BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB LANDASAN TEOR. Gangguan Pada Sistem Tenaga Listrik Gangguan dapat mengakibatkan kerusakan yang cukup besar pada sistem tenaga listrik. Banyak sekali studi, pengembangan alat dan desain sistem perlindungan yang telah dibuat, sehingga pencegahan kerusakan pada saluran transmisi dan peralatan lain serta cara-cara pemutusan arus pada saat ada gangguan selalu mengalami perbaikan. Gangguan dalam sistem tenaga listrik adalah keadaan tidak normal dimana keadaan ini dapat mengakibatkan terganggunya kontinyunitas pelayanan tenaga listrik. Gangguan ini dapat mengakibatkan kerusakan atau mempengaruhi sistem, antara lain :. Terjadi gangguan yang tidak normal dari batas yang diijinkan yang akan menyebabkan arus yang besar mengalir pada saluran.. Gangguan dapat menurunkan, menghilangkan atau menaikan sistem terganggu diluar batas yang diijinkan. 3. Gangguan dapat menyebabkan sistem daya tiga phasa menjadi tidak simetris atau tidak seimbang. 4. Gangguan dapat menghalangi aliran daya. 5

2 6 5. Gangguan dapat mengakibatkan sistem tidak stabil dan menghentikan aliran daya sistem tenaga listrik. 6. Gangguan hubung singkat akan menimbulkan arus gangguan yang sangat besar yang dapat dengan cepat merusak peralatan generator, motor ataupun transformator. Ada dua faktor penyebab utama terjadinya gangguan pada sistem tenaga listrik, yaitu gangguan dari dalam sistem dan gangguan dari luar sistem. Faktor luar yaitu gangguan yang disebabkan oleh alam, manusia, hewan, tumbuhan yang menyebabkan parameter-parameter listrik menjadi abnormal dan bahkan bisa merusak peralatan listrik yang ada. Sedangkan faktor dalam yaitu akibat adanya kerusakan yang terjadi di dalam peralatan sistem tenaga listrik tersebut. Faktor-faktor yang menyebabkan terjadi gangguan pada sistem tenaga listrik antara lain :. Umur peralatan yang sudah tua menyebabkan kekuatan isolasi peralatan menjadi berkurang, yang akhirnya dapat mengakibatkan kegagalan isolasi sehingga besar kemungkinan terjadi hubung singkat pada peralatan tersebut.. Surja Petir Mengingat adanya saluran yang tersebar dan cukup panjang, maka kemungkinan gangguan yang disebabkan oleh petir besar sekali apalagi dimusim hujan.

3 7 3. Surja Hubung Surja hubung merupakan kenaikan tegangan pada saat terjadinya pemutusan arus oleh pemutus tenaga, dan pada saat itu perubahan menuju ketidakseimbangan. 4. Polusi Debu Debu-debu yang menempel pada isolator bila terjadi udara lembab maka debu tersebut merupakan konduktor yang dapat menyebabkan terjadinya loncatan bunga api listrik pada akhirnya dapat menyebabkan gangguan ke tanah. 5. Gangguan alam seperti terjadinya angin kencang yang dapat menyebabkan pohon-pohon sekitarnya tumbang dan mengakibatkan saluran-saluran disekitarnya menjadi terganggu.. Teori Komponen Simetris Teori komponen simetris merupakan metode yang sangat penting dan merupakan pokok perubahan berbagai artikel dan penyelidikan uji coba gangguan tak simetris pada sistem transmisi, yang terjadi karena hubung singkat, impedansi antar saluran, impedansi dari satu atau dua saluran ke tanah, atau penghantar yang terbuka. Persoalan pada sistem tenaga listrik tiga fasa yang seimbang dapat diselesaikan dengan mengubah semua sistem menjadi satu fasa. Dua fasa lainnya sama dengan fasa pertama dengan pergeseran sudut fasa ± 0º. Metoda komponen simetris mencoba menyelesaikan sistem tiga fasa yang tidak seimbang menjadi sistem satu fasa dengan bantuan fasor tak seimbang. Fasor tiga fasa tidak

