BAB 1
KOMPONEN SALURAN TRANSMISI
Standar Kompetensi:
a) Mahasiswa dapat menjelaskan komponen-komponen utama yang terdapat pada saluran transmisi.
b) Mahasiswa dapat menjelaskan komponen-komponen utama yang terdapat pada saluran transmisi.
1.1 Umum
Sistem kelistrikan sangat berguna karena tenaga listrik itu dapat disalurkan melalui pembangkit tenaga listrik. Beberapa pembangkit-pembangkit listrik tenaga seperti berikut:
i. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) ii. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)
iii. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTPB) iv. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)
v. Pembangkit Listrik Tenaga Disel (PLTD)
vi. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN); dan lain sebagainya.
Daya listrik harus disalurkan melalui konduktor atau saluran transmisi. Biasanya tegangan dari generator pada umumnya rendah berkisar antara 6 kV sampai dengan 24 kV. Tegangan ini perlu dinaikkan dengan bantuan peralatan yang dinamakan dengan transformator daya sehingga tegangan menjadi lebih tinggi yaitu dalam kisaran 30 kV sampai dengan 500 kV.
Tegangan tinggi ini bertujuan untuk memperbesar daya hantar dari saluran yang berbanding lurus dengan tegangan. Dalam sistem transmisi tegangan transmisi tinggi akan diturunkan melalui Gardu Induk (GI), yaitu:
i. Tegangan dari 500 kV menjadi 150 kV ii. Tegangan dari 150 kV menjadi 70 kV
Kemudian penurunan tegangan kedua akan dilakukan di GI distribusi, yaitu:
i. Tegangan dari 150 kV menjadi 20 kV
ii. Tegangan dari 70 kV menjadi 20 kV
Dalam buku ini hanya membahas Saluran Transmisi Udara (STU). Tenaga listrik disalurkan melalui konduktor yang digantung pada menara transmisi dengan menyertakan isolator- isolator.
1.2 Komponen Utama STU
Beberapa komponen-komponen utama dari STU terdiri dari:
i. Menara transmisi ii. Isolator
iii. Konduktor iv. Konduktor tanah
1.2.1 Menara Transmisi
Menara transmisi ialah bangunan untuk tegaknya saluran transmisi. Menara ini biasanya terbuat dari baja, tiang baja, tiang beton bertulang atau tiang kayu. Bentuk menara transmisi seperti dilihat pada Gambar 1.1.
(b)
Gambar 1.1: Bentuk menara persegi sistem transmisi
1.2.2 Isolator
Pada STU jenis isolator yang digunakan adalah dari bahan porselin atau gelas.
Berdasarkan penggunaan dan konstruksinya maka isolator terdiri dari tiga jenis, yaitu : i. Isolator perak
ii. Isolator isolator gantung iii. Isolator pasak
iv. Dan lain-lain
Gambar 1.2: Bentuk isolator transmisi
1.2.2 Konduktor
Konduktor yang digunakan pada saluran transmisi ialah biasanya dari bahan tembaga dengan konduktifitas 100%. Ada juga dari bahan aluminium dengan konduktifitas 61%. Beberapa jenis konduktor yang terbuat dari bahan aluminium yaitu sebagai berikut:
i. Jenis AAC (All Alumilium Conductor), yaitu konduktor ini terbuat dari bahan aluminium murni.
ii. Jenis AAAC (All Aluminium Alloy Conductor), yaitu konduktor yang terbuat dari campuran aluminium.
iii. Jenis ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced), yaitu konduktor aluminium dengan inti bahan baja.
iv. ACAR (Aluminium Conductor Alloy Reinforced), yaitu konduktor aluminium yang diperkuat dengan bahan logam campuran.
Beberapa jenis konduktor yang terbuat dari bahan baja dengan menggunakan berbagai ketebalan lapisan seng. Untuk memperbesar kuat tarikan dari kawat aluminium digunakan campuran aluminium (aluminium alloy). Untuk saluran-saluran transmisi tegangan tinggi dengan jarak antara dua menara yang jauh ratusan meter, maka dibutuhkan kuat tarik yang lebih tinggi yaitu konduktor ACSR.
1.2.2 Konduktor tanah
Konduktor tanah disebut sebagai kawat pelindung yang gunanya untuk melindungi konduktor penghantar atau konduktor fasa dari sembaran petir. Jadi konduktor tanah itu dipasang diatas konduktor fasa. Sebagai konduktor tanah secara umum menggunakan material baja.
BAB 2
PARAMETER SALURAN TRANSMISI
Standar Kompetensi:
a) Mahasiswa dapat menjelaskan tentang konstanta umum saluran transmisi.
b) Mahasiswa dapat menjelaskan tentang rangkaian T dan π tidak simetris pada saluran transmisi.
c) Mahasiswa dapat menurunkan persamaan konstanta umum rangkaian T dan π tidak simetris.
2.1 Umum
Sebuah saluran transmisi listrik dimodelkan menggunakan resistansi seri, induktansi seri, paralel sejajar dengan tanah, kapasitansi dan konduktansi. Penentuan parameter- parameter ini ditinjau dari panjang saluran, jenis konduktor yang digunakan, dan jarak konduktor seperti yang dipasang pada struktur pendukung dari menara transmisi. Sebuah konduktor atau kombinasi konduktor tidak terisolasi satu sama lain disebut konduktor.
Sebuah konduktor stranded terdiri dari sekelompok kabel, biasanya bentuk berpilin. Dalam konduktor stranded konsentris, setiap lapisan berisi enam kabel atau lebih. Ada dua konstruksi dasar: satu kawat inti dan tiga kawat inti.
2.2 Resistansi Saluran
Resistansi dari konduktor adalah paling penting terhadap daya yang hilang di kabel listrik, seperti diberikan oleh rumus berikut:
!"# = &'( )ℎ+ (2.1)
di mana:
, = resistansi konduktor
- = panjang saluran A = luas penampang
Setiap set unit yang konsisten dapat digunakan dalam perhitungan resistansi. Unit sistem SI, ρ dinyatakan dalam ohm-meter, panjang dalam meter, dan luas dalam meter persegi.
