BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Parameter Besaran listrik Parameter Besaran listrik adalah segala sesuatu yang mencakup mengenai besaran listrik dan dapat dihitung ataupun diukur. Parameter besaran listrik bermacam-macam, diantaranya tegangan, arus, cos phi, frekuensi, daya, dll. 2.1.1 Tegangan Tegangan adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik, dan dinyatakan dalam satuan volt. Besaran ini mengukur energi potensial dari sebuah medan listrik yang mengakibatkan adanya aliran listrik dalam sebuah konduktor listrik. Tergantung pada perbedaan potensial listriknya, suatu tegangan listrik dapat dikatakan sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi. Secara definisi tegangan listrik menyebabkan obyek bermuatan listrik negatif tertarik dari tempat bertegangan rendah menuju tempat bertegangan lebih tinggi. Sehingga arah arus listrik konvensional didalam suatu konduktor mengalir dari tegangan tinggi menuju tegangan rendah. Voltmeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial listrik. Voltmeter biasanya disusun secara paralel (sejajar) dengan sumber tegangan atau peralataan listrik. Tetapi didalam alat ini hanya terdapat terminal yang langsung disambungkan ke beban. Didalam alat ini terdapat pengukuran tegangan antar phasa dan phasa dengan netral. ~ V Beban Gambar 2.1Rangkaian voltmeter 5

6 2.1.2 Amperemeter Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan dari pergerakan elektron-elektron, mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Arus listrik dapat diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere. Alat pengukur arus listrik adalah amperemeter. Amperemeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kuat aruslistrik yang ada dalam rangkaian tertutup.amperemeter biasanya dipasang berderet dengan elemenlistrik.cara menggunakannya adalah dengan menyisipkan amperemeter secara langsung ke rangkaian. ~ A Beban Gambar 2.2 Rangkaian amperemeter 2.1.3 Daya aktif Daya aktif (Active Power) adalah daya yang terpakai untuk melakukan energi sebenarnya. Satuan daya aktif adalah Watt. P = V. I. Cos φ P = 3. V L. I L. Cos φ Daya ini digunakan secara umum oleh konsumen dan dikonversikan dalam bentuk kerja.

7 Gambar 2.3 Rangkaian wattmeter 2.1.4 Daya Reaktif Daya reaktif adalah jumlah daya yang diperlukan untuk pembentukan medan magnet. Dari pembentukan medan magnet maka akan terbentuk fluks medan magnet. Contoh daya yang menimbulkan daya reaktif adalah transformator, motor, lampu pijar dan lain lain. Satuan daya reaktif adalah Var. Q = V.I.Sin φ Q = 3. V L. I L. Sin φ Didalam daya reaktif dibagi lagi menjadi beberapa bagian, yaitu : - Daya Reaktif (induktif/kvarh.l) - Daya Reaktif (kapasitif/kvarh,c) 2.1.5 Faktor Daya Faktor daya (Cos φ) dapat didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya aktif (Watt) dan daya nyata (VA) yang digunakan dalam sirkuit AC atau beda sudut fasa antara V dan I yangbiasanya dinyatakan dalam cos φ. Faktor Daya = Daya Aktif (P) / Daya Nyata (S) = kw / kva = V.I Cos φ / V.I = Cos φ Faktor daya mempunyai nilai range antara 0 1 dan dapat juga dinyatakan dalam persen. Faktor daya yang bagus apabila bernilai mendekati satu. Tan φ = Daya Reaktif (Q) / Daya Aktif (P) = kvar / kw

8 karena komponen daya aktif umumnya konstan (komponen kva dan kvar berubah sesuai dengan faktor daya), maka dapat ditulis seperti berikut : Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) x Tan φ sebuah contoh, rating kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya sebagai berikut : Daya reaktif pada pf awal = Daya Aktif (P) x Tan φ1 Daya reaktif pada pf diperbaiki = Daya Aktif (P) x Tan φ2 sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah : Daya reaktif (kvar) = Daya Aktif (kw) x (Tan φ1 - Tan φ2) Beberapa keuntungan meningkatkan faktor daya : - Tagihan listrik akan menjadi kecil (PLN akan memberikan denda jika pf lebih kecil dari 0,85) - Kapasitas distribusi sistem tenaga listrik akan meningkat - Mengurangi rugi rugi daya pada system - Adanya peningkatan tegangan karena daya meningkat. Jika pf lebih kecil dari 0,85 maka kapasitas daya aktif (kw) yang digunakan akan berkurang. Kapasitas itu akan terus menurun seiring dengan menurunnya pf sistem kelistrikan. Akibat menurunnya pf maka akan timbul beberapa persoalan diantaranya : - Membesarnya penggunaan daya listrik kwh karena rugi rugi - Membesarnya penggunaan daya listrik kvar - Mutu listrik menjadi rendah karena jatuh tegangan (voltage drops) Denda atau biaya kelebihan daya reaktif dikenakan apabila jumlah pemakaian kvarh yang tercatat dalam sebulan lebih tinggi dari 0,62 jumlah kwh pada bulan yang bersangkutan sehingga pf rata rata kurang dari 0,85. sedangkan perhitungan kelebihan pemakaian kvarh dalam rupiah menggunakan rumus sebagi berikut : Kelebihan pemakaian kvarh = [ B 0,62 ( A1 + A2 )] Hk dimana : B = pemakaian kvarh