4 8 seimbang diuraikan menjadi dua fasor fasa seimbang yang masing-masing disebut komponen urutan positif dan komponen urutan negatif dan satu fasor yang disebut komponen urutan nol. Suatu sistem tak seimbang yang terdiri dari n fasor yang berhubungan dapat diuraikan menjadi n buah sistem dengan fasor yang dinamakan komponenkomponen simetris (symmetrical components) dari fasor aslinya, n buah fasor pada setiap himpunan komponennya adalah sama panjang dan sudut diantara fasor yang bersebelahan dalam himpunan itu sama besarnya. Tiga fasor tak seimbang dari sistem tiga fasa dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang. Himpunan seimbang komponen itu adalah :. Komponen urutan positif, yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 0º dan mempunyai urutan fasa yang sama seperti fasor aslinya.. Komponen urutan negatif, terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 0º dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan seperti fasor aslinya. 3. Komponen urutan nol, terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan dengan pergeseran fasa nol antara fasor yang satu dengan yang lain. Pada umumya, ketika memecahkan permasalahan dengan menggunakan komponen simetris bahwa ketiga fasa dari sistem dinyatakan sebagai a, b dan c. Dengan cara demikian sehingga urutan fasa tegangan dan arus dalam sistem adalah a b c, sedangkan urutan fasa dari komponen urutan negatif adalah a c b. Jika fasor aslinya adalah tegangan, maka tegangan tersebut dapat dinyatakan

5 dengan subskrip tambahan untuk urutan positif, untuk komponen urutan negatif dan 0 untuk komponen urutan nol. 9 Karena setiap fasor tak seimbang yang asli adalah jumlah komponen fasor asli yang dinyatakan dalam suku-suku komponennya adalah : V a = V a + V a + V a0... (.) V b = V b + V b + V b0... (.) V c = V c + V c + V c0... (.3) 0 o 0 o Komponen Urutan Postif Komponen Urutan Negatif

6 0 Komponen Urutan Nol Gambar.. Tiga Himpunan Fasor Seimbang Yang Merupakan Komponen Simetris Dari Tiga Fasor Tak Seimbang.3 Sistem Per-Unit (p.u) Dalam sistem per-unit terdapat empat besaran dasar yaitu besaran dasar daya dalam kilovolt-ampere (kva) atau megavolt-ampere (MVA), besaran dasar tegangan dalam volt (V) atau kilovolt (kv), besaran dasar impedansi dalam ohm (Ω) dan besaran arus dalam ampere (A). Hubungan antara besaran dasar, besaran per-unit dan besaran sebenarnya adalah : Besaran per-unit = besaran sebenarnya besaran dasar Besaran sebenarnya = besaran per-unit besaran dasar Pada umumnya besaran daya dipilih pertama, lalu salah satu tegangan dipilih sebagai tegangan dasar, tegangan sistem yang lainnya dapat ditentukan dengan menggunakan referensi dari rating primer dan sekunder trafo. Tegangan

7 dasar biasanya menggunakan tegangan fasa-fasa dalam kilovolt. Formula untuk menghitung besaran dasar adalah : b kva b =... (.4) 3 kv b kv 000 (kv ) 000 (kv ) Z = b b b b = =... (.5) 3 kva b b MVAb dimana: b = besaran dasar arus (A) KV b = besaran dasar tegangan (kv l-l ) kva b = besaran dasar daya (kva) MVA b = besaran dasar daya (MVA) Z b = besaran dasar impedansi (Ω/fasa) Elemen impedansi biasanya dinyatakan dalam ohm atau milliohm atau dalam persen pada suatu peralatan. mpedansi kabel secara umum dinyatakan dalam ohm dan impedansi trafo dalam persen dengan rating kva/mva. Sebagai contoh 5% pada trafo 500 kva. Besaran impedansi sebenarnya dapat dirubah ke dalam besaran per-unit dengan rumus : Z Z kva e b pu =... (.6) 000 kvb