Sistem yang biasa digunakan oleh sistem tenaga bahwa resistivitas dalam ohm mil per feet.
2.2 Induktansi Saluran
Pada saluran transmisi reaktansi induktif adalah elemen impedansi paling mendominasi.
2.2.1 Induktansi satu fasa (dua kawat)
Induktansi saluran dua kawat sederhana terdiri dari dua konduktor solid silinder dengan jari- jari r1 dan r2. Total induktansi dari rangkaian arus konduktor 1 hanya diberikan seperti berikut:
./ = 211045 ln 98
:; (2.2)
Demikian pula, induktansi selama arus di konduktor 2 adalah sebagai berikut:
.< = 211045 ln 8
9=; (2.3)
Maka:
.>= ./+ .< (2.4)
.>= 411045 ln 8
9:;9=; (2.5)
dimana:
ABC = ABDE : = 0.7788AB
Kompensasi fluks internal menggunakan nilai yang disesuaikan untuk jari-jari konduktor.
Kuantitas AC disebut sebagai Geometric Mean Radius (GMR). Penurunan tegangan induktif dapat digunakan untuk mendapatkan hasil yang sama
I/ = JK .//L/+ ./<L< (2.6) I< = JK ./<L/+ .<<L< (2.7)
dimana:
I/ = drop tegangan per satuan panjang utk konduktor 1 I< = drop tegangan per satuan panjang utk konduktor 2
Induktansi sendiri ./< dan .<< sesuai dengan standar konduktor GMR:
.// = 211045 ln 9/
:; (2.8)
.<<= 211045 ln 9/
=; (2.9)
Induktansi bersama ./< sesuai dengan pemisahan konduktor D, Jadi:
./< = 211045 ln 8/ (2.10)
Kemudian:
L< = −L/ (2.11)
Rangkaian yang lengkap untuk drop tegangan adalah:
I/− I< = JK .//+ .<<+ −./< L/ (2.12)
Dalam hal konfigurasi geometris, maka:
∆I = I/− I< (2.13)
∆I = JK 211045 ln /
9:; + -O /
9=; − 2-O /
8 L/ (2.14)
∆I = JK 211045 ln 8
9:;9=;
L/ (2.15)
./ = 411045 ln 8
9:;9=; (2.16)
dimana:
. = . + . − 2.
Sebagai induktansi seri terhubung dengan kumparan magnetis digabungkan, yaitu masing- masing induktansi diri L11 dan L22 dan memiliki induktansi bersama L12. Ekspresi induktansi fasa diberikan dalam Persamaan (2.1) dan (2.2) dapat diperoleh dari persamaan drop tegangan sebagai berikut:
I/ = JK 211045 ln L/-O 9/
:; + 8/ (2.17)
Bagaimanapun:
L< = −L/ (2.18)
Kemudian:
I/ = JK 211045 ln L/-O 8
9:; (2.19)
Induktansi fasa:
I/ = JK./L/ (2.20)
Kemudian untuk fasa satu, ./ = 211045 -O 98
:; henri/meter (2.21)
Kemudian untuk fasa dua, .< = 211045 -O 98
=; henri/meter (2.22)
Biasanya ia memiliki konduktor saluran yang identic, yaitu:
P = Q log98; ohm-per-konduktor-per-mil (2.23)
dimana:
Q = 4.6571104VW
= 0.2794 pada frekwensi 60 Hz
Diasumsikan konduktor saluran yang identik. Memperluas turunan dalam persamaan (2.15), maka didapatkan:
P = Q log X + Q log/
9; (2.24)
Istilah pertama dari Xa dan Xd diperoleh dari tabel yang tersedia di beberapa buku panduan.
Contoh soal 2.1(Hawary 2008)
Hitunglah reaktansi induktif per-mil-per-fasa untuk saluran fasa tunggal dengan pemisahan fasa 25 ft dan jari-jari konduktor 0,08 ft.
Penyelesaian:
Tentukan AC:
AC = AD4//Z
= (0,08) * (0,7788) = 0,0623 ft
Kemudian dihitung juga:
P[ = 0,2794 log^.^_<V/ = 0,3368
P" = 0,2794 log 25 = 0,3906
P = P[+ P" = 0,7274 ohm-per-mil
Berikut rincian yang dijalankan software Matlab untuk mengimplementasikan contoh 2.1 berbasis Persamaan. (2.16) ke (2.18).
Jawaban yang dihasilkan dari Matlab adalah:
2.2.2 Konduktor Bundel
Tegangan diatas 230 kV adalah termasuk Tegangan Ekstra Tinggi (TET) dengan memiliki sirkuit hanya satu konduktor per-fasa. Hal ini akan mempunyai efek korona yang berlebihan.
Fenomena ini adalah suatu kerugian daya listrik. Efek korona adalah akibat gangguan langsung dari gradien tegangan tinggi di permukaan konduktor. Gradien dapat dikurangi dengan menggunakan lebih dari satu konduktor per-fasa. Konduktor berada lebih dekat dibandingkan dengan jarak antara fasa. Sebuah saluran penghantaran seperti ini disebut garis konduktor bundel. Bundel ini terdiri dari dua atau lebih konduktor yang diatur pada lingkaran yang disebut lingkaran bundel seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1 Keuntungan bundel ini adalah untuk mengurangkan reaktansi saluran seri dan paralel.
