BAB II KAJIAN PUSTAKA - sinta.unud.ac.id II.pdf · Berdasarkan analisis yang dilakukan diperoleh...

5

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Mutakhir (State of The Art)

Penelitian susut energi pada sistem kelistrikan Bali sudah banyak

dilakukan. Dalam penelitian Juniastra Gina (2014) tentang “Analisis Susut Energi

pada Sistem Kelistrikan Bali Sesuai Rencana Operasi SUTET 500 kV”,

menyatakan bahwa beroperasinya SUTET 500 kV berpengaruh pada susut energi.

Analisa susut energi dilakukan dengan menggunakan analisis Load Flow dengan

tiga skenario. Skenario pertama SUTET sampai di GI Kapal, skenario kedua

SUTET sampai di GI New Kapal dan skenario ketiga SUTET sampai di GI

Gilimanuk. Berdasarkan analisis yang dilakukan diperoleh bahwa skenario

beroperasinya SUTET 500 kV di GI Kapal memperoleh nilai susut daya dan susut

energi paling rendah dibandingkan dengan skenario yang lainnya serta memiliki

susut tegangan terendah.

Bapak I Made Mataram selaku staf pengajar program studi Teknik Elektro,

Universitas Udayana (2005) pernah meneliti tentang “Pembangunan PLTGU

Pemaron Menurunkan Rugi Daya pada Sistem Kelistrikan di Bali”. Analisis yang

dilakukan diambil dari perbandingan perhitungan aliran daya antara adanya

pembangkit baru PLTGU Pemaron dengan sistem kelistrikan di Bali sebelumnya,

dengan menggunakan metode Newton Raphson. Berdasarkan hasil analisis dapat

disimpulkan bahwa setelah PLTGU Pemaron beroperasi rugi-rugi saluran

transmisi sistem kelistrikan Bali menurun sebesar 31,33 % dari rugi daya sebelum

beroperasinya pembangkitan tersebut.

Miko Mahendra (2011) melakukan penelitian tentang “Pengaruh

Penambahan PLTU Teluk Sirih 100 MW pada Sistem Kelistrikan Sumatera

Bagian Tengah”. Metode yang digunakan dalam menganalisa rugi daya sebelum

dan sesudah ditambahkan pembangkit tersebut adalah metode Gauss Seidel,

Newton Raphson, dan Fast Decouple. Berdasarkan analisis yang dilakukan

menunjukkan bahwa penambahan pembangkit tersebut menyebabkan perubahan

6

tegangan, peningkatan aliran daya dan peningkatan rugi daya pada saluran

transmisi sistem kelistrikan Sumatera Bagian Tengah.

Ditinjau dari State of The Art diatas, sama-sama meneliti tentang analisis

aliran daya dan rugi-rugi daya pada saluran transmisi. Analisis penelitian saya

menggunakan metode Newton Raphson karena metode ini mempunyai waktu

hitung konvergensi yang cepat sehingga membutuhkan jumlah iterasi yang lebih

sedikit dan lebih sesuai untuk menghitung aliran beban pada sistem dengan

jumlah yang besar, dibandingkan metode Gauss-Seidel (Sulasno,1993).

2.2 Representasi Sistem Tenaga Listrik

Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang terdiri dari beberapa

macam peralatan listrik. Adapun susunan pada sistem tenaga listrik biasanya

terdiri dan 3 (tiga) bagian utama, yaitu (Sulasno,1993) :

a. Sistem Pembangkit

b. Sistem Transmisi

c. Beban

Pada umumnya energi listrik yang dihasilkan oleh pusat-pusat

pembangkit (electric power stations) letaknya tidak selalu dekat dengan pusat-

pusat beban (load center) yang akan dilayani. Energi listrik yang dihasilkan

tersebut akan disalurkan ke pusat-pusat beban melalui jaringan transmisi dan

jaringan distribusi. Biasanya masing-masing bagian sistem diatas dibentuk oleh

beberapa komponen atau peralatan yang saling berhubungan. Contohnya suatu

sistem pembangkit terdiri dari generator serempak, penguat (exiter), sistem

pengatur tegangan (voltage regulator), dan komponen-komponen lainnya.

Pada sistem transmisi terdiri dari saluran transmisi, transformator,

peralatan rele pengaman dan pemutus rangkaian, kapasitor, reaktor, dan lain

sebagainya. Sedangkan pada sistem beban biasanya terdiri dari beban yang berupa

motor-motor induksi, motor-motor sinkron, penerangan, pemanas, dan beban-

beban yang lain.

7

2.2.1 Pembangkit Tenaga Listrik

Ada banyak jenis dari Pusat Pembangkitan Tenaga Listrik yang beroperasi

di Indonesia. Secara garis besar dapat dikelompokkan menjadi dua (2) kelompok

besar, yaitu Pusat Pembangkitan Listrik Termal dan Pusat Pembangkitan Non-

Termal.

Pusat Listrik Termal adalah pusat pembangkitan tenaga listrik yang

melibatkan proses panas (thermal) dalam pembangkitan tenaga listriknya,

umumnya tipe pembangkitan ini membutuhkan bahan bakar yang berasal dari

bahan bakar fosil. Pusat listrik tipe ini dapat dibagi lagi menjadi beberapa jenis,

yaitu :

a. Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU)

b. Pusat Listrik Tenaga Diesel (PLTD)

c. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)

d. Pusat Listrik Tenaga Mesin Gas (PLTMG)

e. Pusat Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU)

f. Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP)

Selain Pusat Pembangkitan Listrik Termal, masih ada juga pusat

pembangkitan lainnya, yaitu Pusat Pembangkitan Listrik Non-Termal, dimana

dalam proses pembangkitan tenaga listrik, menggunakan sumber energi lain

(alternatif) selain bahan bakar fosil, sehingga tidak melibatkan proses panas

(thermal) didalamnya. Adapun pusat listrik yang termasuk dalam jenis ini antara

lain :

a. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA)

b. Pusat Listrik Tenaga Surya (PLTS)

c. Pusat Listrik Tenaga Angin/Bayu (PLTB)

Jenis Pusat Pembangkitan Tenaga Listrik yang beroperasi di Pesanggaran

yaitu PLTD, PLTG, dan PLTMG.