8 Z pu Z kva 00 kva % b e =... (.7) e kv kv b Z pu Z kva pu e b e =... (.8) kva e kv kv b dimana : Z pu = impedansi per-unit Z pu e = impedansi per-unit pada rating kva dari elemen Z e = impedansi sebenarnya dalam ohm Z % = impedansi yang dinyatakan dalam persen kva e = daya sebenarnya dalam kva kv e = tegangan sebenarnya dalam kv Jika resistansi diabaikan maka rumus tersebut menggunakan besaran reaktansi (X) sebagai pengganti dari impedansi (Z).4 Jenis Gangguan Dalam Sistem Tiga Phasa Dalam sistem tenaga listrik jenis-jenis gangguan yang mungkin terjadi dalam sistem tiga Phasa :

9 3. Gangguan shunt (hubung singkat) Gangguan hubung singkat tiga phasa dibedakan menjadi dua jenis gangguan : a. Gangguan hubung singkat tiga phasa simetri, terdiri dari : - Gangguan tiga phasa (line-line-line) - Gangguan tiga phasa ke tanah (line-line-line-groud) b. Gangguan hubung singkat tiga phasa tidak simetris, terdiri dari : - Satu phasa ke tanah - Antar phasa - Antar phasa ketanah. Gangguan seri (hubung terbuka) a. Satu saluran terbuka b. Dua saluran terbuka c. mpedansi seri tak seimbang 3. Gangguan simultan a. Shunt-shunt b. Shunt-seri c. Seri-seri.5 Gangguan Hubung Singkat Tujuan dari analisa hubung singkat adalah untuk menentukan arus dan tegangan maksimum dan minimum pada bagian-bagian atau titik-titik tertentu dari suatu sistem tenaga listrik untuk jenis gangguan yang terjadi, sehingga dapat

10 4 ditentukan pengaman, rele dan pemutus tenaga (Circuit Breaker) untuk mengamankan sistem dari keadaan tidak normal dalam waktu seminimal mungkin. Gangguan yang terjadi dapat mengakibatkan bekerjanya rele pengaman dan menjatuhkan pemutus tenaga (PMT), sehingga menyebabkan terputusnya aliran daya melalui PMT tersebut. Gangguan tersebut terjadi disebabkan karena adanya kesalahan teknis ataupun dikarenakan operator (human error). Bila ditinjau dari segi lamanya waktu gangguan, maka dapat dikelompokan menjadi : a. Gangguan sementara (temporary) Gangguan sementara ditandai dengan normalnya kerja dari pemutus tenaga setelah dimasukkan kembali. Sedangkan gangguan permanen ditandai dengan bekerjanya kembali pemutus tenaga untuk memutus listrik, sehingga dengan menghilangkan penyebab timbulnya gangguan, maka gangguan yang bersifat pemanen baru dapat diatasi. Pada gangguan yang bersifat sementara penyebab gangguan akan hilang dengan sendirinya setelah pemutus tenaga jatuh. b. Gangguan permanen (stationary) Untuk gangguan yang bersifat permanen bisa disebabkan adanya kerusakan pada peralatan sistemnya, sehingga gangguan baru bisa diatasi setelah kerusakan pada paralatan tersebut sudah diperbaiki. Sedangkan untuk gangguan temporer yang terjadi berulang-ulang akan dapat menyebabkan timbulnya kerusakan pada peralatan sistem dan

11 5 hal ini dapat pula menimbulkan gangguan yang bersifat permanen sebagai akibat adanya kerusakan peralatan tersebut. Gangguan hubung singkat mengakibatkan mengalirnya arus lebih pada phasa yang terganggu menuju titik gangguan, arus gangguan tersebut mempunyai harga yang jauh lebih besar dari rating arus maksimum yang diijinkan peralatan. Sehingga akan dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan sistem tenaga listrik bila alat pengaman tidak segera bekerja..5. Gangguan Paralel.5.. Gangguan Satu Fasa Ke Tanah Pada umumnya gangguan satu fasa ke tanah terjadi karena satu penghantar fasanya terhubung singkat ke tanah baik secara langsung atau terhubung dengan kawat tanah. Gambar. (a) berikut akan memperlihatkan gambaran umum dari gangguan satu fasa ke tanah pada titik F dengan impedansi gangguan Z f, gambar. (b) memperlihatkan rangkaian ekivalen jaringan urutan. F a b af bf = 0 cf = 0 c V af Z f (a) (b) Gambar.. Gangguan Satu Fasa Ke Tanah : (a) Gambaran Umum (b) Rangkaian Ekivalen Jaringan Urutan

