BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Sistem Distribusi Tenaga Listrik
Sistem tenaga listrik adalah kumpulan atau gabungan dari komponen-komponen atau alat-alat listrik seperti generator, transformator, saluran transmisi, saluran distribusi, dan beban yang saling berhubungan yang merupakan satu kesatuan sehingga membentuk suatu sistem. Suatu sistem tenaga listrik terdiri dari tiga komponen utama yaitu pusat-pusat pembangkit, saluran transmisi, dan saluran distribusi, seperti diperlihatkan pada gambar 2.1.
Sistem distribusi tenaga listrik sebagai salah satu bagian dari suatu sistem tenaga listrik, berfungsi menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik dari Gardu Induk Penurun Tegangan (sisi 20 kV) ke pelanggan-pelanggan secara langsung atau melalui gardu-gardu distribusi. Jaringan distribusi dapat dibagi ke dalam tiga komponen yang terdiri atas Jaringan Tegangan Menengah (JTM), Gardu Distribusi, dan Jaringan Tegangan Rendah.
Sistem distribusi dapat dibagi ke dalam dua kelompok berdasarkan tegangannya, yaitu :
a. Distribusi Primer, sering disebut Sistem Jaringan Tegangan Menengah (JTM) dengan tegangan operasi nominal 20 kV / 11,6 kV.
b. Distribusi Sekunder, sering disebut Sistem Jaringan Tegangan Rendah (JTR) dengan tegangan operasi nominal 380 / 220 Volt.
2.1.1. Jaringan Tegangan Menengah (JTM)
Jaringan Tegangan Menengah adalah jaringan yang menghubungkan gardu induk dengan gardu distribusi dan antara gardu distribusi dan gardu distribusi. Sistem jaringan tegangan menengah (JTM) di PLN Distribusi Jakarta Raya dan Tangerang memakai tegangan dasar 20 kV. JTM menyalurkan tenaga listrik dari GI ke gardu distribusi atau dapat juga menyalurkan tenaga listrik dari GI ke pelanggan. Dari penghantar yang digunakan JTM dapat dibagi menjadi tiga macam yaitu :
a. Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM), yaitu jaringan hantaran udara yang menggunakan kawat terbuka.
b. Saluran Kabel Udara Tegangan Menengah (SKUTM), yaitu jaringan hantaran udara yang menggunakan kabel udara.
c. Saluran Kabel Tegangan Menengah (SKTM), yaitu jaringan hantaran bawah tanah yang menggunakan kabel tanah.
2.1.2. Gardu Distribusi
Gardu distribusi berfungsi sebagai saluran penghubung antara jaringan tegangan menengah dengan jaringan tegangan rendah. Di dalam gardu distribusi terdapat tiga komponen penting, yaitu :
a. Kubikel 20 kV, adalah seperangkat peralatan kelistrikan yang dipasang pada gardu-gardu distribusi yang berfungsi sebagai pembagi, pemutus, penghubung, pengontrol, dan proteksi sistem penyaluran tenaga listrik tegangan 20 kV. Adapun jenis-jenis kubikel yang digunakan pada gardu distribusi antara lain : kubikel pemisah (PMS), kubikel LBS (Load Break Switch), kubikel CB Out Metering (PMT CB), kubikel PT (Potential Transformer), kubikel PGDB, kubikel PB, dan kubikel B1 (terminal outgoing).
b. Transformator Distribusi, digunakan untuk keperluan pendistribusian tenaga listrik dari pusat listrik ke pemakaian beban. Fungsi transformator distribusi adalah untuk menurunkan tegangan menengah (20 kV) menjadi tegangan rendah (380 V) sesuai dengan peralatan yang dipakai konsumen. c. Peralatan Hubung Bagi Tegangan Rendah (PHB TR) / Rak TR, berfungsi
menghubungkan sisi sekunder (sisi TR) transformator distribusi dengan hantaran TR. Dari rak TR ini tenaga listrik dibagi-bagikan ke setiap
jurusan kelompok pelanggan melalui penghantar. Bagian-bagian rak TR antara lain : saklar utama (main switch), busbar, penjepit fuse (ground plate), dan fuse (NH Fuse).
