Pembebanan Tidak Seimbang Pada Transformator

Adiwidia Edisi Juli 2009, No. 2

PEMBEBANAN TIDAK SEIMBANG PADA TRANSFORMATOR

Yulianus SongliTeknik Elektro UKI Paulus Makassar

Abstrak

Dalam penyaluran tenaga listrik pada berbagai lokasi ternyata sukar diperoleh beban yang seimbang, terutama beban–beban satu fasa yang mendapat pelayanan dari sistem tiga fasa. Ketidakseimbangan beban pada suatu jaringan distribusi dapat mengakibatkan rugi daya dan energi pada jaringan distribusi dan dapat juga merugikan bagi konsumen yaitu terjadinya penurunan tegangan. Hal ini disebabkan karena pada penghantar netral dialiri arus yang besar sehingga terjadi ketidakseimbangan beban pada jaringan distribusi sekunder. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui ketidakseimbangan beban yang diakibatkan oleh beban satu fasa sistem distribusi tiga fasa, rugi daya dan energi yang ditimbulkan akibat beban yang tidak seimbang serta faktor-faktor yang menyebabkan terjadinya ketidakseimbangan beban menurut data. Kemudian data tersebut dianalisis dengan menggunakan rumus-rumus yang relevan dengan pokok pembahasan. Berdasarkan analisis tersebut diperoleh hasil bahwa asuhan feeder seimbang atau tidak . Adapun ketidakseimbangan tersebut mengakibatkan rugi daya dan energi yang cukup besar pada penghantar netral dan dapat diketahui pula bahwa ketidakseimbangan beban disebabkan oleh adanya beban satu fasa pada sistem distribusi tiga fasa empat penghantar serta pembagian beban pada setiap fasanya tidak merata.

Kata Kunci : Transformator,Beban tidak seimbang, Rugi-Rugi Daya

65


I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sejalan dengan perkembangan dan peningkatan pembangunan serta taraf hidup masyarakat, maka kebutuhan akan energi listrik dengan sendirinya akan meningkat pula. Apalagi memasuki era industrialisasi, maka kebutuhan akan energi listrik akan sangat meningkat.

Pelanggan yang bertambah sangat pesat pada gilirannya akan memberikan konsekuensi-konsekuensi berupa pertambahan atau perluasan jaringan distribusi sekunder. Hal ini berarti bahwa dengan bertambahnya kerapatan beban dan semakin meluasnya jaringan distribusi akan menyebabkan timbulnya masalah baru yang tidak diinginkan pada sistem penyaluran tenaga listrik. Untuk itu dalam penyaluran tenaga listrik dari suatu sumber pembangkit sampai kepada pemakai tenaga listrik, semakin diharapkan adanya kontinuitas dan kualitas listrik yang lebih baik.

Dalam pelaksanaan dan kenyataan diberbagai lokasi penyaluran tenaga listrik sulit diperoleh yang benar-benar seimbang, terutama beban-beban satu fasa yang mendapat pelayanan dari sistem tiga fasa. Hal ini disebabkan oleh karakteristik dan jenis peralatan-peralatan pemakai tenaga listrik berbeda-beda, serta waktu pemakaian yang berbeda-beda pula.

Hal ini mengakibatkan kerugian-kerugian, terutama bagi pihak penyalur tenaga listrik (kerugian tenaga listrik pada penghantar netral), selain itu pihak konsumen yang menggunakan beban tiga fasa seperti motor induksi akan mendapatkan putaran yang tidak stabil dan dapat menyebabkan kerusakan mekanis pada motor tersebut.

Ketidakseimbangan beban pada suatu jaringan distribusi akan menimbulkan rugi-rugi energi pada jaringan distribusi yang disebabkan adanya faktor ketidakseimbangan beban tersebut. Akibatnya pada penghantar netral akan dialiri oleh arus yang besar.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan penulisan yang hendak penulis capai adalah untuk mengetahui :1. Ketidakseimbangan beban yang diakibatkan

oleh adanya beban satu fasa sistem distribusi tiga fasa.