12 6 Gangguan fasa ke tanah yang terjadi dimisalkan pada fasa a dengan V f adalah tegangan sebelum terjadi gangguan (V f =.0 0º p.u). Dimana : a0 o,0 0 = a = a =... (.9) Z + Z + Z + 3Z 0 f af bf cf = a a a a a0 a a. (.0)\ Arus gangguan untuk fasa adalah af = a0 + a + a... (.) Atau af = 3 a0 = 3 a = 3 a... (.).5.. Gangguan Fasa Fasa Pada umumnya, gangguan antar fasa pada sistem tenaga listrik ketika dua penghantar terhubung singkat. Gambar.3 (a) menunjukkan gambaran umum dari gangguan antar fasa pada titik gangguan F dengan impedansi gangguan Z f. Gambar.3 (b) menunjukan rangkaian ekivalen jaringan urutan, dengan V f adalah tegangan sebelum terjadi gangguan (V f =,0 0º p.u).

13 7 (a) (b) Gambar.3. Gangguan Fasa-Fasa : (a) Gambaran Umum (b) Rangkaian Ekivalen Jaringan Urutan Dari gambar.3 (a) diperoleh af = 0... (.3) bf = - cf... (.4) V bc = V b V c = Z f bf... (.5) Dari gambar.3 (b), arus urutan dapat dirumuskan a0 = 0... (.6) a o,0 0 = a =... (.7) Z + Z + Z f

14 Dengan mensubsitusikan persamaan (.6) dan (.7) ke dalam persamaan (.0) arus gangguan untuk fasa b dan c adalah 8 bf = - cf = 3 a -90º... (.8).5..3 Gangguan Dua Fasa Ke Tanah Pada umumnya, gangguan dua fasa ke tanah pada sistem transmisi terjadi ketika konduktor berhubungan langsung dengan netral dari sistem pentanahan tiga fasa. Gambar.4 (a) menunjukan gambaran umum dari gangguan dua fasa ke tanah pada titik gangguan F dengan impedansi gangguan Z f dan dengan impedansi dari saluran ke tanah Z g (yang mana nilainya sama dengan nol atau tak terhingga). Gambar.4 (b) menunjukan hubungan dari rangkaian ekivalen jaringan urutan resultan, dengan V f adalah tegangan sebelum terjadi gangguan (V f =,0 0º p.u). a F b c af = 0 bf cf Z f Z f Z g bf + cf (a) (b) Gambar.4. Gangguan Fasa-Fasa ke Tanah : (a) Gambaran Umum (b) Rangkaian ekivalen Jaringan Urutan

15 Untuk analisa gangguan fasa-fasa ke tanah dimisalkan fasa yang terganggu adalah pada fasa b dan c. 9 af = 0... (.9) V bf = (Z f + Z g ) bf + Z g cf... (.0) V cf = (Z f + Z g ) cf + Z g bf... (.) Dari gambar.4 (b) arus urutan positif dapat digambarkan : a o,0 0 =... (.) (Z + Zf )(Z0 + Zf + 3Zg) (Z + Zf ) + Z + Z + Z + 3Z 0 f g Arus urutan negatif dan nol dapat terbentuk dengan menggunakan aturan pembagian arus, yaitu : a (Z0 + Zf + 3Zg) = a... (.5) (Z0 + Zf + 3Zg) + (Z + Zf ) a0 (Z + Z ) f = a... (.6) (Z + Zf ) + (Z0 + Zf + 3Zg) Arus gangguan untuk fasa b dan c dapat dibentuk dengan mensubsitusikan persamaan (.) (.6) ke dalam persamaan (.0) jadi :

16 bf = a0 + a a + a a... (.7) 0 Dan cf = a0 + a a + a a... (.8).5..4 Gangguan Tiga Fasa Ke Tanah Pada umumnya gangguan tiga fasa merupakan gangguan yang seimbang (symmetrical), tetapi juga bisa di analisa dengan menggunakan komponen simetris. Gambar.5 (a) memperlihatkan gambaran umum dari gangguan tiga fasa seimbang pada gangguan di titik F dengan impedansi Z f dan Z g. Gambar.5 (b) memperlihatkan rangkaian ekivalen jaringan urutan, dengan V f adalah tegangan sebelum terjadi gangguan (V f =,0 0º p.u). (a) (b) Gambar.5. Gangguan Tiga Fasa : (a) Gambaran Umum (b) Rangkaian Ekivalen Jaringan Urutan

