23 Bab 2 Tinjauan Pustaka
BAB 2TINJAUAN PUSTAKA
2.1.Sistem Distribusi Tenaga Listrik[1]Sistem Distribusi
merupakan bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem distribusi ini
berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya listrik
besar (Bulk Power Source) sampai ke konsumen. Jadi fungsi
distribusi tenaga listrik adalah; 1) pembagian atau penyaluran
tenaga listrik ke beberapa tempat (pelanggan), dan 2) merupakan sub
sistem tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan pelanggan,
karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani
langsung melalui jaringan distribusi. Tenaga listrik yang
dihasilkan oleh pembangkit tenaga listrik besar dengan tegangan
dari 11 kV sampai 24 kV dinaikkan tegangannya oleh gardu induk
dengan transformator penaik tegangan menjadi 70 kV ,154kV, 220kV
atau 500kV kemudian disalurkan melalui saluran transmisi. Tujuan
menaikkan tegangan ialah untuk memperkecil kerugian daya listrik
pada saluran transmisi, dimana dalam hal ini kerugian daya adalah
sebanding dengan kuadrat arus yang mengalir (I2.R). Dengan daya
yang sama bila nilai tegangannya diperbesar, maka arus yang
mengalir semakin kecil sehingga kerugian daya juga akan kecil pula.
Dari saluran transmisi, tegangan diturunkan lagi menjadi 20 kV
dengan transformator penurun tegangan pada gardu induk distribusi,
kemudian dengan sistem tegangan tersebut penyaluran tenaga listrik
dilakukan oleh saluran distribusi primer. Dari saluran distribusi
primer inilah gardu-gardu distribusi mengambil tegangan untuk
diturunkan tegangannya dengan trafo distribusi menjadi sistem
tegangan rendah, yaitu 220/380Volt. Selanjutnya disalurkan oleh
saluran distribusi sekunder ke konsumen-konsumen. Dengan ini jelas
bahwa sistem distribusi merupakan bagian yang penting dalam sistem
tenaga listrik secara keseluruhan. Menurut nilai tegangannya sistem
distribusi dibedakan menjadi dua yaitu sistem distribusi primer dan
sistem distribusi sekunder.
2.1.1.Sistem Distribusi Primer[2]Sistem distribusi primer
digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik dari gardu induk
distribusi ke pusat - pusat beban. Sistem ini dapat menggunakan
saluran udara, kabel udara, maupun kabel tanah sesuai dengan
tingkat keandalan yang diinginkan dan kondisi serta situasi
lingkungan. Saluran distribusi ini direntangkan sepanjang daerah
yang akan disuplai tenaga listrik sampai ke pusat beban.
2.1.2.Sistem Distribusi Sekunder[2]Sistem distribusi sekunder
digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik dari gardu distribusi ke
beban-beban yang ada di konsumen. Pada sistem distribusi sekunder
bentuk saluran yang paling banyak digunakan ialah sistem radial.
