I - 1 BAB I
INSTALASI LISTRIK PADA PUSAT LISTRIK
Tujuan Instruksional Umum
Setelah akhir kuliah diharapkan mahasiswa mampu memahami tentang instalasi listrik pada pusat listrik dengan benar.
Tujuan Instruksional Khusus
Setelah selesai kuliah diharapkan mahasiswa dapat:
1. menjelaskan tentang instalasi yang berhubungan dengan stator generator,
2. menjelaskan tentang instalasi yang berhubungan dengan pemakaian listrik sendiri,
3. menjelaskan tentang instalasi yang berhubungan dengan sistem eksitasi generator, 4. menjelaskan tentang instalasi yang menyalurkan energi listrik yang dibangkitkan oleh
pusat listrik,
5. menjelaskan alat-alat utama berkaitan dengan pembangkitan energi listrik: generator, pengatur tegangan otomatis, governor, dan sakelar-sakelar tegangan tinggi.
1.1 Pendahuluan
Pembangkitan energi listrik pada umumnya dilakukan dengan cara memutar generator sinkron sehingga dihasilkan energi listrik tegangan bolak balik tiga fasa. Energi mekanik yang digunakan untuk memutar generator sinkron diperoleh dari mesin-mesin penggerak generator atau sering disebut sebagai penggerak mula (prime mover). Mesin penggerak generator yang banyak digunakan dalam praktek adalah: mesin diesel, turbin uap, turbin air, dan turbin gas. Mesin mesin penggerak generator mendapat energi dari proses pembakaran bahan bakar (mesin-mesin termal) atau dari air terjun (turbin air).
I - 2
Dari segi ekonomi teknik, komponen biaya penyediaan energi listrik terbesar adalah biaya pembangkitan, khususnya biaya bahan bakar, oleh karena itu sampai sekarang terus dikembangkan berbagai teknik untuk menekan biaya bahan bakar baik dari segi unit pembangkit secara individu maupun dari segi operasi sistem energi listrik secara terpadu.
Pusat listrik adalah tempat dimana proses pembangkitan energi listrik dilakukan. Mengingat proses pembangkitan energi listrik merupakan proses konversi energi primer (bahan bakar atau potensi energi air) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran sebagai penggerak generator dan energi mekanik tersebut dirubah menjadi energi listrik oleh generator, oleh karena itu dalam pusat listrik umumnya terdapat:
a. Instalasi Energi Primer, yaitu instalasi bahan bakar atau instalasi energi air
b. Instalasi Mesin Penggerak Generator, yaitu instalasi yang berfungsi mengubah energi primer menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran sebagai penggerak generator. Mesin penggerak generator ini dapat berupa ketel uap beserta turbin uap, mesin diesel,
turbin gas, atau turbin air.
c. Instalasi Pendingin, yaitu instalasi yang berfungsi mendinginkan instalasi mesin
penggerak yang menggunakan bahan bakar.
d. Instalasi Listrik, yaitu instalasi yang secara garis besar terdiri dari:
a) Instalasi Tegangan Tinggi, yaitu instalasi yang menyalurkan energi listrik yang dibangkitkan generator.
b) Instalasi Tegangan Rendah, yaitu instalasi alat-alat bantu dan instalasi penerangan. c) Instalasi Arus Searah, yaitu instalasi yang terdiri dari baterai aki beserta
pengisinya dan jaringan arus searah yang terutama digunakan untuk proteksi, kontrol dan telekomunikasi.
Dalam praktek terdapat macam-macam pusat listrik sebagai berikut:
a. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA), menggunakan energi air sebagai energi primer. b. Pusat Listrik Tenaga Diesel (PLTD), menggunakan bahan bakar minyak atau bahan
bakar gas sebagai sumber energi primer.
I - 3
d. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG), menggunakan bahan bakar gas atau minyak sebagai energi primer.
e. Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU), menggunakan bahan bakar gas buang dari PLTG untuk menghasilkan uap dalam ketel uap penghasil uap untuk menggerakkan turbin uap.
f. Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) merupakan PLTU yang tidak mempunyai ketel uap karena uap penggerak turbin uapnya di dapat dari dalam bumi.
g. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN), merupakan PLTU yang menggunakan uranium sebagai bahan bakar yang menjadi sumber energi primernya. Uranium menjalani proses fission (fisi) di dalam reaktor nuklir yang menghasilkan energi panas yang digunakan untuk menghasilkan uap di dalam ketel uap. Uap selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin uap penggerak generator.
1.2 Instalasi Listrik Generator
Generator yang umumnya digunakan dalam pusat listrik adalah generator sinkron tiga
fasa. Ujung-ujung kumparan stator dari generator sinkron dihubungkan pada jepitan generator sehingga ada enam jepitan seperti ditunjukkan oleh gambar 1.1. Jepitan-jepitan ini umumnya diberi kode R, S, T, dan U, V, W. Jepitan R dan U merupakan ujung-ujung kumparan pertama, jepitan S dan V dari kumparan ke-2, sedangkan dari kumparan ke-3 adalah T dan W. Karena umumnya generator sinkron dihubungkan dalam hubungan bintang (Y), maka ketiga jepitan U, V, dan W dihubungkan jadi satu sebagai titik netral, seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.1.
I - 4
tinggi transformator tersebut, energi disalurkan melalui konduktor tanpa isolasi, seperti terlihat pada Gambar 1.3a dan 1.3b di mana rel adalah konduktor tanpa isolasi.