r = 0.08 D = 25
r_prime = 0.7788*r
Xa = 0.2794*(log10 (1/ (r_prime))) Xb = 0.2794*(log10 (D))
X = Xa + Xb
EDU>>
r = 0.0800 D = 25
r_prime = 0.0623 Xa = 0.3368 Xb = 0.3906 X = 0.7274
Gambar 2.1 Konduktor bundel
2.2.3 Induktansi Konduktor Bundel Pada Saluran Fasa Tunggal (Simetris)
Bundel simetris dengan N pada sub-konduktor diatur dalam sebuah lingkaran dengan jari- jari A. Sudut antara dua sub-konduktor adalah 2`/a. Pengaturan ini ditunjukkan pada Gambar 2.2. Mendefinisikan jarak rata-rata geometric atau Geometric Mean Distance (GMD) sebagai berikut:
bcX = X/ de/ X< de< … X/ <d 1/N (2.25)
Mari diamati bahwa praktis jarak X/ de/ , X< de< , … , hampir sama nilainya dengan jarak D antara pusat bundel. Hasilnya:
bcX ≅ X (2.26)
Menentukan radius rata geometris sebagai berikut:
bc! = aA′(j)d4/ //d (2.27)
Kemudian induktansi diperoleh sebagai:
. = 211045 ln lm8
lmn (2.28)
Sub-konduktor jarak S di lingkaran bundel. Untuk menemukan jari-jari A menggunakan rumus:
o = 2 j sin r
d (2.29)
D D1 (N+1)
N+1 D1 (N+2)
N+2
A 1
2 3
Gambar 2.2 Konduktor bundel fasa tunggal rangkaian simetris
Yang merupakan konsekuensi dari geometri bundel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.
1
2
3
D13
4π/N
2π/N
π/N S = D12
A
Gambar 2.3 Konduktor geometri
Contoh Soal 2.2 (Hawary 2008)
Gambar 2.4 menunjukkan 1000 kv, fasa tunggal, saluran konduktor bundel dengan delapan sub-konduktor per-fasa. Jarak fasa X/ = 18+, dan jarak sub-konduktor adalah S = 50 cm.
Setiap sub-konduktor memiliki diameter 5 cm. Hitunglah saluran induktansi.
Penyelesaian:
Meng-evaluasi bundel radius A, sehingga:
0,5 = 2 j sin rs
Gambar 2.4 1000 kV untuk saluran fasa tunggal konduktor bundel
Kemudian:
A = 0,6533 m
Asumsikan secara pendekatan praktis sebagai berikut:
bcX = X/ = 18 +
Radius geometris sub-konduktor adalah:
A/C = 0,7788 t<1104<
= 1,947 1104<+ Kemudian:
. = 211045 ln lm88
d9:; ( uv: :/u
= 211045 -O s /,wZ5x/^v=/s^,_tVV y :/z Hasil perhitungan di atas menjadi:
. = 6,9911045 ℎDOA{/+D|DA
Berikut daftar software MATLAB sesuai dengan contoh soal 2.2 berdasarkan Persamaan (2.27) sampai dengan (2.29).
D1
H1
Jawaban yang diperoleh dari MATLAB adalah sebagai berikut:
2.2.4 Induktansi Tiga Fasa Pada Saluran Tunggal (Simetris)
Saluran konduktor tiga fasa memiliki pengaturan umum ditunjukkan pada gambar 2.5. Drop tegangan per konsep satuan panjang. Hal ini merupakan konsekuensi dari hukum Faraday ini. Dalam praktek rekayasa kita memiliki preferensi untuk metode ini. Dalam sistem tiga fasa, kita dapat tulis:
% Contoh Soal 2.2
% N = 8 S = 0.5 D = 0.05 r = d/2
r_prime = 0.7788*r GMD=18
A=(S/2) / sin (pi/N)
GMR= (N*r_prime *(A)^(N-1)^(1/N) L=2*1e-7*log(GMD/GMR)
EDU>>
N = 8 S = 0.5000 d = 0.0500 r = 0.0250
r_prime = 0.0195 GMD = 18 A = 0.6533 GMR = 0.5461 L = 6.9907e-007
I/ = JK .//L/+ ./<L<+ ./VLV I< = JK ./<L/+ .<<L<+ .<VLV
IV = JK ./VL/+ .<VL<+ .<VLV (2.30)
Dari Persamaan (2.7) dan (2.9) maka dapat ditulis:
.BB = 211045 ln 9/
}; (2.31)
.~ = 211045 -O 8/
ÄÅ (2.32)
1
2 3
D13 D12
D23
Gambar 2.5 Saluran simetri tiga fasa
Induktansi dalam drop tegangan persamaan dan menggunakan kondisi operasi yang seimbang untuk menghilangkan satu arus dari masing-masing persamaan. Hasilnya adalah:
I/C = L/ln 8:Ç
8:; + L<-O 8:Ç
8:=
I<C = L/ln 88=Ç
:= + L<-O 89=Ç
=; IVC = L<ln 88:Ç
=Ç + LV-O 89:Ç
Ç; (2.33)
Berikut adalah:
IBC = Ñ <x/^É} vy
Drop tegangan saluran satu fasa, misalnya pada saat ini dalam tahap dua pada L/. Sehingga drop tegangan tidak akan menjadi bagian dari sistem tiga fasa yang simetris. Situasi ini tidak
diinginkan. Pertimbangkan kasus konduktor ini umumnya dirujuk sebagai konfigurasi delta adalah:
X/<= X/V= X<V= X
A/C = A<C = AVC = AC (2.34)
Drop tegangan akan diberikan oleh:
I/C = L/ln 98; I<C = L<ln 98;
IVC = LVln 98; (2.35)
Dan dalam hal ini drop tegangan dari sistem tiga fasa yang seimbang. Konduktor dengan konfigurasi jenis H ditempatkan di satu bidang horizontal seperti pada gambar 2.6. Jarak antara konduktor adalah:
X/<= X<V = X X/V= 2X
Drop tegangan yang diberikan:
I/C = L/ln <89; + L<-O2 I<C = L<ln 8
9;
IVC = L<ln2 + LV-O <89; (2.36)
Konduktor nomor dua memiliki drop tegangan sebanding dengan arus.