2.1.3. Jaringan Tegangan Rendah (JTR)
Jaringan Tegangan Rendah adalah jaringan tenaga listrik yang menyalurkan tenaga listrik dari keluaran trafo distribusi sampai ke alat pengukur dan pembatas yang ada di pelanggan. Sistem jaringan tegangan rendah di PLN Distribusi Jakarta Raya dan Tangerang mempunyai tegangan Pelayanan 380/220 V. Bagian yang termasuk dalam JTR adalah :
a. Peralatan Hubung Bagi Tegangan Rendah (PHB TR) / Rak TR
b. Kabel OPSTYG, merupakan kabel keluaran dari NH Fuse per jurusan di gardu distribusi yang menghubungkan saluran keluaran rak TR dengan kabel penghantar tegangan rendah.
c. Penghantar Tegangan Rendah, menyalurkan daya listrik dari rak TR sampai tiang terakhir.
d. Sambungan Rumah (SR), menyalurkan daya dari penghantar tegangan rendah kepada pelanggan.
e. Alat Pengukur dan Pembatas (APP), merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengukur dan membatasi jumlah pemakaian energi listrik yang digunakan oleh pelanggan sesuai daya kontraknya.
2.2. Pengukuran Pemakaian Tenaga Listrik pada Pelanggan Tegangan Menengah
Pengukuran pemakaian tenaga listrik adalah pengukuran untuk menentukan besarnya pemakaian daya dan energi listrik oleh konsumen, dengan menggunakan Alat Pengukur dan Pembatas (APP).
2.2.1 Alat Pengukur
Yang dimaksud dengan pengukuran adalah pengukuran untuk menentukan besarnya pemakaian daya dan energi listrik. Yang dimaksud dengan alat pengukur Tegangan Menengah (TM) ialah semua peralatan ukur besaran listrik yang terpasang pada kotak lemari APP (Alat Pengukur dan Pembatas) pelanggan TM yang berfungsi sebagai pengukur daya dan energi yang terpakai oleh pelanggan dan pengukurannya dilaksanakan pada sisi Tegangan Menengah.
Alat ukur yang dipakai adalah Meter Elektronik, yang merupakan suatu alat ukur yang mengukur besaran – besaran listrik yang memiliki kemampuan untuk mengukur :
Energi Aktif ( kWh ), Energi Reaktif ( kVARh ), Energi Semu ( kVA ), Besaran Arus ( Ampere ),
Tegangan ( Volt ), Faktor Daya ( Cos Phi ), Frekuensi ( Hz ), dan
lain-lain
Serta mampu merekam kejadian - kejadian atau ketidaknormalan pengukuran dalam periode tertentu.
2.2.2 Alat Pembatas
Yang dimaksud dengan pembatasan adalah pembatasan untuk menentukan batas pemakaian daya sesuai dengan daya tersambung. Pada pelanggan Tegangan Menengah pembatasan daya tersambung dilakukan dengan cara antara lain :
a. Sebuah PMT yang dilengkapi dengan relai primer yang mempunyai karakteristik arus yang disesuaikan dengan nominal untuk daya tersambung.
b. Sebuah PMT yang dilengkapi dengan relai sekunder melalui transformator arus.
Batas Daya Pelanggan TM
Alat pembatas memiliki nilai nominal atau arus nominal pembatas yaitu :
𝐼𝑛 =
𝑆𝑉 , untuk fasa tunggal………..(2.1)
𝐼𝑛 =
𝑆√3.𝑉 , untuk fasa tiga………..(2.2)
dimana :
In = arus nominal (Ampere) S = daya terpasang (VA)
V = tegangan fasa - netral untuk fasa tunggal (V)
2.2.3 Alat Perlengkapan
Yang dimaksud dengan perlengkapan adalah perlengkapan yang memungkinkan dipasangnya alat pengukur dan pembatas sehingga dapat berfungsi sesuai dengan yang disyaratkan. Karena pengukuran energi yang dominan adalah pemakaian arus dan tegangannya, dimana arus dan tegangan yang diukur melebihi arus dan tegangan nominal yang terdapat di alat ukur untuk itu dibutuhkan suatu peralatan instrument transformers yang dapat menurunkan arus dan tegangan. Yaitu Transformator Arus (Current Transformers) dan Transformator Tegangan (Potential Transformers).
Kegunaan trafo instrumen antara lain :
a. Mengisolasi rangkaian meter dari sisi primer yang dipasok dengan tegangan tinggi dan arus besar.
b. Menyediakan kemungkinan standar arus atau tegangan yang dipergunakan untuk pengukuran atau proteksi.
Trafo Tegangan (Potential Transformers / PT)
Trafo Tegangan adalah suatu peralatan listrik yang dapat memperkecil tegangan tinggi menjadi tegangan rendah yang dipergunakan dalam rangkaian arus bolak balik.
