Penghantar - Sistem Distribusi Tenaga Listrik

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik

2.1.2 Penghantar

Dalam suatu sistem kelistrikan terdapat salah satu komponen yang menjadi faktor penting yaitu penghantar. Penghantar merupakan suatu komponen yang berfungsi untuk mengalirkan arus dari satu titik ke titik yang lainnya. Dalam menentukan luas penampang penghantar, hal yang harus diperhitungkan adalah besar arus nominal yang melewati suatu penghantar. Untuk menentukan besar arus nominal bolak balik tiga fasa suatu penghantar dapat menggunakan persamaan (2.1) berikut [10]

Dalam pemilihan penghantar, kuat hantar arus yang digunakan adalah 1.25 arus nominal dari penghantar tersebut. Setelah kuat harus antar diketahui, untuk pemilihan luas penampang tinggal disesuaikan luas penampang yang cocok untuk dipakai [10]. Dengan kata lain untuk mencari kuat hantar arus dapat menggunakan persamaan (2.2) berikut :

KHA = In x 125% (2.2)

Universitas Pertamina - 7

2.2 Studi Aliran Daya

Studi aliran daya berfungsi untuk melakukan suatu analisa lanjutan, yang dilakukan sebagai langkah dalam melakukan evaluasi kondisi dari suatu sistem tenaga listrik. Dari hasil analisa aliran daya tersebut akan didapatkan parameter- parameter penting, yang digunakan sebagai bahan acuan untuk melakukan perencanaan perubahan sistem. Parameter-parameter yang terdapat pada setiap bus seperti nilai tegangan, dan arus [11]. Pada sistem tenaga listrik bus dapat dibagi menjadi 3 jenis yaitu [12]:

a) Slack bus atau Swing us, bus ini berfungsi untuk mencatu daya jika terjadi rugi daya pada sistem, bus ini terhubung dengan generator. Pada bus ini tegangan dan sudut fasa diketahui b) Load bus atau PQ Bus, bus ini terhubung dengan beban, pada bus ini daya aktif serta reaktif

diketahui.

c) Regulated Bus atau Voltage-Controlled Bus, bus ini terhubung dengan generator, pada bus ini daya aktif dan magnitude tegangan diketahui.

Dalam melakukan studi aliran daya, diperlukan penyelesaian persamaan dari aliran daya dengan melakukan proses perhitungan iterasi. Proses iterasi tersebut dilakukan karena persamaan aliran daya bersifat non-saluranar sehingga harus diselesaikan dengan metode numerik iteratif. Proses iterasi dilakukan untuk mendapatkan nilai tegangan yang tidak kurang dari nilai minimum dan tidak melebihi nilai maksimum yang telah ditentukan. Dengan kata lain proses iterasi tersebut dilakukan untuk mendapatkan nilai tegangan yang paling optimal. Pada Gambar 2.3 dapat dilihat contoh dari representasi bus pada suatu sistem distribusi tenaga listrik, yang dari gambar tersebut dapat didapatkan persamaan aliran daya sebagai berikut [12] :

Gambar 2.3 contoh representasi bus pada sistem distribui tenaga listrik

Berdasarkan Gambar 2.4 didapatkan persamaan arus pada persamaan (2.3) dan persamaan daya pada persamaan (2.4)

Universitas Pertamina - 8 𝐼_𝑖= 𝑉_𝑖∑^𝑛_𝑗=0𝑦_𝑖𝑗− ∑^𝑛_𝑗=1𝑦_𝑖𝑗𝑉_𝑗 ; 𝑗 ≠ 𝑖, (2.3)

𝑃_𝑖+ 𝑗𝑄_𝑖 = 𝑉_𝑖𝐼_𝑖^∗ (2.4)

Atau nilai

𝐼_𝑖 dapat dilihat pada persamaan (2.5) berikut, 𝐼_𝑖=𝑃_𝑖− 𝑗𝑄_𝑖

𝑉_𝑖^∗

(2.5)

Dengan mensubstitusikan

persamaan (2.5) ke dalam persamaan (2.3) maka didapatkan persamaan aliran daya pada persamaan (2.6)

𝑃_𝑖− 𝑗𝑄_𝑖

2.2.1 Metode Newton-Raphson

Metode Newton-Raphson berfungsi untuk menyelesaikan persamaan non-saluranar pada aliran daya. Penyelesaian persamaan tersebut digunakan untuk mendapatkan parameter pada setiap bus.

