Sudaryatno Sudirham Distribusi Energi Listrik ii
BAB 2 Beban di Jaringan Distribusi Dari keseluruhan sistem penyediaan energi, jaringan distribusi merupakan bagian yang langsung berhubungan dengan pengguna energi listrik, yang dalam pengusahaan energi listrik disebut pelanggan. Pelanggan, adalah pembeli energi listrik dan adalah wajar jika apa yang dibelinya mempunyai mutu yang sesuai dengan harapan. Mutu energi listrik yang sampai ke tempat pelanggan ditetapkan dalam berbagai ketentuan. Namun dalam operasinya, pada waktu-waktu tertentu bisa terjadi penyimpangan-penyimpangan. Penyimpangan ini mungkin dipicu oleh kejadian alam, ataupun dipicu oleh kejadian di jaringan itu sendiri. 2.1. Pengelompokan Pelanggan Menurut Tegangan Dilihat dari posisi meter transaksi, pelanggan dapat di kelompokkan dalam: a). Pelanggan Tegangan Menengah b). Pelanggan Tegangan Rendah Pada jaringan distribusi PLN, nilai nominal tegangan menengah adalah 20 kv (antar fasa) sedangkan tegangan rendah adalah 380/220 V. Pelanggan Tegangan Menengah. Pelanggan tegangan menengah adalah pelanggan yang meter transaksinya 2-1
dipasang di sisi tegangan menengah; jadi kwh-meter mengukur energi yang masuk ke transformator. Hal ini tidak berarti bahwa semua pembebanan di sisi pelanggan dicatu dengan tegangan menengah. Dengan meletakkan pengukur energi di sisi tegangan menengah, maka susut energi yang terjadi di transformator dan di jaringan tegangan rendah yang tersambung ke transformator tersebut, menjadi tanggungan pelanggan. Oleh karena itu harga energi bagi pelanggan tegangan menengah bisa lebih rendah. Di sisi sekunder transformator, pelanggan dapat medistribusikan energi melalui jaringan tegangan rendah pada beban-bebannya. Pelanggan Tegangan Rendah. Pelanggan tegangan rendah adalah pelanggan yang meter transaksinya dipasang di sisi tegangan rendah; jadi kwh-meter mengukur energi yang masuk langsung ke beban-beban tegangan rendah. Contoh yang umum untuk pelanggan tegangan rendah adalah pelanggan rumah tangga, di mana tegangan 220 V (fasa-netral) mencatu peralatan rumah tangga. Perlu diingat bahwa tidak semua negara menggunakan tegangan 220 V sebagai tegangan catu peralatan rumah tangga. Di negara tertentu digunakan tegangan 110 V; oleh karena itu kita perlu memastikan lebih dulu berapa tegangan sumber sebelum kita hubungkan peralatan kita. Demikian pula halnya jika kita membeli peralatan listrik, perlu kita pastikan berapa tegangan yang diperlukan. 1-2 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
2.2 Pengelompokan Menurut Jenis Pemanfaatan Energi PLN mengelompokkan pelanggannya menurut jenis peruntukan energinya, yaitu: 1. Pelanggan Rumah Tangga 2. Pelanggan Industri 3. Pelanggan Bisnis 4. Pelanggan Sosial 5. Kantor Pemerintah 6. Penerangan Jalan Umum Konsumsi Energi Pelanggan PLN. Proporsi penggunaan energi untuk masing-masing kelompok pelanggan, berbeda dari daerah ke daerah. Ada daerah dengan pengunaan energi untuk industri cukup tinggi namun ada daerah dengan penggunaan energi untuk industri sangat rendah. Rekaman situasi tersebut memberikan gambaran seberapa jauh kemajuan industri di suatu daerah dibandingkan dengan daerah lain. Tabel berikut ini menunjukkan proporsi konsumsi energy untuk setiap jenis pelanggan PLN. Data ini diolah dari Buku Statistik PLN untuk tahun 2006. 2-3