1 2 3
D D
Gambar 2.6 Saluran jenis H
1
2
3 a
b
c D13
D12
D23
a
b
c a
a
b
b c
c
I II III
Gambar 2.7 Saluran yang dialihkan (transposisi)
2.2.5 Transposisi Saluran Konduktor
Sisi konfigurasi jarak segitiga bukan satu-satunya konfigurasi umum yang digunakan dalam praktek. Sehingga kebutuhan ada untuk menyamakan induktansi bersama. Salah satu sarana untuk melakukan ini adalah untuk membangun transposisi atau rotasi dari kabel saluran udara. Sebuah transposisi adalah rotasi fisik dari konduktor, diatur sedemikian rupa sehingga setiap konduktor digerakkan untuk menempati posisi fisik berikutnya dalam urutan biasa seperti: a-b-c, b-c-a, c-a-c, dll pengaturan transposisi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. Jika bagian dari saluran dibagi menjadi tiga segmen panjang yang sama dipisahkan oleh rotasi bahwa garis adalah benar-benar dialihkan. Mempertimbangkan sepenuhnya dialihkan saluran tiga fasa. Kita dapat menunjukkan bahwa dengan benar saluran transposisi, induktansi dan drop tegangan yang sebanding dengan arus di setiap tahap. Tentukan geometris berarti GMR radius sebagai
bcX = X/<X/VX<V //V (2.37)
Jari-jari rata-rata geometrik GMR sebagai:
bc! = AC (2.38)
Capaiannya menjadi:
. = 211045 ln lm8lmn ℎDOA{/+D|DA (2.39)
Contoh Soal 2.3
Hitunglah induktansi per-fasa pada saluran konduktor tiga fasa (solid) yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. Asumsikan bahwa diameter konduktor adalah 5 cm dan jarak fasa D1
adalah 8 m. Asumsikan bahwa saluran adalah dialihkan (transposisi).
D1
H1
Gambar 2.8 Saluran konduktor tiga fasa
Penyelesaian:
Jarak rata-rata geometris diberikan oleh:
bcX = X/X/ 2X/ //V = 1,2599 X/ = 10.08 + GMR:
AC = D4:E tx/^<v=
= 0,0195 + Kemudian:
. = 211045 ln ^,^/wt/^,^s
= 1,251104_ ℎDOA{/+D|DA
2.2.6 Induktansi Tiga Fasa Multi-konduktor
Rangkaian tunggal, sistem tiga fasa dengan multi-konduktor dikonfigurasi dengan fasa konduktor seperti pada Gambar 2.9. Asumsikan distribusi arus sama di sub-konduktor fasa dan transposisi lengkap.
60 ft DAB
72 ft
β
Gambar 2.9 Rangkaian multi-konduktor untuk saluran tiga fasa
Kita dapat menunjukkan bahwa induktansi fasa untuk sistem adalah sebagai berikut:
. = 211045 -O lm8
lmn (2.40)
Dalam hal ini jarak rata-rata geometrik diberikan:
bcX = X(ÖXÖÜXÜ( //V (2.41)
dimana:
X(Ö, XÖÜ,XÜ( adalah jarak tengah antara fasa
GMR diperoleh dengan menggunakan ekspresi yang sama dengan sistem fasa tunggal.
Maka:
bc! = dBà/ XáB //d (2.42)
Untuk kasus konduktor bundel simetris, kita memiliki:
bc! = aAC(j)d4/ //d (2.43)
Induktansi reaktansi per-mil-per-fasa XL dalam kasus tiga fasa, saluran konduktor bundel dapat diperoleh dengan menggunakan:
Pâ = P[+ P" (2.44)
Sebelum 60 Hz, maka operasi menjadi:
P[ = 0,2794 loglmn/ (2.45)
P" = 0,2794 log bcX (2.46)
GMD dan GMR didefenisikan pada persamaan (2.41) dan (2.43)
Contoh Soal 2.4
Saluran tiga fasa dengan delapan sub-konduktor bundel pengaturan delta dengan diameter 42 in. Sub-konduktor dengan jenis ACSR 84/19 dengan A/ = 0,0534 ft. Jarak fasa horizontal adalah 75 ft, dan jarak vertikal adalah 60 ft. Maka hitunglah reaktansi induktif saluran dalam ohm-per-mil-per-fasa.
Penyelesaian:
Dari geometri pengaturan fasa, maka:
tan å = V__^
å = 30,96°
X(Ö = èêë V^,w_°_^
= 69,97 W|
Kemudian:
bcX = 69,97 69,97 75 //V = 71,577 W|
Untuk sub-konduktor AC = 0,0534 W|.
Keterangan bundel adalah: N = 8 and j = 42/2 {O.
Kemudian:
bc! = 8 0,0534 21 12
5 //s
= 1,4672 W|
Kemudian:
P[ = 0,2794 log/,Z_5</ = −0,0465
P" = 0,2794 log 71,577 = 0,518
Hasilnya,
Pâ = P[+ P" = 0,4715 )ℎ+ − íDA − +{-
2.2.7 Induktansi Tiga Fasa Pada Saluran Rangkaian Ganda
Sebuah saluran tiga fasa rangkaian ganda pada dasarnya terdiri dari dua rangkaian tiga fasa terhubung paralel. Secara normal untuk konstruksi rangkaian ganda sangat identik untuk masing-masing rangkaian. Jika dua rangkaian ini dipisahkan, maka reaktansi saluran dari rangkaian menjadi setengah tunggal, dan jika dua rangkaian ini berada di menara yang sama, maka pendekatan tersebut mungkin tidak menghasilkan akurasi yang cukup baik. Hal ini disebabkan oleh kesalahan mungkin disebabkan mengabaikan efek induktansi bersama diantara kedua rangkaian. Ini dapat memberikan penjelasan yang sederhana yang lebih akurat untuk menghitung reaktansi dari saluran rangkaian ganda. Saluran tiga fasa rangkaian ganda ini dengan transposisi saluran berada pada posisi segmen IV seperti pada Gambar 2.10.