Metode ini mampu mengatasi konvergen pada saat kondisi bermasalah. Untuk perhitungan dalam skala sistem besar metode ini lebih baik karena lebih efisien dan praktis. Metode ini lebih efisien dan praktis karena kovergensi dari metode ini lebih cepat, dan juga persamaan aliran daya pada metode ini dirumuskan dalam bentuk polar. Berikut merupakan persamaan yang digunakan untuk mendapatkan nilai dari parameter pada setiap bus [12] :

a) Daya Aktif dan Reaktif

Berdasarkan Gambar 2.4 berikut merupakan persamaan untuk mendapatkan daya aktif dan reaktif pada bus :

Pada persamaan arus (2.3) diubah menjadi bentuk persamaan polar pada persamaan (2.7) 𝑃_𝑖− 𝑗𝑄_𝑖 = |𝑉_𝑖|∠ − 𝛿_𝑖∑ |𝑌_𝑖𝑗|

𝑛

𝑗=1

|𝑉_𝑗|∠θ_𝑖𝑗+ 𝛿_𝑗 (2.7)

Berdasarkan persamaan (2.7) maka didapatkan persamaan daya aktif pada persamaan (2.8) dan persamaan daya reaktif pada persamaan (2.9) sebagai berikut :

𝑃_𝑖 = ∑|𝑉_𝑖||𝑉_𝑗||𝑌_𝑖𝑗|

𝑛

𝑗=1

cos (θ_𝑖𝑗− 𝛿_𝑖+ 𝛿_𝑗) (2.8)

Universitas Pertamina - 9

Yij ,θij : magnitud dan sudut phasa elemen matrik admitansi Y Vi ,δi : magnitud tegangan dan sudut phasa pada bus ke-i Vj,δj : magnitud tegangan dan sudut phasa pada bus ke-j

b) Sudut Fasa dan Magnitude Tegangan

Berdasarkan persamaan (2.8) dan (2.9) apabila diubah kedalam bentuk Deret Taylor maka akan menghasilkan persamaan (2.10) berikut,

Kemudian dibentuk matriks Jacobian untuk mesaluranarisasi hubungan antara perubahan sudut fasa dan magnitud tegangan dengan perubahan nilai dari daya aktif dan juga daya reaktif. Dapat dilihat pada persamaan (2.11) yang merupakan persamaan dari matriks Jacobian terdapat elemen yang merupakan turunan parsial dari persamaan (2.8) dan juga persamaan (2.9).

[∆𝑃

∆𝑄] = [𝐽₁ 𝐽₂ 𝐽₃ 𝐽₄] [ ∆𝛿

∆|𝑉|] (2.11)

Untuk nilai elemen pada matriks jacobian pada persamaan (2.11) adalah sebagai berikut,

[∆𝑃

Universitas Pertamina - 10 Dari hasil perkalian matriks Jacobian pada persamaan (2.12) maka diperoleh persamaan (2.13) untuk menentukan nilai dari tegangan, dan persamaan (2.14) untuk menenntukan sudut fasa pada bus yang baru.

|𝑉_𝑖^(𝑘+1)| = |𝑉_𝑖^(𝑘)| + ∆ |𝑉_𝑖^(𝑘)| (2.13)

𝛿_𝑖^(𝑘+1) = 𝛿_𝑖^(𝑘)+ ∆𝛿_𝑖^(𝑘) (2.14)

Dengan:

(k+1) : jumlah iterasi newton Raphson

∆ 𝛿i : Perubahan sudut tegangan pada bus ke-i

∆|Vi| : Perubahan magnitude tegangan pada bus ke-i

2.3 Gangguan Hubung Singkat

Dalam suatu sistem distribusi listrik,gangguan merupakan salah satu hal yang diharapkan tidak pernah terjadi. Tetapi pada kondisi tertentu yang disebabkan oleh beberapa faktor, suatu sistem distribusi mungkin saja dapat mengalami suatu gangguan. Salah satu gangguan yang dapat terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik, adalah gangguan yang disebut dengan hubung singkat.

Gangguan hubung singkat merupakan gangguan yang diakibatkan karena adanya suatu kesalahan atau kegagalan antara bagian-bagian yang bertegangan. Selain itu, gangguan hubung singkat juga dapat terjadi karena adanya isolasi yang tembus atau juga adanya kerusakan akibat tegangan lebih.

Gangguan hubung singkat dapat disebabkan oleh faktor internal atau faktor eksternal, seperti akibat dari sambaran petir. Salah satu bentuk dari gangguan hubung singkat adalah gangguan dengan kondisi penghantar yang memiliki arus terhubung dengan penghantar lain atau juga dengan tanah [13]. Berdasarkan penyebabnya, gangguan hubung singkat dibagi menjadi 3 jenis yaitu [14] :

a) Gangguan hubung singkat yang terjadi antar fasa, yaitu 1 fasa, 2 fasa, atau 3 fasa ke tanah yang bersifat temporer atau permanen.

b) Gangguan temporer, gangguan ini diakibatkan karena adanya flashover akibat sambaran petir, flashover dengan pohon, tertiup angin

c) Gangguan permanen, gangguan ini terjadi akibat hubung singkat pada kabel,belitan trafo,generator (tembusnya isolasi)

Universitas Pertamina - 11

2.3.1 Gangguan Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah (Line to Ground Fault) [14][15][16]

Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah adalah gangguan yang akan menyebabkan terjadinya kenaikan arus pada fasa yang mengalami gangguan. Pada saat terjadi gangguan tersebut tegangan akan menjadi nol, begitupun pada arus fasa lain menjadi nol yang akan diikuti dengan kenaikan tegangan pada fasa yang lain juga.

Gambar 2.4 Gangguan Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah

Untuk menentukan nilai arus hubung singkat dapat menggunakan persamaan (2.15) berikut,

𝐼𝑓 = 𝑉_𝑓 𝑍₀+ 𝑍₁+ 𝑍₂

(2.15)

Keterangan

Vf :Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadi gangguan Z0 : Impedansi urutan nol dilihat dari titikgangguan

Z1 : Impedansi urutan positif dilihat darititik gangguan Z2 : Impedansi urutan negatif dilihat darititik gangguan

2.3.2 Gangguan Hubung Singkat 2 fasa ( line to line fault) [14][15][17]

Gangguan hubung singkat fasa ke fasa (saluran to saluran) merupakan gangguan hubung singkat yang terjadi karena bersentuhannya antara penghantar fasa yang satu dengan penghantar fasa yang lainnya, sehingga terjadi arus lebih (over current).

Fasa A

Universitas Pertamina - 12 Gambar 2.5 Gangguan Hubung Singkat 2 Fasa

Untuk menentukan nilai arus hubung singkat dapat menggunakan persamaan (2.16) berikut,

𝐼_𝑓 = 𝑉_𝑓 𝑍₁+ 𝑍₂

(2.16)

Keterangan :

Vf :Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadi gangguan Z1 : Impedansi urutan positif dilihat darititik gangguan

Z2 : Impedansi urutan negatif dilihat darititik gangguan

2.3.3 Gangguan Hubung Singkat 3 fasa [15][17]

Gangguan hubung singkat 3 fasa merupakan gangguan hubung singkat yang terjadi karena bersentuhannya ketiga penghantar fasa, biasanya gangguan ini diakibatkan oleh pohon tumbang.

