BAB II DASAR TEORI 2.1. Sistem Jaringan Distribusi Pada dasarnya dalam sistem tenaga listrik, dikenal 3 (tiga) bagian utama seperti pada gambar 2.1 yaitu : a. Pusat pusat pembangkit tenaga listrik, merupakan tempat dimana terdapat mesin mesin yang membangkitkan tenaga listrik, dilengkapi dengan gardu induk penaik tegangan dimana tegangan rendah yang dihasilkan generator dinaikan menjadi tegangan tertentu dengan transformator penaik tegangan. b. Saluran saluran transmisi/saluran udara tegangan tinggi (SUTT) berfungsi menyalurkan tenaga listrik dari gardu induk pusat pembangkit ke gardu induk yang lain dengan jarak yang jauh. c. Sistem distribusi 6
7 Gambar 2. 1 Sistem tenaga listrik Berdasarkan konfigurasi jaringan, maka sistem jaringan distribusi dapat dikelompokan menjadi 3 (tiga) macam, yaitu sistem jaringan distribusi radial, loop dan spindel. 2.1.1 Sistem Jaringan Distribusi Radial. Bentuk jaringan ini merupakan bentuk yang paling sederhana, banyak digunakan dan murah. Dinamakan radial karena saluran ini ditarik secara radial dari suatu titik yang merupakan sumberdari jaringan itu dan dicabang cabangkan ke titik titik beban yang dilayani, seperti terlihat pada gambar 2.2. Gambar 2. 2 Jaringan distribusi radial
8 Catu daya berasal dari satu titik sumber dan karena adanya pencabangan pencabangan tersebut, maka arus beban yang mengalir disepanjang saluran menjadi tidak sama sehingga luas penampang konduktor pada jaringan bentuk radial ini ukurannya tidak sama sehingga luas penampamg konduktor pada jaringan bentuk radial ini ukurannya tidak sama karena arus yang paling besar mengalir pada jaringan yang paling dekat dengan gardu induk. Sehingga saluran yang paling dekat dengan gardu induk ini ukuran penampangnya relatif besar dan saluran cabang cabangnya makin ke ujung dengan arus beban yang lebih kecil mempunyai ukuran konduktornya lebih kecil pula. Spesifikasi dari jaringan bentuk radial ini adalah : a. Bentuknya sederhana. b. Biaya investasinya murah. c. Kualitas pelayanan dayanya relatif jelek, karena rugi tegangan dan rugi daya yang terjadi pada saluran relatif besar. d. Kontinuitas pelayanan daya kurang terjamin sebab antara titik sumber dan titik beban hanya ada satu alternatif saluran sehingga bila saluran tersebut mengalami pemadaman total, yaitu daerah saluran sesudah atau dibelakang titik gangguan selama gangguan belum teratasi. Untuk melokalisir gangguan pada bentuk radial ini biasanya dilengkapi dengan peralatan pengaman, fungsinya untuk membatasi daerah yang mengalami pemadaman total, yaitu daerah saluran
9 sesudah atau dibelakang titik gangguan selama gangguan belum teratasi. 2.1.2. Sistem Jaringan Distribusi Loop. Jaringan ini merupakan bentuk tertutup, disebut juga bentuk jaringan ring. Susunan rangkaian saluran membentuk ring, seperti terlihat pada gambar 2.3 yang memungkinkan titik beban terlayani dari dua arah saluran, sehingga kontinuitas pelayanan lebih terjamin serta kualitas dayanya menjadi lebih baik, karena drop tegangan dan rugi daya saluran menjadi lebih kecil. Gambar 2. 3 Jaringan Distribusi Loop Bentuk sistem jaringan distribusi loop ini ada 2 macam yaitu : a. Bentuk open loop, bila dilengkapi dengan normallly open switch yang terletak pada salah satu bagian gardu distribusi, dalam keadaan normal rangkaian selalu terbuka.