Saluran energi listrik dari generator sampai dengan rel harus rapi dan bersih agar tidak menimbulkan gangguan. Gangguan dibagian ini akan menimbulkan arus hubung singkat relatif besar dan mempunyai resiko terganggunya pasokan energi listrik dari pusat listrik ke sistem, bahkan apabila generator yang digunakan dalam sistem berukuran besar, maka ada kemungkinan seluruh sistem menjadi terganggu.
R S
U V W
N T
Gambar 1.1a Kumparan stator generator sinkron tiga fasa hubungan Y
PMS/DS
Gambar 1.1b Hubungan kumparan generator dan kumparan transformator
penaik tegangan. G = generator; TSU = transformator step up ; PMS = Saklar pemisah (Disconnecting Switch/DS); PMT = pemutus energi (Circuit Breaker/CB)
Bagian lain dari instalasi listrik generator adalah instalasi arus (medan) penguat (yang akan dijelaskan lebih rinci pada subbab 1.8 mengenai sistem eksitasi). Arus penguat ini didapat dari generator arus searah yang umumnya terpasang satu poros dengan generator
utama. Hubungan listrik antara generator utama dengan generator arus penguat dilakukan melalui cincin geser dan pengatur tegangan otomatis. Pengatur tegangan otomatis berfungsi
I - 5
yang dihubungkan ke generator sinkron melalui penyearah yang berputar di poros generator sehingga tidak diperlukan cincin geser.
Gambar 1.2 menunjukkan rotor generator sinkron berkutub empat (rotor turbo generator) dan Gambar 1.3 menunjukkan rotor generator sinkron PLTA Kota Panjang (Riau) berkutub banyak (24 kutub) 57 MW sedang Gambar 1.4 menunjukkan stator dari generator sinkron. PLTU dan PLTG memerlukan putaran tinggi, umumnya menggunakan generator berkutub dua atau empat dan PLTA memerlukan putaran rendah menggunakan generator berkutub banyak.
Gambar 1.2 Rotor generator turbin uap tiga fasa 1530 MVA, 1500 rpm, 27 kV, 50 Hz.
Gambar 1.3 Rotor generator PLTA Gambar 1.4 Stator dari generator sinkron Kota Panjang berkutub banyak, daya 57 MW.
I - 6 1.3 Rel (Busbar)
Semua generator dalam pusat listrik menyalurkan energinya ke rel pusat listrik. Demikian pula semua saluran yang mengambil maupun yang mengirim energi dihubungkan ke rel ini.
Berbagai susunan rel diperlihatkan oleh Gambar 1.5, yaitu: a. Rel Tunggal (Gambar 1.5a).
Rel tunggal diperlihatkan pada Gambar 1.5a adalah susunan rel yang paling murah. Keandalan serta fleksibilitas operasinya sangat terbatas. Apabila ada kerusakan di rel, maka seluruh pusat listrik harus dipadamkan agar dapat dilakukan perbaikan. Oleh karena itu, rel tunggal sebaiknya hanya digunakan pada pusat listrik yang tidak terlalu penting peranannya dalam sistem.
Gambar 1.5a Pusat listrik dengan sebuah rel tunggal yang menggunakan PMS seksi. Tr : Transformator; PMS Seksi : Saklar pemisah seksi; PS: Pemakaian sendiri; G: Generator
I - 7 b. Rel Ganda dengan satu PMT (Gambar 1.5b)
Rel ganda diperlihatkan pada Gambar 1.5b adalah rel ganda dengan satu PMT, selanjutnya hubungan rel 1 atau rel 2 dilakukan melalui PMS. Rel ganda pada umumnya dilengkapi dengan PMT beserta PMS-nya yang berfungsi untuk menghubungkan rel 1 dan rel 2 seperti yang ditunjukkan oleh gambar 1.5b. PMT ini disebut sebagai PMT kopel. Dengan rel ganda, sebagian instalasi dapat dihubungkan ke rel 1 dan sebagian lagi ke rel 2. Kedua rel tersebut (rel 1 dan rel 2) dapat dihubungkan paralel atau terpisah dengan cara menutup atau membuka PMT kopel. Dengan cara ini fleksibilitas operasi akan bertambah terutama sewaktu menghadapi gangguan yang terjadi dalam sistem.
Gambar 1.5b Pusat listrik dengan rel ganda yang menggunakan PMT tunggal
Sebagian dari unit pembangkit atau beban dapat dihubungkan ke rel 1 dan lainnya ke rel 2. Apabila salah satu unit pembangkit atau salah satu beban akan pindah rel, maka terlebih dahulu PMT nya harus dibuka, kemudian disusul dengan pembukaan PMS rel yang akan ditinggalkan, baru diikuti pemasukan PMS rel yang akan dituju, urutannya tidak boleh dibalik.
I - 8
salah satu rel ke rel lainnya dalam praktek dapat terjadi, misalnya karena ada kerusakan yeng memerlukan pemadaman rel saat perbaikan.
c. Rel ganda dengan dua PMT (Gambar 1.5c)
Rel ganda dengan dua PMT ini sama seperti rel ganda dengan satu PMT hanya saja di sini semua unsur dapat dihubungkan ke rel 1 atau rel 2 atau dua-duanya melalui PMT sehingga fleksibilitas manuver menjadi lebih baik (lihat gambar 1.5c). Pemindahan beban dari rel 1 ke rel 2 dapat dilakukan tanpa pemadaman, tidak seperti pada rel ganda dengan satu PMT, seperti diuraikan pada butir b di atas. Hal ini dapat terjadi karena dengan adanya dua PMT (masing-masing satu PMT untuk setiap rel) pemindahan beban dilakukan dengan menutup terlebih dahulu PMT rel yang dituju, kemudian membuka rel yang ditinggalkan. Sebelum melakukan manuver ini, harus diyakini terlebih dahulu bahwa rel 1 dan rel 2 tegangannya sama, baik besarnya
maupun fasanya. Oleh karena itu PMT harus masuk.
