2.1 Umum BAB II JARINGAN DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK Kehidupan moderen salah satu cirinya adalah pemakaian energi listrik yang besar. Besarnya pemakaian energi listrik itu disebabkan karena banyak dan beraneka ragam peralatan (beban) listrik yang digunakan. Sedangkan beban listrik yang digunakan umumnya bersifat induktif dan kapasitif. Dimana beban induktif membutuhkan daya reaktif seperti trafo pada rectifier, motor induksi (AC) dan lampu TL, sedangkan beban kapasitif mengeluarkan daya reaktif. Daya reaktif itu merupakan daya yang tidak berguna sehingga tidak dapat dirubah menjadi tenaga, akan diperlukan untuk proses transmisi energi listrik pada beban. Jadi yang menyebabkan pemborosan energi listrik adalah banyaknya peralatan yang bersifat induktif. Berarti dalam menggunakan energi listrik ternyata pelanggan tidak hanya dibebani oleh daya aktif (kw) saja tetapi juga daya reaktif (kvar). Penjumlahan kedua daya itu akan menghasilkan daya nyata yang merupakan daya yang disuplai oleh PLN. Jika nilai daya itu diperbesar yang biasanya dilakukan oleh pelanggan industri maka rugi-rugi daya menjadi besar sedangkan daya aktif (kw) dan tegangan yang sampai ke konsumen berkurang. Dengan demikian produksi pada industri itu akan menurun. Hal ini tentunya tidak boleh terjadi, untuk itu suplai dan PLN harus ditambah berarti penambahan biaya.
2.2 Sistem Jaringan Distribusi Ada tiga bagian penting dalam proses penyaluran tenaga listrik, yaitu: Pembangkitan, Penyaluran (transmisi) dan distribusi seperti pada gambar berikut : Gambar 2.1 Tiga komponen utama dalam Penyaluran Tenaga Listrik Tegangan sistem distribusi dapat dikelompokan menjadi 2 bagian besar, yaitu distribusi primer (20kV) dan distribusi sekunder (380/220V). Jaringan distribusi 20kV sering disebut Sistem Distribusi Tegangan Menengah dan jaringan distribusi 380/220V sering disebut jaringan distribusi sekunder atau disebut Jaringan Tegangan Rendah 380/220V. 2.3 Sistem Distribusi Primer Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang terpadu oleh hubunganhubungan peralatan dan komponen listrik seperti: generator, transformator, jaringan tenaga listrik dan beban-beban listrik atau pelanggan. Pendistribusian
tenaga listrik adalah bagian dari suatu proses sistem tenaga listrik yang secara garis besar dapat dibagi menjadi tiga tahap yaitu: 1. Proses produksi di pusat-pusat pembangkit tenaga listrik (PLTA, PLTG, PLTU). 2. Proses penyaluran daya/transmisi dengan tegangan tinggi (30, 70, 150, 500 KV) dari pusat-pusat pembangkit ke gardu-gardu induk. 3. Proses pendistribusian tenaga listrik dengan tegangan menengah/melalui jaringan Distribusi primer (misal 11 atau 20 Kv) dan tegangan rendah/jaringan distribusi sekunder ( 240, 440 Volt) Jaringan distribusi adalah semua bagian dari suatu sistem yang menunjang pendistribusian tenaga listrik yang berasal dari gardu-gardu induk. Sedangkan komponen-komponen jaringan distribusi adalah Jaringan Distribusi Primer (suatu jaringan dengan sistem 20 Kv), Gardu Distribusi (suatu sistem dengan peralatan utama trafo untuk menurunkan tegangan), jaringan Distribusi sekunder (suatu jaringan dengan sistem tegangan 240V, 400V). Klasifikasikan Jaringan distribusi primer menurut strukturnya sebagai berikut jaringan radial, jaringan lingkar, jaringan spindel, jaringan tie line. 2.3.1 Jaringan Radial Sistem distribusi dengan pola Radial seperti Gambar 2.2 Adalah sistem distribusi yang paling sederhana dan ekonomis. Pada sistem ini terdapat sebuah feeder yang menyuplai beberapa gardu distribusi secara radial.
