Tugas akhir 2013 - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Teori Dasar Listrik
Dalam teori listrik dikenal adanya besaran dan satuan listrik yaitu:
Tegangan Listrik (beda potensial antara dua penghantar yang bermuatan
listrik dalam Volt), sedangkan arus listrik (muatan lsitrik yang mengalir
pada suatu penghantar dari yang berpotensial tinggi ke rendah dalam
Ampere), Frekuensi (banyaknya siklus atau periode gelombang berjalan
arus listrik Bolak-balik selama satu detik dalam Hertz), Hambatan/
tahanan hal-hal yang dapat menghambat proses mengalirnya arus listrik
dalam Ohm). Daya Listrik (Daya semu dalam va, Daya nyata/aktif dalam
watt, Daya reatif dalam var), Beban Listrik (Beban Resistif contoh lampu
pijar, Beban induktif contoh transformator, motor listrik, Beban kapasitif
contoh kapasitor). Dari ketiga Daya tersebut terdapat suatu hubungan
yang dapat ditunjukkan pada Gambar,
Gambar 2.1. Segi Tiga Daya
10
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Perbandingan antara besar daya aktif dengan daya semu disebut
faktor daya (cos θ), θ adalah sudut yang dibentuk antara daya aktif dan
daya semu. Faktor daya ini terjadi karena adanya pergeseran fasa yang
disebabkan oleh adanya beban induktif/kumparan dan beban kapasitif.
Dalam teori listrik arus bolak-balik penjumlahan daya dilakukan secara
vektoris, yang dibentuk vektornya merupakan segitiga siku-siku, yang
dikenal dengan segitiga daya. Sudut θ merupakan sudut pergeseran fasa,
semakin besar sudutnya, semakin besar Daya Semu (S), dan semakin besar
pula Daya Reaktif (Q), sehingga faktor dayanya (cosθ)semakin kecil. Daya
reaktif adalah daya yang hilang, atau daya rugi-rugi sehingga semakin
besar sudutnya atau semakin kecil faktor dayanya maka rugi-ruginya
semakin besar.
(
)=
(
(
)
)
……………………………………… (2.1)
Dimana:
P
= Daya Nyata
( Watt )
S
= Daya Semu
( VA )
fp ( cos φ )
= Faktor Daya
2.1.1 Arus Listrik
Arus listrik adalah mengalirnya elektron secara terus menerus dan
berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada
11
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
beberapa lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. satuan arus listrik
adalah Ampere. Arus listrik bergerak dari terminal positif (+) ke terminal
negatif (-), sedangkan aliran listrik dalam kawat logam terdiri dari aliran
elektron yang bergerak dari terminal negatif (-) ke terminal positif(+), arah
arus listrik dianggap berlawanan dengan arah gerakan elektron.
Gambar 2.2. Arah arus listrik dan arah gerakan elektron.
“1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 624x10^16 (6,24151 ×
10^18) atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang
konduktor”
Rumus arus listrik adalah:
=
………………..……………………………………. (2.2)
Dimana:
I
= Besarnya arus listrik yang mengalir
( Ampere )
Q
= Besarnya muatan listrik
( Coulomb )
12
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
t
= waktu
( Detik )
2.1.2 Kuat Arus
Kuat Arus adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya
elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam
satuan waktu.
Definisi : “Ampere adalah satuan kuat arus listrik yang dapat memisahkan
1,118 milligram perak dari nitrat perak murni dalam satu detik”.
Rumus–rumus untuk menghitung banyaknya muatan listrik, kuat arus dan
waktu:
=
=
=
………………………………………………..…. (2.3)
Dimana :
Q
=
Banyaknya muatan listrik
( coulomb )
I
=
Kuat Arus
( Amper )
t
=
Waktu
( Detik )
Kuat arus listrik biasa juga disebut dengan arus listrik, muatan listrik
memiliki muatan positip dan muatan negatif. Muatan positip dibawa oleh
proton, dan muatan negatif dibawa oleh elektro. Satuan muatan ”coulomb
13
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
(C)”, muatan proton +1,6 x 10^-19C, sedangkan muatan elektron -1,6x
10^-19C. Muatan yang bertanda sama saling tolak menolak, muatan
bertanda berbeda saling tarik menarik.
2.1.3 Rapat Arus
Difinisi rapat arus ialah besarnya arus listrik tiap-tiap mm² luas
penampang kawat.
Gambar 2.3. Kerapatan arus listrik.
Arus listrik mengalir dalam kawat penghantar secara merata menurut luas
penampangnya. Arus listrik 12 A mengalir dalam kawat berpenampang
4mm², maka kerapatan arusnya 3A/mm² (12A/4 mm²), ketika penampang
penghantar mengecil 1,5mm², maka kerapatan arusnya menjadi 8A/mm²
(12A/1,5 mm²). Kerapatan arus berpengaruh pada kenaikan temperatur.
