JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER PERBAIKAN REGULASI TEGANGAN Distribusi Tenaga Listrik Ahmad Afif Fahmi 2209 100 130 2011
REGULASI TEGANGAN Dalam Penyediaan tenaga listrik, tegangan yang konstan merupakan salah satu syarat utama yang harus dipenuhi. Regulasi tegangan atau sering disebut pengaturan tegangan erat kaitannya dengan pengaturan daya reaktif dalam sistem. Berbeda dengan frekuensi yang nilainya selalu sama pada semua bagian sistem, tegangan memiliki nilai yang berbeda-beda dalam setiap bagian sistem. Oleh karenanya pengaturan tegangan tidak dapat dilakukan pada satu bagian saja, melainkan harus merata pada bagianbagian dalam sistem yang mengalami tegangan jatuh. Tegangan susut sendiri merupakan selisih antara tegangan ujung pengiriman dan tegangan ujung penerimaan, tegangan susut disebabkan oleh hambatan dan arus, pada saluran bolak-balik besarnya tergantung dari impedansi dan admitansi saluran serta pada beban dan faktor daya sehingga tidak mengherankan kalau konsumen yang letaknya jauh dari pusat pelayanan akan cenderung menerima tegangan yang relatif lebih rendah bila dibandingkan dengan tegangan yang diterima konsumen yang letaknya dekat dengan pusat pelayanan. Tegangan susut juga bisa disebabkan oleh kurangnya eksitasi pada generator listrik (drop excitation), peralatan yang sudah berlebihan beban kapasitifnya serta faktor beban sistem yang bervariasi dan besarnya berubah-ubah sepanjang waktu. Bila beban meningkat maka tegangan di ujung penerimaan menurun dan sebaliknya bila beban berkurang maka tegangan di ujung penerimaan naik. Tegangan susut pada sistem akan mengakibatkan berkurangnya intensitas cahaya (redup) pada peralatan penerangan; bergetar dan terjadi kesalahan operasi pada peralatan kontrol seperti automatic valve, magnetic switch dan auxiliary relay; menurunnya torsi pada saat start (starting torque) pada motor-motor listrik. Jika tegangan sistem terlalu tinggi / rendah sehingga melawati batas-batas toleransi maka akan mengganggu dan selanjutnya merusak peralatan konsumen. Hal inilah yang mendorong
dilakukan beberapa upaya untuk memperbaiki regulasi tegangan berkenaan tingginya tegangan susut pada sistem. Berikut ini adalah beberapa upaya untuk memperbaiki regulasi tegangan pada suatu sistem tenaga : 1. Penggunaan generator regulasi tegangan 2. Memasang Voltage regulator pada Gardu Induk 3. Penyeimbangan beban yang ada 4. Memperbesar penampang konduktor 5. Mengganti sistem satu fasa menjadi multi fasa 6. Membangun gardu induk dan feeder baru 7. Meningkatkan besar tegangan primer 8. Memasang voltage regulator, kapasitor seri maupun shunt pada feeder Berikut ini adalah pembahasan masing-masing solusi untuk memperbaiki regulasi tegangan pada suatu sistem tenaga listrik. 1. Membangun Generator Pengatur Tegangan Dalam sistem tenaga listrik yang dilayani langsung oleh sumber pembangkit, maka penurunan tegangan secara mudah dapat diatasi dengan mengatur eksitasi generator. Dalam praltek banyak terjadi bahwa pada suatu sistem yang mempunyai jaringan distribusi yang sangat panjang akan mengakibatkan tegangan pada ujung penerima mengalami penurunan yang cukup rendah dibawah standar. Hal ini dapat diatasi dengan jalan membangun suatu pembangkit baru pada daerah dimana tegangan sudah dibawah standar pelayanan. Namun demikian perlu dipertimbangkan dari segi daya guna dan hasil guna, mengingat bahwa investasi suatu pembangkit sangat mahal. Pertimbangan teknis antara lain kurva pendapatan operasi dan kecuraman perbedaan tegangan siang dan malam. Selain itu penggunaan AVR pada generator juga diperlukan. Sistem pengoperasian Unit AVR (Automatic Voltage Regulator) berfungsi untuk menjaga agar tegangan generator tetap konstan dengan
kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang selalu stabil tidak terpengaruh pada perubahan beban yang selalu berubah-ubah, dikarenakan beban sangat mempengaruhi tegangan output generator. Gambar generator beserta AVRnya Prinsip kerja dari AVR adalah mengatur arus penguatan (excitacy) pada exciter. Apabila tegangan output generator di bawah tegangan nominal tegangan generator, maka AVR akan memperbesar arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dan juga sebaliknya apabila tegangan output Generator melebihi tegangan nominal generator maka AVR akan mengurangi arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dengan demikian apabila terjadi perubahan tegangan output Generator akan dapat distabilkan oleh AVR secara otomatis dikarenakan dilengkapi dengan peralatan seperti alat yang digunakan untuk pembatasan penguat minimum ataupun maximum yang bekerja secara otomatis. Tugas utama AVR adalah : a. Mengontrol tegangan keluaran generator dalam batas-batas yang ditetapkan, yang secara tidak langsung membantu mengontrol tegangan sistem jaringan, b. Mengatur pembagian daya reaktif(var) diantara mesin pembangkit yang beroperasi secara paralel dengan sistem jaringan,
c. Mengatur arus medan agar mesin selalu sinkron dengan sistem saat beroperasi, d. Menaikan eksitasi medan ketika sistem dalam kondisi gangguan untuk menjaga mesin agar selalu sinkron dengan sistem. Referensi: http://dunia-listrik.blogspot.com/2009/06/avr-automatic-voltageregulator.html http://www.scribd.com/doc/29007209/sistem-operasi- Generator-Suralaya Pengaruh Regulator Tegangan Terhadap Perbaikan Tegangan Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 Kv Penyulang Purwodadi 10 oleh Kasyanto, UNDIP 2. Memasang Voltage Regulator pada Gardu Induk Voltage Regulator ditempatkan di Gardu Induk atau di feeder agar tegangan tetap konstan dengan pengaturan setting Resistansi dan Reaktansi yang dinamakan LDC ( Line Drop Compensation) yang berada pada panel kontrol Voltage Regulator.
VRR mengontrol operasi dari Voltage Regulator, yang berarti setiaperubahan tegangan Er di VRR menyebabkan VRR memberi perintah kepada Voltage Regulator agar tegangan diatur sesuai dengan besaran yang tela ditetapkan. Voltage Regulator pada Gardu Induk
Referensi : http://www.scribd.com/doc/53543298/9/range-regulasi- Tegangan-Voltage-Regulator 3. Menyeimbangkan Beban Hal yang seringkali menyebabkan sistem distribusi menjadi tidak seimbang/merata, karena pada umumnya pelanggan rumah tangga memanfaatkan tenaga listrik satu phase. Apabila wiring/penyambungan pelanggan ke sistem distribusi tegangan rendah tidak memperhatikan beban di masing - masing phase, pada akhirnya sistem distribusi akanmengalami kepincangan dalam pembebanan di hantaran phase. Akibat dari sistem distribusi yang tidak seimbang tentunya akan berpengaruh terhadap banyak hal, seperti: kinerja trafo, panas berlebih pada phase beban lebih, arus mengalir pada kawat netral, drop tegangan ujung pada jaringan phase beban lebih. Pembebanan yang tidak seimbang pada masing-masing fasa ini menyebabkan arus yang mengalir pada tiap fasa tidak sama. Pada fasa dengan beban paling berat, nilai tegangan susutnya akan lebih besar dibandingkan pada fasa yang berbeban ringan. Sehingga penting sekali untuk melakukan pengukuran beban tiap-tiap fasa sehingga pembebanan bisa diatur sedemikian hingga pembebanan mendekati seimbang tiap fasanya. Dengan keseimbangan beban maka dapat dihasilkan arus pada setiap phasa akan mendekati harga yang sama dan susut tegangan masing-masing phasa akan mendekati