Tabel-1.1. Proporsi Konsumsi Energi Menurut Jenis Pelanggan RT Industri Bisnis Sos Kantor PJU Jatim 35.9% 47.7% 11.0% 2.2% 0.9% 2.3% Jateng 48.3% 35.1% 9.2% 2.7% 0.9% 3.9% DIY 62.0% 12.8% 13.0% 7.2% 1.7% 3.3% Jabar 35.0% 52.8% 9.1% 1.5% 0.7% 0.9% Banten 12.6% 83.8% 2.4% 0.5% 0.3% 0.5% DKI 33.4% 31.0% 28.8% 2.8% 2.8% 1.1% Sumatra 49.7% 25.7% 16.1% 2.6% 1.7% 4.2% Kalimantan 58.2% 11.6% 21.0% 2.6% 2.9% 3.8% Sulawesi 52.1% 19.6% 17.6% 3.2% 3.0% 4.5% Maluku 66.3% 1.9% 18.6% 3.0% 7.6% 2.6% Bali 44.8% 4.1% 44.2% 1.8% 2.8% 2.2% NTB 65.6% 2.0% 22.3% 3.7% 1.9% 4.5% NTT 63.5% 3.2% 17.9% 5.2% 5.2% 5.0% Papua 61.0% 1.4% 24.8% 3.7% 5.9% 3.2% Batam 27.2% 32.4% 36.3% 1.4% 2.1% 0.6% Di setiap daerah, jumlah konsumsi tiga kelompok pelanggan yang terakhir, yaitu Sosial, Kantor Pemerintah, dan Penerangan Jalan Umum, rata-rata tidak sampai 10% dari total konsumsi di daerah yang bersangkutan. Konsumsi paling tinggi kebanyakan adalah untuk keperluan rumah tangga. Namun di beberapa daerah seperti Jawa Timur, Jawa Barat, Banten, konsumsi untuk industri lebih dominan. Sementara itu di Jakata, konsumsi untuk rumah tangga, industri, dan bisnis dapat 1-4 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
dikatakan seimbang; demikian pula halnya dengan Batam. Sedangkan di Bali konsumsi untuk Bisnis sangat dominan seimbang dengan konsumsi rumah tangga, sementara konsumsi untuk industri rendah. 2.3. Katagori Beban Tidak semua pengguna energy bekerja pada kondisi yang sama. Sebagian pengguna energi memerlukan energy yang tak boleh terputus ataupun jika terputus hanya boleh dalam selang waktu yang sangat pendek. Sebagian lagi tidak terlalu menderita jika listrik terputus untuk sementara. Berkenaan dengan hal tersebut, pengguna energy dapat kita katagorikan sebagai berikut. Katagori Pertama. Dalam katagori ini terputusnya pasokan energy listrik akan menyebabkan situasi yang sangat berbahaya seperti misalnya kematian, atau akan menyebabkan kerugian ekonomi yang sangat besar, atau menyebabkan kerusakan peralatan, atau menyebabkan terhentinya proses produksi yang sangat kompleks, atau terhentinya layanan publik yang sangat vital seperti tranportasi dan juga air. Untuk pengguna energy katagori pertama ini, terputusnya pasokan energi hanya boleh terjadi dalam waktu yang sangat pendek. Mereka memerlukan pasokan dari dua sumber yang tidak saling bergantungan, dan salah satu diantaranya menjadi sumber cadangan (standby units). Perpindahan dari sumber utama ke sumber cadangan harus terjadi secara otomatis setiap kali terjadi pemutusan pada sumber utama. Katagori Kedua. Pada katagori ini, terputusnya aliran energy akan menyebabkan penurunan produksi, 2-5
tertundanya pekerjaan, dan terhentinya mesin-mesin. Dalam situasi ini pemindahan dari catu utama ke unit cadangan boleh dilakukan secara manual. Katagori Ketiga. Pada katagori ini termasuk semua pengguna energy yang tidak termasuk pada katagori pertama ataupun kedua. Terputusnya catu energy pada katagori ini boleh lebih lama, bahkan sampai 24 jam. 2.4. Keandalan (Reliability) Sehubungan dengan kemungkinan terputusnya catu energy, dikenal beberapa ukuran untuk menilai seberapa jauh pemasokan energy dapat diandalkan. Reliability dinyatakan dengan indeks yang dihitung per tahun dengan memasukkan faktor-faktor jumlah pelanggan, beban terpasang, durasi ketiadaan pasokan, jumlah daya (kva) yang terputus, serta seringnya daya terputus. SAIFI (System Average Interruption Frequency Index). SAIFI adalah frekuensi rata-rata terputusnya pasokan (sustained interruptions) per pelanggan dalam satu area yang ditentukan. Nilainya adalah jumlah interupsi yang terjadi dibagi dengan jumlah pelanggan yang dilayani. SAIDI (System Average Interruption Duration Index). SAIDI merupakan indeks yang menunjukkan rata-rata durasi hilangnya pasokan energi ke pelanggan. Nilainya adalah jumlah waktu yang diperlukan untuk mengembalikan pasokan dari setiap terhentinya pasokan dibagi dengan jumlah semua pelanggan. 