BAB II KWH METER UNTUK PENGUKURAN ENERGI LISTRIK

BAB II
KWH METER UNTUK PENGUKURAN ENERGI LISTRIK
2.1.Teori Dasar Listrik
Tidak seperti arus searah dimana besar dan polaritas dari arus/tegangan
selalu tetap sepanjang waktu maka pada arus bolak-balik, besar dan polaritas dari
arus/tegangan berubah-rubah terhadap waktu mengikuti bentuk fungsi sinus.
1+
Arus Berkurang
pada arah Posistif
Perubahan
Positif
Arus Berkurang
pada arah Posistif
1/3
0
Perubahan
Negatif
Arus Bertambah
pada arah Negatif
Arus Bertambah
pada arah Negatif
1-
Gambar 2.1. Grafik Cosinus – Karakteristik Arus Bolak Balik
Dari karakteristik tersebut maka kita kenal
1.
Tegangan / arus sesaat
2.
Tegangan / arus puncak / maksimum
3.
Tegangan / arus efektif
6
:
7
Tegangan
Arus
Nilai sesaat
:
e
= V sin wt
I = sin t
Nilai maks
:
V
= V
I =I
Nilai efektif
:
Vef = V / √2
Ief = I / √2
Nilai efektif adalah nilai yang terukur pada alat ukur (Volt meter /Amper meter)
Misalnya tegangan dirumah : 220 volt atau 380 volt.
Daya satu phasa :
P = V x
Dimana , P
I x Cos 
(Watt) …………………………………………..(2.1)
: Daya yang diserap beban.
(Watt)
V : Tegangan Phasa – Netral
(Volt)
I : Arus
(Ampere)
Daya tiga phasa :
P = 3 x V x I x Cos 
Dimana ,
(Watt)………………………………………....(2.2)
P : Daya yang diserap beban.
(Watt)
V : Tegangan Phasa – Phasa
(Volt)
I : Arus per phasa
(Amper)
 : Beda sudut fasa antara tegangan dan arus
8
Cos  disebut juga faktor daya yang besarnya tergantung dari sifat beban
(Resistif, Induktif , capasitif atau gabungan Resistif + Induktif / Capasitif).
Pada sistem arus searah hanya mengenal beban resistive ( R ), tetapi pada
sistem arus bolak balik beban merupakan “ Impedansi” ( Z ) yang biasa dibentuk
dari unsur : R, L, C.
Contoh beban :
R (hambatan murni)
: Lampu pijar, setrika listrik, heater
L ( hambatan induktif)
: Reaktor, komparan
C (hambatan kapasitas)
: Kapasitor
Sifat hambatan L (XL) dengan C (XC) saling bertentangan / meniadakan.
R =
L
....................................................................................................(2.3)
A
ρ
Dimana :
= Resistivitas
L = Panjang kawat
A
= Luas penampang dalam kawat.
R merupakan bagian Riil dari impedansi Z.
XL = 2π.f.L, dan XC =
XL dan
XC
1
…………………………………………...(2.4)
2fC
merupakan bagian imajiner dari impedansi Z
9
Hubungan dari tiga beban / hambatan digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.2.Hubungan beban, R, Xl dan Xc
Karena beban Z mempunyai/membentuk pergeseran sudut terhadap V (sebagai
referensi) maka arus beban Ib yang mengalirpun membentuk sudut yang sama
searah dengan sudut dari Z sebesar φ.
Hal ini berakibat timbulnya 3 macam daya.
a.
Daya aktif
: P (watt)
b.
Daya reaktif
: Q (VAR)
c.
Daya semu
: S (VA)
10
Hubungan dari ketiga macam daya tersebut kita kenal sebagai “segitiga daya”.
P
φ
S
S
Q
Q
φ
P
Beban bersifat induktif
Beban bersifat kapasitif
Gambar 2.3. Segi Tiga Daya
Penjumlahan Vektor P dan Q
S = P + jQ  S = √( P 2 + Q 2 ).............................................................(2.4)
2.2.Pengukuran Energi Listrik Untuk Konsumen
Secara umum alat ukur energi listrik yang biasa dikenal oleh masyarakat luas
adalah kWh meter, akan tetapi selain kWh meter ada pula alat ukur energi listrik
seperti kVARh meter dan kVAh meter, tergantung jenis pelanggan dan
penggolongan tarif maka perusahaan listrik akan menetapkan alat ukur apa saja
yang dipakai untuk mengukur energi listrik pada konsumen-konsumen tersebut.