A
B
C
C’
B’
A’
2 2'
3
3'
1' 1
Gambar 2.10 Konduktor pada rangkaian ganda pada posisi segmen IV
Induktansi per-fasa-per-satuan panjang adalah:
. = 211045 ln lm8lmn (2.47)
Dimana rangkaian ganda dengan jarak geometris rata-rata adalah:
bcX = X(ÖìîXÖÜìîX(Üìî //V (2.48)
Dengan jarak rata-rata didefinisikan sebagai berikut:
X(Öìî = X/<X/;<;X/<;X/;< //Z XÖÜìî = X<VX<;V;X<VX<;V //Z
X(Üìî = X/VX/;V;X/V;X/;V //Z (2.49)
Maka ekivalen untuk GMR adalah:
bc! = bc!( bc!Ö bc!Ü //V (2.50)
Didefinisikan fasa GMR menjadi:
bc!( = AC X//; //<
bc!Ö= AC X<<; //<
bc!Ü = AC XVV; //< (2.51)
Dari hasil diatas bahwa cara yang sama telah diadopsi untuk kasus rangkaian tunggal, maka dapat dimanfaatkan untuk kasus rangkaian ganda.
Contoh Soal 2.5
Hitunglah induktansi per-fasa pada saluran rangkaian ganda tiga fasa, yang konduktor fasa memiliki GMR 0,06 ft, dengan konfigurasi konduktor horizontal seperti pada Gambar 2.11.
1 2 3'
25 ft
25 ft 25 ft 25 ft 25 ft
3 1' 2'
A B C A’ B’ C’
Gambar 2.11 Konfigurasi konduktor
Penyelesaian:
Untuk ini menggunakan persamaan (2.49):
X(Öìî = 25 25 50 100 //Z = 42,04 W|
XÖÜìî = 25 25 50 100 //Z = 42,04 W|
X(ÜÖÜìî = 50 50 125 25 //Z = 52,87 W|
Maka dihasilkan,
bcX = 42,04 42,04 52,87 //V = 45,381 W|
Ekivalen GMR adalah diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.50) adalah:
Aïñ = 0,06 V 75 V //_
= 2,121 W|
Hasilnya adalah:
. = 211045 ln Zt,Vs/<,/</
= 0,6126110_ ℎDOA{/+D|DA
Berikut daftar software MATLAB yang mengimplementasikan contoh soal 2.5 berdasarkan persamaan. (2.46) ke (2.50).
% Contoh Soal 2.5
%
r_prime=0.06;
D_AAprime=75;
D_BBprime=75;
D_CCprime=75;
D_AB=25;
D_BC=D_AB D_CAprime=D_AB;
D_AprimeBprime=D_AB;
D_BprimeCprime=D_AB;
D_BCprime=D_BC+D_CAprime+D_AprimeBprime+
D_BprimeCprime;
D_CBprime=D_CAprime+D_AprimeBprime;
D_ABprime=D_AB+D_BC+D_CAprime+D_AprimeB prime;
D_BAprime=D_BC+D_CAprime;
D_CA=D_AB+D_BC;
D_CprimeAprime=D_AprimeBprime+D_BprimeCpri me;
D_ACprime=D_ABprime+D_BprimeCprime;
D_ABeq=
(D_BC*D_BCprime*D_BprimeCprime*D_CBprime)^(
1/4)
D_BCeq=(D_AprimeBprime*D_ABprime*D_AB*D_B Aprime)^(1/4)
D_ACeq=(D_CA*D_CprimeAprime*D_CAprime*D_
ACprime)^(1/4)
GMD=(D_ABeq*D_BCeq*D_ACeq)^(1/3)
% The equivalent GMR
r_eq=(r_prime^3*D_AAprime^3)^(1/6) L=(2*10^-7)*log(GMD/r_eq)
Hasil menjalankan perangkat lunak MATLAB adalah sebagai berikut:
2.3 Kapasitansi Saluran
Dua parameter saluran yang merupakan impedansi seri saluran transmisi. Induktansi saluran biasanya mendominasi resistansi seri dan menentukan kapasitas transmisi daya baris.
Ada dua parameter saluran lainnya yang efeknya bisa cukup untuk tegangan transmisi tinggi dan panjang saluran. Saluran shunt terdiri dari konduktansi (g) dan kerentanan kapasitif (b).
Konduktansi dari saluran biasanya bukan faktor utama karena didominasi oleh kerentanan kapasitif b = ωC.
2.3.1 Kapasitansi Saluran Fasa Tunggal
Fasa tunggal dua saluran kawat panjang tak terbatas dengan konduktor jari-jari A/ dan A< pemisahan D seperti pada Gambar 2.12. Potensial pada titik P yang sewenang-wenang pada jarak A[ dan Aó dari A dan B, masing-masing adalah:
Iò = <rôñ
öln 99õ
ú (2.52)
Dimana q adalah kerapatan muatan dalam panjang coulomb-per-satuan. Nilai I( konduktor A dari radius A/ diperoleh dengan menetapkan A[ = A/ dan Aó = X.