Gambar 1.5c Pusat listrik dengan rel ganda dengan dua PMT (PMT ganda)
d. Rel dengan PMT 1 (Gambar 1.5d)
Pada dasarnya rel dengan PMT 1 adalah rel ganda dengan 3 buah PMT
I - 9
Bagian-bagian dari instalasi dihubungkan pada titik-titik yang letaknya antara PMT A dengan PMT AB dan pada titik-titik yang letaknya antara PMT B dengan PMT AB seperti terlihat pada gambar 1.5d.
Gambar 1.5d Pusat listrik dengan rel ganda yang menggunakan PMT 1
Dibandingkan dengan rel-rel pada butir a, b, dan c tersebut di atas, rel dengan
PMT 1 mempunyai keandalan paling tinggi. Hal ini dapat dilihat sebagai berikut:
a) Apabila rel A mengalami gangguan, dengan membuka semua PMT bernomor A beserta PMS nya, daya masih tetap bisa disalurkan secara penuh.
b) Apabila rel B mengalami gangguan, dengan membuka semua PMT bernomor B beserta PMS nya, daya masih tetap bisa disalurkan secara penuh.
c) Apabila rel A dan rel B mengalami gangguan, dengan membuka semua PMT bernomor A dan PMT bernomor B beserta PMS nya, daya masih tetap bisa disalurkan walaupun dengan fleksibilitas pembebanan yang berkurang.
Pembebasan tegangan bagian instalasi yang terhubung ke rel dengan PMT 1
I - 10
Pada pusat-pusat listrik kecil (sampai daya ± 50 MW) yang menggunakan tegangan rel di bawah 70 kV, umumnya digunakan rel dalam bangunan gedung tertutup atau dalam lemari yang disebut kubikel. Pada pusat-pusat listrik yang besar (di atas 50 MW), rel umumnya dipasang di ruangan terbuka.
Apabila pusat listrik terpaksa dibuat di dalam kota di mana tanah mahal, maka untuk menghemat pemakaian tanah, dapat digunakan rel dalam tabung gas SF6 sehingga jarak
konduktor-konduktor rel dapat diperkecil untuk menghemat pemakaian tanah.
Karena semua generator dan saluran yang ada dalam pusat listrik dihubungkan ke rel, maka gangguan di rel akan luas akibatnya. Oleh sebab itu, konstruksi rel harus mendapat perhatian khusus agar kecil kemungkinannya mengalami gangguan.
1.4 Saluran Kabel antara Generator dan Rel
Hubungan antara generator dengan rel umumnya dilakukan dengan menggunakan
kabel yang diletakkan pada saluran khusus dalam tanah dan apabila berada di atas tanah diletakkan pada rak penyangga kabel yang melindungi kabel secara mekanis. Kabel ini,
sebelum menuju ke rel terlebih dahulu melalui transformator penaik tegangan seperti umumnya terjadi pada generator yang dihubungkan dengan rel yang mempunyai tegangan di atas 6 kV.
Perlindungan mekanis tersebut di atas dimaksudkan untuk mencegah kerusakan kabel yang dapat menimbulkan gangguan. Gangguan pada kabel antara generator dan rel dapat merusak generator. Kerusakan generator sangat tidak dikehendaki, karena kerusakan generator memerlukan biaya perbaikan yang mahal dan juga waktu perbaikannya lama sehingga dapat menimbulkan pemadaman pasokan daya listrik.
I - 11
Gambar 1.6 Hubungan antara generator dan rel
Titik netral dari generator umumnya dihubungkan sehinggga terbentuk hubungan bintang. Untuk generator yang kecil dengan kapasitas di bawah 5 MVA, umumnya titik netral generator tidak ditanahkan. Untuk generator yang lebih dari 5 MVA, seringkali diinginkan mentanahkan titik netral generator melalui tahanan, kumparan, atau transformator kecil (transformator distribusi), hal ini dilakukan untuk keperluan proteksi. Untuk melaksanakan pentanahan digunakan kabel serupa dengan kabel yang menghubungkan generator dengan rel. Dalam praktek khususnya pada generator besar (di atas 10 MVA), seringkali dilakukan pencabangan untuk memberi daya ke transformator pemakaian sendiri (lihat gambar 1.8c).
Sesungguhnya melakukan pencabangan pada saluran antara generator dan rel harus dihindari, namun kalau memang diperlukan pelaksanaannya adalah dengan membuat rel kecil dalam ruang khusus. Pencabangan akan menambah resiko terjadinya gangguan, oleh karenanya hal ini sedapat mungkin harus dihindari. Gangguan di daerah ini akan menghasilkan arus gangguan yang besar mengingat letaknya yang dekat dengan generator. Apabila terjadi gangguan di daerah ini dan menimbulkan kerusakan, akibatnya fatal karena
generator tidak bisa berproduksi.
1.5 Jenis Saklar
I - 12
yang terjadi sewaktu rangkaian diputus. Tegangan transien dapat menyalakan kembali arus listrik yang telah diputus. Konstruksi saklar harus memperhitungkan hal ini. Semakin Kapasitif rangkaian listrik yang diputus, semakin besar pula kemungkinan terjadinya penyalaan kembali. Hal ini terjadi karena rangkaian yang kapasitif mempunyai kemampuan menyimpan muatan listrik yang besar yang dapat timbul kembali sewaktu rangkaian diputus.
