ResistansiResistansi penghantar saluran transmisi merupakan penyebab rugi daya (power loss) pada saluran transmisi. Resistansi efektif suatu penghantar adalah:

Semakin panjang penghantar pada saluran transmisi, maka resistansi penghantar tersebut akan semakin besar. Hal ini ditunjukkan melalui rumus resistansi arus searah:

2.3.2 Induktansi2.3.3 Kapasitansi Kapasitansi suatu saluran transmisi adalah akibat beda potensial antara penghantar (konduktor); kapasitansi menyebabkan penghantar tersebut bermuatan seperti yang terjadi pada pelat kapasiotor bila terjadi beda potensial diantaranya. (Stevenson, 1996: 65). Biasanya untuk saluran transmisi yang pendek (kurang dari 80 km), kapasitansi tidak terlalu berpengaruh sehingga dapat diabaikan. Untuk saluran transmisi yang lebih panjang serta tegangan yang semakin tinggi, kapasitansi menjadi semakin penting. Kapasitansi dapat mempengaruhi drop tegangan sepanjang sepanjang saluran transmisi, efisiensi saluran transmisi dan faktor daya serta kestabilan sistem di mana saluran tersebut merupakan salah satu bagiannya.2.3.4 Konduktansi

2.4 Rangkaian Pengganti Saluran TransmisiBerdasarkan panjang saluran, saluran transmisi dapat dibagi menjadi 3 kategori, yaitu:a. Saluran transmisi jarak pendek (short line) memiliki panjang saluran kurang dari 80 km atau 50 mil.b. Saluran transmisi jarak menengah (medium line) memiliki panjang antara 80 sampai 160km.c. Saluran transmisi jarak pendek (short line) memiliki panjang diatas 160 km.2.4.1 Saluran Transmisi PendekPada saluran transmisi pendek tidak terdapat cabang paralel, sehingga besar arus pada ujung pengirim (IS) sama dengan arus pada ujung penerima (IR).IS = IRDan tegangan pada ujung pengirim adalahVS = VR + IRZDimana Z merupakan impedansi seri keseluruhan saluran transmisi. Sedangkan regulasi tegangan suatu saluran transmisi adalah kenaikan tegangan pada ujung penerima, yang dinyatakan dalam persentase tegangan beban penuh jika beban penuh dengan faktor daya tertentu dilepaskan sedangkan tegangan di ujung pengirim tetap.

Gambar Rangk. EkivalenGambar Diagram Phasor2.4.2 Saluran Transmisi MenengahDalam perhitungan saluran jarak menengah, perlu dimasukkan admitansi shunt yang merupakan kapasitansi murni. Apabila semua admintansi shunt dibagi dua sama besar dan diletakkan masing-masing pada ujung pengirim dan penerima, maka rangkaian tersebut dinamakan suatu nominal. Gambar Rangkaian nominal suatu sistem transmisi jarak menengahUntuk memperoleh angka Vs, kita tahu bahwa arus dalam kapasitansi ujung penerima adalah VRY/2 dan arus pada cabang seri adalah IR + VRY/2. SehinggaVs = (VRY/2+Ir)Z+VrVs = (ZY/2+1)Vr+ZirUntuk menurunkan Is perlu diperhatikan bahwa arus dalam kapasitansi shunt pada ujung pengirim adalah VsY/2 yang ditambahkan pada arus dalam cabang seri memberikanIS = VS Y/2 + VRY/2 +IR2.4.3 Saluran Transmisi PanjangUntuk saluran transmisi jarak panjang diperlukan penyelasian dengan ketelitian yang tinggi, kita harus melihat rangkaian parameter tersebar secara merata di sepanjang saluran, tidak terpusat menjadi satu. Gambar Diagram skema saluran transmisi...2.5 Sistem Jaringan InterkoneksiDalam saluran transmisi, sistem jaringan dapat dibedakan menjadi 3, yaitu: sistem jaringan radial, sistem jaringan ring atau loop, dan sistem jaringan interkoneksi. Untuk saluran transmisi Jawa-Bali menggunakan sistem jaringan interkoneksi. Sistem interkoneksi merupakan gabungan dari pusat pembangkit tenaga listrik melalui jaringan transmisi. Sistem interkoneksi memiliki beberapa keuntungan diantaranya kontinuitas pelayanan lebih baik, handal, serta pusat pembangkit tidak perlu bekerja secara optimal. Tetapi dalam pembangunan sistem jaringan interkoneksi dibutuhkan biaya yang besar karena menghubungkan beberapa pusat pembangkit.