9 A1 = pemakaian kwh WPB A2 = pemakaian kwh LWBP Hk = harga kelebihan pemakaian kvarh Gambar 2.4Hubungan daya aktif, reaktif dan kapasitansi Seperti terlihat pada gambar 2.5, daya reaktif yang dibutuhkan oleh induktansi selalu mempunyai beda fasa 90 dengan daya aktif. Kapasitor menyuplai kvar dan melepaskan energi reaktif yang dibutuhkan oleh induktor. Ini menunjukan induktansi dan kapasitansi mempunyai beda fasa 180. Beberapa strategi untuk koreksi faktor daya adalah : - Meminimalkan operasi dari beban motor yang ringan atau tidak bekerja - Menghindari operasi dari peralatan listrik diatas tegangan rata ratanya - Mengganti motor motor yang sudah tua dengan energi efisien motor. Meskipun dengan energi efisien motor, bagaimanapun faktor daya diperngaruhi oleh beban yang variasi. Motor ini harus dioperasikan sesuai dengan kapasitas rat ratanya untuk memperoleh faktor daya tinggi. - Memasang kapasitor pada jaringan AC untuk menurunkan medan dari daya reaktif. Selain itu, pemasangan kapasitor dapat menghindari : - Trafo kelebihan beban (overload), sehingga memberikan tambahan daya yang tersedia - Voltage drops pada line ends Untuk pemasangan Capasitor Bank diperlukan :

10 - Kapasitor, dengan jenis yang cocok dengan kondisi jaringan - Regulator, dengan pengaturan daya tumpuk kapasitor (Capasitor Bank) otomatis - Kontaktor, untuk switching kapasitor - Pemutus tenaga, untuk proteksi tumpuk kapasitor. Energi listrik digunakan berbanding lurus dengan biaya produksi yang dikeluarkan. Semakin besar energi listrik yang digunakan maka semakin besar biaya produksi yang dibutuhkan. Dengan menggunakan power monitoring system dapat diketahui pemakaian energi listrik dan kondisi energi listrik dari peralatan listrik sehingga menigkatkan efisiensi dari energi listrik yang digunakan dalam pekerjaan dan meminimalkan rugi rugi pada sistem untuk penyaluran energi listrik yang lebih efisien dari sumber listrik ke beban. Gambar 2.5 Kompensasi daya reaktif Faktor daya terdiri dari dua sifat yaitu faktor daya leading dan faktor daya lagging. Faktor daya ini memiliki karakteristik seperti berikut :

11 Faktor Daya leading Apabila arus mendahului tegangan, maka faktor daya ini dikatakan leading. Faktor daya leading ini terjadi apabila bebannya kapasitif, seperti capacitor,generator sinkron, motor sinkron. Gambar 2.6 faktor daya leading Gambar 2.7 Segitiga daya untuk beban kapasitif Faktor Daya lagging Apabila tegangan mendahului arus, maka faktor daya ini dikatakan lagging. Faktor daya lagging ini terjadi apabila bebannya induktif, seperti motor induksi, AC dan transformator. Gambar 2.8 Faktor daya lagging

12 Gambar 2.9 Segitiga daya untuk beban induktif 2.2 Transformator Arus (CT) Transformator arus (CT) berfungsi untuk menurunkan arus tinggi/besar ke arus yang lebih rendah untuk pengukuran dan proteksi. Kumparan primer pada trafo dihubungkan secara seri dengan beban sedangkan kumparan sekundernya dihubungkan dengan sirkit arus dari alat pengukur arus (ampere meter) atau alat pengukur daya (watt meter). Selain itu fungsi Transformator Arus (CT) adalah : a. Memperkecil besaran arus pada sistem tenaga listrik menjadi besaran arus untuk sistem pengukuran. b. Mengisolasi rangkaian sekunder terhadap rangkaian primer. c. Standarisasi rating arus untuk peralatan sisi sekunder. Gambar 2.10 Transformator Arus