10 b. Bentuk close loop, bila dilengkapi dengan normally close switch yang terletak pada salah satu bagian diantara gardu distribusi, dalam keadaan normal rangkaian selalu tertutup. Struktur jaringan ini merupakan gabungan dari dua buah struktur jaringan radial, dimana pada ujung dari dua buah jaringan dipasang sebuah pemutus (PMT), pemisah (PMS). Pada saat terjadi gangguan, setelah gangguan dapat diisolir, maka pemutus atau pemisah ditutup sehingga aliran daya listrik ke bagian yang tidak terkena gangguan tidak terhenti. Pada umumnya penghantar dari struktur ini mempunyai struktur yang sama, ukuran konduktor tersebut dipilih sehingga dapat menyalurkan seluruh daya listrik beban struktur loop, yang merupakan jumlah daya listrik beban dari kedua struktur radial. Jaringan distribusi loop mempunyai kualitas dan kontinuitas pelayanan daya yang lebih baik, tetapi biaya investasi lebih mahal dan cocok digunakan pada daerah yang padat dan memerlukan keandalan tinggi. 2.1.3 Sistem Jaringan Distribusi Spindel Jaringan distribusi spindel (seperti gambar 2.4) merupakan saluran kabel tanah tegangan menengah (SKTM) yang penerapannya sangat cocok di kota-kota besar.
11 Gambar 2. 4 Jaringan Distribusi Spindel Adapun operasi sistem jaringan sebagai berikut : a. Dalam keadaan normal semua saluran digardu hubung (GH) terbuka sehingga semua SKTM beroperasi radial. b. Dalam keadaan normal saluran ekspress tidak dibebani dan dihubungkan dengan rel di gardu hubung dan digunakan sebagai pemasok cadangan dari gardu hubung. c. Bila salah satu seksi dari SKTM mengalami gangguan, maka saklar beban di kedua ujung seksi yang terganggu dibuka. Kemudian seksi seksi sisi gardu induk (GI) mendapat suplai dari GI, dan seksi seksi gardu hubung mendapat suplai dari gardu hubung melalui saluran ekspress. Sistem jaringan distribusi spindel sangat cocok untuk memenuhi kebutuhan kebutuhan antara lain : a. Peningkatan kehandalan atau kontinuitas pelayanan sistem. b. Menunukan atau menekan rugi rugi akibat gangguan. c. Sangat baik untuk mensuplai daerah beban yang memiliki
12 kerapatan beban yang cukup tinggi. d. Perluasan jaringan mudah dilakukan. 2.2 Definisi Sistem Synchrone 2.2.1 Forward Synchronization (sinkronisasi maju) Forward Synchronization yaitu proses sinkronisasi generator kedalam sistem atau busbar. Sinkronisasi ini terjadi ketika pada sistem atau busbar sudah ada tegangan yang berasal dari sumber tegangan lain yang menajdi referensi generator untuk untuk melakukan proses synchronizing. Gambar 2. 5 Single Line Forward Synchronization 2.2.2 Reverse Synchronization atau backward synchronization (sinkronisasi terbalik) Reverse Synchronization biasanya terjadi pada sistem tenagaa listrik disuatu bangunan, dimana suatu jaringan suplai akan
13 digabungkan kedalam suatu jaringan sistem atau busbar yang ada. Pada kondisi ini tidak dimungkinkan untuk mengatur parameter sinkronn pada sisi incoming (jaringan yang akan disinkronkan), yang terpenting CB (PMT) dari beban-beban padaa jaringan suplai (grid supply) dalam keadaan terbuka. Gambar 2. 6 Single Line Reverse Synchronization Dan syarat dari proses sinkronisasi ini sendiri baik sinkronisasi antar unit generator maupun antar generator dan PLN adalah : a. Tegangan kedua generator atau tegangan generator dan PLN harus sama besar. b. Frekuensi antara generator dengan generatorr atau generator dengan PLN harus sama. c. Sudut Phase kedua generator atau generator dan PLN harus sama d. Urutan phase kedua generator atau generator dan PLN harus sama.