Sistem ini biasanya disebut sistem tegangan rendah yang langsung
akan dihubungkan kepada konsumen/pemakai tenaga listrik. Sistem
sekunder dapat terdiri atas empat jenis umum antara lain :1. Sebuah
transformator tersendiri untuk tiap pemakaiPelayanan dengan
transformator tersendiri dilaukan untuk pemakai yang agak besar
atau bila para pemakai terletak agak berjauhan terutama di daerah
luar kota, sehingga saluran tegangan rendahnya akan menjadi
terlampau panjang.2. Penggunaan satu transformator dengan saluran
tegangan rendah untuk sejumlah pemakai.Yang mungkin terbanyak
dipakai adalah sistem yang mempergunakan satu transformator dengan
saluran tegangan rendah yang melayani sejumlah pemakai. Sistem ini
memperhatikan beban dan keperluan pemakai yang berbeda beda sifat
bebannya. Di Indonesia sistem ini banyak dipakai.3. Penggunaan satu
saluran tegangan rendah yang tersambung pada beberapa transformator
secara paralel. Sejumlah pemakai dilayani dari saluran tegangan
rendah ini. Transformator diisi dari satu sumber energi. Hal ini
disebut banking sekunder transformator.Sistem yang menggunakan
banking sekunder tidak begitu banyak dipakai. Antara transformator
dan saluran sekunder biasanya terdapat sekring atau saklar daya
otomatis guna melepaskan transformator dari saluran tegangan rendah
bila terdapat gangguan pada transformator. Kelebihan sistem ini
dianggap dapat memberikan pelayanan yang tidak terganggu dalam
waktu begitu lama. Di lain pihak bilamana salah satu transformator
terganggu, beban tambahan yang harus dipikul transformator lain
dapat mengakibatkan banyak transformator ikut terganggu.4. Suatu
jaringan tegangan rendah yang agak besar diisi oleh beberapa
transformator, yang pada gilirannya diisi oleh dua sumber energi
atau lebih. Jaringan tegangan rendah ini melayani suatu jumlah
pemakai yang cukup besar. Hal ini dikenal sebagai jaringan sekunder
atau jaringan tegangan rendah.Pada umumnya, jaringan sekunder
terjadi dengan menghubungkan semua sisi tegangan rendah dari gardu
gardu transformator yang diisi oleh dua atau lebih feeder tegangan
menengah. Pada sisi tegangan rendah gardu distribusi terdapat
saklar daya yang dioperasikan secara otomatis dan dikenal dengan
nama proteksi otomatik. Proteksi ini akan melepaskan transformator
dari jaringan sekunder bilamana pengisian primer hilang tegangan.
Hal ini akan menghindari suatu arus balik dari sisi tegangan rendah
ke sisi tegangan menengah. Saklar daya didukung oleh sebuah
sekering sehingga bila proteksi otomatik gagal, sekring akan
bekerja dan melepaskan transformator dari jaringan sekunder. Jumlah
pengisi primer pada sisi tegangan menengah penting, karena jika
hanya ada dua feeder dan satu feeder terganggu, maka akan perlu
adanya kapasitas cadangan transformator yang cukup agar sistem yang
masih bekerja tidak mengalami kelebihan beban.
Ada bermacam macam sistem tegangan distribusi sekunder ditinjau
dari cara pengawatannya dan cara pengawatan ini bergantung pula
pada jumlah phasanya, yaitu:[1]1. Sistem satu phasa dua kawat 120
Volt2. Sistem satu phasa tiga kawat 120/240 Volt3. Sistem tiga
phasa empat kawat 120/208 Volt4. Sistem tiga phasa empat kawat
120/240 Volt5. Sistem tiga phasa tiga kawat 240 Volt6. Sistem tiga
phasa tiga kawat 480 Volt7. Sistem tiga phasa empat kawat 240/416
Volt8. Sistem tiga phasa empat kawat 265/460 Volt9. Sistem tiga
phasa empat kawat 220/380 VoltDi Indonesia dalam hal ini PT. PLN
menggunakan sistem tegangan 220/380 Volt.2.2.Transformator
DistribusiTransformator distribusi merupakan peralatan yang
terpenting dalam penyaluran tenaga listrik mulai dari pusat listrik
sampai dengan ke konsumen, dalam hal ini transformator yang
digunakan untuk penyaluran tenaga listrik dari gardu distribusi.
Transformator distribusi berfungsi untuk menurunkan tegangan
transmisi menengah 20 kV ke tegangan distribusi 220/380 V.
2.3.Hubungan 3 Phasa dalam Transformator[3]Secara umum hubungan
belitan tiga phasa terbagi atas tiga jenis, yaitu hubungan wye (Y),
hubungan delta () dan hubungan zig zag. Masing-masing hubungan
belitan ini memiliki karakteristik arus dan tegangan yang
berbeda-beda, selanjutnya akan dijelaskan dibawah. Baik sisi primer
maupun sekunder masing-masing dapat dihubungkan wye ataupun
delta.