1-6 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index). CAIDI adalah waktu rata-rata yang dibutuhkan untuk mengembalikan pasokan pada setiap sustained interruption. Nilainya adalah jumlah durasi hilangnya pasokan dibagi dengan total jumlah interupsi. MAIFI (Momentary Average Interruption Frequency Index). MAIFI adalah jumlah peristiwa momentary interruption dibagi dengan jumlah pelanggan yang dilayani. Momentary interruption didefinisikan dalam IEEE Std. 1366 sebagai interupsi yang terjadi karena operasi tunggal piranti interupsi, seperti recloser. Hanya SAIDI dan SAIFI yang selama ini masuk dalam laporan PLN. Tabel-2.2. memperlihatkan situasi secara nasional, yaitu SAIDI dan SAIFI yang dialami PLN secara nasional. 2-7
Tabel-2.2. SAIDI dan SAIFI PLN*) *) Sumber: Statistik PLN 2.5. Kualitas Daya (Power Quality) Dengan berkembangnya teknologi informasi, bukan hanya terputusnya pasokan energy yang dapat merugikan pelanggan. Peralatan teknologi informasi beserta perangkat lunaknya merupakan beban-beban yang sangat sensitif. Gangguan-gangguan kecil yang tidak terasa pada beban untuk penerangan, bisa menimbulkan kerugian yang sangat besar pada system informasi. Timbullah persoalan kualitas daya. Kualitas Daya (Power Quality) terkait dengan peristiwa yang berlangsung singkat, bisa kurang dari satu siklus, 1-8 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
yang cukup sulit untuk diamati. Masalah kualitas daya dapat dipandang sebagai seringnya dan berbahayanya penyimpangan-penyimpangan yang terjadi pada catu daya ke beban, yang seharusnya berbentuk tegangan dan arus sinusoidal 50 Hz. Karena kepekaan peralatan terhadap adanya penyimpangan-penyimpangan berbeda-beda, maka apa yang untuk suatu peralatan merupakan kualitas daya yang buruk mungkin saja tidak terlalu buruk untuk peralatan lain sehingga masih dapat diterima. Power quality sama pentingnya dengan reliability. Permasalahan dalam kualitas daya adalah sebagai berikut: Power Surges Voltage Sag Undervoltage Brownouts Blackouts Transients / Interruptions High-Voltage Spikes Frequency Variation Electrical Line Noise Harmonics Power Surges. Power surge merupakan pemaksaan kenaikan pasokan daya yang tiba-tiba kepada suatu beban. Peristiwa ini dirasakan sebagai suatu kenaikan tegangan pada beban. Peristiwa ini bisa terjadi jika peralatan listrik yang menggunakan daya besar tiba-tiba lepas / dilepas dari jaringan. Kejadian ini dirasakan oleh beban yang lain 2-9
sebagai kenaikan tegangan (pada frekuensi normal); kenaikan tegangan ini dapat mencapai 110% atau lebih dari tegangan normal. Power Surge dapat mengakibatkan kedip (flicker), matinya peralatan, errors pada komputer, dan kehilangan memori pada computer. Voltage Sag. Kebalikan dari Power Surge, peristiwa Power Sag berupa penurunan tegangan. Peristiwa ini bisa disebabkan oleh kesalahan jaringan ataupun masuknya peralatan yang membutuhkan arus awal besar ke jaringan. V t Gb.1.1. Voltage sag. Voltage sag dapat mengakibatkan kegagalan peralatan, computer errors, computer memory loss. Kejadian Voltage sag bisa bersumber pada instalasi sendiri, yaitu instalasi di pelanggan. Misalnya: 1. Masuknya beban besar ke jaringan 2. Cacat pada sambungan penghantar 3. Terjadinya hubung singkat di tempat lain pada instalasi sendiri. 1-10 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