2.2.1.1 Pusat Listrik Tenaga Diesel (PLTD)

Pusat Listrik Tenaga Diesel atau PLTD adalah suatu stasiun pembangkit

tenaga, dimana sebagai mulanya adalah sebuah mesin diesel yang mendapat

8

energi dari bahan bakar cair yang dikenal sebagai minyak solar, lalu merubah

energi tersebut menjadi energi mekanik dan dikopel dengan sebuah generator

untuk mengubah energi mekanik dari mesin diesel menjadi energi listrik.

Diesel mendapatkan daya dari hasil pembakaran bahan bakar di dalam

silinder mesin atau dengan kata lain proses kerja ini disebut siklus Otto yang

ditemukan oleh insinyur jerman bernama Otto pada tahun 1876. Pembakaran

bahan bakar tersebut menghasilkan kenaikan temperatur dan tekanan di dalam

silinder mesin serta tahanan yang dibangkitkan mendorong piston yang terdapat

pada silinder mesin.

Daya mekanik yang dibangkitkan, diteruskan ke batang engkol

(connecting rod), yang dipasang pada poros engkol (crank shaft) untuk

meneruskan daya dari piston ke poros yang digerakkan (Ronny, 2008).

PLTD mempunyai ukuran mulai dari 40 kW sampai puluhan MW.

Untuk menyalakan listrik di daerah baru umumnya digunakan PLTD oleh PLN.

Dilain pihak, jika perkembangan pemakaian tenaga listrik telah melebihi 100

MW, penyediaan tenaga listrik yang menggunakan PLTD tidak ekonomis lagi

sehingga harus dibangun Pusat Listrik lain seperti PLTU atau PLTA. PLTD

melayani beban dengan kapasitas di atas 100 MW akan tidak ekonomis, karena

unitnya menjadi banyak mengingat unit PLTD yang terbesar di pasaran sekitar

12,5 MW.

Umumnya semua unit pembangkit Diesel dapat distart tanpa memerlukan

sumber tenaga listrik dari luar (dapat melakukan black start). Menstart mesin

Diesel dengan daya di bawah 50 kW dapat dilakukan dengan tangan melalui

engkol. Untuk daya di atas 50 kW sampai kira-kira 100 kW umumnya distart

dengan menggunakan baterai aki, sedangkan untuk mesin diesel dengan daya di

atas 100 kW umumnya digunakan udara tekan.

Dari segi pemeliharaan dan perbaikan, unit pembangkit Diesel tergolong

unit yang banyak menimbulkan masalah khususnya yang menyangkut mesin

Dieselnya. Hal ini disebabkan karena banyaknya bagian-bagian yang bergerak dan

bergesek satu sama lain sehingga menjadi aus dan memerlukan penggantian

9

secara periodik. Untuk itu diperlukan manajemen pemeliharaan beserta

penyediaan suku cadang yang teratur (Djiteng Marsudi, 2005).

2.2.1.2 Pusat Listrik Tenaga Mesin Gas (PLTMG)

Prinsip kerja PLTMG dengan PLTD hampir sama, tetapi ada perbedaan

paling signifikan yaitu pada sistem bahan bakar untuk motor penggeraknya. Pada

PLTD umumnya hanya bisa menggunakan bahan bakar dari jenis minyak diesel

(HSD/MFO), sedangkan PLTMG umumnya menggunakan dua jenis bahan bakar

yaitu gas alam (natural gas) dan minyak diesel (HSD/MFO). Karena mesin

PLTMG yang dipakai menggunakan dua jenis bahan bakar, oleh karena itu sistem

bahan bakarnya juga harus bisa mengakomodir kedua bahan bakar tersebut.

Bahan bakar gas sebelum masuk ke area pembangkit dilewatkan dulu ke

area pembersihan. Pada area ini gas dipersiapkan baik dari sisi kebersihan, kadar

air, ataupun tekanannya agar siap jika diumpankan langsung ke unit mesin gas.

Sebelum diumpankan langsung ke dalam mesin, gas disaring lagi menggunakan

sebuah filter. Posisi filter ini akan duduk bersama dengan beberapa peralatan yang

disesuaikan konstruksinya dan tergabung dalam sebuah modul gas (fuel gas

module) yang tugas utamanya adalah untuk pengaturan volume, keamanan sistem,

dan untuk memastikan bahwa gas siap diumpankan ke mesin. Untuk bahan bakar

minyak sebelum diumpankan ke dalam mesin, juga disaring terlebih dahulu

menggunakan sebuah filter yang digabung dalam sebuah modul minyak (fuel oil

module). Pada aliran bahan bakar minyak terdapat pompa pengumpan (feed pump)

yang berfungsi untuk mendorong minyak ke dalam mesin. Skematik Sistem

Bahan Bakar pada PLTMG dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Skematik Sistem Bahan Bakar Pada PLTMG

9

























9

























10

Ruang BakarTurbinKompresor

Kelebihan PLTMG dari pembangkit listrik yang lain yaitu :

a. Bisa beroperasi dengan memakai dua jenis bahan bakar yaitu gas alam

(natural gas) dan minyak diesel (HSD/MFO). Ketersediaan bahan

bakar gas alam (natural gas) yang dari segi ekonomis lebih baik jika

dibandingkan dengan bahan bakar minyak (HSD/MFO).

b. Kapasitas unit pembangkitan yang bisa disesuaikan dengan kebutuhan.

c. Bisa digunakan untuk pemasok daya pada saat beban puncak (peaker)

karena memiliki waktu start up yang lebih singkat.

2.2.1.3 Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Pusat Listrik Tenaga Gas adalah pembangkit listrik yang menggunakan

tenaga yang dihasilkan oleh hasil pembakaran bahan bakar dan udara bertekanan

tinggi. Prinsip kerja PLTG dapat dilihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Bagan Prinsip Kerja Unit PLTG (Djiteng Marsudi, 2006)

Secara garis besar diagram ini dimulai dari udara luar dihisap oleh

kompresor menjadi udara bertekanan kemudian dicampur dengan bahan bakar

didalam ruang pembakaran yang menghasilkan gas bersuhu tinggi yang

selanjutnya dialirkan ke turbin untuk dikonversikan menjadi daya mekanis.