Suhu penghantar dipertahankan sekitar 300°C, dimana kemampuan hantar
arus kabel sudah ditetapkan dalam tabel Kemampuan Hantar Arus (KHA).
14
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Tabel 2.1. Kemampuan Hantar Arus (KHA)
Berdasarkan tabel KHA kabel pada tabel diatas, kabel berpenampang 4
mm², 2 inti kabel memiliki KHA 30A, memiliki kerapatan arus 8,5A/mm².
Kerapatan arus berbanding terbalik dengan penampang penghantar,
semakin besar penampang penghantar kerapatan arusnya mengecil.
Rumus-rumus dibawah ini untuk menghitung besarnya rapat arus, kuat
arus dan penampang kawat:
=
=
=
……………………………………………. (2.4)
Dimana:
J
=
Rapat arus
[ A/mm²]
I
=
Kuat arus
[ Amp]
A
=
luas penampang kawat
[ mm²]
15
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
2.1.4 Tahanan dan Daya Hantar Penghantar
Penghantar dari bahan metal mudah mengalirkan arus listrik,
tembaga dan aluminium memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Bahan
terdiri dari kumpulan atom, setiap atom terdiri proton dan elektron. Aliran
arus listrik merupakan aliran elektron. Elektron bebas yang mengalir ini
mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya. Akibatnya terjadi
gesekan elektron denganatom dan ini menyebabkan penghantar panas.
Tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap
bahan.
 Tahanan didefinisikan 1 Ω (satu Ohm) adalah tahanan satu kolom air
raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada
temperatur 0° C.
 Daya hantar didefinisikan sebagai berikut: Kemampuan penghantar
arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat atau isolasi adalah
suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga
tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti
sangat sulit dialiri arus listrik.
Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar
arus:
=
=
………………………………………………. (2.5)
16
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Dimana :
R
=
Tahanan/resistansi
[ Ω/ohm]
G
=
Daya hantar arus /konduktivitas
[Y/mho]
Gambar 2.4. Resistansi Konduktor
Tahanan
penghantar
besarnya
berbanding
terbalik
terhadap
luas
penampangnya dan juga besarnya tahanan konduktor sesuai hukum Ohm.
Bila suatu penghantar dengan panjang l , dan diameter penampang q serta
tahanan jenis ρ (rho), maka tahanan penghantar tersebut adalah :
=
……………………………………………. (2.6)
17
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Dimana :
R
=
Tahanan kawat
[ Ω/ohm]
l
=
Panjang kawat
[meter/m]
ρ
=
Tahanan jenis kawat
[Ωmm²/meter]
A
=
Luas penampang kawat
[mm²]
Faktot-faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena
tahanan suatu jenis material sangat tergantung pada :
•
Panjang penghantar.
•
Luas penampang konduktor.
•
Jenis konduktor .
•
Temperatur.
Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur, ketika temperatur
meningkat ikatan atom makin meningkat akibatnya aliran elektron
terhambat. Dengan demikian kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan
tahanan penghantar. Suatu saluran transmisi akan mempunyai resistansi
dan induktansi seri, yang bersama-sama membentuk impedansi seri dari
kawat-kawat penghantar, serta konduktansi dan kapasitansi shunt dari
dielektrikum yang terdapat di antara penghantar-penghantar, yang
bersama-sama membentuk admitansi shunt dari saluran.
18
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Gambar 2.5. Saluran Transmisi ditinjau dari Sudut Rangkaian
 Konduktansi
Konduktansi (G) didefinisikan sebagai ukuran kemampuan suatu
bahan untuk mengalirkan muatan dan dalam standar SI mempunyai
satuan siemens (S). Nilai konduktansi yang besar menunjukkan bahwa
bahan tersebut mampu mengkonduksikan arus dengan baik, tetapi nilai
konduktansi yang rendah menunjukkan bahan itu susah mengalirkan
muatan. Secara matematis, konduktansi merupakan kebalikan dari
resistansi. Jadi
=
[siemens, S] ………………………………….… (2.7)
Dimana:
R
=
Resistansi
[Ω/ohm].
19
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
 Admitansi
Admitansi adalah perbandingan arus listrik efektif terhadap tegangan
efektifnya untuk isyarat (sinyal) listrik bolak-balik (yang berbentuk
sinusoida). Lambang admitansi adalah Y dengan satuan Siemens. Jadi
admitansi berlaku dalam suatu kalang (lingkaran arus) AC (alternating
current).
=
(Siemens)
Admitansi adalah kebalikan dari impedansi.