2.3.1.Hubungan Bintang / Wye (Y)[3]Arus transformator tiga phasa
dengan kumparan yang dihubungkan bintang yaitu; IA, IB, IC
masing-masing berbeda phasa 120. Untuk beban yang seimbang :
(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)
Gambar 2.1 (a) Rangkaian Hubungan Bintang (b) Diagram Vektor
Hubungan Bintang
Dari gambar 2.1. (a) dan (b) diketahui bahwa untuk hubungan
bintang berlaku hubungan :
(2.5)(2.6)(2.7)
Jadi besarnya daya pada hubungan bintang (VA)
(2.8)(2.9)(2.10)
2.3.2 Hubungan Segitiga/ Delta ()[3]Tegangan transformator tiga
phasa dengan kumparan yang dihubungkan secara delta, yaitu , ,
masing-masing berbeda phasa 120.
(2.11)
Untuk beban yang seimbang :
(2.12)(2.13)(2.14)
Gambar 2.2 (a) Rangkaian Hubungan Delta (b) Diagram Vektor
Hubungan Delta
Dari vektor diagram (gambar 2.2b) diketahui arus IA (arus jala -
jala) adalah (arus phasa). Tegangan jala jala dalam hubungan delta
sama dengan tegangan phasanya.Jadi besarnya daya pada hubungan
delta (VA)
(2.15)(2.16)(2.17)
2.3.3.Hubungan Zig Zag[3]Pada hubungan zig zag masing masing
lilitan tiga phasa pada sisi tegangan rendah dibagi menjadi dua
bagian dan masing masing dihubungkan pada kaki yang berlainan.
Seperti pada gambar (2.3). Hubungan silang atau zig zag digunakan
untuk keperluan khusus seperti pada transformator distribusi dan
transformator converter.
Gambar 2.3 (a) Rangkaian Hubungan Zig Zag (b) Diagram Vektor
Hubungan Zig Zag
2.4.Jaringan Tiga Phasa[4]Sistem tegangan bolak balik (AC)
mempunyai aplikasi yang sangat luas, hal ini disebabkan keunggulan
yang dimiliki dibandingakan sistem tegangan searah (DC). Dalam
pengiriman daya listrik, selalu digunakan sistem AC karena lebih
efisien. Jaringan AC tiga phasa merupakan metode yang paling banyak
digunakan dalam transmisi daya listrik. hal ini karena ketiga phasa
dapat mengalirkan arus yang besarnya sama, serta transfer daya yang
konstan dibandingkan dengan sistem AC satu phasa.
2.4.1Jaringan Tiga Phasa Tiga Kawat[4]Jika tegangan tegangan
phasa disusun membentuk segitiga, maka akan diperoleh hubungan
delta. Sistem tiga phasa tiga kawat tidak memiliki kawat netral.
Tegangan phasa pada sistem tiga phasa tiga kawat hubungan delta
lebih tinggi daripada sistem tiga phasa empat kawat hubungan
bintang, namun juga memiliki kesamaan tergeser 120o.
Gambar 2.4. Fasor Sistem Tegangan Tiga Phasa Tiga Kawat
Pada sistem tegangan tiga phasa tiga kawat, tegangan saluran
sama dengan tegangan phasanya sehingga :
(2.18)(2.19)(2.20)Jika maka arus phasanya :
(2.21)(2.22)(2.23)
Arus pada saluran aA ditentukan dengan menjumlahkan arus phasa
:
(2.24)
Dengan cara yang sama dapat ditentukan arus saluran lainnya
:
(2.25)(2.26)
2.4.2.Jaringan Tiga Phasa Empat Kawat[4]Sebagian besar fasilitas
publik menggunankan jaringan tiga phasa empat kawat hubungan
bintang pada jaringan kelistrikannya. Jaringan tiga phasa empat
kawat terdiri dari tiga kawat phasa yang memiliki tegangan yang
tergeser 1200, serta sebuah kawat netral yang merupakan tempat
kembalinya arus yang berasal dari ketiga phasa. Tegangan saluran
VAB mendahului VBC sejauh 1200 dan VBC mendahului VCA sejauh 1200.