Fungsi trafo tegangan adalah untuk memperoleh tegangan yang sebanding dengan tegangan yang hendak dipergunakan dan untuk memisahkan sirkuit dari sistem dengan tegangan tinggi (yang selanjutnya disebut sirkuit primer) terhadap sirkuit dimana alat ukur (instrumen) tersambung (yang selanjutnya disebut sirkuit sekunder). Beda dengan transformator tenaga yang dibutuhkan adalah tegangan
dan daya keluarannya, tetapi pada trafo tegangan yang dibutuhkan adalah tingkat ketelitiannya dan penurunan tegangannya yang disesuaikan dengan alat ukur. Tegangan primer yang banyak dipakai untuk Tegangan Menengah adalah 24 kV, 22 kV, 20 kV, dan seterusnya. Tegangan pengenal sekunder adalah 57,7 Volt fasa-netral dan 100 V atau 110 V fasa-fasa.
Gambar 2.2. Contoh Trafo Tegangan
Trafo Arus (Current Transformers / CT)
Trafo arus adalah suatu peralatan listrik yang dapat memperkecil arus besar menjadi arus kecil, dipergunakan dalam rangkaian arus bolak balik. Fungsi CT adalah untuk memperoleh arus yang sebanding dengan arus yang hendak diukur (sisi sekunder 1 A atau 5 A) dan untuk memisahkan sirkuit dari sistem yang arusnya hendak diukur (yang selanjutnya disebut sirkuit primer) terhadap sirkuit dimana instrumen tersambung (yang selanjutnya disebut sirkuit sekunder). Berbeda dari transformator tenaga yang arusnya tergantung beban di sisi sekunder, tetapi pada trafo arus seperti halnya Amperemeter yang disisipkan ke dalam sirkuit primer, arusnya tidak tergantung beban di sisi sekunder, melainkan semata-mata tergantung pada arus di sisi primernya. Pada trafo arus sisi sekunder
dapat mempunyai satu belitan atau beberapa belitan tergantung dari desain atau kebutuhan pemakaiannya. Arus primer yang banyak dipakai untuk Tegangan Menengah adalah 10/5 A, 15/5 A, 20/5 A, 25/5 A, 30/5 A, 40/5 A, dan seterusnya. Arus pengenal sekunder adalah 1 A atau 5 A.
Gambar 2.3. Contoh Trafo Arus
Cara Pembacaan Pemakaian Daya Listrik Rumusnya dapat dituliskan :
𝐷𝑎
𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑇𝑒𝑟𝑢𝑘𝑢𝑟 (𝑃𝑒𝑚𝑎𝑘𝑎𝑖𝑎𝑛 𝑆𝑒𝑏𝑒𝑛𝑎𝑟𝑛𝑦𝑎) = 𝑃𝑒𝑛𝑢𝑛𝑗𝑢𝑘𝑎𝑛 𝑀𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑥 𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝐾𝑎𝑙𝑖 𝑀𝑒𝑡𝑒𝑟 𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝐾𝑎𝑙𝑖 𝑀𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝑃𝑇 𝑇𝑒𝑟𝑝𝑎𝑠𝑎𝑛𝑔 𝑥 𝐶𝑇 𝑇𝑒𝑟𝑝𝑎𝑠𝑎𝑛𝑔
Contoh :
Pelanggan CV. Inti Jaya Sakti dengan daya terpasang 630 kVA dengan tegangan 20 kV tercatat sebagai pelanggan Tegangan Menengah dengan :
𝑃𝑇 𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑠𝑎𝑛𝑔 = 3 𝑥20.000 100 𝑉 𝐶𝑇 𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑠𝑎𝑛𝑔 = 3 𝑥20 5 𝐴 𝑀𝑎𝑘𝑎 𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝐾𝑎𝑙𝑖 𝑀𝑒𝑡𝑒𝑟 = (20.000 100 ) 𝑥 ( 20 5) = 200 𝑥 4 = 800.