Gambar 2.5 Gangguan Hubung Singkat 3 Fasa

Untuk menentukan nilai arus hubung singkat dapat menggunakan persamaan (2.17) berikut,

𝐼_𝑓 =𝑉_𝑓

Universitas Pertamina - 13 Vf :Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadi gangguan

Z1 : Impedansi urutan positif dilihat darititik gangguan

2.3.2 Akibat Gangguan Hubung Singkat

Gangguan hubung singkat yang terjadi pada sistem kelistrikan akan menimbulkan beberapa akibat diantaranya [18] :

a) Gangguan yang diakibatkan karena adanya arus-arus besar, arus yang tidak seimbang, serta tegangan -tegangan rendah akan mengakibatkan kerusakan pada peralatan listrik yang berada disekitar gangguan tersebut

b) Kontinuitas listrik dalam mensuplai listrik ke beban akan terhenti, yang berarti mengakibatkan kontinuitas listrik akan rendah.

2.3.3 Penentuan Kapasitas Pemutus Tenaga

Gangguan hubung singkat memiliki efek yang cukup besar pada sistem distribusi tenaga listrik. Arus hubung singkat yang sangat besar dapat merusak peralatan listrik, oleh karena itu untuk melindungi peralatan listrik dari kerusakan diperlukan pengaman. Peralatan pengaman yang dapat dipasang seperti peralatan pemutus tenaga seperti circuit breaker, sehingga perhitungan arus hubung singkat sangat penting untuk menentukann kapasitas pemutus tenaga[19].

Untuk menentukan kapasitas circuit breaker dapat dihitung menggunakan persamaan (2.18) berikut [20] :

Keterangan :

ICIRCUIT BREAKER :Kapasitas Circuit breaker (kA)

I

: Arus Hubung Singkat (kA)

ƺ : Faktor Pengali (1.6) 2.4 Kontinuitas Penyaluran

Hingga saat ini beberapa penelitian telah dilakukan untuk mencari tahu bagaimana performa dari konfigurasi jaring distribusi radial. Dari beberapa penelitian yang dilakukan [3][4][5] didapatkan kesimpulan bahwa rekonfigurasi jaring distribusi radial yang menjadi sistem jaring distribusi loop terbukti dapat menjadi solusi untuk memperbaiki kinerja dari sistem distribusi. Sehingga hal tersebut berdampak terhadap peningkatan kualitas pelayanan pelanggan.

I

CIRCUIT BREAKER

= I

x ƺ

(2.18)

Universitas Pertamina - 14 Suatu sistem tenaga listrik yang mempunyai kontinuitas yang baik, pastinya dipengaruhi oleh beberapa faktor. Beberapa faktor penting yang harus diperhatikan untuk kelangsungan penyaluran (kontinuitas) distribusi tenaga listrik adalah sebagai berikut [19] :

1. Pengaturan dan juga pengoperasian jaring distribusi pada saat adanya pekerjaan jaring distribusi dan pada saat terjadi gangguan jaring distribusi, yang diatur sedemikian rupa sehingga pemadaman bisa di minimalkan.

2. Kecepatan melakukan pengalihan beban ke sumber pengisian cadangan, sekaligus mengisolasikan gangguan.

Universitas Pertamina - 16

BAB III

KONSEP PERANCANGAN

3.1 Diagram Alir Perancangan

Untuk melakukan perencanaan secara tersrtuktur, maka dibuat diagram alir perencanaan rekonfigurasi jaring yang akan menjadi pedoman dalam pelaksanaan. Diagram tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.1

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan

Mulai

Pemodelan sistem tenaga listrik dengan diagram sat garis kondisi eksisting pada perangkat lunak

Digsilent 15.1.7

mengisi data parameter yang dibutuhkan pada pemodelan

Melakukan simulasi aliran daya dan tes hubung singkat

Analisis simulasi aliran daya dan tes hubung singkat yang menjadi parameter kinerja sistem