=
1
Untuk resistansi
Untuk
reaktansi
,⇒
=
=
induktif
(Suseptansi Induktif)
( Konduktansi )
⟹
⇒
Untuk reaktansi Kapasitif
Kapasitif)
=
=
=
=
=
=
= −
(Suseptnsi
Jika diketahui Z1 = R, Z2 = XL = jωL, Z3 = XC = -j/ωC, maka
admitansi total adalah:
1
1
=
=
1
1
1
+
+
1
2
3
1
+
1
+
1
−
=
1
−
1
+
20
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
1
=
1
=
+
±
1
−
⇒
=
−
1
Jadi jika diketahui impedansi kompleks,
kompleksnya adalah;
=
Dimana :
⇒
−
±
±
maka admitansi
…………………………………… (2.8)
Z
=
Impedansi
R
=
Resistansi
X
=
Reaktansi
jx
=
Reaktansi Induktif
-jx
=
Reaktansi Kapasitif
Y
=
Admitansi
G
=
Konduktansi
B
=
Suseptansi
jB
=
Suseptansi Kapasitif
-jB =
=
Suseptansi Induktif
 Impedansi
Impedansi adalah ukuran nilai tahanan suatu komponen terhadap arus
yang melaluinya dan ukuran nilainya adalah ohm (Ω). Secara
umumnya untuk menjelaskan apa itu impedansi adalah seberapa besar
sirkuit (dalam hal ini adalah capacitor) menghambat laju arus listrik.
21
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Semakin kecil nilai impedansi, maka semakin baik. Impedansi semakin
kecil juga berarti semakin kecil pula disipasi panas dari komponen
tersebut. Impedansi dan hambatan (resistansi) keduanya memiliki
satuan yang sama yaitu ohm.
Dalam koordinat Kartesius,
=
+
………………………………………………. (2.9)
Dimana:
=
Impedansi
(Ω)
=
Resistansi
(Ω)
=
Reaktansi
(Ω)
=
Bilangan Imajiner
 Kapasitansi
Kapasitansi atau kapasitans adalah ukuran jumlah muatan listrik yang
disimpan (atau dipisahkan) untuk sebuah potensial listrik yang telah
ditentukan. Bentuk paling umum dari piranti penyimpanan muatan
adalah sebuah kapasitor dua lempeng/pelat/keping. Jika muatan di
lempeng/pelat/keping adalah +Q dan –Q, dan V adalah tegangan listrik
antar lempeng/pelat/keping, maka rumus kapasitans adalah:
=
……………………………………………………... (2.10)
22
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Dimana:
C
=
Kapasitansi yang diukur
( Farad )
Q
=
Muatan yang diukur
( coulomb )
V
=
Voltase yang diukur
( volt )
Unit SI dari kapasitansi adalah farad; 1 farad = 1 coulomb per volt.
2.1.5 Potensial atau Tegangan
Potensial listrik adalah fenomena berpindahnya arus listrik akibat
lokasi yang berbeda potensialnya.dari hal tersebut, kita mengetahui adanya
perbedaan potensial listrik yang sering disebut “potential difference atau
perbedaan potensial”. satuan dari potential difference adalah Volt.
Satu Volt adalah beda potensial antara dua titik saat melakukan usaha satu
joule untuk memindahkan muatan listrik satu coulomb.
Rumus beda potensial atau tegangan adalah:
=
………………………………………………. (2.11)
Dimana:
V
=
Beda potensial atau tegangan
( Volt )
W
=
Usaha
( Joule )
Q
=
Muatan listrik
( Coulomb )
23
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
2.1.6 Hukum Ohm
Pada suatu rangkaian tertutup, Besarnya arus I berubah sebanding dengan
tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R, atau
dinyatakan dengan Rumus :
=
=
=
…………………………………….…………..
(2.12)
Dimana;
I
=
Arus listrik
( Ampere )
V
=
Tegangan
( Volt )
R
=
Resistansi atau tahanan
( Ohm )
•
Rumus untuk menghitung Daya (P), dalam satuan watt adalah:
P=IxV
P=IxIxR
P = I² x R
…………………………………………… (2.13)
Dimana;
P
=
Daya Listrik
( Watt )
I
=
Arus listrik
( Ampere )
24
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
V
=
Tegangan
( Volt )
R
=
Resistansi atau tahanan
( Ohm )
2.1.7 Hukum KIRCHOFF
Pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus yang bertemu di
satu titik adalah nol (ΣI=0).
Gambar 2.6. Loop arus Kirchoff
Jadi:
I1 + (-I2) + (-I3) + I4 + (-I5 ) = 0
I1 + I4 = I2 + I3 + I5
…………………………… (2.14)
25
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
2.2
Sistem Distribusi Daya Listrik
Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang terpadu oleh
hubungan-hubungan peralatan dan komponen listrik seperti: generator,
transformator, jaringan tenaga listrik dan beban-beban listrik atau
pelanggan. Pendistribusian tenaga listrik adalah bagian dari suatu proses
sistem tenaga listrik yang secara garis besar dapat dibagi menjadi tiga
tahap yaitu:
1)
Proses produksi di pusat-pusat pembangkit tenaga listrik (PLTA,
PLTG, PLTU)
2) Proses penyaluran daya/transmisi dengan tegangan tinggi (30, 70, 150,
500 KV) dari pusat-pusat pembangkit ke gardu-gardu induk.
3)
Proses
pendistribusian
tenaga
listrik
dengan
tegangan
menengah/melalui jaringan Distribusi primer (misal 11 atau 20 KV)
dan tegangan rendah/jaringan distribusi sekunder (110, 220, 380 V).
