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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 2/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 3/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 4/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 5/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 6/97
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,
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 7/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 8/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 9/97
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)
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 10/97
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:
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 11/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 12/97
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:
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 13/97
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:
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 14/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 15/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 16/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 17/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 18/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 19/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 20/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 21/97
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)
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 22/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 23/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 24/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 25/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 26/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 27/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 28/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 29/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 30/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 31/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 32/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 33/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 34/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 35/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 36/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 37/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 38/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 39/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 40/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 41/97
(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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 42/97
(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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 43/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 44/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 45/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 46/97
(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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 47/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 48/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 49/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 50/97
(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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 51/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 52/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 53/97
(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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 54/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 55/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 56/97
• 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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 57/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 58/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 59/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 60/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 61/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 62/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 63/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 64/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 65/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 66/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 67/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 68/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 69/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 70/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 71/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 72/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 73/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 74/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 75/97
• 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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 76/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 77/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 78/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 79/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 80/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 81/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 82/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 83/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 84/97
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-
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 85/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 86/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 87/97
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 :
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 88/97
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)
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 89/97
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)
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 90/97
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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 91/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 92/97
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.
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 93/97
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)
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 94/97
( )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
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 95/97
8/12/2019 655_4 Tinjauan Pustaka Tentang Tenaga Listrik
http://slidepdf.com/reader/full/6554-tinjauan-pustaka-tentang-tenaga-listrik 96/97
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)