Jika penunjukan di kWhMeter adalah 20, maka daya terukur (daya pemakaian sebenarnya) adalah 20 𝑥 800 = 16.000 𝑘𝑊ℎ
Konfigurasi Jaringan Tegangan Menengah ke Pelanggan
Gambar 2.4. Konfigurasi Jaringan Tegangan Menengah ke Pelanggan
Keterangan :
GI = Gardu Induk GD = Gardu Distribusi GH = Gardu Hubung LBS = Load Break Switch
PT = Potential Transformer (Transformator Tegangan) CT = Current Transformer (Transformator Arus) CB = Circuit Breaker (Pemutus Tenaga)
2.3. Transformator Arus / Current Transformers (CT)
Transformator arus merupakan transformator yang digunakan untuk menurunkan arus yang berukuran besar menjadi arus yang berukuran kecil, dipergunakan dalam rangkaian arus bolak balik.
2.3.1. Fungsi Transformator Arus
1. Mentransformasikan dari arus yang besar ke arus yang kecil guna pengukuran atau proteksi.
2. Sebagai isolasi sirkuit sekunder dari sisi primernya. 3. Standardisasi rating arus untuk peralatan sisi sekunder.
2.3.2. Struktur Transformator Arus
Sebuah trafo arus tegangan menengah, akan terdiri dari beberapa bagian utama yaitu :
1. Name Plate (Informasi Produk).
2. Primary Busbar (Batang Penghantar Primer) / Primary Winding (Belitan Primer) dan Primary Terminal (Terminal Primer).
3. Insulation Material (Material Insulasi), resin. 4. Terminal Pembumian / Grounding.
5. Secondary Winding / Belitan Sekunder untuk Proteksi. 6. Secondary Winding / Belitan Sekunder untuk Pengukuran. 7. Base Plate / Pelat Dasar.
8. Secondary Terminal (Terminal Sekunder). 9. Boks Pelindung Terminal Sekunder.
2.3.3. Konstruksi Transformator Arus
Transformator Arus dengan 2 belitan pada sisi sekunder
Jenis Transformator Arus ini banyak dipergunakan pada sistem distribusi tenaga listrik yang terpasang pada :
- Kubikel incoming dan outgoing feeder (penyulang).
- Kubikel untuk daya pelanggan > 200 kVA (pelanggan Tegangan Menengah).
Misal CT 300/5-5 A, arus 300 Ampere adalah arus primer dan 5-5 A adalah arus sekunder untuk pengukuran dan proteksi.
Gambar 2.6. Konstruksi CT dengan 2 Belitan Sekunder
Penandaan primer P1 – P2 atau C1 – C2 atau K – L. Penandaan sekunder inti ke-1 1S1 – 1S2 → Pengukuran. Penandaan sekunder inti ke-2 2S1 – 2S2 → Proteksi.
2.3.4. Rangkaian Ekuivalen Transformator Arus
Transformator Arus terdiri dari belitan primer, belitan sekunder, dan inti magnetik. Jika arus primer yang masuk ke CT ke terminal P1/K dan arus yang
mengalir ke sekunder dinamakan terminal S1/k. Selanjutnya terdapat terminal
kedua pada CT di sisi primer yaitu P2/L adalah terminal yang arusnya diperoleh
dari P1/K yang dialirkan ke beban dan S2/l sisi sekunder adalah terminal yang
arusnya diperoleh dari S1/k. dalam hal ini, polaritas sisi sekunder harus
disesuaikan dengan datangnya arus di terminal sisi primer.
Gambar 2.8. Rangkaian Ekuivalen CT
Secara normal yang sesuai standar IEC, terminal S2/l harus ditanahkan
sebagai pengamanan sekunder CT terhadap tegangan tinggi. Pentanahan pada CT di terminal sekunder dapat dipasang pada terminal k atau l yang mempergunakan pentanahan langsung (solidly grounded).
2.3.5. Sifat Transformator Arus untuk Pengukuran
Harus memiliki tingkat ketelitian yang tinggi pada kondisi kerja normal. Yang dimaksud kerja normal adalah kondisi dimana arus yang mengalir di sisi primer berada pada kisaran arus primer pengenalnya (Rated Primary Current), sehingga keluaran dari transformator arus tersebut di sekitar nilai arus sekunder pengenalnya, misalnya 1A atau 5A.
Harus mampu memberikan perlindungan yang baik kepada peralatan yang dihubungkan dengannya ketika terjadi kegagalan atau kesalahan sistem. Transformator arus untuk pengukuran harus memiliki tingkat kejenuhan yang rendah.
2.3.6. Beban (Burden) Transformator Arus
Adalah batasan maksmimum CT dapat menampung beban dalam VA, dimana beban yang dihubungkan ke sekunder CT dengan batasannya dapat menampung beban pada sisi sekunder (burden). Misalkan terminal CT sekunder pengukuran tersambung beban Amperemeter dan kWhmeter maka beban CT = 2xVAkabel + VA Amperemeter + VA kWhmeter, beban CT ini dikatakan beban yang harus < dari burdennya.