Jaringan distribusi adalah semua bagian dari suatu sistem yang
menunjang pendistribusian tenaga listrik yang berasal dari gardu-gardu
induk. Sedangkan komponen-komponen jaringan distribusi adalah
Jaringan distribusi primer (suatu jaringan dengan system 20 KV), gardu
distribusi (suatu sistem dengan peralatan utama trafo untuk menurunkan
tagangan), jaringan Distribusi sekunder (suatu jaringan dengan system
tegangan 110 V, 220 V, 380 V). Klasifikasi jaringan distribusi menurut
strukturnya antara lain:
26
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
1) Struktur jaringan radial
2) Struktur jaringan loop
3) Struktur jaringan spindle
4) Struktur jaringan Hantaran Penghubung (Tie Line)
5) Struktur jaringan Gugus atau Kluster
2.3
Perangkat Rele Proteksi
Sistem proteksi/pengaman suatu tenaga listrik yang membentuk
suatu pola pengaman tidaklah hanya relay pengaman saja tetapi juga
Current Transformer [CT] dan Voltage Transformer [VT] yang merupakan
perangkat instrumen pada relay pengaman, sumber daya DC merupakan
sumber untuk mengoperasikan relay pengaman dan pemutus tenaga
PMT/CB yang akan menerima perintah akhir dari relay pengaman.
Jadi sistem proteksi/pengaman tenaga listrik adalah satu kesatuan
antara CT, VT, Relay, sumber DC, dan PMT. Adanya kesalahan dari salah
satu komponen tersebut akan berakibat sistem tersebut tidak jalan.
Relay proteksi dapat merasakan adanya gangguan pada peralatan
yang diamankan dengan mengukur atau membandingkan besaran-besaran
yang diterimanya, misalnya arus, tegangan, daya, sudut fasa, frekuensi,
impedansi dan sebagainya, dengan besaran yang telah ditentukan,
kemudian mengambil
keputusan untuk seketika ataupun dengan
perlambatan waktu membuka pemutus tenaga.
27
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Tugas relay proteksi juga berfungsi menunjukkan lokasi dan
macam gangguannya. Dengan data tersebut memudahkan analisa dari
gangguannya. Dalam beberapahal relay hanya memberi tanda adanya
gangguan atau kerusakan, jika dipandang gangguan atau kerusakan
tersebut tidak membahayakan. Dari uraian di atas maka relay proteksi pada
sistem tenaga listrik berfungsi untuk:
a) Merasakan, mengukur dan menentukan bagian sistem yang terganggu
serta memisahkan secepatnya sehingga sistem lainnya yang tidak
terganggu dapat beroperasi secara normal.
b) Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu.
c) Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang
tidak terganggu di dalam sistem tersebut serta mencegah meluasnya
gangguan.
d) Memperkecil bahaya bagi manusia.
Untuk mendapatkan daerah pengaman yang cukup baik, dalam
sistem tenaga listrik terbagi di dalam suatu daerah pengaman yang cukup
dengan pemutusan subsistem seminimum mungkin.Untuk memenuhi
fungsi di atas, relay proteksi harus memenuhi persyaratan berikut:
1. Selektif
2. Reliable (Dapat Diandalkan)
3. Cepat
4. Sensitif
5. Ekonomis dan Sederhana.
28
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Proteksi terdiri dari seperangkat peralatan yang merupakan sistem yang
terdiri dari komponen-komponen berikut:
2.3.1 Relay
Relay, sebagai alat perasa untuk mendeteksi adanya gangguan yang
selanjutnya memberi perintah trip kepada Pemutus Tenaga (PMT). Relay
adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang digerakkan
oleh arus listrik. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar dengan lilitan
kawat pada batang besi(solenoid) di dekatnya. Ketika solenoid dialiri arus
listrik, tuas akan tertarik karena adanya gaya magnet yang terjadi pada
solenoid sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan,
gaya magnet akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak
saklar kembali terbuka.Relay biasanya digunakan untuk menggerakkan
arus/tegangan yang besar (misalnya peralatan listrik 4 ampere AC 220 V)
dengan memakai arus/tegangan yang kecil (misalnya 0.1 ampere 12 Volt
DC). Relay yang paling sederhana ialah relay elektromekanis yang
memberikan pergerakan mekanis saat mendapatkan energi listrik.
Secara sederhana relay elektromekanis ini didefinisikan sebagai berikut :

Alat yang menggunakan gaya elektromagnetik untuk menutup (atau
membuka) kontak saklar.