2. Rugi daya dan energi yang ditimbulkan akibat adanya beban yang tidak seimbang.

3. Keseimbangan pembebanan transformator distribusi berdasarkan beban terpasang pada transformator distribusi tersebut.

Pembahasan masalah ketidakseimbangan beban ini memerlukan analisis data dari kasus nyata tentang beban-beban yang tidak seimbang. Oleh karena itu, maka dilakukan pengambilan data pada PT. PLN (Persero) Wilayah VIII Rayon Makassar Timur pada Perumahan Bumi Tamalanrea Permai (BTP) Makassar yang dianggap mewakili kasus ketidakseimbangan beban sistem tenaga listrik yang ada.

II. SISTEM JARINGAN TEGANGAN MENENGAH

2.1 UmumTenaga listrik yang dibangkitkan dalam pusat-

pusat pembangkit listrik seperti PLTA, PLTG, PLTD, PLTGU, PLTN kemudian ditransmisikan setelah terlebih dahulu tegangannya dinaikkan oleh transformator step up yang terdapat di pusat pembangkit.

Tenaga listrik ditransmisikan ke gardu induk kemudian melalui transformator step down, tegangan tinggi diturunkan menjadi tegangan menengah dan selanjutnya disalurkan ke pusat - pusat beban melalui gardu distribusi.

Gardu distribusi adalah bagian dari sistem tenaga listrik yang menerima daya listrik dari gardu induk melalui jaringan distribusi primer, di mana tegangan distribusi primer adalah 6 kV ; 12 kV; 20 kV. Pada gardu distribusi diturunkan tegangan menjadi tegangan rendah 380/220 Volt.

2.2 Bentuk Umum Sistem Distribusi Daya Listrik

Fungsi utama sistem distribusi adalah menyalurkan daya listrik dari sumber ke pemakai daya listrik dengan sebaik-baiknya. Dalam sistem tenaga listrik dikenal 5 macam tipe saluran distribusi primer sebagai berikut :

1. Tipe Radial.2. Tipe Loop / ring.3. Tipe Grid / network.4. Tipe Spindel.5. Tipe Cluster.

2.2.1 Tipe Radial

Jaringan ini pada prinsipnya adalah suatu jaringan yang terpencar dari suatu busbar ke beberapa pusat beban. Daya yang disalurkan berasal dari satu arah saja. Bentuk jaringan ini sederhana dan paling umum digunakan serta pemeliharaannya murah. Namun kelemahannya adalah bila jaringan tersebut mengalami gangguan, maka semua beban yang ada pada jaringan tersebut

66


mengalami pemadaman selama dilakukan perbaikan.

2.2.2 Tipe Loop / ring

Sistem loop adalah pengembangan dari sistem radial yang pada operasinya dapat bekerja sebagai sistem radial biasa. Jaringan menengah sistem ini membentuk suatu lingkaran tertutup yaitu dari suatu gardu induk disalurkan melewati daerah beban dan kembali ke gardu semula. Bentuk tertutup diperoleh dengan menghubungkan ke dua sistem radial dengan switching atau berupa LBS (Load Break Switch) yang membagi saluran utama tersebut.

Kelebihan sistem ini adalah keandalan yang lebih baik dari pada sistem radial, sedangkan kekurangannya adalah ukuran konduktornya harus sama serta sanggup menampung beban secara keseluruhan jika salah satu feeder mengalami gangguan sehingga sistem ini lebih mahal dari sistem radial. 2.2.3 Tipe Grid atau Network

Sistem distribusi ini disuplai dari dua atau lebih gardu induk yang saling dihubungkan (interkoneksi) dan setiap bebannya menerima beberapa daya dari berbagai arah. Kelebihan dari sistem ini adalah kualitas pelayanan maupun mutu tegangannya jauh lebih baik daripada sistem radial dan loop, tetapi kelemahannya membutuhkan biaya investasi yang besar dalam pengadaannya sehingga hanya baik untuk melayani tingkat kepadatan beban yang tinggi.

2.2.4 Tipe SpindelSistem ini merupakan gabungan dari

sistem radial dan loop yang dimodifikasi. Perubahan berupa penambahan lebih banyak saluran yang secara keseluruhannya bertemu pada suatu titik yang disebut dengan gardu hubung.