Karena turbin, generator, dan kompresor satu poros maka daya mekanis yang

menggerakkan turbin juga menggerakkan generator yang akan menghasilkan

energi listrik dan juga menggerakkan kompresor untuk menghisap udara luar.

KompresorUdaraBertekanan

Gas HasilPembakaran

Generator

Gas Buang

Poros

UdaraBahan Bakar

11

Sisa gas yang digunakan untuk memutar Turbin dibuang keluar ke atmosfer. Dari

flow diagram diatas dapat diambil kesimpulan bahwa pada PLTG menggunakan

Siklus Terbuka (Open Cycle) karena gas yang telah digunakan untuk memutar

Turbin langsung dibuang (Siagian, 2011).

PLTGU merupakan kombinasi PLTG dengan PLTU. Gas buang dari

PLTG yang umumnya mempunyai suhu di atas 400°C dimanfaatkan (dialirkan) ke

dalam ketel uap PLTU untuk menghasilkan uap penggerak turbin uap, dengan

cara ini umumnya didapat PLTU dengan daya sebesar 50% daya PLTG. Ketel uap

yang digunakan untuk memanfaatkan gas buang PLTG mempunyai desain khusus

dimana dalam bahasa Inggris disebut Heat Recovery Steam Generator (HRSG).

Dari segi operasi, unit PLTG tergolong unit yang masa startnya pendek,

yaitu antara 15-30 menit dan kebanyakan dapat distart tanpa pasokan daya dari

luar(black start), yaitu menggunakan mesin diesel sebagai motor start.

Dari segi beban, perubahan beban unit PLTG dari 0% menjadi 100%

dalam waktu kurang dari 15 menit, sehingga bagi unit termis termasuk unit yang

dapat dirubah bebannya secara cepat. Tetapi jika diingat bahwa unit PLTG

beroperasi dengan suhu gas pembakaran yang tinggi maka perubahan beban

berarti pula perubahan suhu yang tidak kecil pada berbagai bagian turbin gas dan

menambah keausan bagian bagian tersebut. Juga PLTG dioperasikan pada beban

rendah efisiensi bahan bakarnya rendah maka sebaiknya unit PLTG tidak dirubah

rubah bebannya tetapi diusahakan berbeban mendekati penuh (80%) dan konstan.

Perubahan beban unit PLTG hendaknya dilakukan hanya dalam keadaan darurat.

Dari segi masalah lingkungan, yang perlu diperhatikan adalah masalah

kebisingan, jangan sampai melampaui ketentuan yang dibolehkan.

Seperti halnya pada PLTU masalah instalasi bahan bakar, baik apabila

digunakan bahan bakar minyak (BBM) maupun apabila digunakan bahan bakar

gas (BBG), perlu mendapat perhatian khusus dari segi pengamanan terhadap

bahaya kebakaran (Djiteng Marsudi, 2006).

2.2.1.4 Generator Sinkron

Generator sinkron biasanya dihubungkan langsung pada rel atau sering

12

juga melalui transfomator daya. Karena tujuan dari analisa ini adalah untuk

mengetahui besar tegangan rel dan aliran daya, maka generator sinkron

direpresentasikan sebagai suatu sumber daya, dan tegangan yang diperoleh dari

analisa ini adalah tegangan rel dimana generator itu terhubung.

2.2.2 Saluran Transmisi

Saluran transmisi membawa tenaga listrik dari pusat pembangkitan ke

pusat beban melalui saluran tegangan tinggi 150 kV, atau melalui saluran ekstra

tinggi 500 kV. Trafo penurunan akan merendahkan tegangan ini menjadi tegangan

subtransmisi 70 kV, yang kemudian di gardu induk (GI) diturunkan lagi menjadi

tegangan distribusi primer 20 kV yang kemudian diturunkan dengan trafo

distribusi yang tersebar di pusat-pusat beban. Pada trafo distribusi tegangan

diturunkan menjadi tegangan rendah 220/380 V. (Zuhal, 1995)

Peningkatan tegangan pada saluran transmisi mempunyai nilai ekonomis

yang sangat penting, mengingat keuntungan-keuntungan sebagai berikut:

a) Untuk penyaluran daya yang sama, arus yang dialirkan menjadi

berkurang. Ini berarti penggunaan bahan tembaga pada kawat

penghantar akan berkurang dengan bertambah tingginya tegangan

transmisi.

b) Luas penampang konduktor yang digunakan berkurang, karena itu

struktur penyangga konduktor menjadi lebih kecil.

c) Oleh karena arus yang mengalir di saluran transmisi menjadi lebih

kecil, maka jatuh tegangan juga semakin kecil. (Zuhal, 1995).

Akan tetapi, dengan bertambah tingginya tegangan transmisi, berarti jarak

bebas antara kawat penghantar harus lebih lebar, panjang gandengan isolator

harus lebih besar, yang berarti meningkatnya biaya menara dan konstruksi

penopang. Dilihat dari jenisnya, dikenal dua macam saluran transmisi yaitu:

1) Saluran udara (overhead line), yang menyalurkan tenaga listrik

melalui kawat-kawat yang digantungkan pada tiang-tiang transmisi

dengan perantara isolator.

13

2) Saluran bawah tanah (underground), yang menyalurkan tenaga listrik

melalui kabel bawah tanah.

2.2.2.1 Resistansi

Resistansi penghantar saluran transmisi adalah penyebab terpenting dari

rugi daya (power loss) pada saluran transmisi. Jika tidak ada keterangan lain maka

resistansi yang dimaksud adalah resisitansi efektif. Resistansi efektif dari suatu

penghantar adalah (Budianto, 2012).

R = | | …………………………………………….................................... (2.1)

dimana:

P = Rugi-rugi daya pada penghantar satuan Watt (W)

I = arus satuan Ampere (A)

Sedangkan resistansi dc diberikan oleh rumus:

= …………………………………………………………….......... (2.2)

dimana:

= resitivitas penghantar

l = panjang penghantar

A = luas penampang

2.2.2.2 Induktansi dan Reaktansi Induktif

Dalam penurunan rumus-rumus untuk induktansi dan reaktansi induktif

dari suatu konduktor biasanya diabaikan dua faktor, yaitu :

a. Efek kulit (skin effect).

b. Efek sekitar (proximity effect).