Gambar 2.2 Konfigurasi Jaringan Radial Dalam feeder tersebut dipasang gardu-gardu distribusi untuk konsumen. Gardu distribusi adalah tempat dimana trafo untuk konsumen dipasang. Bisa dalam bangunan beton atau diletakan diatas tiang. Keuntungan dari sistem ini adalah sistem ini tidak rumit dan lebih murah dibanding dengan sistem yang lain. Namun keandalan sistem ini lebih rendah dibanding dengan sistem lainnya. Kurangnya keandalan disebabkan karena hanya terdapat satu jalur utama yang menyuplai gardu distribusi, sehingga apabila jalur utama tersebut mengalami gangguan, maka seluruh gardu akan ikut padam. Jaringan radial ini mempunyai beberapa keunggulan diantaranya adalah : 1. Pengontrolan tegangan lebih murah 2. Sedikit biaya pembuatan 3. Gangguan lebih mudah diketahui 4. Sedikit gangguan arus pada banyak rangkaian 5. Lebih mudah di prediksi
2.3.2 Jaringan Lingkar (Loop) Pada Jaringan Tegangan Menengah Struktur Lingkaran (Loop) seperti Gambar 3. dimungkinkan pemasokannya dari beberapa gardu induk, sehingga dengan demikian tingkat keandalannya relatif lebih baik. Gambar 2.3 Konfigurasi Jaringan Loop 2.3.3 Jaringan Spindel Sistem Spindel seperti pada Gambar 2.4 adalah suatu pola kombinasi jaringan dari pola Radial dan Ring. Spindel terdiri dari beberapa feeder yang tegangannya diberikan dari Gardu Induk dan tegangan tersebut berakhir pada sebuah Gardu Hubung (GH).
Gambar 2.4 Konfigurasi Jaringan Spindel Pada sebuah spindel biasanya terdiri dari beberapa feeder aktif dan sebuah feeder cadangan (express) yang akan dihubungkan melalui gardu hubung. Pola Spindel biasanya digunakan pada jaringan tegangan menengah (JTM) yang menggunakan kabel tanah/saluran kabel tanah tegangan menengah. Namun pada pengoperasiannya, sistem Spindel berfungsi sebagai sistem Radial. Di dalam sebuah feeder aktif terdiri dari gardu distribusi yang berfungsi untuk mendistribusikan tegangan kepada konsumen baik konsumen tegangan rendah (TR) atau tegangan menengah (TM).
2.3.4 Jaringan Hantaran Penghubung (Tie Line) Sistem distribusi Tie Line seperti Gambar 2.5 digunakan untuk pelanggan penting yang tidak boleh padam (Bandar Udara, Rumah Sakit, dan lainlain). Gambar 2.5 Konfigurasi Jaringan Hantaran Penghubung Sistem ini memiliki minimal dua feeder sekaligus dengan tambahan Automatic Change Over Switch / Automatic Transfer Switch, setiap feeder terkoneksi ke gardu pelanggan khusus tersebut sehingga bila salah satu feeder mengalami gangguan maka pasokan listrik akan di pindah ke feeder lain.
2.4 Sistem Distribusi Sekunder Sistem distribusi sekunder seperti pada Gambar 2.6. merupakan salah satu bagian dalam sistem distribusi, yaitu mulai dari gardu trafo sampai pada pemakai akhir atau konsumen. Gambar 2. 6 Hubungan tegangan menengah ke tegangan rendah dan konsumen Melihat letaknya, sistem distribusi ini merupakan bagian yang langsung berhubungan dengan konsumen, jadi sistem ini selain berfungsi menerima daya listrik dari sumber daya (trafo distribusi), juga akan mengirimkan serta mendistribusikan daya tersebut ke konsumen. Mengingat bagian ini berhubungan
langsung dengan konsumen, maka kualitas listrik selayaknya harus sangat diperhatikan. Jatuh tegangan pada sistem distribusi mencakup jatuh tegangan pada: 1. Tegangan Menengah (TM) 2. Transformator Distribusi 3. Jaringan Tegangan Rendah 4. Sambungan Rumah 5. Instalasi Rumah. Jatuh tegangan adalah perbedaan tegangan antara tegangan kirim dan tegangan terima karena adanya impedansi pada penghantar. Maka pemilihan penghantar (penampang penghantar) untuk tegangan menengah harus diperhatikan. 2.5 Kapasitor untuk Memperbaiki Faktor Daya Sebelum membahas tentang perbaikan faktor daya dengan menggunakan kapasitor, ada baiknya kita mengingat kembali tentang pengertian umum dari Daya Semu, Daya Aktif dan Daya Reaktif. Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak- Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu: Daya semu (S = VI = (IZ) = I 2 Z dalam satuan Volt Amper, VA)..(2.1) Daya aktif (P = I 2 R = VI cos ф dalam satuan Watt, W)....(2.2) Daya reaktif (Q = I 2 XL = I 2 Z sin ф = VI sin ф dalam satuan VAR)...(2.3)
Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt, Daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya poros, daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban untuk melakukan tugas tertentu. Segita daya ditunjukkan pada Gambar 2.7 S = I 2 Z Q = I 2 XL Φ P = I 2 R Gambar 2.7 Segita daya Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat, VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Pada suatu instalasi, khususnya di pabrik/industri juga terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang memerlukan bentuk lain dari daya, yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau dengan kata lain daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban (kebutuhan) pada suatu sistem tenaga listrik. Komponen daya aktif, daya reaktif dan daya semu dapat ditunjukkan pada Gambar 2.8
Φ KW V KVA KVAR Gambar 2.8 Komponen daya aktif, daya reaktif dan daya semu kkkkkk = kkkk 2 + kkkkkkkk 2 ; kkkk = kkkkkk cos ф dddddd kkkkkkkk = kkkkkk sin ф... (2.4) 2.5.1 Faktor daya Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt) dengan daya semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu/daya total (lihat gambar 2.8). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Nilai faktor daya tidak mungkin lebih besar dari satu. Nilai maksimum faktor daya adalah 1. Secara teoritis, jika seluruh beban daya yang dipasok oleh perusahaan listrik memiliki faktor daya satu, daya maksimum yang ditransfer setara dengan kapasitas sistem pendistribusian. Sehingga, dengan beban yang terinduksi dan jika faktor daya berkisar dari 0,2 hingga 0,3. Kapasitas jaringan distribusi listrik menjadi tertekan. Jadi, daya reaktif (kvar) harus serendah mungkin untuk keluaran kw yang sama dalam rangka meminimalkan kebutuhan daya total (kva). Faktor daya itu dapat didefinisikan sebagai berikut: Cosinus dari sudut lead atau lag Perbandingan antara resistansi dan impedansi atau WW VVVV
Faktor daya sebelum diperbaiki: Faktor daya cos ΦΦ 1 = kkkk kkkkkk 1 (2.5) tan ΦΦ 1 = kkkkkkkk 1 kkkk (2.6) kkkkkkkk 1 = kkkk. tttttt ΦΦ 1...(2.7) Faktor daya yang diinginkan: Faktor daya cos ΦΦ 2 = kkkk kkkkkk 2.(2.8) tan ΦΦ 2 = kkkkkkkk 2 kkkk.(2.9) kkkkkkkk 2 = kkkk. tttttt ΦΦ 2...(2.10) Kvar kapasitor yang di butuhkan untuk memperbaiki faktor daya dari cos Φ 1 ke cos Φ 2 adalah: = (KKKKKKKK 1 kkkkkkkk 2 )..(2.11) = kkkk (tan ΦΦ 1 tan ΦΦ 2 )...(2.12) 2.5.2 Perbaikan Faktor daya Satu-satunya jalan untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan mengurangi daya reaktif di jaringan. Jika komponen arus reaktif dapat dikurangi, maka total arus akan berkurang sedang komponen arus tidak berubah sehingga faktor daya akan lebih besar sebagai akibat berkurangnya daya reaktif. Dengan pemakaian kapasitor pada saluran maka daya reaktif Q akan berkurang
karena kapasitor akan mensuplai daya reaktif ke beban. Ini dapat dilihat pada gambar 2.7 Φ2 Φ1 Kvar setelah dipasang kapasitor Kvar yang di butuhkan KVAR Sebelum di pasang kapasitor (a) Z = R + j XL Vs I I Ic Vr (b) Vs VR IXL I Ir (c) Vs Ic VR IXL I Ic Ir (c) Gambar 2.7 (a) Perbaikan faktor daya (b) Rangkaian ekivalen dari saluran (c) Diagram vektor tanpa kapasitor (d) diagram vektor dengan kapasitor shunt
