TEGANGAN JATUH

Perhitungan Voltage Drop

Jatuh tegangan merupakan besarnya tegangan yang hilang pada suatu penghantar. Jatuh tegangan pada saluran tenaga listrik secara umum berbanding lurus dengan panjang saluran dan beban serta berbanding terbalik dengan luas penampang penghantar. Besarnya jatuh tegangan dinyatakan baik dalam persen atau dalam besaran Volt. Besarnya batas atas dan bawah ditentukan oleh kebijaksanaan perusahaan kelistrikan. Perhitungan jatuh tegangan praktis pada batas-batas tertentu dengan hanya menghitung besarnya tahanan masih dapat dipertimbangkan, namun pada sistem jaringan khususnya pada sistem tegangan menengah masalah indukstansi dan kapasitansinya diperhitungkan karena nilainya cukup berarti (PT.PLN(Persero),2010: hal 20).

Tegangan jatuh secara umum adalah tegangan yang digunakan pada beban. Tegangan jatuh ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui tahanan kawat. Tegangan jatuh V pada penghantar semakin besar jika arus I di dalam penghantar semakin besar dan jika tahanan penghantar Rℓ semakin besar pula. Tegangan jatuh merupakan penanggung jawab terjadinya kerugian pada penghantar karena dapat menurunkan tegangan pada beban. Akibatnya hingga berada di bawah tegangan nominal yang dibutuhkan. Atas dasar hal tersebut maka tegangan jatuh yang diijinkan untuk instalasi arus kuat hingga 1.000 V yang ditetapkan dalam persen dari tegangan kerjanya (Daryanto,2010: hal 18 & 42).

Sesuai dengan standar tengangan yang ditentukan oleh PLN (SPLN), perancangan jaringan dibuat agar jatuh  tegangan  di ujung  diterima 10%. Tegangan jatuh pada  jaringan disebabkan  adanya rugi tegangan akibat hambatan listrik (R) dan reaktansi (X). Jatuh tegangan phasor Vd pada suatu penghantar yang mempunyai impedansi (Z) dan membawa arus (I) dapat dijabarkan dengan rumus :

Vd=I.Z………………………………………………………………….1

Dalam pembahasan ini yang dimaksudkan dengan jatuh tegangan (∆V) adalah selisih antara tegangan kirim (Vk) dengan tegangan terima (V_T), maka jatuh tegangan dapat didefinisikan adalah :

∆V  =  ( Vk ) – (V_T )………………………………………………..2

Karena adanya resistansi pada penghantar maka tegangan yang diterima konsumen (Vr) akan lebih kecil dari tegangan kirim (Vs), sehingga tegangan jatuh (Vdrop) merupakan selisih antara tegangan pada pangkal pengiriman (sending end) dan tegangan pada ujung penerimaan (receiving end) tenaga listrik. Tegangan jatuh relatip dinamakan regulasi tegangan V_R (voltage regulation) dan dinyatakan oleh rumus :

……………………………………………………….3

Dimana :

Vs = tegangan pada pangkal pengiriman

Vr = tegangan pada ujung penerimaan

 Untuk menghitung jatuh tegangan, diperhitungkan reaktansinya, maupun faktor dayanya yang tidak sama dengan satu, maka berikut ini akan diuraikan cara perhitunganya. Dalam penyederhanaan perhitungan, diasumsikan beban–bebannya merupakan beban fasa tiga yang seimbang dan faktor dayanya (Cos φ) antara 0,6 s/d 0,85. tegangan dapat dihitung berdasarkan rumus pendekatan hubungan sebagai berikut :

(∆V ) =  I ( R . cos φ + X . sin φ ) L………………………………..4

Dimana :

         I   =  Arus beban ( Ampere )

R  =  Tahanan rangkaian ( Ohm )

X  =  Reaktansi rangkaian ( Ohm

Perhitungan Voltage Drop (Tegangan Jatuh) Pada Kabel - Pada kabel konduktor pasti memiliki nilai impedansi dan sehingga setiap kali arus mengalir melalui kabel tersebut, akan ada jatuh tegangan disepanjang kabel, yang dapat diturunkan dengan Hukum Ohm (yaitu V = IZ ). Penurunan tegangan tersebut tergantung pada dua hal, yaitu :

        1.  Aliran arus melalui kabel - semakin tinggi arus, semakin besar tegangan drop

        2.  Impedansi konduktor - semakin besar impedansi, semakin besar tegangan drop

Impedansi kabel

Impedansi kabel merupakan  fungsi dari ukuran kabel (luas penampang) dan panjang kabel. Umumnya produsen kabel akan melampirkan data kabel yang diproduksinya seperti nilai resistansi kabel dan reaktansi kabel dalam satuan Ω / km.