Gambar Sistem Interkoneksi2.6 Gardu Induk2.7 Aliran Daya Reaktif2.7.1 Beban RLCDalam sistem tenaga listrik AC terdapat 3 unsur beban atau yang biasa disebut dengan beban RLC. Untuk menghitung besarnya daya nyata yang diserap untuk kebutuhan beban, dapat menggunakan rumus berikut ini:a. Beban resistif (Resistor)

Berdasarkan segitiga daya, maka daya nyata yang diserap sebuah resistor murni bernilai , dan tidak menyerap daya reaktif, .b. Beban Induktif (Induktor)

Untuk beban induktif tidak menyerap daya nyata , sedangkan daya reaktif yang diserap sebanyak .Pada rangkaian AC, daya aktif didapatkan dengan mengalikan tegangan dan arus yang sefasa. Pada beban induktif murni (L) ya ng dihubungkan dengan sumber tegangan (V), maka arus yang dihasilkan tertinggal sejauh terhadap V, atau biasa disebut arus lagging. Berikut ini merupakan gambar rangkaian dan diagram phasor dari beban induktif.Gambarc. Beban Kapasitif (Kapasitor)

Untuk beban kapasitif juga tidak menyerap daya nyata , sedangkan daya reaktif yang diserap bernilai negatif, sebanyak . Atau dengan kata lain, sebuah kapasitor mengirimkan daya reaktif. Beban kapasitif murni (C) yang dihubungkan dengan sumber tegangan (V), maka arus yang dihasilkan merupakan kebalikan dari beban induktif, yaitu mendahului sejauh terhadap V, atau biasa disebut arus leading. Berikut ini merupakan gambar rangkaian dan diagram phasor dari beban kapasitif.Gambar 2.7.2 Daya ListrikPada rangkaian AC, daya terbagi menjadi 3 macam:a. Daya aktif (P)

b. Daya reaktif (Q)

c. Daya semu (S)Daya semu merupakan daya total pada sebuah rangkaian. Apabila tegangan dalam suatu rangkaian diketahui persamaan fasornya sebesar dan arusnya sebesar , maka hasil perkalian tegangan dan conjugate dari arus merupakan daya kompleks atau daya semu atau total power dari suatu rangkaian yang biasa ditulis sebagai S.

Karena merupakan sudut fasa antara tegangan dan arus, maka:

Daya reaktif Q bernilai positif jika, yang berarti juga bahwa arus tertinggal terhadap tegangan (lagging), dan Q bernilai negatif jika , yang juga berarti arus mendahului tegangan (leading).2.7.3 Segitiga DayaGambarSegitiga daya menunjukkan hubungan dari ketiga daya, yaitu daya nyata, daya reaktif, dan daya semu. P atau daya nyata harus digambar pada sumbu mendatar. Untuk beban induktif, Q digambar vertikal ke atas karena nilai daya reaktifnya bertanda positif. Jika bebannya kapasitif, maka Q digambar vertikal ke bawah karena nilainya bertanda negatif.

2.7.4 Power Factor (PF)Power factor atau yang biasa disebut dengan faktor daya, merupakan cosinus dari sudut fasa di antara tegangan dan arus. Pada segitiga daya, cosinus dari sudut yang diapit P dan S juga merupakan faktor daya suatu rangkaian atau sistem.