14 Persyaratan pertama akan terpenuhi bila gelombang tegangan yang dihasilkan kedua generator mempunyai amplitudo yang sama. Frekuensi dikatakan sama bila gelombang tegangan dari kedua generator mempunyai waktu yang sama untuk menempuh satu periode. Sedangkan persyaratan ketiga akan terpenuhi, yaitu pada saat kedua gelombang tegangan saling berimpit. Selanjutnya persyaratan phase kedua akan generator dilakukan pada hantaran phase yang senama. Untuk mendeteksi persyaratan-persyaratan tersebut, terutama persyaratan-persyaratan pertama, kedua, serta ketiga, digunakan Volt meter ganda, frekuensi meter ganda dan sinkronoskop pengukur volt nol. Volt meter ganda merupakan dua buah volt meter yang digunakan untuk mengukur tegangan jaringjaring yakni tegangan dari generator yang telah memikul beban, serta mengukur tegangan rel sinkronisasi yakni tegangan dari generator yang akan diparalelkan. Demikian pula frekuensi meter ganda merupakan frekuensi meter ganda merupakan dua buah frekuensi meter yang digunakan untuk mengukur frekuensi jaringjaring serta frekuensi rel sinkronisasi. Sinkronoskop yang digunakan yakni lampu hubung gelap. Hanya saja lampu-lampu yang akan dipergunakan diganti volt meter. Dalam hal ini hanya digunakan sebuah volt meter saja, yang dipasang antara hantaran phase kedua generator yang senama pada
15 salah satu phasenya. Volt meter tersebut tidak hanya mendeteksi kondisi salah satu phase dari kedua generator, tetapi otomatis akan ikut mendeteksi pula kondisi phase-phase lain dari kedua generator tiga phase tersebut. Sebab belitan-belitan phase pada generator tiga phase saling berjarak tetap 120 0 yang selanjutnya akan mengakibatkan gelombang tegangan yang dihasilkannya akan saling bergeser dengan jarak tetap pula sebesar 120 0. Dengan demikian kondisi sinkron salah satu phase dari kedua generator otomatis akan diikuti pula kondisi sinkron phase-phase lain dari kedua generator. Bilamana kesamaan tegangan, kesamaan frekuensi dan kesamaan phase belum tercapai, maka antara kedua generator akan timbul selisih-selisih tegangan seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Selisih tegangan itu akan ditunjukkan oleh sikronoskop pengukur volt nol sebesar V = V 2 V 3. Dalam keadaan seperti ini kedua generator belum boleh diparalelkan, seandainya pada saat itu kedua generator diparalelkan, adanya selisih tegangan ( V) akan mengakibatkan mengalirnya arus penyesuaian dalam sirkuit generator G 2 dan G 3, yang dapat membahayakan kedua generator tersebut. Sedangkan bila persyaratan-persyaratan diatas telah tercapai, maka sinkronoskop pengukur volt nol akan menunjukkan nol. Kondisi demikian dapat digambarkan secara vektoris, seperti
16 terlihat pada Gambar 2.7. Sinkronoskop pengukur volt nol akan menunjukkan nol, sebab volt meter tersebut dihubungkan antar dua tegangan yang sama besar dan saling berimpit. Sehingga tidak ada selisih tegangan atau selisih tegangan sama dengan nol. Kondisi seperti inilah yang disebut kondisi sinkron. Gambar 2. 7 Gelombang dua genset 3 phase dalam kondisi belum sinkron Gambar 2. 8 Vektor tegangan dua genset dalam kondisi sinkron