Voltage sag juga bisa bersumber pada jaringan pemasok energy (PLN), misalnya 1. Beroperasinya recloser 2. Beroperasinya Voltage Regulator 1. Masuknya beban besar di instalasi sendiri Motor: Arus asut motor bisa mencapi nilai yang timggi. Karakteristik motor [Siemens - Electrical Engineering Handbook] Pemanas resistif: Resistivitas logam meningkat dengan meningkatnya temperatur. Pemanas resistif pada waktu start (masih dingin) bisa menarik arus 1,5 kali arus setelah pemanas menjadi panas. 2. Cacat pada sambungan penghantar Sambungan-sambungan penghantar yang longgar mempertinggi impedansi saluran. Peningkatan impedansi ini memperbesar tegangan jatuh pada saluran yang berarti memperbesar terjadinya voltage sag. 2-11
3. Terjadi hubung singkat di tempat lain dalam instalasi sendiri Untuk melokalisasi kejadian hubung-singkat digunakan fuse. Arus besar pada waktu terjadi hubung singkat akan melelehkan kawat fuse yang kemudian memutuskan beban. Namun ada selang waktu antara saat hubung singkat terjadi dan saat terputusnya kawat fuse. Dalam selang waktu tersebut terjadi penurunan tegangan. 4. Voltage Regulator di sisi pemasok daya Jaringan pemasok energi dilengkapi dengan peralatan yang secara otomatis melakukan penyesuaian tegangan. Peralatan otomatis ini mungkin berupa power factor correction capacitors, mungkin juga tap switching transformers. Apabila terjadi kegagalan operasi peralatan ini, voltage sag akan terjadi. Voltage sag dapat menyebabkan kegagalan peralatan. Satu hal yang pasti adalah bahwa voltage sag akan mengakibatkan menurunnya pasokan daya karena daya berbanding lurus dengan kuadrat tegangan. Apabila tegangan turun 10%, maka aliran daya hanya tinggal sekitar 80% dari semula. Penurunan daya pada waktu terjadi voltage sag juga dialami oleh beban-beban sensitif. Catu daya beban sensitif (komputer dll) diberikan melalui tegangan searah yang dihasilkan oleh penyearahan tegangan bolak-balik. 1-12 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
Undervoltage. Yang dimaksud dengan undervoltage adalah peristiwa penurunan tegangan yang terjadi secara berkepanjangan Undervoltage akan mengakibatkan terjadinya pemanasan yang berlebihan pada motor, bahkan sampai pada kegagalan operasi peralatan. Brownouts. Brownout adalah terjadinya pasokan daya pada tegangan yang lebih rendah dari tegangan normal. Hal ini terjadi misalnya pada waktu pemasok tidak dapat memenuhi permintaan beban dan terpaksa beroperasi pada tegangan yang lebih rendah untuk membatasi daya maksimum. Brownout dapat mengakibatkan data error, data loss, kegagalan peralatan. Interruptions / Transient. Interupsi pasokan daya merupakan kondisi di mana catu tegangan ataupun arus hilang samasekali untuk sementara waktu. Hal ini biasa terjadi di jaringan sebagai akibat sambaran petir, binatang, cuaca buruk, dan kegagalan operasi peralatan. Terputusnya pasokan ini bisa berlangsung hanya sesaat bisa pula berkepanjangan: 2-13