Efek kulit adalah gejala pada arus bolak-balik, bahwa kerapatan arus

dalam penampang konduktor tersebut makin besar ke arah permukaan kawat.

Tetapi bila kita hanya meninjau frekuensi kerja (50 Hertz atau 60 Hertz) maka

pengaruh efek kulit itu sangat kecil dan dapat diabaikan.

Efek sekitar ialah pengaruh dari kawat lain yang berada di samping kawat

14

yang pertama (yang ditinjau) sehingga distribusi fluks tidak simetris lagi. Tetapi

bila radius konduktor kecil terhadap jarak antara kedua kawat maka efek sekitar

ini sangat kecil dan dapat diabaikan (Budianto, 2012).

2.2.2.3 Kapasitansi dan Reaktansi Kapasitif

Kapasitansi saluran transmisi adalah akibat beda potensial antara

penghantar dengan penghantar atau penghantar dengan ground(tanah). Kapasitansi

menyebabkan penghantar tersebut bermuatan seperti yang terjadi pada plat

kapasitor bila terjadi beda potensial diantaranya. Kapasitansi antara penghantar

sejajar dan penghantar ke ground adalah suatu konstanta yang tergantung pada

tegangan dan jarak pemisah antar penghantar.

Untuk saluran daya yang panjangnya kurang dari 80 km (50 mil),

pengaruh kapasitansinya kecil dan biasanya dapat diabaikan. Untuk saluran-

saluran yang lebih panjang dengan tegangan yang lebih tinggi, kapasitansinya

menjadi bertambah besar dan tidak bisa diabaikan lagi.

Suatu tegangan bolak-balik yang terpasang pada saluran transmisi akan

menyebabkan muatan pada penghantar-penghantarnya disetiap titik bertambah

atau berkurang sesuai dengan kenaikan dan penurunan nilai sesaat tegangan antara

penghantar pada titik tersebut. Aliran muatan listrik dan arus yang disebabkan

oleh pengisian dan pengosongan bolak-balik (alternate charging and discharging)

saluran karena tegangan bolak-balik disebut arus pengisian saluran. Arus

pengisian mengalir dalam saluran transmisi meskipun saluran itu dalam keadaan

terbuka. Hal ini mempengaruhi jatuh tegangan sepanjang saluran, efisiensi, dan

faktor daya saluran serta kestabilan sistem dimana saluran tersebut merupakan

salah satu bagiannya (Budianto, 2012).

Untuk keperluan analisa dan perhitungan maka diagram pengganti

biasanya dibagi dalam 3 kelas, yaitu:

1. Saluran pendek ( < 80 km)

2. Saluran menengah (80-250 km)

3. Saluran panjang ( > 250 km)

Klasifikasi saluran transmisi harus didasarkan atas besar kecilnya

15

kapasitansi ke tanah. Jadi bila kapasitansi ke tanahnya kecil, dengan demikian

arus bocor ke tanah kecil terhadap arus beban, maka dalam hal ini kapasitansi ke

tanah dapat diabaikan, dan dinamakan saluran pendek. Tetapi bila kapasitansi ke

tanah sudah mulai besar sehingga tidak dapat diabaikan, tetapi belum begitu besar

sekali sehingga masih dapat dianggap seperti kapasitansi terpusat (lumped

capacitance), dan ini dinamakan saluran menengah. Bila kapasitansi itu besar

sekali sehingga tidak mungkin lagi dianggap sebagai kapasitansi terpusat, dan

harus dianggap terbagi rata sepanjang saluran, maka dalam hal ini dinamakan

saluran panjang.

Seperti diketahui semakin tinggi tegangan operasi maka kemungkinan

timbulnya korona akan sangat besar. Korona ini akan memperbesar kapasitansi,

dengan demikian memperbesar arus bocor. Jadi ada kalanya walaupun panjang

saluran hanya 50 km, misalnya bila tegangan kerja sangat tinggi (tegangan ekstra

tinggi, EHV, apalagi tegangan ultra tinggi, UHV) maka kapasitansi relatif besar

sehingga tidak mungkin lagi diabaikan walaupun panjang saluran hanya 50 km.

2.2.3 Beban

Di dalam menganalisa suatu sistem tenaga listrik, beban tidak diberikan

secara lengkap. Untuk merepresentasikan suatu beban dari suatu sistem tenaga

listrik, sangat penting untuk mengetahui variasi daya aktif (P) dan daya reaktif (Q)

terhadap variasi tegangannya.

Di dalam menganalisa suatu sistem tenaga listrik, terdapat 3 cara untuk

merepresentasikan suatu beban, antara lain:

a. Representasi beban dengan daya tetap. Dalam hal ini daya aktif P

(MW), maupun daya reaktif Q (MVAR) dianggap konstan.

Representasi beban ini digunakan untuk merepresentasikan beban untuk

studi aliran daya.

b. Representasi beban dengan arus tetap. Dalam hal ini arus dihitung

sebagai;

I = ∗ = I ∠ (θ – φ), …………………………………………... (2.3)

16

Dimana: V = V∠ θ, dan φ = tan-1 = sudut daya (power factor angle).

c. Representasi beban dengan impedansi tetap. Untuk merepresentasikan

suatu beban dengan impedansi tetap, daya yang diserap oleh beban

dikonversikan ke dalam bentuk impedansi seri atau parallel.

Representasi beban dengan impedansi tetap ini biasanya digunakan

pada studi stabilitas suatu sistem tenaga listrik.

2.3 Diagram Segaris

Diagram segaris (single line diagram) merupakan diagram dari suatu

sistem tenaga listrik yang sederhana, yang menunjukkan penggambaran dari

penyelesaian sistem tiga fasa yang seimbang dengan menggunakan rangkaian satu

fasa dimana sebuah jalur netral sebagai jalan balik (Sulasno, 1993).