17 Arus urutan positif, negatif dan nol dapat digambarkan seperti : a0 = 0... (.9) a = 0... (.30) a o,0 0 =... (.3) Z + Z f dengan mensubsitusikan persamaan (.9) (.3) ke dalam persamaan (.0) af bf cf = a a 0 a a a 0... (.3) Dari persamaan diatas af o,0 0 = a =... (.33) Z + Z f bf,0 40 o = a a =... (.34) Z + Zf cf o,0 0 = a a =... (.35) Z + Z f Sehingga V af = V a = Z f a 0º... (.36) V bf = a V a = Z f a 40º... (.37)

18 V cf = a V a = Z f a 0º... (.38).6 Sistem Pembumian Transformator Daya Sistem pembumian pada trafo daya sangatlah penting, khususnya sejak gangguan yang sering terjadi adalah gangguan fasa ke tanah. Sehingga pengaman terhadap peralatan sangatlah dibutuhkan. Tujuan dari pembumian adalah untuk memperkecil tegangan lebih sementara, untuk pengamanan peralatan itu sendiri, mendeteksi gangguan dengan cepat dan untuk mengisolasi area yang terganggu. Sistem pembumian pada trafo dibagi menjadi empat tipe yaitu : Trafo yang tidak dibumikan. Trafo yang dibumikan dengan tahanan tinggi. Trafo yang dibumikan dengan tahanan rendah. Trafo yang dibumikan langsung (solid grounding). antara lain: Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi pemilihan metode pembumian Level tegangan sistem tenaga listrik Kemungkinan adanya tegangan lebih sementara (transient overvoltage) Tipe dari peralatan yang ada dalam sistem tenaga listrik Kontinuitas dari pelayanan Keadaan tanah di lingkungan peralatan

19 3 Biaya dari peralatan, termasuk alat proteksi dan pemeliharaannya Keamanan Toleransi dari tingkat gangguan Beberapa tipe pembumian memiliki keuntungan dan kerugian masingmasing. Berikut ini akan dibahas mengenai masing-masing tipe pembumian diatas..6. Trafo Yang Tidak Dibumikan Pada sistem berikut ini trafo tidak dibumikan sama sekali, pembumiannya hanya oleh kapasitansi dari sistem ke tanah. Keuntungan dari sistem ini adalah apabila terjadi gangguan tanah maka arus gangguan tanahnya sangat kecil, sehingga kemungkinan kerusakan peralatan menjadi kecil dan tidak terlalu penting untuk memisahkan area yang terganggu. Sistem ini kadang-kadang digunakan di sistem pembangkitan industriindustri yang membutuhkan kontinuitas penyaluran tenaga listrik yang tinggi dan sangat penting untuk memperkecil kerugian akibat kehilangan tenaga listrik. Selain keuntungan yang telah disebutkan diatas pada sistem yang tidak dibumikan memiliki persoalan yang cukup penting, pada sistem ini terdapat tegangan lebih sementara yang bersifat merusak dan selalu memiliki potensial yang berbahaya bagi peralatan dan manusia. Gangguan fasa tanah pada sistem yang tidak diketanahkan memiliki perubahan dari segitiga tegangan normal yang seimbang. Arus yang melalui

20 4 impedansi fasa seri akan menyebabkan sedikit perubahan pada segitiga tegangan. Ketika terjadi gangguan satu fasa tanah, tegangan fasa tanah dari penghantar lainya naik sebesar 3. Gambar.6. Trafo Yang Tidak Dibumikan.6. Trafo Yang Dibumikan Dengan Tahanan Tinggi Sistem pembumian dengan tahanan tinggi dapat membatasi arus gangguan fasa tanah. Resistor pembumian dihubungkan pada netral trafo. Dengan tahanan tinggi kerusakan-kerusakan karena arus sangat berkurang. Pembumian ini dipilih untuk tujuan : Mencegah pemutusan yang tidak direncanakan Apabila sistem sebelumnya dioperasikan tanpa pengtanahan dan tidak ada relai tanah yang terpasang Apabila pembatasan kerusakan karena arus dan tegangan lebih diinginkan, tetapi tidak dibutuhkan relai tanah yang selektif. Dalam sistem ini trafo dibumikan melalui resistor yang mempunyai nilai yang sama atau lebih rendah dari total kapasitansi ke tanah. Dalam sistem ini arus