17 2.3 HUKUM OHM Hambatan atau disebut juga tahanan atau resistansi adalah sesuatu yang sering dibicarakan dalam bidang fisika elektronika. Apa sebenarnya fungsi dari hambatan tersebut? Dari data pengamatan kalian menunjukkan ada hubungan yang menarik antara kuat arus dan hambatan. Jika nilai hambatan diperbesar maka kuat arus akan menurun untuk beda potensial yang tetap, sehingga bisa ditulis,... ( 2.1 ) Persaman di atas menunjukkan bahwa hambatan berbanding terbalik dengan kuat arus. jika nilai hambatan konstan maka hubungan antara kuat arus dan beda potesial adalah berbanding lurus, dengan kata lain semakin besar beda potensial makin besar kuat arusnya, maka secara matematika dapat ditulis,...( 2.2 ) Penggabungan ke dua persamaan dapat ditulis,...( 2.3 )
18 Persamaan di atas disebut hukum Ohm, dengan R adalah hambatan yang dinyatakan dalam satuan ohm ditulis dalam simbol Ω (omega). Berdasarkan hukum Ohm, 1 ohm didefinisikan sebagai hambatan yang digunakan dalam suatu rangkaian yang dilewati. kuat arus sebesar 1 ampere dengan beda potensial 1 volt. Oleh karena itu, kita dapat mendefinisikan pengertian hambatan yaitu perbandingan antara beda potensial dan kuat arus. Gambar 2. 9 Grafik Hubungan Kuat arus, Tegangan, dan Hambatan 2.4 Pengertian Daya Daya adalah energi yang dikeluarkan untuk melakukan usaha. Dalam sistem tenaga listrik, daya merupakan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan kerja atau usaha. Daya memiliki satuan Watt, yang merupakan perkalian dari Tegangan (volt) dan arus (amphere). Daya dinyatakan dalam P, Tegangan dinyatakan dalam V dan Arus dinyatakan dalam I, sehingga besarnya daya dinyatakan :
19 P = V x I P = Volt x Ampere x Cos φ P = Watt......( 2.4 ) Gambar 2. 10 Arah Aliran arus listrik 2.4.1 Daya aktif Daya aktif (Active Power) adalah daya yang terpakai untuk melakukan energi sebenarnya. Satuan daya aktif adalah Watt. Adapun persamaan dalam daya aktif sebagai berikut : Untuk satu phasa P = V I Cos φ Untuk tiga phasa P = 3 V I Cos φ......( 2.5 ) Daya ini digunakan secara umum oleh konsumen dan dikonversikan dalam bentuk kerja. 2.4.2 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
20 menimbulkan daya reaktif adalah transformator, motor,dan lain lain. Satuan daya reaktif adalah Var. Untuk satu phasa Q = V I Sin φ Untuk Tiga phasa Q = 3 V I Sin φ......( 2.6 ) 2.4.3 Daya Semu Daya Semu (Apparent Power) adalah daya yang dihasilkan oleh perkalian antara tegangan dan arus dalam suatu jaringan. Satuan daya semu adalah VA. Gambar 2. 11 Penjumlahan Trigonometri daya aktif, reaktif, dan semu 2.5 Seigitiga Daya Segitiga daya merupakan segitiga yang menggambarkan hubungan matematika antara tipe-tipe daya yang berbeda antara daya semu, daya aktif dan daya reaktif berdasarkan prinsip trigonometri. Gambar 2. 12 Segitiga Daya
21 dimana berlaku hubungan : S = V I P = S Cos φ Q = S Sin φ.........( 2.7 ) 2.6 Faktor Daya Faktor daya (Cos ) dapat didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya aktif (Watt) dan daya semu (VA) yang digunakan dalam listrik arus bolak balik (AC) atau beda sudut fasa antara V dan I yang biasanya dinyatakan dalam cos φ. 2.6.1 Faktor daya terbelakang ( Lagging ) Faktor daya terbelakang (lagging) adalah keadaan faktor daya saat memiliki kondisi-kondisi sebagai berikut : 1. Beban/ peralatan listrik memerlukan daya reaktif dari sistem atau beban bersifat induktif. 2. Arus (I ) terbelakang dari tegangan (V), V mendahului I dengan sudut φ. Gambar 2. 13 Arus tertinggal dari tegangan sebesar sudut φ