sama. Referensi : Pengaruh Regulator Tegangan Terhadap Perbaikan Tegangan Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 Kv Penyulang Purwodadi 10 oleh Kasyanto, UNDIP 4. Memperbesar penampang penghantar / konduktor Ukuran diameter penampang penghantar juga mempengaruhi seberapa besar tegangan susut yang terjadi. Bila penghantar yang digunakan penampangnya terlalu kecil jumlah tegangan susut yang terjadi tentunya akan lebih besar dibandingkan bila menggunakan penghantar dengan penampang lebih besar. Berikut adalah penjelasan berdasarkan rumus:
( ) Dimana : Vs = Tegangan pada sumber Vb = Tegangan pada beban dengan ( ) ( ) Dari persamaan di atas terdapat tiga parameter yang mempengaruhi nilai resistansi suatu penghantar yaitu panjang penghantar, bahan penghantar, dan luas penampang penghantar. Resistansi berbanding lurus dengan luas penampang sehingga makin besar A makin kecil R. Resistansi yang makin kecil menyebabkan Z juga makin kecil dan Vd pun juga akan lebih kecil. Namun dalam pengubahan luas penampang harus diperhatikan faktor efisiensinya. Gambar penampang konduktor Referensi : Pengaruh Regulator Tegangan Terhadap Perbaikan Tegangan Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 Kv Penyulang Purwodadi 10 oleh Kasyanto, UNDIP 5. Mengganti sistem satu fasa menjadi multi fasa Pelanggan rumah tangga yang pada umumnya menggunakan tenaga listrik satu fasa menyebabkan sistem distribusi menjadi tidak
seimbang. Koordinasi pembebanan bila menggunakan sistem satu fasa jauh lebih sulit karena probabilitas sistem menjadi tidak seimbang sangat besar. Mengontrol keseimbangan beban bila sistem satu fasa lebih rumit apalagi bila penyambungan / wiring pelanggan ke sistem distribusi tidak memperhatikan beban di masing-masing fasa. Berbeda jika yang digunakan sistem 3 fasa sehingga tidak ada pembebanan lebih di salah satu fasa. Dengan beban yang seimbang di tiap fasanya maka tegangan susut di tiap fasa sama rata, tidak terlalu besar ataupun terlalu kecil. Perbandingan susut tegangan antara sistem satu fasa menjadi tiga fasa adalah ditunjukkan dengan persamaan berikut ini : VD (1φ) = 2.I(1φ). Z %VD(1 φ)= 2.I(1φ). Z x 100 E VD (3φ) = I(3φ). Z %VD(3 φ)= 2.I(3φ). Z x 100 E dimana : VD = susut tegangan per satuan panjang I = arus pada saluran Z = impedansi saluran per satuan panjang E = tegangan fasa ke netral Dalam sistem seimbang I(3 φ) = I(1 φ) 3 Persentase susut tegangan antara pelayanan dengan sistem satu fasa dibanding sistem pelayanan tiga fasa adalah : %VD(1 φ) 2.I(1φ). Z x 100 2.I(1φ) 2.I(1φ) = E = = = 6 %VD(3 φ) 2.I(3φ). Z x 100 I(3φ) I(1 φ) E 3
Perhitungan di atas menunjukkan perbandingan tegangan susut pada sistem 1 fasa 6 kali lebih besar dibandingkan tegangan susut pada sistem 3 fasa. Referensi : Pengaruh Regulator Tegangan Terhadap Perbaikan Tegangan Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 Kv Penyulang Purwodadi 10 oleh Kasyanto, UNDIP 6. Membangun Gardu Induk dan Feeder Baru Beberapa faktor penyebab susut tegangan adalah hambatan dan arus, pada saluran bolak-balik besarnya tergantung dari impedansi dan admitansi saluran serta pada beban dan faktor daya sehingga tidak mengherankan kalau konsumen yang letaknya jauh dari Gardu Induk akan cenderung menerima tegangan yang relatif lebih rendah bila dibandingkan dengan tegangan yang diterima konsumen yang letaknya dekat dengan Gardu Induk. Untuk mengatasi permasalahan susut tegangan di daerah yang letaknya jauh dari pembangkit tenaga listrik maka dibangunlah gardu induk pengatur tegangan. Karena listrik disalurkan sangat jauh, maka terjadi tegangan jatuh (voltage drop) transmisi yang cukup besar. Oleh karena pada gardu induk ini diperlukan alat penaik tegangan, seperti bank capasitor, sehingga tegangan kembali dalam keadaan normal. Selain itu beban pada feeder yang sudah penuh (overload) akan menyebabkan tegangan turun. Hal itu bisa disiasati dengan menarik