Apakah perlu direkofigurasi

Selesai

Pemodelan sistem tenaga listrik dengan diagram satu garis kondisi eksisting pada perangkat

lunak Digsilent 15.1.7

Perhitungan dan penentuan jenis kabel

mengisi data parameter yang dibutuhkan pada pemodelan

Melakukan simulasi aliran daya,tes hubung singkat serta uji penambahan beban

Analisis simulasi aliran daya,tes hubung singkat, dan uji penambahan beban yang

menjadi parameter kinerja sistem

apakah dari sisi tegangan

Universitas Pertamina - 17 Berikut merupakan penjelasan beberapa tahapan langkah perancangan yang akan dilakukan diantaranya :

1. Hal pertama yang dilakukan adalah memodelkan diagram satu garis menggunakan perangkat lunak Digsilent 15.1.7, dari sistem listrik kawasan lansekap Bandara Internasional Soekarno-Hatta kondisi eksisting yang bersumber dari Gardu Induk Cengkareng.

2. Tahapan selanjutnya adalah mengisi semua data – data parameter dari jaring distribusi seperti data kabel, panjang jaring, beban gardu, kapasitas suplai yang diterima dari GI Cengkareng serta beberapa parameter lainnya yang diperlukan ke dalam pemodelan Digsilent.

3. Setelah semua data parameter yang dibutuhkan telah selesai, maka selanjutnya dilakukan proses simulasi aliran daya untuk mengetahui kinerja sistem kondisi eksisting dari parameter tegangan dan rugi daya

4. Pada tahap keempat, melakukan analis berdasarkan parameter yang didapatkan dari simulasi aliran daya

5. Tahapan selanjutnya adalah melakukan uji hubung singkat dengan gangguan L-G, L-L, L-L-L.

untuk melihat kinerja sistem kondisi eksisting dari parameter kontinuitas.

6. Setelah semua simulasi dilakukan selanjutnya adalah melakukan perhitungan dan penentuan jenis kabel pada jalur baru.

7. Setelah melakukan perhitungan dan penentuan jenis kabel, langkah selanjutnya membuat pemodelan rekonfigurasi jaring. gangguan.Rekonfigurasi jaring bertujuan untuk memperbaiki kinerja sistem dari parameter- parameter yang telah ditentukkan.

8. Kemudian mengisi parameter yang dibutuhkan pada jaring yang sudah dilakukan rekonfigurasi.

Setelah semua data parameter yang dibutuhkan telah selesai, maka selanjutnya dilakukan proses simulasi aliran daya untuk mengetahui kinerja sistem kondisi eksisting dari parameter tegangan dan rugi daya

9. Pada tahap keempat, melakukan analis berdasarkan parameter yang didapatkan dari simulasi aliran daya

10. Tahapan selanjutnya adalah melakukan uji hubung singkat dengan gangguan L-G, L-L, L-L-L.

untuk menentukan kapasitas pemutus tenaga dan melihat kinerja sistem kondisi eksisting dari parameter kontinuitas.

11. Kemudian dilakukan uji penambahan beban untuk melihat kinerja sistem apabila adanya pengembangan.

12. Setelah semua dilakukan dilakukan perbandingan kondisi eksisting dan setelah rekonfigurasi dari kinerja sistem apakah sudah baik atau belum. Apabila kinerja sistem sudah baik maka perancangan selesai.

Universitas Pertamina - 18

3.2 Pertimbangan Perancangan

Pertimbangan perancangan yang dilakukan adalah sebagai berikut :

1. Pada perancangan ini parameter kinerja sistem yang dipertimbangkan adalah kontinuitas, loadability,tegangan dan rugi daya.

2. Kontinuitas suplai listrik dilihat dari kinerja sistem dalam meminimalisir pemadaman.

3. Perancangan menggunakan metode aliran daya Newton Raphson, karena metode ini lebih efisien dan praktis dengan iterasi yang cepat dan sedikit.