D
B
2r1 2r2
Gambar 2.12 Fasa tunggal dengan saluran ganda EDU>>
D_ABeq = 42.0448 D_BCeq = 42.0448 D_ACeq = 52.8686 GMD = 45.3810 r_eq = 2.1213 L = 6.1261e-007
I( = <rôñ
ö -O 98
: (2.53)
Demikian juga untuk konduktor B radius A<, maka:
IÖ= <rôñ
öln 98= (2.54)
Oleh karena perbedaan potensial antara dua konduktor adalah:
I(Ö = I( − IÖ =rôñ
öln 98
:9= (2.55)
Kapasitansi antara dua konduktor didefinisikan sebagai muatan pada salah satu konduktor per-unit dari perbedaan potensial antara dua konduktor. Maka Hasilnya:
ù(Ö = Éñ
ûü = rô†ö
°:°=
farad-per-meter (2.56)
Jika A/ = A<, maka:
ù(Ö = rôö
'¢ †° (2.57)
Konversikan kepada mikrofarad £§ per-mil dan mengubah dasar dari istilah logaritmik, maka menjadi:
ù(Ö = ^,^Vss
< '•¶ †° £§ íDA − +{- (2.58)
Persamaan (2.58) memberikan kapasitansi antara konduktor fasa ke fasa. Kapasitansi ke netral untuk konduktor A didefinisikan sebagai:
ù(d = Éñ
û = <rôö
'¢ †
°:
(2.59)
Demikian juga, bagi mengamati bahwa muatan pada konduktor B adalah -q, maka:
ùÖd = 4ñÉ
ü= <rôö
'¢ °=† (2.60)
Untuk A/ = A<, menjadi:
ù(d = ùÖd = <rôö
'¢ †° (2.61)
Perhatikan bahwa:
ù(d = ùÖd = 2ù(Ö (2.62)
Konversikan kepada `§ per-mil, maka diperoleh:
ù(d = ^,^Vss
'•¶ †° £§ íDA − +{- − OD|Aß- (2.63)
Reaktansi kapasitif P# adalah:
P# = <r®Ü/ = QClog89 )ℎ+© − +{- − OD|Aß- (2.64)
dimana faktor QC menjadi:
QC = Z,/x/^® ™ (2.65)
Memperluas logaritma, menjadi:
P# = QClog X + QClog/
9 (2.66)
Istilah pertama adalah P";, faktor jarak dari reaktansi kapasitif, dan istilah kedua dinamakan P[;, reaktansi kapasitif dengan 1 ft.
P"; = QClog X (2.67)
P[; = QClog/
9 (2.68)
P# = P";+ P[; (2.69)
Hubungan terakhir yang sangat mirip dengan yang diberikan untuk kasus induktansi. Salah satu perbedaan yang perlu dicatat adalah jari-jari konduktor untuk rumus kapasitansi adalah radius konduktor luar dan bukan nilai yang diubah AC.
Contoh Soal 2.6 (Hawary 2008)
Carilah reaktansi kapasitif dalam ohm-mil-per-fasa untuk saluran fasa tunggal dengan jarak fasa 25 ft dan jari-jari konduktor 0,08 ft dalam operasi 60 Hz.
Penyelesaian:
Perhatikan bahwa saluran yang sama dari Contoh Soal 2.1 mempunyai f = 60 Hz.
QC = Z,/x/^™
® = 0,06833110_ Kita hitung menjadi:
P"; = QClog 25 = 95,52110V
P[; = QClog^.^s/ = 74,95110V
Hasilnya menjadi:
P# = P";+ P[,
P# = 170,47110V )ℎ+ − +{- − OD|Aß-
Berikut rincian software MATLAB yang menerapkan contoh soal 2.6 berdasarkan persamaan (2.67) ke (2.69).
Hasil menjalankan rincian yang seperti yang ditunjukkan di bawah ini:
% Contoh Soal 2.6
% Data f=60; % Hz
D=25; % phase separation (ft) R=0.08; % conductor radius (ft)
% To calculate the capacitive reactance
% in ohms.mile per phase Kp=4.1*10^6/f;
Xdp=kp*log10(D) Xap=kp*log10(1/r) Xc=Xdp+Xap
EDU>>
Xdp = 9.5526e+004 Xap = 7.4956e+004 Xc = 1.7048e+005
2.3.2 Efek Tanah
Pengaruh tanah perlu dipertimbangkan jika konduktor tidak cukup tinggi di atas tanah. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan teori biaya gambar. Ini adalah nilai imajiner yang besarnya sama dengan biaya fisik tetapi tanda berlawanan dan terletak di bawah tanah pada jarak yang sama dengan biaya fisik dan tanah. Potensi tanah karena biaya dan gambar adalah nol, yang konsisten dengan asumsi dasar adalah potensial nol.
2.3.3 Konfigurasi General Multi-Konduktor
Mengingat sistem n paralel dan konduktor yang sangat panjang dengan ´/, ´<, … , ´¢, kita dapat menyatakan bahwa potensi di titik P memiliki jarak A/, A<, … , A¢ kepada konduktor, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.13.
Iò = <rôñ:
öln 9/
: + <rôñ=
öln 9/
= + ⋯ + <rôñ≠
öln 9/
≠ (2.70) Ini adalah ekstensi sederhana dari kasus dua konduktor.
q1
P
q2
q3
qn-1
qn
r1
r2
r3
rn-1
rn
Gambar 2.13 Konfigurasi multi-konduktor
D
H/2
H/2 A
A’ B’
HAB’
q -q
Gambar 2.14 Saluran fasa tunggal
Tegangan fasa A diberikan sesuai dengan Persamaan (2.70), maka:
I( = <rôñ
öln Æ9.Æ8
ûü; (2.71)
Tegangan pada fasa B, maka:
IÖ= ñ
<rôöln Æûü;
8 .9
Æ (2.72)
Perbedaan tegangan antara fasa A dan B adalah:
I(Ö = I( − IÖ = rôñ
öln Æ9.Æ8
ûü; (2.73)
Kapasitansi antara dua konduktor menjadi:
ù(Ö = rôö
Ø∞ †°. ±
±ûü;
(2.74)
Kapasitansi ke netral menggunakan:
ù(d = Éñ
û = <rôö
Ø∞†°.±ûü;± WßAß≤ − íDA − +D|DA (2.75)
Diamati lagi:
ù(Ö = Üûu< (2.76)
Mari kita menguji pengaruh tanah pada kapasitansi untuk satu saluran dalam contoh berikut.
Contoh Soal 2.7 (Hawary 2008)
Hitunglah kapasitansi ke netral untuk saluran fasa tunggal dengan jarak fasa 20 ft dan jari- jari konduktor 0,075 ft. Asumsikan bahwa tinggi konduktor di atas tanah adalah 80 ft.
Penyelesaian:
D = 20 ft r = 0,075 ft H = 160 ft Hasilnya:
≥(ÖC = 160 < + 20 < = 161,2452 W|
Kemudian:
ù(d: = <rôö
Ø∞ö,öy¥=ö .:™:,=E¥=:™ö
= t,t5s<rôö WßAß≤ − íDA − +D|DA
Jika kita mengabaikan efek tanah, maka memiliki:
ù(d= = <rôö
Ø∞ö,öy¥=ö .