13 Berdasarkan rumus : I 1 N 1 = I 2 N 2 = = Dimana a, I 1 > I 2 sehingga N 1 N 2 N 1 = jumlah lilitan primer N 2 = jumlah lilitan sekunder Gambar 2.11 Konstruksi Trafo Arus Ada 2 tipe dari transformator arus, yaitu tipe lilitan dan tipe tusukan. a b Gambar 2.12 Konstruksi transformator arus, a) Tipe tusukan b) Tipe lilitan Pada tipe lilitan, kedua kumparan primer dan sekunder dililitkan melalui satu inti besi sedangkan tipe tusukan kumparan primernya terdiri atas satu konduktor tunggal yang ditusukan melalui jendela yang dibentuk dari inti besi. Disamping tipe lilitan dan tusukan tersebut, masih terdapat tipe lain yang dikenal dengan tipe jendela dimana lilitan primernya tidak diberikan akan tetapi pemakai dapat membentuknya sendiri pada saat penggunaannya dengan memberikan sejumlah lilitan yang diperlukn pada sisi primernya. Tipe lilitan digunakan pada umumnya bila harga nominal dari arus primer adalah di bawah 1000 A. Sedangkan tipe-tipe lainnya dipergunakan pada arus-arus primer yang mempunyai harga nominal lebih tinggi.

14 2.2.1 Karakteristik Transformator Arus (CT) Gambar 2.13 Diameter Inti Transformator Arus primer (I p ) membangkitkan fluks magnet di inti besi, makin besar arus yang mengalir maka semakin besar fluks magnet yang mengalir sehingga fluks magnet yang dihasilkan tidak tertampung lagi sehingga E s tidak mampu naik lagi, pada kondisi tersebut transformator arus sudah jenuh. Jika transformator arus sudah mencapai titik jenuh sedangkan arus primer terus naik, maka kesalahan rasio (error ratio) akan membesar bahkan sekunder CT akan terjadi kegagalan (collapse). Gambar 2.14 Karakteristik transformator arus pengukuran dan proteksi Jika dilihat dalam gambar karakteristik transformator arus, titik kejenuhan transformator arus proteksi lebih besar dari transformator arus pengukuran.

15 Kejenuhan transformator arus pengukuran pada sekunder merupakan suatu manfaat, CT pengukuran lebih cepat jenuh daripada CT proteksi. Hal ini, diperlukan untuk melindungi alat ukur dikarenakan kemampuan dari alat ukur adalah terbatas. Transformator arus pengukuran akan tetap menjaga arus di sekunder di bawah batas ukur dari alat ukur. 2.2.2 Burden (Beban) A. Beban Pengenal 1. Beban CT dinyatakan dalam VA 2. Nilai beban umum digunakan :2,5; 5 ; 7,5 ; 10; 15; 30 VA 3. Nilai dari beban CT dimana klas ketelitian dinyatakan B. Arus Pengenal Kontinyu Umumnya digunakan pada sisi primer, misalnya 1000/1 A, 2000/1 A. C. Arus Pengenal Waktu Singkat (Short Time Rated Current) Umumnya dinyatakan dalam batas waktu 0,5 ; 1 ; 2 ; 3 detik. Dinyatakan pada keadaan sekunder CT hubung singkat. Sehingga tidak akan menimbulkan kerusakan D. Pengenal Arus Dinamik Perbandingan I puncak / I pengenal. Dimana I puncak adalah arus maksimum CT yang diijinkan tanpa menimbulkan kerusakan. 2.2.2 Kelas Ketelitian CT a. Kesalahan rasio CT Kesalahan transformator pada pengukuran arus, yang muncul dari kenyataan bahwa rasio transformasi sebenarnya, tidak sama dengan transformasi pengenal. Kesalahan arus dinyatakan dalam persen rumus :

16 Kesalahan arus % = x 100 Dimana, adalah rasio transformasi pengenal, adalah arus primer sebenarnya, dan adalah arus sekunder sebenarnya pada waktu mengalir, selama pengukuran. b. Kesalahan fasa 2 = - 1 = + Gambar 2.15 Kesalahan sudut Menurut SPLN 55 Tahun 1984 trafo arus yang digunakan untuk pengukuran adalah trafo arus kelas 1,0 untuk pengukuran tegangan rendah dan trafo arus kelas 0,5 untuk pengukuran tegangan menengah dan tegangan tinggi. Kesalahan sudut fasa berpengaruh bila pengukuran menyangkut besaran arus dan tegangan, misalnya pengukuran daya aktif maupun reaktif. Gambar 2.16 Vektor Arus dan Tegangan Tabel 2.1 Batas kesalahan arus dan kesalahan sudut untuk kelas 0,1 s/d 1,0 sesuai IEC 60044-1 Kelas Ketelitian % Kesalahan rasio arus pada % dari arus pengenal Pergeseran fasa pada % dari arus pengenal Menit (1/60 derajat) 5 20 100 120 5 20 100 120 0,1 0,4 0,2 0,1 0,1 15 8 5 5