Selanjutnya diagram tersebut seringkali disederhanakan lagi dengan

mengabaikan jalur netralnya dan hanya menunjukkan bagian-bagian komponen

dengan lambang standar sebagai pengganti rangkaian ekivalennya. Dengan

demikian diagram segaris menunjukkan suatu garis tunggal dan lambang-lambang

standar saluran transmisi serta peralatan-peralatan yang berhubungan dengan

sistem tenaga listrik.

Penggambaran dari diagram segaris bertujuan untuk memberikan

keterangan-keterangan yang penting mengenai sistem tenaga listrik secara singkat.

Tetapi untuk mengetahui gambaran dari suatu sistem tenaga listrik dalam keadaan

berbeban atau pada saat sistem mengalami gangguan, maka sebelumnya diagram

segaris tersebut harus diubah menjadi diagram impedansi yang menunjukkan

rangkaian ekivalen masing-masing komponen sistem tersebut dengan berpedoman

pada salah satu sisi yang sama pada transformator.

Keterangan mengenai sifat-sifat yang penting dari suatu sistem berbeda-

beda tergantung dari masalah yang akan ditinjau sesuai dengan maksud dari

diagram tersebut dibuat misalnya, dalam penyelesaian studi aliran daya, lokasi

dari pemutus rangkaian dan relay tidaklah penting. Karena itu pemutus dan relay

tidak diperlihatkan apabila fungsi utama dari diagram tersebut adalah untuk

memberikan keterangan mengenai studi semacam itu. Diagram segaris juga

17

memberikan keterangan mengenai transformator arus dan transformator tegangan

yang menghubungkan relay-relay ke sistem atau yang hanya dipasang untuk

keperluan pengukuran. Keterangan yang diperoleh dari diagram segaris

diharapkan dapat berubah-ubah menurut masalah yang sedang dihadapi.

Gambar 2.3 merupakan contoh diagram segaris dari suatu sistem tenaga

listrik yang sangat sederhana. Dua buah generator dimana yang satu ditanahkan

melalui sebuah reaktor dan yang satu lagi melalui sebuah resistor. Kedua

generator tersebut dihubungkan ke sebuah rel daya dan melalui sebuah

transformator penaik tegangan (step up transformator) ke saluran transmisi.

Sebuah generator yang lain, yang ditanahkan melalui sebuah reaktor dihubungkan

ke sebuah rel daya melalui sebuah transformator pada ujung yang lain dari saluran

transmisi tersebut. Disamping terhubung dengan generator, masing-masing rel

daya juga terhubung dengan sebuah beban. Keterangan mengenai beban, rating

generator, tranformator, dan reaktansi-reaktansi pada berbagai komponen

rangkaian biasanya juga tercantum pada diagram segaris tersebut.

Gambar 2.3 Diagram Segaris Suatu Sistem Tenaga Listrik (Stevenson,1996).

Lembaga Standar Nasional Amerika (American Nasional Standar Institute

– ANSI) dan Lembaga Insinyur Listrik dan Elektronika (Institute of Electrical and

Electronics Engineers) telah menerbitkan suatu himpunan lambang standar untuk

diagram-diagram listrik. Tabel 2.1 menunjukkan lambang-lambang peralatan yang

sering digunakan dalam menggambar diagram segaris.

18

Tabel 2.1 Lambang-lambang Peralatan (Stevenson,1996)

2.4 Besaran Per-Unit

Untuk menggantikan besaran-besaran yang telah ada dan mempermudah

dalam perhitungan maka digunakan besaran per unit. Dimana besaran per unit ini

digunakan untuk menganalisa suatu rangkaian sistem tenaga listrik.

19

Besaran per unit dapat didefinisikan sebagai berikut (Sulasno, 1993) :

........................................... (2.4)

Dengan demikian nilai dari besaran per-unit merupakan nilai yang telah

dinormalisasikan terhadap besaran dasar yang telah dipilih. Besaran yang sering

diperhitungkan dalam menganalisa sistem tenaga listrik meliputi : daya, tegangan,

arus, dan impedansi. Dalam perhitungan sistem tenaga listrik, daya dan tegangan

nominal saluran biasa dipilih sebagai besaran dasar, dimana kedua besaran

tersebut dapat digunakan sebagai pedoman untuk memperoleh besaran-besaran

dasar yang lain.

2.4.1 Besaran Per-Unit Untuk Sistem Satu Fase

Rumus-rumus yang digunakan untuk menentukan nilai dasar dan

berbagai besaran khususnya untuk sistem satu fasa adalah sebagai berikut

(Stevenson, 1996):

Arus dasar, A = dasar kV ɸtegangan dasar,

.................................................. (2.5)

Impedansi dasar = ,, .......................................... (2.6)

Impedansi dasar = ( , ), ɸ ............................ (2.7)

Impedansi dasar = ( , ), ɸ ..................................... (2.8)

Daya dasar, kW1ɸ = dasar kVA1ɸ .......................................................... (2.9)

Daya dasar, MW1ɸ = dasar MVA1ɸ ....................................................... (2.10)

Impedansi per-unit = , Ω, Ω ................................. (2.11)

20

2.4.2 Besaran Per-Unit Untuk Sistem Tiga Fase

Untuk memperoleh nilai dasar untuk sistem tiga fasa pada prinsipnya

sama dengan sistem satu fasa. Tegangan dasar untuk sistem tiga fasa adalah √3tegangan satu fasa (tegangan dasar antar saluran) sedangkan daya dasarnya adalah

daya dasar untuk total tiga fasa.

Rumus-rumus yang dapat digunakan untuk memperoleh nilai dasar dari

berbagai besaran untuk sistem tiga fasa adalah sebagai berikut (Stevenson, 1996):

Arus dasar, A = ɸ√ , ..................................... (2.12)

Impedansi dasar = ( , /√ )ɸ/ ....................... (2.13)

Impedansi dasar = ( , )ɸ ........................... (2.14)

Impedansi dasar = ( , )ɸ ................................. (2.15)

2.4.3 Mengubah Dasar Besaran Per-Unit

Impedansi per-unit untuk suatu komponen dari suatu sistem kadang-

kadang dinyatakan dengan dasar yang berbeda dari yang telah dipilih sebagai

dasar untuk bagian dari suatu sistem dimana komponen tersebut dihubungkan.