3.3 Analisis Teknik

Analisis yang dilakukan pada kondisi eksisting adalah dengan melihat kinerja sistem dari simulasi aliran daya dan uji hubung singkat dengan perangkat lunak Digsilent. Pada simulasi aliran daya kinerja sistem dilihat dari tegangan dan rugi daya. Dari parameter tegangan pada jaring tersebut, dilihat apakah sesuai dengan standard PLN yang berlaku. Nilai tegangan dilihat apakah mengalami penurunan sampai disisi paling jauh dari sumber suplai. Sedangkan untuk rugi daya dilakukan analisa apakah yang menyebabkan nilai rugi daya tersebut.

Setelah melakukan proses analisis aliran daya, selanjutnya dilakukan analisis mengenai kinerja sistem berdasarkan kontinuitas penyaluran listrik sampai ke beban. Untuk mengetahui hal tersebut, dilakukan uji hubung singkat pada jaring. Analisis yang dilakukan pada uji hubung singkat adalah, dengan melakukan simulasi gangguan dengan beberapa skenario pada jaring listrik tersebut. Uji hubung singkat yang dilakukan adalah gangguan hubung singkat L-G, L-L, L-L-L. Sehingga dari uji hubung singkat tersebut dapat diketahui kondisi jaring pada saat terjadi gangguan

Selanjutnya dilakukan perencanaan rekonfigurasi terhadap kinerja sistem tersebut. Pertimbangan dalam rekonfigurasi adalah dengan memperhatikan kinerja sistem dari sisi parameter kontinuitas, loadability, tegangan dan juga rugi daya pada sistem tersebut. Langkah yang diambil adalah dengan melakukan penambahan jalur looping pada sistem tersebut. Dimana, rekonfigurasi tersebut diharapkan dapat meningkatkan kinerja dari sistem dari beberapa parameter yang telah ditentukan.

Tahapan rekonfigurasi diawali dengan melakukan perhitungan dan penentuan jenis kabel yang akan digunakan. Untuk perhitungan tersebut tersebut diperlukan data seluruh beban yang ada pada kawasan tersebut, agar jalur baru yang dibuat dapat mensuplai sesuai dengan kapasitas yang ada. Dengan diketahuinya data beban pada jalur tersebut dapat dihitung kuat hantar arus kabel yang akan digunakan.

Pada kondisi rekonfigurasi dilakukan hal yang sama untuk melihat kinerja sistem seperti kondisi eksiting, dengan melakukan simulasi aliran daya dan uji hubung singkat.Tetapi pada kondisi jaring

Universitas Pertamina - 19 rekonfigurasi arus ganggun hubung singkat dijadikan acuan kapasitas pemutus tegangan, Selain itu juga dilakukan uji penambahan beban untuk melihat apakah sistem tersebut memiliki kinerja yang baik.

Setelah dilakukan rekonfigurasi analisis terakhir yang dilakukan adalah dengan membandingkan kondisi eksiting dan kondisi rekonfigurasi. Dengan mempertimbangkan kinerja sistem dengan beberapa parameter yang telah ditentukan.

3.3.1 Data pada Sistem Kelistrikan

Pada Tugas Akhir ini digunakan beberapa parameter yang akan dimasukan kedalam pemodelan sistem kelistrikan pada kawasan jalur tengah bagian timur Bandara Internasional Soekarno-Hatta. Data-data yang digunakan adalah sebagai berikut.

Tabel 3.1 Data Power Grid

Tabel 3.2 Data Trafo 1 Tabel 3.3 Data Trafo 2 AC Element 2- Winding Transformer

ID TF 150/20

Voltage Rating Primer. 150Kv Secunder. 20Kv Power Rating Rated (60 MVA)

Tabel 3.4 Data Trafo 3 Tabel 3.3 Data Trafo 4 AC Element Power Grid

ID PLN

Rated kV 150