17 0,2 0,75 0,35 0,2 0,2 30 15 10 10 0,5 1,5 0,75 0,5 0,5 90 45 30 30 1,0 3,0 1,5 1,0 1,0 180 90 60 60 Tabel 2.2 Batas kesalahan arus dan kesalahan sudut untuk kelas 0,2 dan 0,5S sesuai IEC 60044-1 Kelas Ketelitian % Kesalahan rasio arus pada % dari arus pengenal Pergeseran fasa pada % dari arus pengenal Menit (1/60 derajat) 1 5 20 100 120 1 5 20 100 120 0,2S 0,75 0,35 0,2 0,2 0,2 30 15 10 10 10 0,5S 1,5 0,75 0,5 0,5 0,5 90 45 30 30 30 2.3 MCB MCB adalah singkatan dari Miniature Circuit Breaker, fungsi MCB adalah sebagai peralatan pengaman terhadap gangguan hubung singkat dan beban lebih yang mana akan memutuskan secara otomatis apabila lebih dari arus nominalnya. MCB merupakan sebuah pengaman yang bekerja berdasarkan prinsip Bimetal, dengan beberapa elemen operasi yaitu : 1. Terminal trip (Bimetal) 2. Elektromagnetik trip (coil) 3. Pemadam busur api 4. Mekanisme pemutusan Berdasarkan konstruksinya, maka MCB memiliki dua cara pemutusan yaitu : - Pemutusan bersarkan panas dan berdasarkan elektromagnetik. - Pemutusan berdasarkan panas dilakukan oleh batang bimetal

18 Pemutusan berdasarkan panas dilakukan oleh batang bimetal, yaitu : perpaduan dua buah logam yang berbeda koefisien muai logamnya. Jika terjadi arus lebih akibat beban lebih, maka bimetal akan melengkung akibat panas dan akan mendorong tuas pemutus tersebut untuk melepas kunci mekanisnya. Pemutusan berdasarkan elektromagnetik dilakukan oleh koil, jika terjadi hubung singkat maka koil akan terinduksi dan daerah sekitarnya akan terdapat medan magnet sehingga akan menarik poros dan mengoperasikan tuas pemutus. Untuk menghindari dari efek lebur, maka panas yang tinggi dapat terjadi bunga api yang pada saat pemutusan akan diredam oleh pemadam busur api (arc-chute) dan bunga api yang timbul akan masuk melalui bilah-bilah arc-shute tersebut. Keuntungan sebuah pengaman otomatis adalah dapat segera digunakan lagi setelah terjadi pemutusan, dalam pengaman otomatis terdapat kopeling jalan bebas karena kopling ini otomatnya tidak bisa digunakan kembali kalau gangguanya belum diperbaiki. Sifat dari MCB adalah :aasdasdasd a. Arus beban dapat diputuskan bila panas yang ditimbulkan melebihi dari panas yang diizinkan b. Arus hubung singkat dapat diputuskan tanpa adanya perlambatan c. Setelah dilakukan perbaikan, maka MCB dapat digunakan kembali Gambar 2.17 bagian MCB Keterangan gambar : 1. Tuas aktuator operasi On-Off