Menghitung Jatuh Tegangan (Voltage Drop)

Untuk sistem suplay tegangan AC , metode menghitung jatuh tegangan (voltage drop) adalah dengan berdasarkan faktor beban dengan mempertimbangkan arus beban penuh pada suatu sistim. Tetapi jika beban memiliki arus startup tinggi (misalnya motor) , maka tegangan drop dihitung dengan berdasarkan pada arus start up motor tersebut serta faktor daya .

Untuk sistem tiga phasa :

V3 = [S3 I ( RcCos + XcSin ) L] / 1000

Dimana :

V3   , Tegangan Jatuh (Voltage Drop) Tiga Phasa

I        , adalah arus beban penuh atau arus nominal atau arus saat start (A)

Rc      , adalah resistansi ac kabel ( Ω / km )

Xc      , adalah reaktansi ac kabel ( Ω / km )

Cos  , adalah faktor daya beban ( pu )

L        , adalah panjang kabel ( m)

Untuk sistem fase tunggal :

V1 = [2 I ( RcCos + XcSin ) L] / 1000

Dimana :

V1   , Tegangan Jatuh (Voltage Drop) Satu Phasa

I        , adalah arus beban penuh atau arus nominal atau arus saat start (A)

Rc      , adalah resistansi ac kabel ( Ω / km )

Xc      , adalah reaktansi ac kabel ( Ω / km )

Cos  , adalah faktor daya beban ( pu )

L        , adalah panjang kabel ( m)

Untuk sistem DC :

Vdc = [2 I  Rc  L] / 1000

Dimana :

Vdc   , Tegangan Jatuh (Voltage Drop) Tegangan DC

I        , adalah arus beban penuh atau arus nominal atau arus saat start (A)

Rc      , adalah resistansi dc kabel ( Ω / km )

L        , adalah panjang kabel ( m)

Tegangan Jatuh (Voltage Drop) Maksimum

Tegangan Jatuh (Voltage Drop) Maksimum merupakan drop tegangan tertinggi yang diperbolehkan timbul sepanjang kabel yang dialiri oleh arus listrik. Bila drop tegangan yang timbul melebih batas maksimum, maka ukuran kabel yang lebih besar harus dipilih.

Tegangan Jatuh (Voltage Drop) disepanjang kabel lebih ditentukan karena beban konsumen (misalnya peralatan) sehingga tegangan yang sampai diinput peralatan tidak melebihi batas toleransi. Ini berarti, jika tegangan pada alat tersebut lebih rendah dari tegangan minimum , maka alat tidak dapat beroperasi dengan benar .

Secara umum, sebagian besar peralatan listrik akan beroperasi normal pada tegangan serendah 80 % dari tegangan nominal. Sebagai contoh, jika tegangan nominal adalah 230VAC, maka sebagian besar peralatan dapat dijalankan pada > 184VAC. Pemilihan ukuran untuk kabel penghantar yang baik adalah ukuran yang hanya mengalami drop tegangan sebesar kisaran 5 - 10% pada beban penuh .

SISTEM PROTEKSI DAYA

SISTEM PROTEKSI DAYA

Keandalan dan kemampuan suatu sistem tenaga listrik dalam melayani konsumen sangat tergantung pada sistem proteksi yang digunakan. Oleh sebab itu dalam perencangan suatu sistem tenaga listrik, perlu dipertimbangkan kondisi-kondisi gangguan yang mungkin terjadi pada sistem, melalui analisa gangguan.

Pada dasarnya gangguan dapat terjadi karena kegagalan operasi peralatan dalam sistem,  kesalahan manusia dan karena alam. Langkah yang dapat diambil untuk mencegah terjadinya gangguan antara lain dengan menggunakan isolasi yang baik, membuat koordinasi isolasi dan menghindarkan kesalahan operasi. Tetapi  langkah – langkah tersebut  dibatasi oleh faktor ekonomis dan alam. Karenanya para engineer sepakat : gangguan boleh saja terjadi dan tidak dapat dihindari namun dampaknya harus diminimisasi. Tabel 1 menunjukkan data statistik persentase gangguan pada sistem tenaga ( diktat kuliah sistem proteksi teknik elektro UI oleh J. Sukarto)

Tabel 1. Frekuensi gangguan untuk berbagai peralatan sistem tenaga

Peralatan	% Terhadap Total
SUTT	50
Kabel	10
Switchgear	15
Trafo Daya	12
Trafo arus dan trafo tegangan	2
Peralatn kontrol	3
Lain-lain	8

Dari tabel 1 terlihat SUTT mengalami gangguan paling sering. Jenis ganguan yang terjadi di SUTT ditunjukkan pada tabel 2 ( diktat kuliah sistem proteksi teknik elektro UI oleh J. Sukarto)

.