21 5 gangguan yang terjadi kecil untuk memperkecil kerusakan, dengan demikian dapat membatasi tegangan lebih sementara sampai dengan,5 kali nilai tertinggi terhadap tanah. Resistor pembumian dihubungkan pada netral dari trafo hubungan bintang. Pembumian trafo dengan tahanan tinggi di ndonesia diterapkan di daerah Jawa Timur dengan resistor pembumian sebesar Ω. Arus gangguan yang terjadi pada sistem ini sangat kecil sehingga apabila terjadi gangguan tidak terlalu berbahaya. Gambar.7. Trafo Yang Dibumikan Dengan Tahanan Tinggi.6.3 Trafo Yang Dibumikan Dengan Tahanan Rendah Pada sistem ini pembumian bertujuan untuk membatasi arus gangguan satu fasa ke tanah yang diperkirakan 50 sampai 600 A di sisi primer. Sistem ini memiliki keuntungan dari segi isolasi peralatan karena tegangan dari fasa yang tidak terganggu tidak naik secara besar bila terjadi gangguan fasa tanah

22 6 penghantar yang lainnya. Pada umumya tipe pembumian dengan tahanan rendah menggunakan reaktor atau resistor yang diletakkan di netral dari trafo. Sistem pembumian ini sebagian besar digunakan pada sistem yang bertegangan,4 3,8 kv yang pada umumnya menggunakan motor yang dihubungkan langsung. Untuk sistem di ndonesia pembumian dengan tahanan rendah diterapkan di daerah Jawa Barat dan DK Jakarta dengan resistor pembumian sebesar Ω dan 40 Ω pada sistem yang bertegangan 0 kv. Sistem pembumian dengan resistor Ω pada umumnya digunakan pada saluran kabel (SKTM) dan sistem pembumian 40 Ω pada saluran udara (SUTM). Gambar.8. Trafo Yang Dibumikan Dengan Tahanan Rendah.6.4 Trafo Yang Dibumikan Langsung Sistem pembumian ini tidak menggunakan impedansi yang dihubungkan dengan tanah, jadi dalam sistem netral dari trafo tetap dihubungkan ke tanah tetapi tidak melalui impedansi. Pembumian ini disebut juga pembumian efektif dimana pada sistem ini memenuhi persamaan :

23 7 X R (.73) X X dimana X 0 dan R 0 adalah reaktansi dan resistansi urutan nol dan X adalah reaktansi urutan positif dari sistem tenaga listrik. Pada sistem ini arus gangguan tanah yang terjadi sangat bervariasi dari arus yang sangat kecil sampai arus yang lebih besar dari arus gangguan tiga fasa. Hal ini dapat terjadi tergantung dari konfigurasi dan besaran-besaran sistem tenaga listrik itu sendiri dan lokasi gangguannya. Dengan bervariasinya arus gangguan fasa tanah yang terjadi terhadap lokasi gangguan, maka sistem pembumian ini dapat digunakan untuk menentukan lokasi gangguan dan mengisolasi area yang terganggu secara selektif dengan relai proteksi. Sistem pembumian langsung di ndonesia diterapkan pada sistem di Jawa Tengah dengan konsultan dari Amerika, sistem ini digunakan pada saluran udara (SUTM) tiga fasa empat kawat. Pada sistem ini arus gangguan yang terjdi sangat besar, tetapi memiliki keuntungan antara lain untuk beban yang tersebar seperti di pedesaan sehingga tidak perlu menarik saluran tiga fasa cukup dengan satu fasa saja karena bebannya cenderung jauh antara satu dengan yang lain. Gambar.9. Trafo Yang Dibumikan Langsung