Keuntungan dari sistem ini adalah tingkat keandalan yang lebih baik dibandingkan dengan sistem radial dengan biaya investasi yang relatif murah.Ciri-ciri dari bentuk spindel adalah :

1. Tidak terdapat percabangan beban, sehingga mengakibatkan jaringan dipasang sedemikian rupa dan dapat mencapai seluruh gardu distribusi secara langsung.

2. Satu dari beberapa saluran tipe spindel disebut kawat express feeder, menghubungkan langsung dari gardu induk ke gardu hubung.

3. Pada pengoperasian normal, saluran atau kawat express tidak dialiri beban dan hanya berfungsi sebagai saluran cadangan

dengan melalui gardu hubung bagi kabel/saluran-saluran lain bila terjadi gangguan.

4. Semua saluran ditempatkan pada satu titik pertemuan yaitu pada sebuah gardu hubung.

5. Tipe feeder atau saluran diamankan dengan Circuit Breaker yang dilengkapi dengan alat pengaman arus lebih untuk gangguan antara fasa.

2.4 Analisis Komponen Simetris

Menurut teorema Fortescu ada tiga fasor tak seimbang dari sistem 3 fasa dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang, himpunan seimbang komponen itu adalah :

1. Komponen urutan positif yang terdiri dari 3 fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasor 120°, dan mempumyai urutan fasa yang sama seperti fasor aslinya.

2. komponen urutan negatif yang terdiri atas 3 fasor yang sama terpisah dengan lainnya dalam fasa sebesar 120°, dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya.

3. Komponen urutan nol yang terdiri atas 3 fasor yang sama besarnya dan dengan pergeseran fasa nol antara semetris fasor yang satu dengan yang lainnya.

Komponen-komponen simetris yang ditunjukkan oleh subskrip a, b, c. apabila fasor aslinya adalah tegangan, maka dapat dinyatakan sebagai Va, Vb, Vc. Dan apabila fasor aslinya adalah arus, maka dinyatakan dalam Ia, Ib, Ic. Tiga himpunan komponen-komponen simetris ditunjukkan oleh indeks tambahan 1 untuk komponen urutan positif, 2 untuk komponen urutan negatif dan 0 untuk komponen urutan 0. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.9 :

GAMBAR 1 Komponen urutan positif, negatif dan nol dari suatu sistem 3 fasa Va, Vb, dan Vc yang tidak seimbang.

Dan apabila komponen-komponen urutan ini dijumlahkan secara grafis maka di peroleh :

67

Vc2

Vb2

Va2Va1

Vb1

Vc1

Vc0 Vb0 Va0

Komponen urutan positif Komponen urutan negatif Komponen urutan nol

Va1

Vc1Vc2

VcVc0

Vb1

Vb2

Vb

Va2

Va0

Va

-1.a3

a2 -a

1.a3

a a2


GAMBAR 2 Penjumlahan Secara Vektor Ketiga Komponen Urutan Pada Gambar 2.9 Untuk Mendapatkan 3 Fasor Tak Seimbang.

Komponen-komponen urutan positif pada Va, Vb, dan Vc adalah Va1, Vb1 dan Vc1. Demikian pula komponen-komponebn urutan negatifnya adalah Va2, Vb2, dan Vc2. Sedangkan komponen-komponen urutan nolnya adalah Vao, Vbo, dan Vco.

Semua fasor-fasor yang tak seimbang adalah jumlah komponen-komponen aslinya dapat dinyakan sebagai berikut :

Va = Va1 + Va2 + Va0

Vb = Vb1 + Vb2 + Vb0

Vc = Vc1 + Vc2 + Vc0 ……… (2.1)