Tabel 2. Frekuensi jenis gangguan pada SUTT

Jenis Gangguan	% Kejadian
Fasa ke tanah (L-G)	85
Fasa ke fasa (L-L)	8
Fasa ke fasa ke tanah (L-L-G)	5
Tiga fasa (L-L-L)	2

Dari hasil analisa gangguan, dapat ditentukan sistem proteksi yang akan digunakan, seperti: spesifikasi switchgear, rating circuit breaker (CB) serta penetapan besaran-besaran yang menentukan bekerjanya suatu relay (setting relay) untuk keperluan proteksi.

A.Definisi Sistem Proteksi

Proteksi sistem tenaga listrik adalah sistem proteksi yang dipasang pada peralatan-peralatan listrik suatu sistem tenaga listrik, misalnya generator, transformator, jaringan dan lain-lain, terhadap kondisi abnormal operasi sistem itu sendiri. Kondisi abnormal itu dapat berupa antara lain: hubung singkat, tegangan lebih, beban lebih, frekuensi sistem rendah, asinkron dan lain-lain.

B. Tujuan Sistem Proteksi Daya – 

Tujuan dari Sistem Proteksi Daya adalah untuk me-isolasi zona yang mengalami gangguan pada sistim daya listrik dari zona yang aman sehingga zona yang aman tersebut masih bisa berfungsi dan beroperasi tanpa terjadinya kerusakan selama berlangsungnya arus gangguan.

C. Manfaat Sistem Proteksi

1.    Menghindari ataupun untuk mengurangi kerusakan peralatan-peralatan akibat gangguan (kondisi abnormal operasi sistem). Semakin cepat reaksi perangkat proteksi yang digunakan maka akan semakin sedikit pengaruh gangguan kepada kemungkinan kerusakan alat.

2.    Cepat melokalisir luas daerah yang mengalami gangguan, menjadi sekecil mungkin.

3.    Dapat memberikan pelayanan listrik dengan keandalan yang tinggi kepada konsumen dan juga mutu listrik yang baik.

4.    Mengamankan manusia terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh listrik.

Pengetahuan mengenai arus-arus yang timbul dari berbagai tipe gangguan pada suatu lokasi merupakan hal yang sangat esensial bagi pengoperasian sistem proteksi secara efektif. Jika terjadi gangguan pada sistem, para operator yang merasakan adanya gangguan tersebut diharapkan segera dapat mengoperasikan circuit-circuit Breaker yang tepat untuk mengeluarkan sistem yang terganggu atau memisahkan pembangkit dari jaringan yang terganggu. Sangat sulit bagi seorang operator untuk mengawasi gangguan-gangguan yang mungkin terjadi dan menentukan CB mana yang dioperasikan untuk mengisolir gangguan tersebut secara manual.

Mengingat arus gangguan yang cukup besar, maka perlu secepat mungkin dilakukan proteksi. Hal ini perlu suatu peralatan yang digunakan untuk mendeteksi keadaan-keadaan yang tidak normal tersebut dan selanjutnya menginstruksikan circuit breaker yang tepat untuk bekerja memutuskan rangkaian atau sistem yang terganggu. Dan peralatan tersebut kita kenal dengan relay.

Ringkasnya proteksi dan tripping otomatik circuit-circuit yang berhubungan, mempunyai dua fungsi pokok:

1.    Mengisolir peralatan yang terganggu, agar bagian-bagian yang lainnya tetap beroperasi seperti biasa.

2.    Membatasi kerusakan peralatan akibat panas lebih (over heating), pengaruh gaya-gaya mekanik dst.

3.    "Koordinasi antara relay dan circuit breaker(CB) dalam mengamati dan memutuskan gangguan disebut sebagai sistem proteksi".