Jika sistem dalam keadaan seimbang. Jika sistem dalam keadaan
seimbang, maka tidak ada arus yang mengalir pada kawat netral.
Sistem ini kemudian akan digunakan untuk memberi tegangan ke beban
beban yang sebagian besar merupakan beban satu phasa, dengan cara
menghubungkan beban tersebut ke salah satu kawat phasa dan kawat
netral.Tegangan VAN, VBN, VCN disebut tegangan phasa dengan
merupakan tegangan phasa efektif :
(2.27)(2.28)(2.29)
Tegangan saluran ditentukan dengan menjumlahkan tegangan
phasanya :
(2.30)(2.31)
Dengan cara yang sama dapat ditentukan tegangan saluran lainnya
:
(2.32)(2.33)
Jika nilai efektif dari tegangan phasa memiliki nilai yang sama
semua (sistem seimbang), maka persamaan di atas menunjukkan bahwa
seluruh phasor tegangan saluran merupakan tegangan phasa dikali
akar tiga dan mendahului phasor tegangan phasa sejauh 300. Sebagai
contoh sistem tiga phasa empat kawat memiliki tegangan phasa efekif
220 V dan VAN dipilih sebagai phasor referensi, maka tegangan
saluran VAB akan bernilai 380 V. Arus pada masing masing phasa akan
sama dengan arus salurannya.
Gambar 2.5. Fasor Tegangan Tiga Phasa Empat Kawat
2.5.Penyaluran Daya Pada Saluran Distribusi[5]2.5.1.Penyaluran
Daya Pada Keadaaan Arus SeimbangApabila daya disalurkan melalui
suatu saluran dengan penghantar netral dan arus arus phasa dalam
keadaan seimbang, maka besarnya daya dapat dinyatakan sebagai
berikut :
(2.34)
Dimana :P: daya pada ujung kirim (watt)V: tegangan pada ujung
kirim (V)Cos : faktor daya
2.5.2.Penyaluran Daya Pada Keadaaan Arus Tak Seimbang Jika (I)
adalah besaran arus phasa dalam penyaluran daya sebesar P pada
keadaan seimbang, maka pada penyaluran daya yang sama tetapi dengan
keadaan tidak seimbang besarnya arus arus phasa dapat dinyatakan
dengan koefisien a, b, c sebagai berikut :
(2.35)
Dengan IR, IS dan IT berturut turut adalah arus pada phasa R, S
dan T.
Bila faktor daya di ketiga phasa dianggap sama walaupun besarnya
arus berbeda, besarnya daya yang disalurkan dapat dinyatakan
sebagai berikut :
(2.36)
2.6. Ketidakseimbangan Beban[5]Keadaan seimbang adalah suatu
keadaan dimana : ketiga vektor arus / tegangan sama besar. ketiga
vektor saling membrntuk sudut 1200 satu sama lain. Seperti
ditunjukan pada gambar 2.6 (a).
(a) (b)Gambar 2.6 (a) Diagram Vektor Arus Keadaan Seimbang (b)
Diagram Vektor Arus yang Tidak SeimbangSedangkan yang dimaksud
dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan dimana : ketiga vektor
sama besar tetapi tidak membentuk sudut 1200 satu sama lain ketiga
vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 1200 satu sama lain
ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 1200 satu
sama lain.Seperti terlihat pada gambar 2.6 (b) terlihat bahwa
penjumlahan ketiga vektor arus (IR, IS dan IT) tidak sama dengan
nol sehingga muncul besaran yaitu arus netral (IN). Besarnya arus
netral bergantung dari seberapa besar faktor
ketidakseimbangannya.Berdasarkan persamaan (2.35) persentase
ketidakseimbangan beban dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut :
(2.37)
2.6.1.Beban Tak Seimbang Terhubung DeltaPenyelesaian beban tak
seimbang tidaklah dapat disamakan dengan beban yang seimbang.