2.5.3 Voltage Drop Drop Tegangan pada feeder atau jaringan yang pendek dapat di cari dengan persamaan VVVVVVVVVVVVVV DDDDDDDD RR II rr + XX II XX..(2.13) Dimana : R : Resistansi X I r I x : Reaktansi : Komponen daya dari arus : Komponen reaktif Es R X Er Beban i ic Shunt Kapasitor C RIc XIc B Ic XIr O Ir A RIr RIx I Ix Gambar 2.9 Efek dari kapasitor shunt pada drop tegangan Keterangan: O A : Tegangan saat berbeban O B : Tegangan saat pengiriman tanpa kapasitor O C : Tegangan saat pengiriman dengan kapasitor Jika kapasitor di tempatkan pada ujung saluran maka drop tegangan menjadi VVVVVVVVVVVVVV DDDDDDDD RR II rr + XX II XX XX II CC (2.14) Jadi dengan penambahan kapasitor maka dapat mengurangi drop tegangan
2.5.4 Keuntungan Perbaikan Faktor Daya dengan Penambahan Kapasitor Keuntungan perbaikan faktor daya melalui pemasangan kapasitor adalah: Bagi perusahaan: Diperlukan hanya sekali investasi untuk pembelian dan pemasangan kapasitor dan tidak ada biaya terus menerus. Mengurangi biaya listrik bagi perusahaan sebab: o Daya reaktif (kvar) tidak lagi dipasok oleh perusahaan, sehingga kebutuhan total (kva) berkurang o Nilai denda yang dibayar jika beroperasi pada faktor daya rendah dapat dihindarkan. Tingkat tegangan pada beban akhir meningkat sehingga meningkatkan kinerja motor. Bagi pemasok listrik Komponen reaktif pada jaringan dan arus total pada sistem ujung akhir berkurang Kehilangan daya I 2 R dalam sistem berkurang karena penurunan arus Kemampuan kapasitas jaringan distribusi listrik meningkat, mengurangi kebutuhan untuk memasang kapasitas tambahan.
2.5.5 Keuntungan dan kerugian pemasangan kapasitor pada feeder dan pada gardu induk Berikut ini keuntungan dan kerugian pemasangan kapasitor pada feeder atau pada gardu induk. Keuntungan pemasangan kapasitor pada feeder Mengurangi rugi jaringan Mengurangi drop tegangan sepanjang feeder Biaya murah Kerugian pemasangan kapasitor pada feeder Lebih sulit untuk di control Ukuran dan penempatan sangat di utamakan Keuntungan pemasangan kapasitor pada gardu induk Pengontrolan sangat bagus Penempatan bagus jika vars leading di butuhkan pada pendukung system tegangan yang drop Kerugian pemasangan kapasitor pada gardu induk Tidak mengurangi rugi jaringan Tidak mengurangi drop tegangan sepanjang feeder Biaya mahal
2.5.6 Rating Kapasitor Rating unit kapasitor dari 50 kvar sampai lebih 500 kvar tersedia; pada Tabel 2.2 menunjukkan rating kapasitor yang umum. Rating kvar Sebuah kapasitor adalah kvar pada rating tegangan. Kapasitor bank Tiga-phasa dimaksud jumlah kvar ketiga phasa. Distribusi kapasitor bank pada feeder biasanya memiliki satu atau dua atau (lebih jarang) tiga unit per phasa. Banyak kapasitor bank hanya punya satu unit kapasitor per phasa. Tabel 2.2 Rating Kapasitor yang umum Volts rms kvar Jumlah BIL, kv (Terminal-to Terminal) phasa 216 5, 7 1/2, 13 1/3, 20, 25 1 dan 3 30 240 2.5, 5, 7 1/2, 10, 15, 20, 25, 50 1 dan 3 30 480, 600 5, 10, 15, 20, 25, 35, 50, 60, 1 dan 3 30 dan 100 2400 50, 100, 150, 200, 300, dan 400 1 dan 3 75, 95, 125, 150, 200 2770 50, 100, 150, 200, 300, 400, dan 500 1 dan 3 75, 95, 125, 150, 200 4160, 4800 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, dan 800 1 75, 95, 125, 150, 200 6640, 7200, 7620, 7960, 8320, 9540, 9960, 11,400, 12,470, 13,280, 13,800, 14,400 50, 100, 150, 200, 300, 400 500, 600, 700, dan 800 1 95, 125, 150, dan 200
Volts rms kvar (Terminal-to Terminal) 15,125 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, dan 800 19,920 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, dan 800 20,800, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 21,600, 500, 600, 700, dan 800 22,800, 23,800, 24,940 Jumlah BIL, kv phasa 1 125, 150, dan 200 1 125, 150, dan 200 1 150 dan 200