Pada waktu rangkaian listrik diputus oleh kontak-kontak saklar akan timbul busur listrik. Busur listrik menyebabkan material kontak saklar teroksidasi sehingga daya hantarnya berkurang sewaktu kontak-kontak saklar menutup kembali. Untuk mengurangi pengaruh hasil oksidasi ini, gerakan kontak-kontak saklar harus bersifat membersihkan dirinya sendiri (self cleaning).
c. Pemisah (PMS) / insulating (disconnecting) switch hanya boleh dioperasikan tanpa arus / beban. Posisi pisau-pisau PMS harus dapat dilihat secara visual kedudukannya, baik dalam kondisi tertutup atau terbuka, hal ini diperlukan untuk keselamatan kerja.
Dalam praktek, sebuah PMT umumnya dikombinasikan dengan tiga PMS seperti terlihat pada Gambar 1.7 yaitu dua buah PMS masing-masing di depan dan di belakang PMT, dan sebuah PMS tanah yang digunakan untuk mentanahkan bagian instalasi yang akan dibebaskan dari tegangan untuk selanjutnya akan disentuh manusia untuk pelaksanaan pekerjaan perbaikan atau pemeliharaan.
I - 13
Konstruksi saklar khususnya PMT tegangan tinggi mengandung teknik pemutusan busur listrik dan teknik pembersihan kontak-kontaknya sendiri. Macam-macam PMT berdasarkan perkembangan konstruksinya adalah sebagai berikut:
a. PMT udara
b. PMT minyak banyak c. PMT minyak sedikit d. PMT gas SF6
e. PMT vakum
f. PMT medan magnet g. PMT udara tekan
1.6 Instalasi Pemakaian Sendiri
Setiap pusat listrik memerlukan energi listrik untuk pemakaian (di dalam pusat listrik)
sendiri, yaitu untuk:
a. Lampu penerangan
b. Penyejuk udara
c. Menjalankan alat-alat bantu unit pembangkit, seperti: pompa air pendingin, pompa minyak pelumas, pompa transfer bahan bakar minyak, mesin pengangkat, dan lain-lain.
d. Alat-alat dan mesin-mesin perbengkelan yang merupakan unsur pendukung pemeliharaan dan perbaikan pusat listrik.
e. Pengisian baterai aki yang merupakan sumber arus searah bagi pusat listrik.
I - 14
Gambar 1.8 Instalasi pemakaian sendiri dari pusat listrik G = generator ;Tr PS = transformator untuk pemakaian sendiri
Pada unit pembangkit besar yang ditunjukkan oleh gambar 1.8c, setiap unit pembangkit mempunyai Tr PS yang dipasok langsung oleh G. Tetapi pada saat start, G belum berputar sehingga belum menghasilkan tegangan. Sedangkan pada saat itu sudah diperlukan daya untuk menjalankan alat-alat bantu, maka daya terlebih dahulu diambilkan dari Tr PS
bersama. Setelah G berputar dan menghasilkan tegangan, PMT B ditutup. Kemudian disusul dengan pembukaan PMT A sehingga pasokan daya alat-alat bantu berpindah ke G. Pada saat
PMT B ditutup dan sebelum PMT A dibuka, terjadi penutupan rangkaian ring. Perlu diperhatikan bahwa transformator-transformator yang ada dalam ring ini tidak menimbulkan pergeseran fasa tegangan sehingga tidak timbul gangguan.
Besarnya energi yang diperlukan untuk pemakaian sendiri berkisar antara 1 – 10% dari produksi energi yang dihasilkan pusat listrik. Hal ini sangat tergantung kepada pusat listriknya, di mana yang paling kecil umumnya PLTA dan yang paling besar umumnya PLTU yang menggunakan bahan bakar batu bara.
I - 15
tegangan dari luar. Umumnya yang bisa melakukan black start kebanyakan adalah unit pembangkit listrik tenaga air (PLTA) atau unit pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD).
1.7 Transformator
Dalam pusat listrik yang besar (di atas 100 MW) biasanya terdapat banyak transformator seperti ditunjukkan oleh gambar 1.9.
Gambar 1.9 Macam-macam transformator
Macam-macam transformator ini adalah:
a. Transformator penaik tegangan generator.
Karena teknologi membuat kumparan generator sinkron 3 fasa sampai saat ini
paling tinggi baru mencapai 23 kV, apabila rel dalam pusat listrik menggunakan tegangan di atas tegangan generator, maka tegangan generaor perlu dinaikkan terlebih
dahulu melalui transformator penaik tegangan sebelum dihubungkan ke rel tersebut. Trasformator penaik tegangan generator umumnya dianggap merupakan satu kesatuan dengan generator terutama dari segi proteksi.
b. Transformator unit pembangkit.
I - 16
dari generator untuk memasok alat-alat bantu unit pembangkit yang bersangkutan, seperti: motor pompa pendingin, motor pompa minyak pelumas, dan lain-lain.
c. Transformator pemakaian sendiri.
Transformator pemakaian sendiri mendapat pasokan daya dari rel pusat listrik kemudian memasok daya ke rel pemakaian sendiri. Rel pemakaian sendiri digunakan untuk memasok instalasi penerangan, baterai aki, mesin-mesin bengkel, mesin pengangkat, dan alat-alat bantu unit pembangkit pada periode start sebagaimana diuraikan dalam Subbab 1.6.
d. Transformator antar-rel
Jika di dalam pusat listrik ada beberapa rel dengan tegangan operasi yang berbeda-beda, maka ada transformator antar-rel. Adanya rel-rel dengan tegangan yang berbeda dapat disebabkan karena perkembangan sistem tenaga listrik dan juga dapat terjadi karena diperlukan rel tegangan menengah (antara 6 kV sampai 40 kV) untuk
keperluan distribusi di daerah sekitar pusat listrik selain rel tegangan tinggi (di atas 60 kV) untuk saluran transmisi jarak jauh.