Seluruh impedansi dari suatu sistem dinyatakan dengan dasar impedansi yang

sama. Diperlukan suatu cara untuk mengubah impedansi per-unit (pu) dari suatu

nilai dasar ke nilai dasar yang baru dengan persamaan berikut (Stevenson, 1996) :

Zbaru (pu) = Zlama (pu) x .......................(2.16)

2.4.4 Keuntungan Perhitungan Per-Unit

Menganalisa atau membuat perhitungan sistem tenaga listrik dalam nilai

per-unit akan sangat menyederhanakan pekerjaan. Beberapa keuntungan yang

dapat diperoleh dari perhitungan per-unit antara lain (Stevenson, 1996):

21

a. Pabrik biasanya memberikan harga impedansi peralatan dalam persen

atau per-unit dengan rating yang tercantum pada name plate sebagai dasar.

b. Impedansi per-unit mesin yang sejenis tetapi dengan rating yang jauh

berbeda biasanya terletak dalam batas-batas nilai yang sempit, meskipun

nilainya dalam ohm berbeda besar untuk mesin-mesin dengan rating

yang berbeda. Oleh karena itu, apabila impedansi mesin tidak diketahui

dengan pasti, pada umumnya masih mungkin untuk memilih sebuah

impedansi per-unit dari daftar nilai rata-rata yang tersedia, dan hasilnya

tidak jauh menyimpang dari kebenaran. Pengalaman kerja dengan nilai per-

unit akan membiasakan kita bekerja dengan nilai impedansi per-unit

yang tepat untuk berbagai macam peralatan.

c. Apabila diberikan nilai impedansi dalam ohm pada rangkaian ekivalen, setiap

impedansi harus didasarkan pada rangkaian yang sama dengan

mengalikan nilai itu dengan kuadrat perbandingan tegangan rating pada

kedua sisi transformator yang menghubungkan rangkaian pedoman

dengan rangkaian yang mengandung impedansi tersebut. Jika

impedansi per-unit sudah dinyatakan dalam dasar yang benar, maka

adalah sama menurut sisi yang manapun dari transformator.

d. Cara menghubungkan transformator dalam rangkaian tiga fasa tidak

mempengaruhi impedansi per-unit rangkaian ekivalennya, meskipun

hubungan transformator memang menentukan hubungan antara dasar

tegangan pada kedua sisi transformator tersebut.

2.5 Analisis Aliran Daya

Beberapa metode perhitungan telah dikembangkan untuk membantu

menyelesaikan permasalahan aliran daya pada sistem, sebagai akibat perubahan

beban dan jadwal pembangkitannya. Metode-metode tersebut dipakai untuk

menjawab pertanyaan berikut: (Zuhal, 1995)

1) Bagaimana penampilan aliran daya nyata dan daya reaktif pada sistem

untuk suatu keadaan tertentu.

22

2) Apakah saluran transmisi, transformator beserta alat kelengkapannya

lainnya, masih cukup mampu membawa tambahan energi listrik yang

diperlukan.

3) Berapakah tegangan setiap rel-rel (busses).

Cara-cara yang digunakan untuk menjawab pertanyaan tersebut dikenal

sebagai analisis aliran daya atau aliran beban. Beberapa kesulitan perlu dihadapi

mengingat persoalan tersebut menyangkut persoalan rangkaian nonlinier yang

cukup rumit. Karena beban pada sistem tembaga berkelakuan sebagai daya yang

terbenam secara konstan, maka impedansi-impedansi pada sistem tersebut tidak

dapat diperlakukan sebagai impedansi yang konstan nilainya.

2.5.1 Klasifikasi Bus

Untuk menganalisa aliran daya, bus-bus yang digunakan dapat

diklasifikasikan dalam 3 kategori: (Suprijono, 2012)

1. Bus Beban atau Load Bus

Parameter-parameter yang diketahui adalah P dan Q sedangkan yang tidak

diketahui adalah V dan δ.

2. Bus Kontrol atau Generator Beban

Pada bus ini parameter yang diketahui adalah P dan V sedangkan

parameter yang dihitung adalah Q dan δ.

3. Bus Referensi atau Slack Bus

Slack bus sering disebut swing bus atau rel berayun. Adapun besaran yang

diketahui dari bus ini adalah tegangan (V) dan sudut beban (δ). Suatu

sistem tenaga biasanya didesign memiliki bus ini yang dijadikan referensi

yaitu besaran δ = 0o. Besaran yang dapat dihitung dari bus ini adalah daya

aktif dan reaktif.

2.5.2 Metode Newton Raphson

Pada dasarnya metode Newton Raphson adalah metode Gauss-Seidel yang

diperluas dan disempurnakan, dimana metode ini dapat mengatasi kelemahan dari

metode Gauss-Seidel antara lain dalam hal ketelitian dan jumlah iterasi. Hal ini

23

karena metode Newton Raphson mempunyai waktu hitung konvergensi yang cepat

sehingga membutuhkan jumlah iterasi yang lebih sedikit. Metode Newton

Raphson lebih sesuai untuk menghitung aliran beban pada sistem dengan jumlah

yang besar, dibandingkan metode Gauss-Seidel (Sulasno,1993).

Untuk menerapkan metoda Newton-Raphson pada penyelesaian aliran

daya dapat dinyatakan dengan tegangan bus dan admitansi saluran dalam bentuk

polar atau bentuk siku-siku (rectangular).

Seperti sistem tenaga listrik yang ditunjukkan pada gambar, arus masuk

bus i sesuai persamaan.

Gambar 2.4 Bus dari Sistem Tenaga (Suprijono, 2012)

It = Vi ∑ – ∑ ………………………………............ (2.17)

Persamaan ini dapat dituliskan kembali dalam bentuk matrik admitansi bus

sebagai berikut:

Ii = ∑ ……………………………………………............... (2.18)

Pernyataan persamaan ini dalam bentuk polar adalah:

Ii = ∑ | | ∠ θij + δj .............…………………………………………… (2.19)

Persamaan daya adalah

P – jQi = | |∠ - δi∑ ∠ + ................................................. (2.20)

Dengan memisahkan bagian imajiner dan real, maka

Pi = ∑ | | cos ( − + ) ………………………............... (2.21)

= - ∑ | | sin − + ……………………................ (2.22)

Persamaan merupakan sekumpulan persamaan aljabar non-linier dimana

tegangan magnitude dalam besaran per satuan dan sudut fasa dalam radian.