Pada komponen simetris ini simbol huruf a dipergunakan untuk menunjukkan operator yang menimbulkan suatu perputaran sebesar 120° dengan arah yang berlawanan dengan arah perputaran jarum jam. Operator semacam ini adalah merupakan bilangan kompleks yang besarnya satu dan sudutnya 120° dan didefenisikan sebagai :a = 1 ∠ 120° atau a = - 0,5 + j0,866Apabila operator a dikenakan pada fasor dua kali berturut-turut, maka fasor tersebut akan diputar dengan sudut sebesar 240°. Untuk pengenaan tiga kali berturut-turut fasor akan diputar dengan 360°, maka pergeserannya adalah :

a = 1 ∠ 240° atau a = - 0,5 - j0,866dan a³ = 1 ∠ 360° = 1 ∠ 0° = 1

Komponen-komponen itu dapat diuraikan sebagai berikut :Vb1 = a2Va1 Vc1 = aVa1

Vb2 = aVa2 Vc2 = a2Va2

Vb0 = Va0 Vc0 = Va0 ………….. (2.2)

Apabila pada persamaan (2-2) disubstitusikan pada persamaan (2-1), maka akan didapat :

Va = Va1 + Va2 + Va0

Vb = a2Va1 + aVa2 + Va0

Vc = aVa1 + a2Va2 + Va0 ………..(2.3)

Dan dapat ditulis dalam bentuk matriks yaitu :

=

2

1

0

VaVaVa

a² a 1a a² 11 1 1

VcVbVa

………..(2.4)

Apabila dimisalkan :

A =

a² a 1a a² 11 1 1

………..(2.5)

Maka akan didapat :

A-1 = ⅓

a a² 1a² a 11 1 1

……..(2.6)

Dari hasil terakhir diperoleh :

2

1

0

VaVaVa

= ⅓

a a² 1a² a 11 1 1

VcVbVa

…..(2.7)

Dari persamaan di atas dapat diperoleh :Va0 = ⅓ (Va + Vb + Vc)Va1 = ⅓ (Va + aVb + a2Vc)Va2 = ⅓ (Va + a2Vb + aVc) …..(2.8)

Uraian pada persamaan tersebut di atas juga berlaku pada arus-arusnya dan didapatkan sebagai berikut :Ia = Ia1 + Ia2 + Ia0

Ib = a2Ia1 + a Ia2 + Ia0

Ic = a Ia1 + a2Ia2 + Ia0 ……..(2.9)

Dan dapat ditulis dalam bentuk matriks :

2

1

0

IaIaIa

= ⅓

a a² 1a² a 11 1 1

IcIbIa

…..(2.10)

Jadi dari hasil persamaannya adalah :

68


Ia0 = ⅓ (Ia + Ib + Ic)Ia1 = ⅓ (Ia + aIb + a2Ic)Ia2 = ⅓ (Ia + a2Ib + aIc) …..(2.11)

2.5 Sebab Ketidakseimbangan Beban

Ketidakseimbangan beban dapat disebabkan oleh beberapa hal sebagai berikut ini .

− Fasa Beban− Keadaan Pemakai Beban− Faktor Daya dari Beban− Faktor ketidakserempakan pengguna beban antara pelanggan yang satu dengan pelanggan yang lain.

2.5.1 Beban Tiga Fasa

Beban Tiga fasa meliputi kelompok peralatan pemakai listrik tiga fasa dari kelompok pemakai tenaga listrik satu fasa yang terpasang merata pada ketiga fasa dari kelompok beban tiga fasa tersebut.

2.5.2 Beban Satu Fasa

Beban satu fasa terdiri atas beberapa kelompok peralatan pemakai tenaga listrik satu fasa yang terdapat pada konsumen yang memperoleh tenaga listrik melalui saluran tegangan rendah.

2.6 Faktor Daya Beban Satu Fasa

Faktor daya beban satu fasa didefenisikan sebagai nilai perbandingan antara daya nyata (aktif) dengan daya semu (kompleks) yaitu :

Faktor Daya = Cos θ = P / S = I² R / VI

Keterangan :

P = Daya nyata beban satu fasa (W)S = Daya semu (VA)V = Tegangan beban (V)I = Arus beban (A)

2.7 Karakteristik Beban Satu Fasa

Karakteristik beban ditentukan oleh faktor kebutuhan dan faktor keanekaragaman yang terdapat pada suatu sistem distribusi daya listrik.