1.8 Sistem Eksitasi
Gambar 1.10 menggambarkan rangkaian listrik eksitasi dari generator besar (di atas 50 MVA) dengan menggunakan 2 tingkat generator arus penguat (exciter). Generator penguat yang pertama adalah generator arus searah penguat shunt yang kemudian menghasilkan arus penguat bagi generator penguat yang kedua. Generator penguat kedua menghasilkan arus eksitasi untuk generator sinkron 3 fasa yang merupakan generator utama .
Gambar 1.10 Pengaturan tegangan generator utama dengan mengatur potensiometer
Pengaturan tegangan dari generator utama dilakukan dengan mengatur besarnya arus
I - 17
1.10. Petensiometer ini mengatur arus penguat untuk generator penguat kedua yang menghasilkan arus penguat untuk genarator utama. Dengan cara ini arus penguat yang diatur tidak terlalu besar nilainya (dibandingkan dengan arus generator penguat kedua) sehingga kerugian daya dalam potensiometer tidak terlalu besar nilainya.
PMT arus penguat generator utama harus dilengkapi tahanan yang menampung energi medan magnet generator utama apabila dilakukan pemutusan arus penguat generator utama. Hal ini perlu mengingat besarnya energi yang terkandung dalam medan magnet generator utama yang apabila tidak di buang ke dalam tahanan tersebut, maka akan menyulitkan proses pemutusan arus penguat generator utama.
Saat ini banyak digunakan generator arus bolak balik yang dilengkapi penyearah untuk menghasilkan arus searah bagi penguatan generator utama sehingga penyaluran arus searah bagi penguatan generator utama oleh generator penguat kedua tidak memerlukan cincin geser karena penyearah ikut berputar bersama poros generator. Cincin geser hanya digunakan untuk
menyalurkan arus dari generator penguat pertama ke medan penguat generator penguat kedua. Nilai arus ini biasanya kecil sehingga penggunaan cincin geser tidak menimbulkan masalah.
Pengaturan besarnya arus penguat generator utama dilakukan oleh pengatur tegangan otomatis untuk menjaga agar nilai tegangan jepit generator konstan. Pengatur tegangan otomatis ini mula-mula berdasarkan prinsip mekanis, tetapi sekarang sudah menjadi elektronik.
Perkembangan sistem eksitasi generator cenderung ke sistem eksitasi tanpa sikat, karena adanya sikat menimbulkan kesulitan, misalnya timbul loncatan api pada putaran tinggi dan daya tinggi pada generator arus searah yang menghasilkan arus penguat. Untuk menghilangkan sikat digunakan dioda berputar .
Sistem pasokan arus penguat yang diuraikan di atas biasanya digunakan untuk pembangkitan yang besar (diatas 100 MVA). Generator penguat pertama disebut pilot exciter (penguat pilot) dan generator penguat kedua disebut main exciter (penguat utama).
I - 18
Pilot exciter pada gambar 1.11 berupa generator arus bolak- balik dengan rotor berupa
kutub magnet permanen yang berputar dan mengimbas tegangan bolak-balik pada lilitan statornya. Tegangan bolak-balik kemudian disearahkan oleh penyearah yang terdiri dari dioda-dioda, menghasilkan arus searah yang kemudian dialirkan ke kutub-kutub yang ada pada staror main exciter. Besarnya arus searah yang menuju ke kutub-kutub main exciter ini diatur oleh pengatur tegangan otomatis (automatic voltage regulator/AVR); karena besarnya arus ini mempengaruhi besarnya arus yang dihasilkan main exciter maka besarnya arus main exciter juga akan mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh generator utama.
Gambar 1.11 Sistem eksitasi bertingkat tanpa sikat.
PE = Pilot Exiter; ME = Main Exciter; MG = Main Generator; AVR = Automatic Voltage Regulator; V = Tegangan Generator; DS = Dioda Statis; DB = Dioda Berputar; AC = Arus
Bolak-balik; DC = Arus Searah
Pada sistem eksitasi tanpa sikat seperti tersebut di atas, permasalahan timbul apabila terjadi gangguan hubung singkat atau gangguan hubungan tanah di rotor yakni (bagaimana mendeteksinya). Demikian juga apabila ada sekering lebur dari dioda berputar yang putus, hal ini harus bisa di deteksi. Kejadian-kejadian ini terjadi pada rotor yang berputar sehingga bisa
menimbulkan distorsi medan magnet pada generator utama yang selanjutnya menimbulkan vibrasi (getaran) berlebihan pada unit pembangkit.
Pendeteksian kejadian pada rotor yang berputar seperti tersebut di atas memerlukan teknik khusus, tergolong teknik baru, antara lain menggunakan efek Hall. Teknik ini sering disebut sebagai teknik mentransmisikan dari sesuatu yang berputar (Rotating Data Transmission). Dalam teknik ini rotor dilengkapi dengan pengirim sinyal elektronik yang
I - 19
ini ditangkap oleh alat pengukur ditempat yang di inginkan dan sinyal-sinyal elektronik tadi oleh alat pengukur ini “diterjemahkan” menjadi sinyal yang mudah dimengerti.