= t,ts_<rôö WßAß≤ − íDA − +D|DA
Kesalahan relatif yang terlibat jika kita mengabaikan efek bumi.
Üûu:4 Üûu=
Üûu: = 0,0014 Yang jelas kurang dari 1%.
2.3.4 Kapasitansi Pada Rangkaian Tunggal Untuk Saluran Tiga Fasa
Kasus saluran tiga fasa dengan konduktor tidak mempunyai jarak yang sama.
Diasumsikan bahwa kapasitansi ke netral dalam setiap fasa adalah sama dengan nilai rata-
rata. Pendekatan ini memberikan hasil yang akurasi yang memadai. Konfigurasi Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 2.15. Menggunakan tiga fasa kondisi seimbang dengan sinusoidal bervariasi.
´[+ ´ó+ ´# = 0 (2.77)
Rata-rata potensial pada fasa A diberikan:
I( = <rôñú
öln 8:=8=Ç98:Ç :/Ç (2.78) Kapasitansi ke netral diberikan oleh:
ù(d = Éñú
û = <rôÉ ö
û (2.79)
D12 D13
D23 A
B C
1
3
Gambar 2.15 Saluran tiga fasa dengan jarak umum
di mana:
Xïñ = XÇ /<X<VX/V (2.80)
Diamati bahwa Xïñ adalah sama dengan jarak rata-rata geometrik yang diperoleh dalam kasus induktansi. Selain itu, kita memiliki ekspresi yang sama untuk kapasitansi sebagai bahwa untuk saluran fasa tunggal, yaitu:
ù(d = <rôö
Ø∞ µ∂†° WßAß≤ − íDA − +D|DA (2.81)
Jika memperhitungkan efek tanah (pengaruh bumi), maka dengan ekspresi yang dimodifikasi untuk kapasitansi. Pertimbangkan saluran tiga fasa yang sama dengan saluran yang ditunjukkan pada Gambar 2.16 dengan saluran yang garis diasumsikan transposisi.
Akibatnya, fasa rata-rata tegangan A akan diberikan oleh:
I( = V <rôñû
ö ln 8:=98Ç=ÇÆ8:Ç Æ:Æ=ÆÇ
:=Æ:ÇÆ=Ç (2.82)
D12
D13
D23
A
B
1 3 C
2
H2
H12 H23
H1 H3
B’ 2'
A’
1'
C’
3'
Gambar 2.16 Saluran tiga fasa dengan efek tanah
ù(d = <rôö
Ø∞†ìî° ±:=±:DZ=DZ:±=±Ç :/Ç
(2.83)
Atau,
ù(d = <rôö
Ø∞ †ìî° e'¢ ±:±=±Ç
±:=±:DZ=Ç
:/Ç (2.84)
Didefenisikan jarak rata-rata:
≥á = ≥/≥<≥V //V (2.85)
≥∑ = ≥/<≥<V≥/V //V (2.86)
Kemudian ekspresi kapasitansi menjadi:
ù(d = <rôö
Ø∞ †ìî° 4Ø∞ ±∏±π (2.87)
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa efek tanah akan memberikan nilai yang lebih tinggi untuk kapasitansi dengan mengabaikan efek tanah.
Contoh Soal 2.8 (Hawary 2008)
Hitunglah nilai kapasitansi ke netral untuk rangkaian tunggal, saluran tiga fasa 345 kV dengan konduktor yang memiliki diameter luar dari 1,063 in. Dengan konfigurasi fasa seperti pada Gambar 2.17. Ulangi untuk masukan efek ke tanah dengan asumsi ketinggian konduktor adalah 50 ft.
23 ft 6 in 23 ft 6 in
Gambar 2.17 Tata letak konduktor
Penyelesaian:
bcX = 23,5 23,5 47 :Ç = 29,61 W|
A = /,^_V< /< = 0,0443 W|
ù(d = <rôö
'¢µ∂†°
= 8,54041104/< WßAß≤ − íDA − +D|DA
≥/ = ≥< = ≥V = 2150 = 100 W|
≥/< = ≥<V = 23,5 <+ 100 < = 102,72
≥/V = 47 <+ 100 < = 110,49 ln ÆÆπ
∏ = ln /^^ /^^ /^^
/^<,5< /^<,5< //^,Zw //V
= −0,0512
Kemudian:
ù(d = /sx/^∫ _,t^t4^,^t/</
= 8,60821104/< WßAß≤ − íDA − +D|DA
Berikut rincian MATLAB yang mengimplementasikan contoh soal 2.8
Lanjutan rincian MATLAB
% Contoh Soal 2.8
% Data
D12=23.5; % ft D23=23.5; % ft D13=47; % ft r=0.0443; % ft
eo=(1/(36*pi))*10^-9;
% To find the capacitance to neutral in farads/m GMD=(D12*D23*D13)^(1/3)
CAN=(2*pi*eo)/(log(GMD/r))
% To calculate the capacitance to neutral,
% including the effect of earth H1=2*50; % ft
H2=H1;
H3=H1;
H12=(D12^2+H1^2)^.5;
H23=H12;
H13=(D13^2+H3^2)^.5;
Hs=(H1*H2*H3)^(1/3);
Hm=(H12*H23*H13)^(1/3);
CAN=(2*pi*eo)/(log(GMD/r)-log(Hm/Hs))
Hasil menjalankan rincian MATLAB seperti ditunjukkan di bawah ini:
2.3.5 Kapasitansi Saluran Rangkaian Ganda
Perhitungan kapasitansi dari saluran rangkaian ganda dapat terlibat jika analisis diikuti secara terperinci. Dalam prakteknya, akurasi cukup diperoleh jika kita menganggap bahwa biaya yang merata dan bahwa ´[ dibagi antara kedua konduktor fasa A. Lebih lanjut mengasumsikan bahwa jalur tersebut dialihkan. Akibatnya, kita memperoleh kapasitansi rumus sama dengan saluran rangkaian tunggal. Saluran rangkaian ganda dengan fasa, A, B, C, A', B' dan C' ditempatkan pada posisi 1, 2, 3, 1', 2' dan 3' secara berurutan di segmen 1 dari siklus transposisi. Situasi ini ditunjukkan pada Gambar 2.18.