22 2.6.2 Faktor daya mendahului ( Leading ) Faktor daya mendahului (leading) adalah keadaan faktor daya saat memiliki kondisi-kondisi sebagai berikut : 1. Beban/ peralatan listrik memberikan daya reaktif dari sistem atau beban bersifat kapasitif. 2. Arus mendahului tegangan, V terbelakang dari I dengan sudut φ Gambar 2. 14 Arus Mendahului Tegangan Sebesar Sudut φ...( 2.8 ) Faktor daya mempunyai nilai range antara 0 1 dan dapat juga dinyatakan dalam persen. Faktor daya yang bagus apabila bernilai mendekati satu....( 2.9 )
23 Karena komponen daya aktif umumnya konstan (komponen kva dan kvar berubah sesuai dengan faktor daya), dapat juga di tulis sebagai berikut:......( 2.10 ) 2.7 Hubungan antara Frekwensi tegangan listrik dengan Kecepatan putar generator Frekwensi listrik sangat erat kaitannya dengan pembangkit listrik ( Generator ). Sebelumnya akan dijelakan terlebih dahulu pengertian tentang frekwensi listrik. Frekwensi tegangan listrik adalah karakteristik dari tegangan yg dihasilkan oleh generator. Jadi bisa dikatakan frekwensi 50 hz, maksudnya tegangan yang dihasilkan suatu generator berubah-ubah nilainya terhadap waktu, nilainya berubah secara berulang-ulang sebanyak 50 cycle setiap detiknya. Jadi tegangan dari nilai nol ke nilai maksimum (+) kemudian nol lagi dan kemudian ke nilai maksimum tetapi arahnya berbalik (-) dan kemudian nol lagi dan seterusnya ( jika digambarkan secara grafik akan membentuk gelombang sinusoidal ) dan ini terjadi dalam waktu yang cepat sekali, 50 cycle dalam satu detik. Jadi kalau kita perhatikan beban listrik seperti lampu, sebenarnya sudah berulang kali tegangannya hilang, tapi karena terjadi dalam waktu yang sangat cepat maka lampu tersebut tetap hidup.
24 Dari analisa diatas dapat diambil kesimpulan bahwa untuk kestabilan beban listrik membutuhkan frekewensi yang tinggi agar tegangan menjadi benar-benar halus dan tidak menyebabkan beban menajdi hidup mati sesuai dengan jumlah cycle dari gelaombang tegangan tersebut. Dalam persamaan dibawah ini ditunjukkan hubungan antara kecepatan putaran generator dengan frekwensi tegangan listrik.......( 2.11 ) n = putaran ( rpm ) f = frekwensi ( Hz ) p = jumlah kutub generator Dengan menggunakan persamaan diatas untuk menghasilkan frekwensi dengan nilai 50 Hz maka dibutuhkan kecepatan putar dari generator sebesar 1500 rpm dengan menggunakan generator 4 kutub. Nilai frekwensi 50 Hz ini sudah dianggap cukup efektif untuk kesatbilan beban dan efisien dari sisi teknis maupun ekonomis. Sebenarnya semakin tinggi nilai frekwensi yang dihasilkan oleh putaran generator akan membuat kualitas dari tegangan listrik akan semakin halus. Karena nilai frekwensi tegangan dan kecepatan putar generator berbanding lurus, maka untuk menghasilkan nilai frekwensi yang tinggi dibutuhkan kecepatan putar generator yang tinggi pula. Sedangkan untuk memutar generator membutuhkan energi yang berasal dari mesin diesel, turbin, dll. Maka semakin banyak pula nilai energi yang akan dihabiskan untuk menghasilkan
25 frekwensi yang tinggi. Hal ini tentu saja tidak efisien karena menghabiskan banyak energi. Maka dari itu, telah dibuatkan standar dunia bahwa frekwensi tegangan listrik AC yang berlaku di dunia hanya dengan nilai 50 Hz dan 60 Hz.