Apabila beban induktif maka PF lagging, dan jika beban kapasitif, maka PF bersifat leading.2.7.5 Perbaikan Power FaktorDaya reaktif bisa dengan mudah disediakan oleh kapasitor yang ditempatkan pada pusat beban. Berdasarkan penjelasang mengenai faktor daya di atas, dapat dilihat bahwa daya reaktif berpengaruh terhadap nilai PF. PF yang baik jika memiliki nilai mendekati 1. Oleh karena itu, jika suatu rangkaian memiliki power faktor yang jelek, dapat diperbaiki dengan menambah shunt capacitor. Kapasitor akan memberikan daya Qc, yang menyebabkan penurunan daya reaktif dan daya total yang juga berarti memperkecil sudut , sehingga meningkat mendekati 1. Gambar

2.7.6 Drop TeganganDrop tegangan untuk suatu jaringan dapat dihitung menggunakan rumus:

Dimana:V = drop tegangan L-N (V)I = arus yang mengalir pada penghantar (A)R = resistansi penghantar (ohm)X = reaktansi penghantar (ohm) = faktor daya bebanJika pada suatu saluran diketaui jarak atau panjangnya sebesar L dalam satuan km, maka drop tegangan dapat dicari dengan rumus sebagai berikut:

Jika diprosentasekan, maka :

2.8 Kompensasi Reaktif SaluranMenurut Marsudi, ada 3 cara untuk mengompensasi daya reaktif, yaitu:a. Mengontrol tegangan pada bus generatorb. Mengatur tap trafoc. Memasang kompensator daya reaktifKinerja dari saluran transmisi menengah dan panjang dapat diperbaiki dengan kompensasi reaktif baik jenis seri maupun paralel. Kompensasi seri merupakan suatu capacitor bank yang dihubungkan seri dengan setiap penghantar fasa saluran. Sedangkan kompensasi paralel (shunt) adalah induktor ditempatkan antara saluran per phasa dengan netral, tujuannya untuk mengurangi sebagian atau menghilangkan susseptansi shunt saluran tegangan tinggi. Hal ini penting saat keadaan sedikit beban di mana tegangan ujung penerima dapat menjadi sangat tinggi jika tidak dikompensasi.

2.9 Kapasitor2.10 Shunt Capacitor BankSalah satu cara penting dalam mengatur profil tegangan pada bus adalah penempatan shunt capacitor bank pada bus-bus, baik pada sistem transmisi ataupun distribusi, dipasang di sepanjang saluran, atau pada substation dan beban. Pada dasarnya kapasitor adalah suatu alat untuk mencatu var pada titik pemasangannya (Stevenson, 1996: 200). Shunt capacitor dapat dihubungkan secara permanen, tetapi jika digunakan sebagai pengatur tegangan, shunt capacitor dapat dioperasikan (dihubungkan dan diputuskan) dari sistem melalui switching yang disesuaikan dengan perubahan permintaan beban. Proses switching kapasitor dapat dioperasikan secara manual maupun otomatis, baik diatur berdasarkan waktu (timer) atau sebagai respon terhadap permintaan tegangan atau daya reaktif. Apabila kapasitor terhubung paralel dengan beban yang memiliki faktor daya lagging, maka kapasitor merupakan sumber dari beberapa atau mungkin seluruh daya reaktif beban. Jadi kapasitor berfungsi memperkecil arus pada saluran yang dibutuhkan untuk mencatu beban, mengurangi jatuh tegangan pada saluran, serta memperbaiki faktor daya. Untuk generator, kapasitor mengurangi kebutuhan reaktifnya,sehingga output daya nyata dari generator semakin besar.Vektor sebelum dan sesudah dipasang kapasitor paralel

Gambar 2.10 Vektor Tegangan dan Arus Sebelum dan Sesudah Dipasang Kapasitor Paralel (Robandi: 2006)2.11