A
B
C A’
B’
1 C’
2
3 1'
2' 3'
Gambar 2.18 Saluran rangkaian ganda pada konfigurasi konduktor di segmen 1 siklus transposisi
I( =/< <rôñú ö ln 8:=8:;=;8:=;8:;= 89™:Ç88=;Ç;8=;Ç8=Ç; 8:Ç8=;Ç;8:;Ç8:Ç;
::;= 8==;= 8ÇÇ;= (2.88) Hasilnya:
ù(d = <rôö
'¢µ∂†µ∂ª (2.89)
Seperti yang telah dilakukan untuk kasus induktansi, maka didefinisikan:
EDU>>
GMD = 29.6081 CAN = 8.5407e012 CAN = 8.6084e012
bcX = X(Öìî XÖÜìî X(Üìî //V (2.90) X(Öìî = X/<X/C<CX/<CX/C< //Z (2.91) XÖÜìî = X<VX<CVCX<CVX<VC //Z (2.92) X(Üìî = X/VX/CVCX/VCX/CV //Z (2.93)
GMR menjadi:
bc! = A(AÖAÜ //V (2.94)
Dengan:
A( = AX//C //< (2.95)
AÖ = AX<<C //< (2.96)
AÜ = AXVVC //< (2.97)
Jika ingin masukkan efek ke tanah dalam perhitungan, maka perpanjangan rumusan yang sederhana akan dilakukan.
Hasilnya menjadi:
ù(d = <rôö
Ø∞µ∂†µ∂ªe º (2.98)
A B
C A’
B’
C’
1 2
3 1'
2' 3'
A_
B_
C_ A’_
B’_
1_ C’_
2_
3_ 1'_
2'_
3'_
H1 H3'
H1' H3
H11'
Tanah
H2 H2'
Gambar 2.19 Saluran rangkaian ganda efek ke tanah
Dimana GMD dan GMR diberikan pada persamaan (2.90) dan (2.94), maka didefenisikan menjadi:
Ω = ln ÆÆπ
∏ (2.99)
≥á = ≥á:≥á=≥áÇ //V (2.100) Dengan:
≥á: = ≥/≥/C≥//C< //Z (2.101)
≥á= = ≥<≥<C≥<<C< //Z (2.102)
≥áÇ = ≥V≥VC≥VVC< //Z (2.103) Dan:
≥∑ = ≥∑:=≥∑Ç=≥∑=Ç //V (2.104)
≥∑:= = ≥/<≥/C<C≥/<C≥/C< //Z (2.105)
≥∑:Ç = ≥/V≥/CVC≥/VC≥/CV //Z (2.106)
≥∑=Ç = ≥<V≥<CVC≥<VC≥<CV //Z (2.107)
2.3.6 Kapasitansi Konduktor Bundel
Hal ini cukup untuk mempertimbangkan saluran fasa tunggal untuk mencapai kesimpulan yang mudah diperluas untuk kasus tiga fasa. Dalam diskusi ini menggunakan yang berkaitan dengan bundel kabel konduktor. Saluran fasa tunggal dengan konduktor bundel memiliki sub-konduktor N, pada lingkaran dengan jari-jari A, dan setiap sub- konduktor memiliki radius r.
Menjadi:
ù(d = <rôö
Ø∞ †
°u û uv::/u
farad-per-meter (2.108)
Perpanjangan hasil di atas untuk kasus tiga fasa diperoleh dengan mengganti D dengan GMD, maka:
ù(d = <rôö
Ø∞ µ∂†
°u û uv::/u
(2.109)
Dengan:
bcX = X(ÖXÖÜX(Ü //V (2.110)
Reaktansi kapasitif dalam Mega-ohm dihitung untuk 60 Hz dan 1 mil dari saluran yang menggunakan basis 10 logaritma menjadi sebagai berikut:
P# = 0.0683 log 9d (lm8uv: :/u (2.111) P# = P[, + P", (2.112)
Reaktansi kapasitif ini dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu:
P[, = 0.0683 log 9d ( /uv: :/u (2.113)
dan,
P"C = 0.0683 log (bcX) (2.114)
Jika jarak bundel S dengan jari-jari A dari lingkaran konduktor seperti sebelumnya.
j = æ
< ëø∞ u¿ W)A a > 1 (2.115)
2.4 Latihan Soal
1) Tentukan reaktansi induktif dalam ohm/mil/fasa untuk 345 kV, saluran rangkaian tunggal dengan konduktor ACSR 84/19 yang mempunyai rata-rata GMR adalah 0,0588 ft. Asumsikan konfigurasi fasa horizontal dengan jarak fasa 26 ft.
2) Hitung reaktansi induktif dalam ohm/mil/fasa untuk 500 kV, rangkaian tunggal, dua sub-konduktor saluran bundel (ACSR 84/19) yang mana GMR adalah 0,0534 ft.
Asumsikan konfigurasi fasa horizontal dengan jarak fasa 33,5 ft dan jarak bundel adalah 18 in.
3) Carilah reaktansi induktif dalam ohm/mil/fasa untuk 500 kV, rangkaian tunggal, dua saluran sub-konduktor bundel dengan ACSR 84/19 dengan GMR adalah 0,0588 ft.
Asumsikan konfigurasi fasa horizontal dengan jarak 32 ft dan jarak bundel adalah 18 in.
4) Carilah reaktansi induktif dalam ohm/mil/fasa untuk 765 kV, rangkaian tunggal, saluran konduktor bundel dengan empat sub-konduktor mempunyai jarak per bundel 18 in. Sub-konduktor GMR adalah 0,0385 ft. Asumsikan konfigurasi fasa horizontal dengan jarak fasa 44,5 ft.