Saklar yang digerakkan (secara mekanis) oleh daya/energi listrik.
Dalam pemakaiannya biasanya relay yang digerakkan dengan arus
DC dilengkapi dengan sebuah dioda yang di-paralel dengan lilitannya dan
29
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
dipasang terbaik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan
(+). Ini bertujuan untuk mengantisipasi sentakan listrik yang terjadi pada
saat relay berganti posisi dari on ke off agar tidak merusak komponen di
sekitarnya.
Konfigurasi dari kontak-kontak relay ada tiga jenis, yaitu:
 Normally Open (NO), apabila kontak-kontak tertutup saat relay dicatu.
 Normally Closed (NC), apabila kontak-kontak terbuka saat relay
dicatu.
Change Over (CO), relay mempunyai kontak tengah yang normal
tertutup, tetapi ketika relay dicatu kontak tengah tersebut akan membuat
hubungan dengan kontak-kontak yang lain.
Penggunaan relay perlu memperhatikan tegangan pengontrolnya
serta kekuatan relay men-switch arus/tegangan. Biasanya ukurannya
tertera pada body relay. Misalnya relay 12VDC/4 A 220V, artinya
tegangan yang diperlukan sebagai pengontrolnya adalah 12Volt DC dan
mampu men-switch arus listrik (maksimal) sebesar 4 ampere pada
tegangan 220 Volt. Sebaiknya relay difungsikan 80% saja dari
kemampuan maksimalnya agar aman, lebih rendah lagi lebih aman.Relay
jenis lain ada yang namanya reedswitch atau relay lidi. Relay jenis ini
berupa batang kontak terbuat dari besi pada tabung kaca kecil yang dililitin
kawat. Pada saat lilitan kawat dialiri arus, kontak besi tersebut akan
menjadi magnet dan saling menempel sehingga menjadi saklar yang on.
30
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Ketika arus pada lilitan dihentikan medan magnet hilang dan kontak
kembali terbuka (off).
Gambar 2.7. Relay
Prinsip Kerja Relay
Relay terdiri dari Coil & Contact, coil adalah gulungan kawat yang
mendapat arus listrik, sedang contact adalah
sejenis saklar yang
pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik dicoil. Contact ada
2 jenis : Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan
Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close).
Secara
sederhana berikut ini prinsip kerja dari relay : ketikaCoil mendapat energi
listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik
armature yang berpegas, dan contact akan menutup.
31
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Gambar 2.8. Prinsip Kerja Relay
Rele dibedakan dalam dua kelompok:
1. Komparator, mendeteksi dan mengukur kondisi abnormal, dan
membuka/menutup kontak (trip).
2. Auxiliary relay, dirancang untuk dipakai di auxiliary circuit yang
dikontrol oleh rele komparator, dan membuka/menutup kontak-kontak
lain (yang umumnya berarus kuat).
2.3.2 Trafo arus ( CT)
Trafo arus dan/atau trafo tegangan sebagai alat yang mentransfer besaran
listrik primer dari sistem yang diamankan ke rele (besaran listrik
sekunder).
32
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
I. Trafo Arus (CT )
a. Defenisi dan Fungsi
Sistem pengukuran besaran listrik pada jaringan tenaga listrik yang
berkapasitas besar, harus menggunakan trafo pengukuran, yaitu trafo arus
( current transformer ) untuk besaran arus dan trafo tegangan (potential
transformer) untuk besaran tegangan dan merubahnya menjadi besaran
pengukuran (sekunder). Dengan besaran sekunder ini, maka peralatan
ukur (meter dan proteksi) dapat dirancang lebih fleksibel, sehingga hasil
pengukurannya lebih akurat dan presisi.
Trafo arus adalah trafo yang dirancang khusus untuk fungsi pengukuran
arus pada rangkaian primer dan mengkonversinya menjadi besaran
sekunder.
Fungsi trafo arus (CT):
 Mengkonversi besaran arus pada sistem tenaga listrik dari besaran
primer menjadibesaran sekunder untuk keperluan sistem metering dan
proteksi.
 Mengisolasi rangkaian sekunder terhadap rangkaian primer.
 Standarisasi besaran sekunder, yaitu 1 A, 2 A dan 5 A.
b. Prinsip Kerja Trafo Arus
Prinsip Kerja
Prinsip kerja trafo arus adalah sebagai berikut :
33
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Gambar 2.9. Rangkaian pada Trafo Arus
Untuk trafo yang dihubung singkat:
.
=
.