Adapun burden current transformer sesuai IEC 60044-1 adalah 2,5 VA, 5 VA, 7,5 VA, 10 VA, 15 VA, 20 VA, dan 30 VA.
Catatan : kelas akurasi baik, bila burden antara 25% sampai dengan 100% dari burden pengenal.
2.3.7. Kelas Akurasi Transformator Arus
Adalah arus pada transformator arus yang dibatasi oleh kesalahan arus dan kesalahan fasa.
Kelas akurasi untuk pengukuran
- Untuk kelas 0,1 – 0,2 – 0,5 dan 1, pada frekuensi pengenal kesalahan arus dan pergeseran fasa tidak melebihi dari nilai yang ditentukan, bila burden sekunder antara 25% sampai dengan 100% dari burden pengenal.
- Untuk kelas 0,2S dan 0,5S, dipergunakan untuk aplikasi khusus untuk kWhmeter yang mana pengukuran yang tepat pada arus antara 50 mA sampai dengan 6 A, kesalahan arus dan pergeseran fasa tidak melebihi dari nilai yang ditentukan, bila burden sekunder antara 25% sampai dengan 100% dari burden pengenal.
- Untuk kelas 3 dan 5, kesalahan arus dan pergeseran fasa tidak melebihi dari nilai yang ditentukan, bila burden sekunder antara 50% sampai dengan 100% dari burden pengenal.
Catatan : supaya kesalahan arus pengukuran tidak menyimpang jauh dari arus yang diukur, perlu pemilihan CT yang tepat dengan kelas ketelitian dan burden sekunder yang tidak melebihi dari burden pengenalnya.
Tabel 2.1. Tabel Kelas Akurasi Pengukuran sesuai IEC 60044-1
Nilai Arus dari
Arus Pengenal (%)
+/- % Kesalahan
Rasio Arus
+/- % Pergeseran Fasa,
Menit (Centiradians)
5 0,4 15 20 0,2 8 100 0,1 5 120 0,1 5 5 0,75 30 20 0,35 15 100 0,2 10 120 0,2 10 1 0,75 30 5 0,35 15 20 0,2 10 100 0,2 10 120 0,2 10 5 1,5 90 20 0,75 45 100 0,5 30 120 0,5 30 1 1,5 90 5 0,75 45 20 0,5 30 100 0,5 30 120 0,5 30 5 3 180 20 1,5 90 100 1 60 120 1 60 50 3 -120 3 -50 5 -120 5 -3 5 Instruments Instruments 1 Standard Metering Precision Revenue Metering 25-100% dari burden pengenal Industrial Grade Meters 50-100% 50-100% 0,5 25-100% dari burden pengenal 25-100% dari burden pengenal 0,5S 0,2 25-100% dari burden pengenal Precision Revenue Metering 25-100% dari burden pengenal 0,2S Precision Revenue Metering
Kelas
Ketelitian
Aplikasi
Batas Kesalahan
Burden
25-100% dari burden pengenal 0,1 Laboratorium2.3.8. Rumus-Rumus tentang Transformator Arus
a. Perbandingan Belitan Transformator Arus
Perbandingan antara belitan primer dan belitan sekunder pada transformator arus dapat dijelaskan menurut persamaan :
1 2 2 1
N
N
I
I
………..(2.3) dimana :I1 = Arus Primer ; N2 = Jumlah Belitan Sekunder
I2 = Arus Sekunder ; N1 = Jumlah Belitan Primer
b. Kesalahan Transformasi (Transformasi Error)
Adalah perbandingan antara arus primer dan arus sekunder.
s p n
I
I
K
………..(2.4)c. Kesalahan Arus (Current Error)
%
100
(%)
x
I
I
xI
K
p p s n
………..(2.5) dimana : Kn = Perbandingan Transformasi ε = Kesalahan Arus [+/-] (%)Is = Arus Sekunder Sebenarnya (Ampere)
Karena adanya perbedaan antara arus yang masuk di sisi primer dengan arus yang terbaca di sisi sekunder, dapat menimbulkan perbedaan rasio transformasi arus yang sebenarnya dengan kenyataannya.
Bila transformator arus dipergunakan untuk pengukuran energi, kesalahan arus ini sangat berpengaruh terhadap pengukuran energi.