Ii

yi1

yi2

yin

yi0

Vi V1

V2

Vn

24

Dengan mengembangkan persamaan ke dalam deret Taylor, maka hasilnya dapat

dituliskan dalam bentuk persamaan linier berikut:∆∆ = ………………………………………………….............. (2.23)

Elemen diagonal dan off diagonal dari J1 adalah

= ∑ | | sin ( − + )………………………….......... (2.24)

= - | | sin ( − + ) j ≠ 1 …..…………...................... (2.25)


| | = 2 | || | cos + ∑ | | cos (θij – δi + δj ) ……............ (2.26)

| | = | | cos (θij – δi + δj ) j ≠ 1 ..............................………………. (2.27)


= ∑ | | cos − + …………………………....... (2.28)

= - | | cos − + j ≠ 1 ……………….................. (2.29)


| | = - 2 | || | sin - ∑ sin − + ………........ (2.30)

| | = - | | sin − + j ≠ 1 .………………………............ (2.31)

Bentuk ∆ ( ) dan ∆ ( ) adalah perbedaan antara rencana (schedule) dan harga

perhitungan, dikenal sebagai power residual, dan diberikan sebagai berikut:

∆ ( ) = - ( ) ………………………………………………….......... (2.32)

∆ ( ) = - ( ) …………………………………………………......... (2.33)

Estimasi baru untuk tegangan bus adalah( ) = ( ) + ∆ ( ) ……………………………………………….......... (2.34)( ) = ( ) + ∆ ( ) …………………………………………......... (2.35)

Prosedur penyelesaian aliran daya dengan metoda Newton-Raphson adalah

sebagai berikut: (Suprijono, 2012)

1. Untuk tegangan bus, dimana dan adalah ditentukan, tegangan

magnitude dan sudut fasa adalah disetting sama dengan harga slack-bus.

25

2. Untuk bus beban, ( ) dan ( ) dihitung dari persamaan (2.21) dan (2.22)

dan ∆ ( ) dan ∆ ( ) adalah dihitung dari persamaan (2.32) dan (2.33).

3. Untuk kontrol tegangan bus, ( ) dan ∆ ( ) adalah dihitung dari

persamaan (2.32) dan (2.33).

4. Elemen dari matrik jacobian ( J1, J2, J3, dan J4) adalah dihitung dari

persamaan (2.24) dan (2.31).

5. Persamaan linier simultan (2.35) adalah diselesaikan secara langsung

dengan secara optimal.

6. Tegangan magnitude baru dan sudut fasa adalah dihitung dengan

persamaan (2.34) dan (2.35)

7. Proses adalah kontinyu hingga ∆ ( ) dan ∆ ( ) adalah lebih kecil dari

konvergensi yang ditentukan

2.6 Pengertian Susut

Susut (losses) adalah sejumlah energi yang hilang dalam proses pengaliran

energi listrik mulai dari Gardu Induk sampai dengan konsumen. Apabila tidak

terdapat Gardu Induk, susut dimulai dari Gardu distribusi sampai dengan

konsumen. Terjadinya susut pada sistem kelistrikan merupakan salah satu acuan

untuk mengetahui efisien atau tidaknya sistem kelistrikan tersebut beroperasi.

Susut energi selalu diukur dalam kurun waktu tertentu dan idealnya susut dihitung

dalam kurun waktu satu tahun. Perhitungan susut energi dilakukan dengan

menghitung selisih antara daya yang dibangkitkan dengan daya yang terjual.

Karena itulah ukuran efisiensi pada sistem ketenagalistrikan sangat berkaitan

dengan susut yang terjadi dalam kurun waktu tertentu, sebab susut sangat

berpengaruh dengan jumlah energi yang hilang dengan energi yang dibangkitkan.

2.6.1 Jenis Susut (Losses)

Menurut Keputusan Direksi PT. PLN (Persero) No.217-1.K/DIR/2005

tentang Pedoman Penyusunan Laporan Neraca Energi (kWh), Jenis Susut (losses)

energi listrik dapat dibedakan menjadi dua, yaitu :

26

1. Berdasarkan sifatnya, Susut teknis dan non teknis

2. Berdasarkan tempat terjadinya, Susut transmisi dan susut distribusi

Berdasarkan kutipan diatas maka penjelasannya adalah sebagai berikut:

1. Berdasarkan sifatnya :

a. Susut Teknis, yaitu hilangnya energi listrik yang dibangkitkan pada saat

penyaluran mulai dari pembangkit hingga ke pelanggan karena berubah

menjadi energi panas. Susut teknis ini tidak dapat dihilangkan karena

merupakan kondisi bawaan atau susut yang terjadi karena alasan teknik

dimana energi menyusut berubah menjadi panas pada Jaringan

Tegangan Tinggi (JTT), Gardu induk (GI), Jaringan Tegangan

Menengah (JTM), Gardu Distribusi (GD), Jaringan Tegangan Rendah

(JTR), Sambungan Rumah (SR) dan Alat Pengukur dan Pembatas

(APP).

b. Susut Non Teknis, yaitu hilangnya energi listrik yang dikonsumsi

pelanggan maupun non pelanggan karena tidak tercatat dalam

penjualan.

2. Berdasarkan tempat terjadinya :

a. Susut Transmisi, yaitu hilangnya energi listrik yang dibangkitkan pada

saat disalurkan melalui jaringan transmisi ke Gardu Induk.

b. Susut Distribusi, yaitu hilangnya energi listrik yang didistribusikan dari

Gardu Induk melalui jaringan distribusi ke pelanggan.