Sistem eksitasi generator utama (main generator) harus bisa dibuka oleh sebuah pemutus tenaga (PMT). Hal ini berkaitan dengan sistem peroteksi generator, misalnya apabila relai diferensial dari generator bekerja maka relai akan membuka PMT generator dan juga membuka PMT sistem eksitasi generator, (lihat gambar 1.12).
PMT yang membuka sistem penguat generator melakukan pemutusan arus yang mengalir ke medan magnet generator. Energi yang tersimpan dalam medan magnet generator adalah = ½ LI²f dimana L=koefisien induksi diri dari medan magnet generator dan If arus
medan magnetnya. Untuk dapat memutus arus medan magnet If beserta energinya sebesar ½
LI²f diperlukan tahanan R untuk menampung energi tersebut sehingga busur listrik pada
kontak-kontak PMT medan penguat bisa padam tanpa merusak kontak-kontak tersebut.
Gambar 1.12 PMT medan penguat beserta tahanan R penampung energi medan magnet dari generator ½ LI²f
1.9 Sistem Proteksi
I - 20
Gambar 1.13 Bagan rangkaian listrik untuk sistem proteksi (relai elektromekanik). A= Kumparan Imbas ; TA= Transformator Arus; B= Elektromagnet untuk menutup kontak C; C = Kontak penutup rangkaian kumparan imbas; D = Pal penutup kontak yang terletak pada keping
imbas, berputar bersama keping imbas ; E = kontak-kontak yang ditutup oleh pal D; TC = Trip Coil
yang menjatuhkan PMT; IT = Instantaneous Trip.
Arus yang mengalir ke trip coil (TC) adalah arus searah dari baterai aki. Baterai aki mampunyai peran penting dalam sistem proteksi, maka untuk menjaga keandalan sistem proteksi, baterai aki harus dipelihara dengan baik.
Sistem proteksi selain harus mengamankan peralatan instalasi terhadap gangguan, juga berfungsi melokalisir gangguan. Ini berarti apabila terjadi gangguan di salah satu bagian instalasi, sistem proteksi hanya akan men-trip PMT yang berdekatan dengan gangguan sehingga interupsi pasokan daya dapat dilakukan di sekitar tempat terjadinya gangguan saja (tidak meluas).
Cara kerja Gambar 1.13 adalah: pada nilai arus beban tertentu sesuai penyetelan relai, kontak C menutup, arus mengalir ke kumparan imbas A sehingga keping imbas berputar menggerakkan pal D dan menutup kontak E sehingga trip coil (TC) mendapat arus dan men- trip PMT. Waktu tunda relai dilakukan dengan menyetel jarak antara pal D dan kontak E. Pada nilai arus tertentu yang relatif besar, sesuai penyetelan, kumparan instantenous trip (IT) menutup kontaknya sehingga trip coil (TC) langsung bekerja men-trip PMT. Peristiwa ini
I - 21
pemutus tenaga (PMT) (men-trip PMT) sehingga PMT membebaskan tegangan dari bagian instalasi yang terganggu dimana berarti arus gangguan hubung singkat yang terjadi yang dapat merusak peralatan telah dihilangkan.
Relai-relai yang digunakan dalam sistem proteksi adalah: a. Relai-relai untuk generator:
1. Relai arus lebih 2. Relai diferensial
3. Relai gangguan hubung tanah 4. Relai rotor hubung tanah 5. Relai penguat hilang 6. Relai tegangan lebih 7. Relai arus urutan negatif 8. Relai suhu
9. Relai fluks berlebih (over flux relay) b. Relai-relai untuk mesin penggerak generator
Ganguan mekanis pada mesin penggerak generator ada kalanya memerlukan pencegahan/proteksi yang memerlukan trip-nya PMT generator. Gangguan semacam ini misalnya adalah:
1. Suhu bantalan terlalu tinggi. 2. Suhu air pendingin terlalu tinggi. 3. Tekanan minyak pelumas rendah.
1.10 Saluran Keluar
I - 22
Gambar 1.14aPusat listrik dengan 3 macam saluran keluar, yaitu:
Saluran 500 kV, saluran 150 kV, dan saluran 20 kV langsung masuk jaringan distribusi.
Gambar 1.14b Proses penyediaan energi listrik bagi para konsumen (distribusi)
Saluran keluar pusat listrik terutama yang berupa saluran udara merupakan bagian dari sistem tenaga listrik yang paling banyak mengalami gangguan, karena sifatnya yang memasuki alam bebas. Untuk saluran udara transmisi yang melalui alam terbuka , misalnya sawah, rawan terhadap sambaran petir. Sedangkan saluran udara distribusi (lihat Gambar 1.14b) yang memasuki daerah pemukiman rawan terhadap gangguan karena sentuhan pohon.
I - 23
tetapi juga harus dijaga agar gangguan ini tidak merusak generator. Gangguan pada saluran keluar harus men-trip PMT dari saluran keluar yang terganggu saja.
Untuk saluran dengan tegangan di bawah 40 kV (tegangan distribusi primer), sistem proteksi saluran keluar umumnya menggunakan :
a. Relai Arus Lebih, berfungsi melindungi saluran terhadap arus lebih dan terhadap gangguan antar fasa.
b. Relai Hubung Tanah, berfungsi melindungi saluran terhadap arus gangguan hubung tanah yang paling banyak dialami oleh saluran udara.
c. Relai Arus Urutan Negatif, apabila salah satu kawat dari saluran putus tetapi tidak menyentuh tanah, tidak timbul arus hubung tanah; keadaan ini tidak terdeteksi oleh arus hubung tanah, tetapi dapat dideteksi oleh relai arus urutan negatif.