…………………………………… (2.15)
Untuk trafo pada kondisi tidak berbeban:
Dimana:
=
=
>
……………………………………
(2.16)
……………………………………. (2.17)
ℎ
<
Dimana:
E1
=
Tegangan lilitan primer
( Volt )
E2
=
Tegangan lilitan sekunder
( Volt )
I1
=
Arus lilitan primer
( Ampere )
I2
=
Arus lilitan sekunder
( Ampere )
N1
=
Jumlah lilitan primer
34
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
N2
=
Jumlah lilitan sekunder
Adapun rangkaian ekivalen trafo arus adalah sebagai berikut :
Gambar 2.10. Rangkaian Ekivalen
Tegangan induksi pada sisi sekunder adalah
= 4,44 . . . .
…………………………...… (2.18)
Tegangan jepit rangkaian sekunder adalah
=
=
.(
+
.
)
……………………………... (2.19)
………………………………. (2.20)
Dalam aplikasinya harus dipenuhi U1>U2
Dimana:
B
=
Kerapatan fluksi
( Tesla )
A
=
Luas penampang
( m² )
F
=
Frekuensi
( Hz )
N1
=
Jumlah lilitan primer
35
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
N2
=
Jumlah lilitan sekunder
U1
=
Tegangan sisi primer
( Volt )
U2
=
Tegangan sisi sekunder
( Volt )
Zb
=
Impedansi / tahanan beban trafo arus
( Ohm )
Zkawat =
Impedansi / tahanan kawat dari terminasi CT ke instrument
( Ohm )
Zinti
=
Impedansi / tahanan internal instrumen, misalnya relai
proteksiatau peralatan meter
( Ohm )
Diagram Fasor Arus dan Tegangan pada Trafo Arus (CT)
Gambar 2.11. Diagram Fasor Arus dan Tegangan
pada Trafo Arus
36
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
c. Aplikasi Trafo Arus
Berdasarkan penggunaan, trafo arus dikelompokkan menjadi dua
kelompok dasar,yaitu; trafo arus metering dan trafo arus proteksi.
a) Trafo arus metering
Trafo arus pengukuran untuk metering memiliki ketelitian tinggi pada
daerah kerja (daerah pengenalnya) antara 5% - 120% arus
nominalnya, tergantung dari kelas dan tingkat kejenuhan.Tingkat
kejenuhan trafo arus metering relatif lebih rendah dibandingkan trafo
arus proteksi. Penggunaan trafo arus pengukuran untuk Amperemeter, Watt-meter, VARh-meter, Energi-meter dan cos φ meter.
b) Trafo Arus Proteksi
Trafo arus proteksi memiliki ketelitian tinggi sampai arus yang besar
yaitu padasaat terjadi gangguan, dimana arus yang mengalir mencapai
beberapa kali dariarus pengenalnya dan trafo arus proteksi
mempunyai tingkat kejenuhan cukup tinggi. Penggunaan trafo arus
proteksi untuk relai arus lebih (OCR dan GFR), relai beban lebih,
relai diferensial, relai daya dan relai jarak. Perbedaan mendasar trafo
arus pengukuran dan proteksi adalah pada titik saturasinya seperti
pada kurva saturasi dibawah (Gambar 2.11).
37
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Gambar 2.12. Kurva kejenuhan CT untuk Metering dan Proteksi
Trafo arus untuk metering dirancang supaya lebih cepat jenuh
dibandingkan trafo arus proteksi sehingga konstruksinya mempunyai
luas penampang inti yang lebih kecil (Gambar 2.13).
Gambar 2.13. Luas Penampang Inti Trafo Arus
c) Trafo arus berdasarkan rasio transformasi
 Rasio tunggal (single ratio)
Contoh rasio trafo arus:
38
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
– 150 – 300 / 5 A, 150 – 300 / 5 – 5 A
– 400 – 800 – 1600 / 5 A, 400 – 800 – 1600 / 5 – 5 – 5 A.
Gambar 2.14. Trafo Arus Rasio Tunggal 150 – 300 / 5 – 5 A
 Rasio ganda (double ratio)
Contoh rasio trafo arus:
– 150 – 300 / 5 A dan 1000 – 2000 / 5 A,
– 800 – 1600 / 5 A dan 1000 – 2000 / 5 A
Gambar 2.15. Trafo Arus Rasio Ganda 800-1600 / 5-5-5 A
dan 1000-2000 / 5 A
39
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
d) Trafo arus berdasarkan jumlah inti pada sekunder
 Trafo arus dengan inti tunggal (single core)
Contoh:
150 – 300 / 5 A, 200 – 400 / 5 A, atau 300 – 600 / 1 A.
 Trafo arus dengan inti banyak (multi core)
Trafo arus dengan inti banyak dirancang untuk berbagai keperluan
yangmempunyai sifat pengunaan yang berbeda dan untuk
menghemat tempat.
d. Pengenal ( Rating) Trafo Arus
a) Pengenal Beban (Rated Burden )
Pengenal beban adalah pengenal dari beban trafo arus dimana akurasi
trafo arusmasih bisa dicapai dan dinyatakan dalam satuan VA.