        Sebuah circuit breaker dapat mengisolasi gangguan yang terjadi pada sebuah titik sehingga bagian yang lain masih terus beroperasi. Circuit breaker tersebut akan membuka secara otomatis ketika terjadinya gangguan melalui sinyal trip yang dikirim oleh sebuah relay proteksi. Relay proteksi bukanlah untuk mencegah mengalirnya arus gangguan yang menuju kesuatu sistim distribusi daya, akan tetapi sistim proteksi berfungsi untuk mencegah kesinambungan arus gangguan yang mengalir menuju sistim distribusi daya dengan cara memutus bagian yang mengalami gangguan dengan cepat. Sehingga penting sekali untuk mengetahui karaketristik beban dan  besaran parameter yang listrik pada sistim distribusi sebelum kita mengatur parameter - parameter proteksi untuk melindungi sistim tersebut ketika terjadi gangguan.

D. Karakteristik untuk Relay Proteksi

1. Reliability (Kehandalan)

Reliability (Kehandalan) merupakan syarat terpenting yang mesti dipenuhi oleh sebuah relay proteksi. Reliability relay dapat dilihat ketika dimana relay proteksi tersebut stand-by tida beroperasi dalam jangka waktu yang lama (karena tidak ada gangguan) , dan ketika gangguan timbul, relay tersebut segera memberi respon secara tepat dan tepat.

2. Selectivity (Selektifitas)

Relay proteksi hanya boleh beroperasi sesuai dengan kondisi yang telah diatur atau ditetapkan pada saat penyetingan. Pada beberapa kondisi gangguan, ada beberapa relay proteksi yang tidak harus beroperasi , dan kalaupun beroperasi telah diatur denganpenundaan waktu yang telah diatur sebelumnya. Selektifitas sebuah relay proteksi adalah harus mampu beroperasi sesuai dengan kondisi gangguan yang sesuai.

3. Sensitivity (Kepekaan)

Relay proteksi harus cukup sensitif sehingga langsung beroperasi ketika tingkat gangguan yang muncul telah melewati batas yang telah ditetapkan.

4. Speed (Kecepatan)

Relay proteksi harus dapat beroperasi sesuai dengan kecepatan yang diperlukan (yang sudah disetting). Koordinasi antar relay proteksi harus ditetapkan secara tepat, sehingga gangguan yang terjadi pada sebagaian dari sistim tidak mengganggu operasional pada sebagian yang lain. Sehingga ketika arus gangguan yang mengalir pada sebuah sistim distribusi , relay proteksi pada bagian yang tidak mengalami gangguan tidak langsung beroperasi karena relay proteksi pada sistim yang mengalami gangguan langsung beroperasi dan mengisolasi bagian yang mengalami gangguan tersebut.

Banyak hal yang harus dipertimbangkan dalam mempertahankan arus kerja maksimum yang aman. Jika arus kerja bertambah melampaui batas aman yang ditentukan dan tidak ada proteksi atau jika proteksi tidak memadai atau tidak efektif, maka keadaan tidak normal dan akan mengakibatkan kerusakan isolasi. Pertambahan arus yang berkelebihan menyebabkan rugi-rugi daya pada konduktor akan berkelebihan pula, sedangkan pengaruh pemanasan adalah sebanding dengan kwadrat dari arus:

H = I².R.t Joules

Dimana;
H = panas yang dihasilkan (Joule)
I = arus listrik (ampere)
R = tahanan konduktor (ohm)
t = waktu atau lamanya arus yang mengalir (detik)

Proteksi harus sanggup menghentikan arus gangguan sebelum arus tersebut naik mencapai harga yang berbahaya. Proteksi dapat dilakukan dengan Sekering atau Circuit Breaker.
Proteksi juga harus sanggup menghilangkan gangguan tanpa merusak peralatan proteksi itu sendiri. Untuk ini pemilihan peralatan proteksi harus sesuai dengan kapasitas arus hubung singkat “breaking capacity” atau Repturing Capacity.

Disamping itu, sistem proteksi yang diperlukan harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:

a.    Sekering atau circuit breaker harus sanggup dilalui arus nominal secara terus menerus tanpa pemanasan yang berlebihan (overheating).

b.    Overload yang kecil pada selang waktu yang pendek seharusnya tidak menyebabkan peralatan bekerja.

c.     Sistem Proteksi harus bekerja walaupun pada overload yang kecil tetapi cukup lama, sehingga dapat menyebabkan overheating pada rangkaian penghantar.

d.    Sistem Proteksi harus membuka rangkaian sebelum kerusakan yang disebabkan oleh arus gangguan yang dapat terjadi.

e.    Proteksi harus dapat melakukan “pemisahan” (discriminative) hanya pada rangkaian yang terganggu yang dipisahkan dari rangkaian yang lain yang tetap beroperasi.