Saluran udara dengan tegangan di atas 40 kV (tegangan transmisi) sistem proteksi saluran keluar umumnya menggunakan relai-relai seperti halnya saluran keluar dengan
tegangan di bawah 40 kV ditambah dengan relai impedansi. Relai impedansi ini mendeteksi impedansi saluran udara. Apabila ada gangguan hubung singkat pada saluran udara
bersangkutan , maka impedansi yang dibaca relai akan turun dan selanjutnya relai bekerja.
Saluran keluar berupa kabel tanah dengan tegangan di atas 40 kV (tegangan transmisi) menggunakan relai seperti halnya untuk saluran keluar dengan tegangan di bawah 40 kV dan di tambah dengan relai diferensial.
1.11 Pengaturan Tegangan
Pengaturan tegangan generator berkaitan dengan pengaturan arus penguat generator. Apabila generator beroperasi paralel dengan sistem yang besar (Kuat), maka pengaturan arus penguat generator praktis tidak banyak mengubah tegangan generator melainkan hanya mempengaruhi daya reaktif yang dihasilkan generator tersebut.
I - 24
mengeluarkan sinyal perintah kepada sirkuit eksitasi generator untuk menambah atau mengurangi arus penguat generator.
Gambar 1.15 Prinsip kerja pengatur tegangan otomatis sistem elektromagnet/mekanis
Seperti terlihat pada gambar 1.15, motor arus searah penggerak potensiometer Rp
mengatur besarnya arus medan generator G, yaitu If1 . Tegangan generator V dikirim ke
elektromagnet MG untuk dibandigkan dengan pegas referensi P. Selisih gaya tarik Mg dan P menentukan arah penutupan Kontak K1 ke atas atau ke bawah. Selanjutnya hal ini
menentukan arah aliran arus medan magnet motor arus searah M, yaitu If2. Karena
tegangan jepit motor M tetap arahnya, maka arah If2 menentukan arah putaran motor yang
selanjutnya menentukan arah gerak potensiometer dan akhirnya mengatur If1 yang berarti
mengatur besarnya tegangan generator V. Kontak K2 secara mekanis berhubungan dengan
Kontak K1 sehingga apakah K1 menutup ke atas ataupun ke bawah, Kontak K2 tetap
mengalirkan arus dengan arah sama ke sirkuit jangkar motor M. Dalam praktek, di depan elektromagnet Mg ada rangkaian peredam untuk mengatur kepekaan Mg agar jangan sampai timbul osilasi.
Secara skematis prinsip kerja dari pengatur tegangan elektronik digambarkan oleh Gambar 1.16. Tegangan dari generator bolak-balik tiga fasa yang di atur agar besarnya konstan VG di ambil dan diturunkan nilainya melalui transformator tegangan kemudian
I - 25
Gambar 1.16 Skema prinsip kerja pengatur tegangan otomatis elektronik
Vr = Tegangan Referensi; VG = Tegangan Generator; V’G = Tegangan generator yang
telah diturunkan dan di serahkan; ΔV = V’G – Vr ; SCR = Silicon Rectifier; Z = Dioda Zener.
Tegangan VG kemudian dibandingkan dengan tegangan referensi Vr yang besarnya
konstan. Tegangan konstan yang dijadikan referensi ini didapat dengan memberikan tegangan terbalik ke dioda zener Z sampai melampaui batas threshold-nya sehingga didapat arus searah yang nilainya konstan. Arus searah yang nilainya konstan ini dialirkan melalui suatu tahanan
sehingga didapat tegangan Vr pada ujung-ujung tahanan yang besarnya konstan dan dijadikan
tegangan referensi.
Selisih antara VG dengan Vf sama dengan ΔV merupakan tegangan yang diperlukan
untuk melakukan langkah koreksi. Nilai ΔV diperlukan dalam error amplifier sehingga didapat nilai V’ yang digunakan untuk mengontrol penyalaan silicon controlled rectifier (SCR) yang selanjutnya mengatur besar kecilnya arus medan magnet generator AC 3 fasa, yaitu If. Generator arus penguat (exciter) merupakan generator AC dengan magnet permanen
dan secara mekanis dikopel langsung dengan generator AC 3 fasa yang merupakan generator utama.
Apabila tegangan VG dari generator utama turun maka nilai ΔV dan juga V’ akan
naik dan hal ini akan menyebabkan panyalaan SCR dipercepat sehingga nilai If akan naik
yang selanjutnya akan menaikkan nilai tegangan generator VG . Hal sebaliknya akan terjadi
I - 26
menyebabkan penyalaan SCR yang lebih lambat sehingga didapat nilai If yang lebih kecil
sehingga tegangan generator VG akan turun. Besarnya VG bisa diatur dengan mengatur
besarnya Vr . Hal ini dilakukan dengan mengatur besarnya nilai VDC melalui potensiometer
dan baterai. Apabila generator paralel dengan sistem interkoneksi yang besar, maka pengaturan VDC akan merupakan pengaturan daya reaktif MVAR yang dihasilkan generator.
Dalam praktek, rangkaian listrik dari sebuah pengatur tegangan otomatis adalah lebih rumit daripada yang digambarkan oleh Gambar 1.15 karena adanya rangkaian peredam untuk mencegah terjadinya osilasi.
1.12 Pengaturan Frekuensi
Seperti halnya pengaturan tegangan yang dilakukan oleh alat pengatur tegangan, dalam pusat listrik terdapat pengatur frekuensi pada setiap unit pembangkit. Pengatur frekuensi biasa disebut governor.