19 2. Mekanisme Actuator 3. Kontak penghubung 4. Terminal Input-Output 5. Batang Bimetal 6. Plat penahan & penyalur busurapi 7. Solenoid / Trip Coil 8. Kisi-kisi pemadam busur api Berdasarkan waktu pemutusanya, pengaman otomatis dibagi atas : a. Type G (General) Biasanya digunakan untuk instalasi motor listrik b. Type L (Line) Biasanya digunakan untuk instalasi jala-jala c. Type H (Home) Biasanya digunakan untuk instalasi rumah/gedung d. Type K&U Biasanya digunakan untuk rangkaian elektronika atau trafo a. Otomat type G Pada jenis ini digunakan untuk mengamankan motor-motor kecil AC maupun DC, mengamankan alat-alat listrik dan juga rangkaian akhir besar untuk alat di penerangan, seperti penerang pad a bangsal pabrik dll. Pengaman elektro yang magnetiknya berfungsi pada 8 11 x I nominalnya untuk AC dan 14 x I nominal untuk DC. b. Otomat tipe L Pada jenis ini pengaman thermisnya disesuaikan dengan meningkatnya suhu hantaran, kalau terjadi beban lebih dan suhu hantaranya melebihi suatu nilai tertentu, maka elemen bimetalnya akan memutuskan rangkaian. Kalau terjadi hubung singkat, maka arusnya akan diputuskan oleh pengaman elektromagnetik. Untuk AC adalah : 4 6 x In dan DC adalah : 8 x In dimana pemutusan arusnya akan berlangsung dalam waktu 2 detik. c. Otomat type H Secara thermos jenis ini sama dengan otomat type L, tapi pengaman elektro

20 magneriknya akan memutuskan dalam waktu 0,2 detik. Untuk AC 2,5 3 x In dan DC 4 x In. jenis otomat ini digunakan untuk instalasi rumah, dimana kondisi gangguan yang relative kecil pun harus diputuskan dengan cepat, jadi kalau terjadi gangguan tanah, maka bagian bagian yang terbuat dari logam tidak akan lama bertegangan. 2.4 Fuse Fuse adalah suatu alat yang digunakan sebagai pengaman dalam suatu rangkaian listrik apabila terjadi kelebihan muatan listrik atau suatu hubungan arus pendek. Cara kerjanya apabila terjadi kelebihan muatan listrik atau terjadi hubungan arus pendek, maka secara otomatis fuse tersebut akan memutuskan aliran listrik dan tidak akan menyebabkan kerusakan pada komponen yang lain. 2.4.1 Karateristik Fuse Karakteristik fuse menunjukan hubungan antara arus dan waktu putus berbanding terbalik, artinya bila arus yang melalui patron lebur makin besar maka waktu pemutusann semakin singkat, sehingga patron lebur ini merupakan gawai proteksi arus lebih ( GPAL ) dengan karakteristik waktu terbalik (invers). Arus penguat sebuah pengaman lebur tidak sama dengan arus yang menyebabkan pengaman putus. Sebuah proteksi harus dapat dibebani dengan arus nominalnya secara kontinyu tanpa batas waktu. Arus nominalnya kira-kira 70 % dari batas arus maksimalnya (Ig). Kalau dibebani dengan batas ini terus-menerus lamakelamaan pengaman akan putus. 2.4.2 Macam-macam fuse / sekering Sekering/fuse yang umum digunakan adalah: 1. Sekering lebur Sekering lebur akan bekerja ketika ada tegangan lebih (overvoltage) sehingga meleburkan elemen lebur yang memutus aliran arus pada rangkaian

21 Gambar 2.18fuse lebur 2. Sekering suhu (termal fuse) Sekering suhu bekerja ketika sistem over head atau panas lebih sehingga mengakibatkan sekering trip (memutus arus) Gambar 2.19 fuse Thermal 3. Sekering waktu (timer fuse) Sekering dengan waktu tertentu, bisa menset waktu sesuai dengan program yang kita tentukan agar sekering tersebut bekerja. gambar 2.20 Fuse waktu

22 2.5 Supply Network Analyzer Supply Network Analyzer merupakan sebuah alat ukur yang didalamnya mencakup besaran-besaran listrik, seperti tegangan, arus, daya aktif, daya reaktif, frekuensi dan faktor daya dalam satu perangkat dan juga dapat menyimpan memori terhadap hasil pengukuran secara responsif. Gambar 2.21 Supply Network Analyzer ( Circutor CVMK-L ) Gambar 2.22 bagian belakang circutor CVMK-L

23 Gambar 2.23 wiring Circutor CVMk Keterangan Wiring: - L 1,L 2,L 3,N : Suply - P1 : Primer1 CT - P2 : Primer2 CT - S1 : Skunder1 CT - S2 : Skunder2 CT - 4-13 : Terminal yang ada di Circutor CVMk Sistem pembacaan pada Supply Network Analyzer ini terlihat pada suatu monitor yang mempunyai backlight berwarna hijau dan berbentuk digital yang dapat memonitor pengukuran 1 phasa dan pengukuran tiga fasa Spesifikasi teknik Supply Network Analyzer Spesifikasi alat: - 230 V a.c. atau 400 V a.c. - 240 V a.c. atau 480 V a.c. - Frekuensi 50 hz/60hz - Supply toleransi +10/--15% - Koneksi terminal : 1-2-3 - Burden 3 VA