feeder baru dari gardu induk untuk dipasang beban baru. Beban yang terlalu banyak akan menyebabkan arus yang mengalir pada feeder terlalu besar sehingga susut tegangan pun akan juga menjadi bertambah tinggi. Pemasangan feeder baru ini akan menjaga kualitas listrik dan keandalan sistem. Referensi : Pengaruh Regulator Tegangan Terhadap Perbaikan Tegangan Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 Kv Penyulang Purwodadi 10 oleh Kasyanto, UNDIP 7. Meningkatkan Level Tegangan pada Sisi Primer Untuk nilai impedansi saluran yang tetap, maka memperbesar tegangan kirim akan memberikan dampak kepada ujung tegangan penerima menjadi lebih besar, sehingga regulasi tegangan menjadi lebih baik. Bila diasumsikan daya yang disalurkan oleh jaringan tetap, maka bila tegangan dinaikkan maka sebaliknya arus akan menurun. Berdasarkan persamaan di atas, tegangan susut sebanding lurus dengan arus yang mengalir dan impedansi saluran. Arus yang menurun akibat penambahan tegangan akan menurunkan susut tegangan sehingga pada ujung tegangan penerima tegangan mendekati nilai tegangan yang diinginkan. Referensi : Pengaruh Regulator Tegangan Terhadap Perbaikan Tegangan Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 Kv Penyulang Purwodadi 10 oleh Kasyanto, UNDIP 8. Memasang Voltage Regulator, Kapasitor Seri maupun Shunt pada Feeder Pemasangan voltage regulator atau pengatur tegangan akan sangat membantu dalam mengatasi permasalahan mengenai susut
tegangan. Peralatan pengatur tegangan dirancang untuk menjaga secara otomatis suatu nilai tegangan tertentu yang akan bervariasi terhadap perubahan beban. Pada saat beban bertambah, peralatan pengatur tegangan akan memperbesar tegangan keluaran pada gardu induk untuk mengkompensasi bertambahnya jatuh tegangan pada saluran distribusi. Dalam hal ini, pengaturan tegangan sangat diperlukan bagi pelanggan yang letaknya jauh dari gardu transformator atau lokasi rangkaian utama adalah diluar batas pengaturan. Penambahan pengatur tegangan yang ditempatkan dalam lingkungan Gardu Induk dan dapat juga dipasang pada feeder di luar lingkungan Gardu Induk. Cara yang lain adalah dengan memasang kapasitor seri maupun shunt pada feeder. Kapasitor adalah komponen yang mampu memperbaiki faktor daya. Hal ini sangat berkaitan dengan daya reaktif sistem mengingat kapasitor sendiri merupakan penghasil daya reaktif sekaligus penyerap daya reaktif yang di luar batas. Untuk daya reaktif yang berlebihan maka faktor daya akan sangat rendah. Gambar berikut ini akan menunjukkan daya reaktif sangat berpengaruh terhadap faktor daya. Pada gambar nampak dengan pemasangan kapasitor dapat memperbesar faktor daya (sudut makin sempit). Kapasitor Seri Kapasitor seri dihubungkan secara seri dengan saluran untuk mengkompensasi reaktansi induktif saluran. Kapasitor tersebut akan mengrangi transfer reaktansi antara bus yang kemudian akan