Umumnya bernilai 2.5, 5, 7.5,10, 15, 20, 30 dan 40 VA.
b) Pengenal Arus Kontinyu (Continuous Rated Current )
Pengenal arus kontinu adalah arus primer maksimum yang
diperbolehkan
mengalirsecara
terus-menerus
(arus
nominal).
Umumnya dinyatakan pada pengenal trafoarus, contoh: 300 / 5 A.
c) Pengenal Arus Sesaat (Instantaneous Rated Current)
Pengenal arus sesaat atau sering disebut short time rated current
adalah arus primer maksimum (dinyatakan dalam nilai rms) yang
40
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
diperbolehkan mengalir dalam waktu tertentu dengan sekunder trafo
arus terhubung singkat sesuai dengan tanda pengenal trafo arus (name
plate),
contoh:Ith= 31.5 kA / 1 s.
d) Pengenal Arus Dinamik (Dynamic Rated Current )
Pengenal arus dinamik adalah perbandingan
, dimana Ipeak
adalah arus puncak primer maksimum trafo arus yang diijinkan tanpa
menimbulkan kerusakan dan Irated adalah arus nominal primer trafo
arus,
contoh: Idyn = 40 kA
e. Ketelitian/Akurasi Trafo Arus
Ketelitian trafo arus dinyatakan dalam tingkat kesalahannya. Semakin
kecil kesalahan sebuah trafo arus, semakin tinggi tingkat ketelitian /
akurasinya.
a. Batas Ketelitian Arus Primer (Accuracy Limit Primary Current)
Batas ketelitian arus primer adalah batasan kesalahan arus primer
minimum dimana kesalahan komposit dari trafo arus sama atau lebih
kecil dari 5% atau 10% pada saat sekunder dibebani arus
pengenalnya.
41
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
b. Faktor Batas Ketelitian (Accuracy Limit Factor / ALF)
Faktor batas ketelitian disebut juga faktor kejenuhan inti adalah
batasan perbandingan nilai arus primer minimum terhadap arus
primer pengenal dimanakesalahan komposit dari trafo arus sama atau
lebih kecil dari 5% atau 10% pada sekunder yang dibebani arus
pengenalnya. ALF merupakan perbandingan dari
.
Contoh:
CT 5P20 dengan rasio 300/1 A, artinya accuracy limit factor (ALF) =
20, maka batas ketelitian trafo arus tersebut adalah :
≤ 5% pada nilai 20 x Arus pengenal primer atau
≤ 5% * 300 A pada pengukuran arus primer 20 * 300 A, atau
≤ 15 A pada pengukuran arus primer 6000 A.
c. Kelas Ketelitian Trafo Arus Metering
Trafo arus metering memiliki ketelitian tinggi untuk daerah
pengukuran sampai 1,2 kali nominalnya. Daerah kerja trafo arus
metering antara : 0.1 – 1.2 x INtrafo arus. Kelas ketelitian trafo arus
metering dinyatakan dalam prosentase kesalahan rasio pengukuran
baik untuk arus maupun pergeseran sudut fasa, seperti pada Tabel 2.2
dan 2.3 di bawah.
42
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
Tabel 2.2 Batas Kesalahan Trafo Arus Metering
Tabel 2.3 Batas Kesalahan Trafo Arus Metering
Gambar 2.16 Kurva Faktor Batas Ketelitian
43
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
d. Kelas Ketelitian Trafo Arus Proteksi
1. Kelas P
Kelas ketelitian trafo arus proteksi dinyatakan dalam pengenal
sebagai berikut: 15 VA, 10P20.
15 VA = Pengenal beban (burden) trafo arus, sebesar 15 VA.
10 P
= Kelas proteksi, kesalahan 10 % pada pengenal batas
akurasi.
20
= Accuracy Limit Factor, batas ketelitian trafo arus s.d. 20
kali arus pengenal.
Tabel 2.4: Kesalahan Rasio dan Pergeseran Fasa Trafo Arus
Proteksi
2. Kelas TPX, TPY dan TPZ
Trafo arus yang mempunyai sirkit tanpa ataupun dengan celah
udara
sertamempunyai
tipikal
konstanta
waktu
sekunder,
dikelompokkan sebagai berikut:
44
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
-
Kelas TPX (non gapped core )
Trafo arus TPX adalah trafo arus tanpa celah udara dengan
konstanta waktu lebihlama dari 5 detik, umumnya 5 s.d. 20
detik.Trafo arus jenis ini mempunyaiketelitian tinggi, arus
magnetisasi
yang
sangat
rendah,
presisi
pada
transformasikomponen AC dan DC.
 Cocok untuk semua jenis proteksi.
 Faktor remenensi KR≈ 0.8
 Trafo arus jenis ini mempunyai inti yang besar sehingga
berat dan mahal.
 Dapat dikombinasikan dengan trafo arus jenis TPY.
 Pengguna ( user ) harus menyertakan nilai minimum dari
Vknee dan nilai rmsmaksimum dari arus eksitasi.