Penyelesaiannya akan menyangkut perhitungan arus arus phasa dan
selanjutnya dengan hukum arus Kirchoff akan didapatkan arus arus
saluran pada masing masing phasa.
Gambar 2.7. Beban tak seimbang terhubung delta
2.6.2.Beban Tak Seimbang Terhubung BintangPada sistem ini masing
masing phasa akan mengalirkan arus yang tak seimbang menuju netral
(pada sistem empat kawat). Sehingga arus netral merupakan
penjumlahan secara vektor arus yang mengalir dari masing masing
phasa.
Gambar 2.8. Beban Tak Seimbang Terhubung Bintang Empat Kawat
2.7.Losses Pada Jaringan Tegangan Rendah[6]2.7.1.Losses Pada
Penghantar PhasaPada pembebanan sistem jaringan tegangan rendah,
adanya tahanan pada penghantar phasa menyebabkan losses :
(2.38)Dimana :P= Losses pada penghantar phasa (kW)Ip= Arus phasa
(A)R= Tahanan()
Persamaan untuk mentukan tahanan penghantar adalah :
(2.39)Dimana : = Jarak persegmen saluran (km)r = Tahanan
penghantar per km (/km)
Untuk mendapatkan besar losses pada penghantar phasa sepanjang
saluran diperlukan perhitungan arus per segmen yang didapatkan
dalam metode pendekatan arus yang terukur di gardu terhadap arus
total yang mengalir dalam satu jurusan tersebut :
(2.40)Dimana :Isgmn= Arus pada segmen-n (A)Imaks= Hasil
perhitungan arus pada segmen-n sesuai dengan daya kontrak pelanggan
(A) Imaks= Total perhitungan arus jurusan sesuai dengan daya
kontrak pelanggan (A)Iukur= Arus pengukuran di gardu (A)
Arus maksimal pada segmen-n dapat diperoleh dengan menggunakan
persamaan :
(2.41)Dimana :Smakssgmn= Daya Maksimum pada segmen-n (VA)Vl-l=
Tegangan line line (V)
2.7.2.Losses Pada Penghantar NetralAkibat pembebanan di tiap
phasa yang tidak seimbang, maka akan mengalir arus pada penghantar
netral. Arus yang mengalir pada penghantar netral akan menyebabkan
losses sebesar :
(2.42)Dimana :PN = Losses pada penghantar netral (watt)IN = Arus
yang mengalir pada penghantar netral (A)RN = Tahanan penghantar
netral ()
Untuk memperoleh besar losses sepanjang saluran diperlukan
perhitungan arus netral per tiang yang mempunyai beban (segmen).
Perhitungan arus netral dilakukan dengan perbandingan arus netral
maksimum (sesuai daya kontrak pelanggan) dengan arus netral
pengukuran di gardu.
(2.43)Dimana :IN sgmn= Arus netral pada segmen-n (A)IN maks=
Arus netral pada segmen-n sesuai dengan daya kontrak pelanggan (A)
IN maks= Total perhitungan arus netral jurusan sesuai dengan daya
kontrak pelanggan (A)IN ukur= Arus netral pengukuran di gardu
(A)
Perhitungan arus netral menggunakan metoda penjumlahan
Phytagoras komponen imaginer dan komponen real dari arus phasa tiap
segmen
(2.44)Dimana :IN maks= Arus netral pada segmen-n sesuai dengan
daya kontrak pelanggan (A)Iimag= Komponen imaginer arusIreal=
Komponen real arusKomponen imaginer dan real didapat dari
perhitungan sebagai berikut :
(2.45) (2.46)Dimana :IR= Arus phasa R pada segmen-n (sesuai daya
kontrak)IS= Arus phasa S pada segmen-n (sesuai daya kontrak)IT=
Arus phasa T pada segmen-n (sesuai daya kontrak)6