Proteksi overload dikembangkan jika dalam semua hal rangkaian listrik diputuskan sebelum terjadi overheating. Jadi disini overload action relatif lebih lama dan mempunyai fungsi inverse terhadap kwadrat dari arus. 

Proteksi gangguan hubung singkat dikembangkan jika action dari sekering atau circuit breaker cukup cepat untuk membuka rangkaian sebelum arus dapat mencapai harga yang dapat merusak akibat overheating, arcing atau ketegangan mekanik.

 

E. Sifat – Sifat Sistem Proteksi

1.      Diskriminasi : peka pada arus gangguan minimum tetapi tidak untuk arus beban maksimum

2.      Selektivitas : hanya bekerja pada bagian yang terganggu dan tidak pada bagian yang sehat, artinya sistem proteksi  hanya pada daerah pengamannya saja atau mendapat prioritas utama untuk bekerja à main protection

3.      Sensitivitas (kepekaan) : segera merasakan adanya gangguan

4.      Realibilitas (keandalan) : sistem proteksi harus bekerja cepat dan dapat diandalkan.

5.      Cepat : segera bekerja untuk menghindari waktu penyelesaian kritis (clearing time) yang terlampaui, kerusakan peralatan karena dialiri arus besar dengan jangka waktu lama dan gangguan tetap yang akan menyebabkan tegangan jatuh.

Sifat – sifat tersebut juga menjadi persyaratan sistem proteksi yang baik ditambah dengan persyaratan lain seperti :

F. Proteksi Pendukung

Proteksi pendukung (back up) merupakan susunan yang sepenuhnya terpisah dan yang bekerja untuk mengeluarkan bagian yang terganggu apabila proteksi utama tidak bekerja (fail). Sistem pendukung ini sedapat mungkin indenpenden seperti halnya proteksi utama, memiliki trafo-trafo dan rele-rele tersendiri. Seringkali hanya triping CB dan trafo -trafo tegangan yang dimiliki bersama oleh keduanya. Tiap-tiap sistem proteksi utama melindungi suatu area atau zona sistem daya tertentu. Ada kemungkinan suatu daerah kecil diantara zo na -zona yang berdekatan misalnya antara trafo-trafo arus dan circuit breaker-circuit breaker tidak dilindungi. Dalam keadaan seperti ini sistem back up (yang dinamakan, remote back up) akan memberikan perlindungan karena berlapis dengan zona-zona utama.

Pada sistem distribusi aplikasi back up digunakan tidak seluas dalam sistem tansmisi,cukup jika hanya mencakup titik-titik strategis saja. Remote back up akan bereaksi lambat dan biasanya memutus lebih banyak dari yang diperlukan untuk mengeluarkan bagian yang terganggu.

G. Pertimbangan ekonomis

Dalam sistem distribusi aspek ekonomis hampir mengatasi aspek teknis, oleh karena jumlah feeder, trafo dan sebagainya yang begitu banyak, asal saja persyaratan keamanan yang pokok dipenuhi. Dalam suatu sistem transmisi justru aspek teknis yang penting. Proteksi relatif mahal, namun demikian pula sistem atau peralatan yang dilindungi dan jaminan terhadap kelangsungan peralatan sistem adalah vital.
Untuk tujuan tersebut, biasanya digunakan dua sistem proteksi yang terpisah, yaitu proteksi primer atau proteksi utama dan proteksi pendukung (back up).

H. Komponen-Komponen Sistem Proteksi

Secara umum, komponen-komponen sistem proteksi terdiri dari:
1. Circuit Breaker, CB (Sakelar Pemutus, PMT)
2. Relay
3. Trafo arus (Current Transformer, CT)
4. Trafo tegangan (Potential Transformer, PT)
5. Kabel kontrol
6. Catu daya, Suplai (batere)


Peralatan proteksi dipilih berdasarkan kapasitas arus hubung singkat ‘Breaking capacity’ atau ‘Repturing Capcity’.

I.               Rangkuman

Proteksi dan automatic tripping Circuit Breaker (CB) dibutuhkan untuk:

1.    Mengisolir peralatan yang terganggu agar bagian-bagian yang lainnya tetap beroperasi seperti biasa.

2.    Membatasi kerusakan peralatan akibat panas lebih (overheating), pengaruh gaya mekanik dan sebagainya.

Proteksi harus dapat menghilangkan dengan cepat arus yang dapat
mengakibatkan panas yang berkelebihan akibat gangguan
H = I²x.R×t Joules

Peralatan proteksi selain sekering adalah peralatan yang dibentuk dalam suatu sistem koodinasi relay dan circuit breaker