meningkatkan daya maksimum yang ditransmisikan serta akan mengurangi rugi-rugi daya reaktif (X I 2 ). Biasanya kapasitor seri dipasang pada saluran transmisi panjang untuk memperbaiki stabilitas transien. Namun saat ini kapasitor seri juga digunakan pada saluran yang lebih pendek untuk memperbaiki stabilitas tegangan. Meskipun kapasitor seri tidak biasa digunakan untuk pengaturan tegangan, kapasitor tersebut juga berperan dalam pern=baikan pengaturan tegangan dan keseimbangan daya reaktif. Daya reaktif yang dihasilkan oleh kapasitor meningkat seiring dengan peningkatan transfer daya. Selain itu kapasitor seri memiliki sifat selfregulating yang tidak membutuhkan sistem kontrol dalam pengoperasiannya. Kapasitor seri ter diri dari beberapa komponen, diantaranya kapasitor, proteksi sprak gap, metal-oxide varistor (MOV), bypass switch dan komponen pengontrol serta pengendali. Berikut adalah gambar kapasitor seri. Persamaan susut tegangan Vd = I (RL cos Ø + XL sin Ø) Dengan dipasangnya kapsitor seri maka persamaannya berubah menjadi berikut : Vd = I RL cos Ø + I (XL - XC) sin Ø
Apabila (XL - XC) = 0, maka besarnya susut tegangan hanya akan dipengaruhi oleh tahanan saluran saja sehingga nilainya lebih kecil daripada tanpa dipasang kapasitor. Kapasitor Shunt Kapasitor shunt digunakan secara luas pada sistem distribusi untuk perbaikan faktor daya dan pengaturan tegangan feeder. Pada saluran transmisi, kapasitor shunt berguna untuk mengkompensasi rugi-rugi XI 2 dan memastikan tegangan terjaga pada levelnya pada saat beban penuh. Beban yang bersifat induktif akan menyerap daya reaktif, yang kemudian akan menimbulkan jatuh tegangan di sisi penerima. Dengan melakukan pemasangan kapasitor shunt, beban akan mendapatkan suplai daya reaktif. Kompensasi yang dilakukan oleh kapasitor shunt, akan dapat mengurangi penyerapan daya reaktif sistem oleh beban. Dengan demikian susut tegngan yang terjadi dapat dikurangi. Pengaturan tegangan dengan menggunakan kapasitor shunt, selain dapat memperbaiki nilai tegang juga dapat meningkatkan nilai faktor daya. Sebab dengan memasang kapasitor ini, akan dapat mengurangi penyerapan daya rekatif oleh beban. Dengan berkurangnya nilai daya reaktif yang diserap beban akan dapat meningkatkan nilai faktor daya. Kapasitor shunt denga switch mekanik (MSCs) dipasang di gardu utama pada area beban. Proses switching sering dilakukan secara manual dengan relay tegangan untuk melindungi switch ketika tegangan melebihi batasnya. Untuk stabilitas tegangan, kapasitor shunt berguna ntuk mendorong generator terdekat beroperasi dengan faktor daya mendekati satu. Jika dibandingkan dengan SVC, kapasitor shunt memiliki keuntungan
yaitu biayanya yang murah. Kapasitor shunt dengan ukuran yang tepat dapat dihubungkan langsung dengan bus tegangan tinggi atau bagian lilitan tersier transformer. Gambar berikut adalah pemasangan kapasitor shunt pada sistem: Dengan pemasangan kapasitor shunt, nilai arus induktif yang mengalir ke beban akan berkurang. Sebab beban mendapatkan suplai daya reaktif dari komponen kapasitor tersebut. Berikut ini adalah persamaan arus sebelum dan sesudah pemasangan kapasitor shunt: Sebelum pemasangan kapasitor shunt didapatkan persamaan: Setelah pemasangan kapasitor shunt didapatkan persamaan: ( )
Dari diagram fasor di atas terlihat, dengan memasangkan kapasitor shunt pada beban yang bersifat induktif akan dapat mengurangi besar arus induktif yang mengalir ke beban. Berikut adalah gambar diagram fasor transmisi daya sebelum dan sesudah pemasangan kapasitor shunt. Persamaan tegangan di sisi penerima sebelum diberikan kapasitor shunt adalah: ( ) [ ] ( ) shunt adalah: Persamaan tegangan di sisi penerima setelah diberikan kapasitor ( )
[ ( ) ] ( ) ( ) Dari persamaan di atas terlihat dengan menambahkan kapasitor shunt ke dalam sistem akan dapat mengurangi konsumsi daya reaktif oleh beban, yang pada akhirnya akan dapat memperbaiki nilai tegangan di sisi penerima. Referansi: Pengaruh Regulator Tegangan Terhadap Perbaikan Tegangan Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 Kv Penyulang Purwodadi 10 oleh Kasyanto, UNDIP Studi Perbaikan Kualitas Daya, Restu Dwi Cahyanto, FT UI, 2008