2.6.2 Analisis Susut Tegangan

Susut tegangan pada saluran transmisi adalah selisih antara tegangan pada

pangkal pengirim (sending end) dan tegangan pada ujung penerima (receiving

end) tenaga listrik. Pada saluran bolak balik besarnya tergantung dari impedansi

dan admitansi saluran serta pada beban dan faktor daya. Persamaan susut tegangan

dinyatakan dalam rumus:

∆V = 100% ……………………………………………… (2.36)

Dimana:

Vs = tegangan pada pangkal pengiriman

27

Vr = tegangan pada ujung penerimaan

Akibat terjadinya rugi tegangan pada saluran maka tegangan khususnya

ditempat yang paling jauh dengan sumber tenaga akan lebih kecil dari tegangan

nominal. Adanya tegangan pada sebuah penghantar menyebabkan arus mengalir

melalui penghantar tersebut. Bila situasi ini terjadi pada saluran transmisi yang

panjang, hal ini dapat menyebabkan penurunan tegangan, Penurunan tegangan ini

akibat usaha yang harus dikeluarkan untuk mengatasi perlawanan terhadap aliran

arus dan harus disalurkan dari tegangan sumber agar mendapatkan tegangan yang

sebenarnya pada beban.

2.6.3 Analisis Susut Daya

Analisis perhitungan susut daya atau rugi daya sangat dipengaruhi oleh

arus beban dan tahanan penghantar. Arus beban dipengaruhi oleh pola konsumsi

pelanggan perumahan dengan fluxtuansi konsumsi energi listrik sangat besar pada

siang dan malam hari serta pelanggan industri dengan fluktuansi konsumsi energi

sepanjang hari yang hampir sama. Fluktuasi beban tersebut akan mempengaruhi

total pembangkitan untuk menyuplai beban tersebut. Untuk persamaan rugi daya

dapat di uraikan sebagai berikut:

a. Rugi Daya Kompleks :

∆S = S1,2 - S2,1 ……………………………………………………. (2.37)

Daya pada sisi kirim :

S1,2 = V1,2 x I1,2 ..………………………………………………….. (2.38)

Daya pada sisi terima :

S2,1 = V2,1 x I1,2 ..………………………………………………….. (2.39)

Dimana :

∆S = Rugi daya Kompleks

S1,2 = Daya pada sisi pengirim

S2,1 = Daya pada sisi penerima

b. Rugi Daya Nyata :

∆P = P1,2 - P2,1 ……………………………………………………. (2.40)

Daya pada sisi kirim :

28

P1,2 = V1,2 x I1,2 x Cos φ..………………………………………… (2.41)

Daya pada sisi terima :

P2,1 = V2,1 x I1,2 x Cos φ..………………………………………… (2.42)

Dimana :

∆P = Rugi daya Nyata

P1,2 = Daya Nyata pada sisi pengirim

P2,1 = Daya Nyata pada sisi penerima

2.6.4 Analisis Susut Energi

Analisis perhitungan susut energi atau rugi energi dapat menggunakan

persamaan dengan mempertimbangkan parameter rugi tembaga dan rugi kuadrat

beban. Rugi tembaga atau rugi-rugi lainnya berbanding lurus dengan kuadrat

beban, ini berarti semakin bertambah bebannya maka semakin besar rugi-rugi

tembaga yang terjadi. Dalam perhitungan rugi energi sebaiknya dipakai faktor

rugi yaitu perbandingan antara rugi daya rata-rata dan rugi daya pada beban

puncak dalam periode tertentu. Jadi rugi daya rata-rata adalah (Daman Suswanto,

2009) : = 8760Persamaan………………………………….......……..………………………… (2.43)

Dimana:

8760 merupakan jumlah jam dari periode tersebut (satu tahun). Jumlah

hari dalam 1 tahun 365 hari, maka jumlah jam dalam 1 tahun : 365 x 24 jam =

8760 jam.

2.6.4.1 Loss Factor

Loss factor didefinisikan sebagai perbandingan antara rugi dan rata-rata

terhadap rugi daya pada beban puncak pada periode waktu tertentu. Faktor rugi-

rugi beban merupakan rugi-rugi sebagai fungsi waktu, berubah sesuai dengan

fungsi dari waktu kuadrat. Oleh karena itu, faktor rugi-rugi ini tidak dapat

ditentukan langsung dari faktor beban. Berdasarkan pengalaman dan percobaan

29

yang dilakukan oleh Buller dan Woodrow dengan menganalisa ratusan grafik

diperoleh persamaan empiris sebagai berikut := . + . …………………………………………….. (2.44)

Dimana:

FLS = Loss factor

FLD = Load factor

2.6.4.2 Load Factor

Analisis load factor merupakan analisis awal yang dilakukan untuk dapat

digunakan dalam menentukan susut energi tahunan. Load factor ditentukan dari

pola beban harian sistem. Sebelum melakukan analisis load factor terlebih dahulu

dibahas mengenai parameter beban rata rata yang dapat mempengaruhi nilai load

factor.

Beban rata-rata (Br) didefinisikan sebagai perbandingan antara energi yang

terpakai dengan waktu pada periode tertentu, atau dapat dituliskan menurut

persamaan periode 1 hari (Daman Suswanto, 2009):

= ……………………………………… (2.45)

Setelah diketahui nilai beban rata-rata sistem kelistrikan Bali maka

selanjutnya nilai tersebut dapat digunakan untuk memperoleh nilai Load factor.

Faktor beban atau Load factor didefinisikan sebagai perbandingan antara

beban rata-rata dengan beban puncak yang diukur untuk suatu periode waktu

tertentu. Beban pucak (Lf) yang dimaksud adalah beban puncak sesaat atau beban

puncak rata-rata dalam interval waktu tertentu, pada umumnya dipakai beban

puncak pada waktu 15 menit atau 30 menit. Untuk prakiraan besarnya faktor

beban pada masa yang akan datang dapat didekati dengan data statistik yang ada.

Dari definisi faktor beban dapat dituliskan menurut persamaan berikut (Daman

Suswanto, 2009).

= ( )( ) ………………………………………… (2.46)

30

Persamaan tersebut mengandung arti bahwa beban rata-rata akan selalu

bernilai lebih kecil dari kebutuhan maksimum atau beban puncak, sehingga load

factor akan selalu kecil dari satu.

BAB II KAJIAN PUSTAKA - sinta.unud.ac.id II.pdf · Berdasarkan analisis yang dilakukan diperoleh...

Documents

Transcript of BAB II KAJIAN PUSTAKA - sinta.unud.ac.id II.pdf · Berdasarkan analisis yang dilakukan diperoleh...