2.8 Akibat Ketidakseimbangan Beban

Ketidakseimbangan beban sistem distribusi tenaga listrik pada kerja normal dapat

mengakibatkan arus yang mengalir pada penghantar netral, sirkulasi arus urutan nol pada belitan segitiga dari transformator hubungan segitiga dengan sisi bintang empat kawat, dan gangguan tegangan tidak seimbang terhadap motor induksi tiga fasa.

2.9 Faktor Ketidakseimbangan Beban

Apabila impedansi Za, Zb, dan Zc tidak sama maka nilai arus-arus Ia, Ib, dan Ic tidak sama, sehingga tegangan Va, Vb, dan Vc tidak sama pula.

Nilai impedansi dapat diperoleh jika nilai tegangan dan nilai arus diketahui dan dapat dirumuskan sebagai berikut :

Z = IV

Dari hubungan impedansi, arus dan tegangan tersebut maka ketidakseimbangan beban dapat pula dilihat pada perbedaan-perbedaan nilai arus atau nilai tegangan.

Perbandingan antara nilai komponen urutan negatif dengan komponen urutan positif disebut faktor ketidakseimbangan beban (unbalance factor) atau dapat disingkat dengan F.

Apabila data yang diketahui merupakan nilai tegangan, maka faktor ketidakseimbangan beban dinyatakan berdasarkan perbandingan antara tegangan urutan negatif dengan tegangan urutan positif, yaitu :

F = ][Va ][Va

1

2

……………..(2.16)

Apabila data yang diketahui merupakan nilai arus, maka faktor ketidakseimbangan beban dinyatakan dengan berdasarkan perbandingan antara arus urutan negatif dengan arus urutan positif, yaitu :

F = ][Ia ][Ia

1

2

. ……………..(2.17)

keterangan :F = Faktor ketidakseimbangan bebanVa2 = Tegangan urutan negatifVa1 = Tegangan urutan positifIa1 = Arus urutan positifIa2 = Arus urutan negative

Pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat terdapat komponen urutan nol, sehingga untuk menentukan faktor ketidakseimbangan beban, maka komponen urutan nol tersebut dihilangkan dan diperoleh fasor arus baru seperti berikut ini :

69


Ia2´ = ⅓[ Ia´ + a2Ib´ + aIc´] = ⅓[ Ia + 1 ∠ 240° (Ib´) + 1 ∠ 120° (Ic´)] ..(2.18)

Ia1´ = ⅓[ Ia´ + aIb´ + a²Ic´] =⅓[ Ia´ + 1 ∠ 120° (Ib´) + 1 ∠ 240° (Ic´)……(2.19)

Di mana :

Ia2= Arus urutan negatif pada fasa a setelah komponen arus urutan nol dihilangkan.

Ia1´= Arus urutan positif pada fasa a setelah komponen arus urutan nol dihilangkan.

III. PEMBAHASAN

3.1 Analisis Perhitungan Beban tak SeimbangDari data yang diperoleh selama

mengadakan penelitian di PT. PLN (Persero) Wilayah VIII Rayon Makassar Timur adalah data pengukuran beban pada feeder Tamalanrea daerah BTP.Pengukuran ini dilakukan dengan memperkirakan saat terjadinya beban maksimum, dimana untuk beban perumahan dan penerangan dilakukan pada malam hari.

Faktor daya beban adalah Cos Øa = Cos Øb = Cos Øc = 0,85 dengan urutan fasa a,b,c dan fasa a sebagai fasa referensi, maka harga fasor arus tiap fasa adalah :

Ia = 204 ∠ 0º . 1 ∠ -Cos-10.85= 204 ∠ 31,79 º

Ib = 154 ∠ 240º . 1 ∠ -Cos-10.85= 154 ∠ 271,79 º

Ic = 126 ∠ 120º . 1 ∠ -Cos-10.85= 126 ∠ 151,79 º

Dengan menggunakan persamaan (3.2) sebagai berikut :Is0 = Ia0 = 1/3 (Ia + Ib + Ic)

= 22,82 + j4,40Dengan mendapatkan arus urutan nol di atas, maka diperoleh fasor arus baru sebagai berikut :IT = Ia´ = Ia – Ia0