 Trafo arus jenis TPX ini pada umumnya digunakan pada
sistem tegangan tinggi / tegangan ekstra tinggi untuk
proteksi: Busbar, CCP, dan REF
-
Kelas TPY (Anti Remanence Gapped Core )
Trafo arus TPY adalah trafo arus yang memiliki celah udara
kecil (pada inti) dengan konstanta waktu 0.2 s.d. 5 detik. Trafo
arus jenis ini hampir sama dengan trafoarus jenis TPX namun
transformasi komponen DC tidak seteliti trafo arus TPX.
45
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
 Kesalahan transien lebih besar pada konstanta waktu yang
kecil.
 Faktor remenensi KR< 0.1
 Trafo arus jenis ini mempunyai inti yang besar sehingga
berat dan mahal.
 Cocok untuk semua jenis proteksi.
 Toleransi konstanta waktu sekunder ± 20 % jika Ts < 2
detik dan CT digunakan untuk proteksi penghantar (LP).
-
Kelas TPZ (linear core )
Trafo arus TPZ adalah trafo arus yang memiliki celah udara
besar (pada inti) dengan konstanta waktu 60 milidetik ±10%.
Arus magnetisasi 53% dari arus sekunder pada keadaan tunak (
steady state ).
 Faktor remenensi KR≈ 0
 Ukuran core 1/3 dari tipe TPX dan TPY untuk keperluan
yang sama,
 Hanya dapat dikombinasikan dengan trafo arus jenis TPZ
saja.
46
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
2.3.3 Pemutus Tenaga (PMT)
A. Pengertian Pemutus Tenaga
Pemutus tenaga (PMT) adalah suatu alat otomatis yang mampu
memutus / menutup rangkaian pada semua kondisi yaitu kondisi
gangguan maupun kondisi normal, atau dapat juga sebagai alat yang
dibutuhkan untuk mengontrol jaringan tenaga listrik dengan membuka
circuit dengan menutup circuit (sebagai sakelar) dengan membawa beban
secara pengawasan manual atau otomatis, sedangkan jika dalam keadaan
gangguan atau keadaan tidak normal PMT dapat membuka dengan
bantuan rele yang mendeteksi, sehingga gangguan dapat dipisahkan.
B. Jenis-jenis Pemutus Tenaga
Selama beroperasi pada keadaan normal PMT dapat dibuka
danditutup
tanpa
menimbulkan
akibat
yang
merugikan.
Dalam
keadaangangguan atau keadaan yang tidak normal relay akan mendeteksi
dan menutup rangkaian tripping dari PMT maka akan menggerakkan
mekanisme penggerak untuk membuka kontak-kontak PMT.Berdasarkan
media pemadam busur api listrik PMT dibedakanmenjadi :
1. PMT dengan menggunakan banyak minyak (Bulk Oil CB)
2. PMT dengan menggunakan sedikit minyak (Small Oil CB)
3. PMT dengan menggunakan udara hembus (Air Blast CB)
4. PMT dengan menggunakanruang hampa udara (VacuumCB)
5. PMT dengan menggunakan gas
47
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
2.3.4 Baterai
Bateri merupakan suatu alat yangmenghasilkan energi listrik
dengan proses reaksi kimia. Baterai dapat berupa susunan beberapa sel
atau satu sel saja.Tiap sel dari baterai terdiri dari elektroda positif (anoda)
dan elektroda negatif atau katoda, dan larutan elektrolit.Jenis elektroda dan
elektrolit pada baterai tergantung dari pabrik yang memproduksi baterai
tersebut.Baterai digunakan sebagai sumber penghasil arus searah atau
DC.Di gardu-gardu induk maupun pusat-pusat pembangkit tenaga listrik
baterai ini berfungsi sebagai:
1. Sumber tenaga motor-motor untuk PMT, PMS, tap changer, trafo tenaga
dan sebagainya.
2. Sumber tenaga untuk alat-alat kontrol ,tanda-tanda isyarat (signal dan
alarm)
3. Tenaga untuk peralatan telekomunikasi (PLC)
4. Tenaga untuk penerangan darurat
5. Tenaga untuk relay proteksi
Gambar di bawah menunjukkan susunan dasar suatu baterai:
Gambar.2.17 Susunan dasar suatu baterai
48
Tugas Akhir 2013
Universitas Mercubuana
2.3.5 Pengawatan (wiring)
Pengawatan/wiring
berfungsi
menyalurkan
atau
meneruskan
besaran-besaran sinyal listrik dari perangkat proteksi yang satu ke
perangkat
proteksi lainnya.Kerusakan atau kelainan pada sistem
pengawatan dapat berakibat gagalnya fungsi proteksi. Kerusakan/kelainan
pada sistem pengawatan antara lain :

Putus.

Lepas pada sambungan atau terminal.

Hubung singkat atau hubung tanah.

Kontak longgar.
49