Blackouts. Blackouts adalah peristiwa terjadinya tegangan nol (hilang tegangan) yang berlangsung lebih dari dua menit. Sumber kejadian kebanyakan berasal dari sisi jaringan seperti circuit breaker yang trip. Akibat yang dapat ditimbulkan adalah data loss, data corrupt, kerusakan peralatan High Voltage Spikes. Voltage spikes merupakan kenaikan tegangan tiba-tiba dalam durasi yang sangat pendek. Spikes sering terjadi karena adanya sambaran petir, dan berakibat buruk pada beban sensitif. Durasi terjadinya spike bisa kurang dari 10 mikrodetik. Sedangkan besar spike di jaringan bisa mencapai 10 kv dan di sisi tegangan rendah bisa mencapai 1000 V. Akibat yang ditimbulkan bis loss of data, kerusakan komponen elektronik. Frequency Variation. Dalam kejadian ini frekuensi menyimpang dari standar 50 Hz. Hal ini bisa disebabkan oleh emergency genset, generator tak stabil. Akibat yang timbul adalah data lost, kegagalan program, kegagalan peralatan sensitif Electrical Line Noise. Peristiwa ini mencakup Radio Frequency Interference (RFI) dan Electromagnetic Interference (EMI) Kejadian ini mempengaruhi jaringan system komputer. Sumber penyebabnya antara lain rele, piranti kendali motor, radiasi gelombang mikro, badai petir. Akibat yang timbul berupa data error, data loss. 1-14 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
Harmonisa. Peristiwa yang sesunggungguhnya terjadi adalah terdistorsinya bentuk gelombang arus yang seharusnya sinusoidal. Distorsi ini terjadi karena adanya beban nonlinier, dimana bentuk gelombang arus beban tidak mengikuti bentuk gelombang tegangan pasokan. Beban semacam ini misalnya penyearah. Tentang harmonisa ini dibahas di Bab-3, -4,-5 yang merupakan copy dari bab-6, -7, -8 Analisis Rangkaian Sistem Tenaga mengenai Pembebanan Non Linier (silakan diunduh). 2.6. Kondisi Lokasi Hal yang perlu pula diperhatikan adalah kondisi lokasi di mana peralatan pengguna energy ditempatkan. Kondisi lokasi yang khusus dapat membahayakan instalasi jika tidak diantisipasi. Kita bisa membedakan kondisi-kondisi lokasi sebagai berikut Lokasi Kering. Suatu lokasi dikatakan kering jika kelembaban-relatif tidak melebihi 60%. Lokasi semacam ini misalnya ruang kantor, auditorium, flat. Lokasi Tidak Kering tetapi juga tidak lembab. Lokasi demikian mempunyai kelembabn relatif di atas 60% tetapi kurang dari 75%. Uap bisa hadir di ruangan semacam ini namun dalam selang waktu yang tidak terlalu lama. Misalkan dapur (ruang memasak makanan), gudang. Lokasi Lembab. Kelembaban relative ruang demikian ini bisa 75% atau lebih. Gudang bawah tanah dan 2-15
terowongan adalah lokasi-lokasi yang mungkin akan mencapai kondisi seperti ini. Lokasi Basah. Dalam ruang demikian ini kelembaban relatif bisa mendekati 100%. Dinding dan lantai hampir selalu lembab; misalnya ruang mandi, ruang cuci (laundry). Lokasi dengan Temperatur Tinggi. Dalam ruang ini suhu selalu di atas 30 o C. Misalnya ruang mesin. Lokasi Berdebu. Debu selalu timbul dalam ruang demikian ini. Debu ini merupakan hasil dari suatu proses prduksi. Contoh yang mudah ditemui adalah ruang produksi peralatan dari kayu (meubel). Penggergajian, pembubutan, ampelas, adalah pekerjaan-pekerjaan yang menghasilkan debu. Lokasi dengan Bahaya Kejut-listrik. Ruangan yang demikian ini mungkin mengandung debu yang merupakan debu konduktif, mungkin juga berlantai konduktif. Ruang dengan uap eksplosif atau mudah terbakar. Instalasi dalam ruang seperti ini harus explotion proof. Pabrik cat, tambang, instalasi pengolahan minyak bakar (fuel) adalah contoh lokasi yang memerlukan instalasi yang explotion proof. 1-16 Sudaryatno Sudirham, Distribusi Energi Listrik
2-17