Karena pengaturan frekuensi dilakukan dengan mengatur daya aktif yang dibangkitkan generator, maka governor harus mengatur kopel mekanis yang dihasilkan mesin penggerak generator. Pengaturan kopel mekanis dilakukan dengan cara:
a. Mengatur pemberian uap penggerak turbin dalam PLTU. b. Mengatur pemberian air penggerak turbin air dalam PLTA.
c. Mengatur pemberian bahan bakar dalam ruang bakar turbin PLTG.
d. Mengatur pemberian bahan bakar oleh pompa injeksi bahan bakar ke silinder
mesin diesel dalam PLTD.
Untuk melakukan fungsinya tersebut di atas, governor mengukur frekuensi yang dihasilkan generator dengan cara mengukur kecepatan putar poros generator tersebut karena frekuensi yang dihasilkan generator sebanding dengan kecepatan putar poros generator.
I - 27
Gambar 1.17 menggambarkan skema dan prinsip kerja governor hidrolik dimana pengukuran frekuensi didapat melalui gaya sentrifugal dari bola-bola berputar. Dari gambar 1.17 tampak adanya sistem umpan balik melalui engsel E untuk menghentikan kerja governor. Hal ini diperlukan untuk menghindari terjadinya osilasi. Besarnya umpan balik
dapat diatur melalui penyetelan posisi engsel E.
Gambar 1.17 Skema dan prinsip kerja governor hidrolik di mana speed drop diatur dengan menyetel posisi engsel E.
Pada governor elektronik, deteksi frekuensi dilakukan melalui generator kecil yang mempunyai magnet permanen sehingga tegangan jepitnya sebanding dengan putarannya. Karena generator ini dikopel secara mekanis dengan poros generator utama maka putarannya sebanding dengan putaran generator utama, sehingga tegangan jepit generator kecil ini sebanding dengan tegangan referensi di mana selisihnya menjadi sinyal penggerak sistem elektronik seperti halnya pada governor hidrolik.
Contoh Soal
1. Apakah tipe generator yang umum dipakai dalam pusat listrik ? Jawaban : Generator sinkron
2. Jelaskan mengapa saluran energi listrik dari generator sampai ke rel harus rapi dan bersih ?
Jawaban: Agar tidak menimbulkan gangguan, karena gangguan dibagian ini akan
I - 28
digunakan dalam sistem berukuran besar, maka ada kemungkinan seluruh sistem menjadi terganggu.
3. Sebutkan tiga macam transformator dalam pusat listrik yang besar (di atas 100 MW) ! Jawaban: 1. Transformator penaik tegangan generator; 2. Trasformator unit pembangkit; 3.
Transformator pemakaian sendiri.
Rangkuman
Dalam bab ini telah dijelaskan tentang instalasi listrik yang berhubungan dengan generaor termasuk instalasi pemakaian sendiri.
Semua generator dalam pusat listrik menyalurkan energinya ke rel pusat listrik, demikian pula semua saluran yang mengambil maupun yang mengirim energi dihubungkan ke rel ini.
Dalam rangkaian listrik dengan tegangan diatas 1,5 kV, saklar dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu: PMT, PMB dan PMS.
Setiap pusat listrik memerlukan energi listrik untuk pemakaian (di dalam pusat listrik) sendiri, yaitu untuk: Lampu penerangan; Penyejuk udara; Menjalankan alat-alat bantu unit
pembangkit, seperti: pompa air pendingin, pompa minyak pelumas, pompa transfer bahan bakar minyak, mesin pengangkat, dan lain-lain; alat-alat dan mesin-mesin perbengkelan yang merupakan unsur pendukung pemeliharaan dan perbaikan pusat listrik; pegisian baterai aki yang merupakan sumber arus searah bagi pusat listrik.
Dalam pusat listrik yang besar (di atas 100 MW) biasanya terdapat 3 atau 4 macam transformator, yaitu: 1. Transformator penaik tegangan generator; 2. Trasformator unit pembangkit; 3. Transformator pemakaian sendiri dan 4. Transformator antar-rel.
Pengaturan tegangan dari generator dilakukan dengan mengatur besarnya arus eksitasi (arus penguat) dengan cara mengatur potensiometer dari generator penguat pertama. Petensiometer mengatur arus penguat untuk generator penguat kedua yang menghasilkan arus penguat untuk genarator utama. Apabila generator beroperasi paralel dengan sistem yang besar (kuat), maka pengaturan arus penguat generator praktis tidak banyak mengubah tegangan generator melainkan hanya mempengaruhi daya reaktif yang dihasilkan generator tersebut.
I - 29
Dalam pusat listrik terdapat pengatur frekuensi pada setiap unit pembangkit, yaitu governor. Untuk melakukan fungsinya, governor mengukur frekuensi yang dihasilkan generator dengan cara mengukur kecepatan putar poros generator tersebut karena frekuensi yang dihasilkan generator sebanding dengan kecepatan putar poros generator.
Soal-soal Latihan
1. Jelaskan mengapa pada PLTU dan PLTG menggunakan generator sinkron berkutub dua atau empat (turbo generator) sedangkan pada PLTA menggunakan generator sinkron berkutub banyak ?
2. Sebutkan tiga jenis saklar dalam rangkaian listrik dengan tegangan di atas 1,5 kV dan jelaskan fungsinya masing-masing !
3. Gambarkan rangkaian listrik eksitasi dari generator besar (di atas 50 MVA) dengan menggunakan 2 tingkat generator arus penguat, dan jelaskan prinsip kerjanya !
4. Jelaskan fungsi sistem proteksi pada sistem pembangkitan energi listrik, dan sebutkan macam-macam relai yang digunakan dalam sistem proteksi !