= 182,85 ∠ 34,32ºIR = Ib´ = Ib – Ia0

= 159,27 ∠ -96,3ºIS = Ic´ = Ic - Ia0

= 144,39 ∠ 157,5ºDengan menggunakan persamaan (2.18) dan (2.19) sebagai berikut :

⇒ Untuk arus urutan negatif :Ia2´ = 1/3 (Ia´ + a2Ib´ + aIc´)

= 22,76 ∠ 52,57 º A. ⇒ Untuk arus urutan positif :

Ia1´ = 1/3 (Ia´ + aIb´ + a2Ic´)= 161,35 ∠ 31,79º A.

Sehingga didapat harga faktor ketidakseimbagan beban :

F = ''

1

2

IaIa

= 0,14 ∠ 20,78º= 0,14

Jadi faktor ketidakseimbangan beban pada jaringan distribusi di atas adalah :

F = 0,14⇒ Arus yang mengalir pada penghantar netral dapat dilihat pada persamaan (3.3) seperti berikut ini :In = 3 Ia0

= 68,46 ∠ 11,12º A.

3.2 Data Analisis dari Transformator Distribusi

Data analisis yang dibutuhkan di dalam menentukan nilai faktor ketidakseimbangan beban berdasarkan persamaan (3.2) adalah berupa nilai arus dan faktor daya dari masing-masing kelompok beban pada setiap fasa saluran pelayanan.

Dengan demikian data pengukuran yang tersedia diperoleh dari trafo distribusi yang merupakan data dari ketidakseimbangan arus tiap-tiap fasa.

3.3 Perhitungan Rugi Daya dan Energi Akibat Ketidakseimbangan

Beberapa persoalan tersebut diantaranya adanya kerugian daya yang diakibatkan oleh ketidakseimbangan beban yang terjadi dalam jaringan distribusi dan transmisi. Dalam penulisan ini, dijelaskan mengenai perhitungan besar rugi daya yang diakibatkan oleh ketidakseimbangan beban yang terjadi dalam jaringan distribusi primer. Untuk menghitung rugi daya dan energi yang diakibatkan oleh ketidakseimbangan beban dapat kita gunakan persamaan (2.13) dan (2.14). Sedangkan untuk menentukan nilai tahanan penghantar yang digunakan dalam menghitung rugi daya tersebut di atas digunakan persamaan berikut :

R = ρAl

Dimana :

R = Tahanan penghantar (Ohm)ρ = Resistivitas (Ohm-meter)l = Panjang penghantar (m)A = Luas penampang (m²)

IV. SIMPULAN

70


Berdasarkan hasil pembahasan maka dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Ketidakseimbangan beban satu fasa dapat diketahui dengan melihat hasil perhitungan faktor ketidakseimbangan (F). Karena nilai faktor ketidakseimbangan (F) yang diperoleh untuk beberapa transformator distribusi yang diamati berada pada harga 0 dan 1 (0 < F < 1) maka beban pada tiap gardu yang diamati tersebut tidak seimbang.2. Besarnya rugi daya (Pn) dan rugi energi (Hn) yang timbul akibat ketidakseimbangan beban untuk beberapa jaringan distribusi sekunder yang diamati. 3. Keseimbangan pembebanan transformator distribusi berdasarkan beban terpasang dapat diperoleh jika daya terpasang (beban) pada beberapa gardu distribusi yang diamati.

DAFTAR PUSTAKA

1. Daryanto dkk. 1999. Jaringan Distribusi Listrik. Bandung : Angkasa.

2. Hadi Abdul. 1991. Sistem Distribusi Daya Listrik. Jakarta : Erlangga.

3. Harten Van P. 1985. Instalasi Listrik Arus Kuat I. CV. Trimitha Mandiri.

4. Stevenson. D. William. Jr. 1983. Analisa Sistem Tenaga listrik. Edisi keempat Bandung : Erlangga

5. Zuhal. 1991. Dasar Tenaga Listrik. Bandung : ITB

71

Pembebanan Tidak Seimbang Pada Transformator

Documents

Transcript of Pembebanan Tidak Seimbang Pada Transformator