Mengenai pemilihan serta penggunaan kWh meter yang akan dipasang untuk
pengukuran energi listrik harus disesuaikan dengan :
1. Daya tersambung
2. Tegangan kerja
3. Sistem pengawatan dari kWh meter tersebut
11
Pada Sistem distribusi tenaga listrik berdasakan tegangan kerja dan daya
tersambung dapat digolongkan menjadi :
1. Pelanggan tegangan tinggi dengan daya tersambung lebih dari 30 MVA
2. Pelanggan tegangan menengah dengan daya tersambung lebih dari 200 kVA
sampai dengan 30 MVA
3. Pelanggan tegangan rendah dengan daya tersambung diawah 200 kVA.
2.3.Prinsip Kerja kWh Meter
KWh meter merupakan suatu alat pengukur energi listrik. kWh meter
terbagi menjadi kWh Meter Mekanik dan kWh Meter Digital atau sering disebut
dengan Meter Elektronik.
2.3.1 kWh Meter Mekanik
KWh meter adalah alat pengukur energi listrik yang mengukur secara langsung
hasil kali tegangan, arus faktor kerja,kali waktu yang tertentu (UI Cos φ t) yang
bekerja padanya selama jangka waktu tertentu tersebut. Hal ini berdasarkan
bekerjanya induksi megnetis oleh medan magnit yang dibangkitkan oleh arus
melalui kumparan arus terhadap disc (piring putar) kWh meter, dimana induksi
megnetis ini berpotongan dengan induksi mgnetis yang dibangkitkan oleh arus
melewati kumparan tegangan terhadap disc yang sama.
Koppel putar dapat dibangkitkan terhadap disc karena induksi magnetis
kedua medan magnit tersebut diatas bergeser fasa sebesar 900 satu terhadap
lainnya (azas Ferrari). Hal ini dimungkinkan dengan konstruksi kumparan
12
tegangan dibuat dalam jumlah besar gulungan sehingga dapat dianggap
inductance murni.
Gambar 2.4. KWh Meter
Gambar 2.5. Arus – arus Eddy pada
suatu piringan
Keterangan Gambar :
M
= Magnit permanent
Cp
= Inti besi kumparan tegangan
Wp
= kumparan tegangan yang dapat dianggap sebagai reaktansi murni,
karena lilitan cukup besar
Cc
= Inti besi kumparan arus
Wc
= Kumparan arus
Ip
= Arus yang mengalir melalui Wp
13
I
= Arus beban yang mengalir melalui Wc
F
= Kumparan penyesuaian fasa yang diberi tahanan R
RGS
= Register
1L & 2S = Terminal sumber daya masuk
2L & 1S = Terminal daya keluar
Bagian – Bagian Kwh Meter terdiri dari :
1.Badan (body) terdiri dari :
a.
Bagian atas
b.
Bagian bawah
2.Kumparan arus terdiri dari :
a.
Pada kWh meter 1 phasa kumparan arus 1 set
b.
Pada kWh meter 3 phasa 3 kawat kumparan arus 2 set
c.
Pada kWh meter 3 phasa 4 kawat kumparan 3 set
Pada kumparan arus dilengkapi dengan kawat tahanan atau lempengan
besi yang berfungsi sebagai pengatur Cosinus phi (faktor kerja)
Kumparan Tegangan terdiri dari :
Pada kWh meter 1 phasa
……………………………… 1 Set
Pada kWh meter 3 phasa 3 kawat
……………………. 2 set
Pada kWh meter 3 phasa 4 kawat
……………………. 3 Set
14
3.Piringan
Piringan kWh meter ditempatkan dengan dua buah bantalan (atas dan bawah)
yang digunakan agar piringan kWh meter dapat berputar dengan mendapat
gesekan sekecil mungin.
4.Rem Magnit
Rem magnit adalah terbuat dari magnit permanen, mempunyai satu pasang kutub
(Utara dan selatan) yang gunanya untuk :
a.
Mengatasi akibat adanya gaya berat dari piringan kWh meter
b.
Menghilangkan / meredam ayunan perputaran piringan serta alat kalibrasi semua
batas arus.
5.Roda gigi dan Alat Pencatat (register)
Sebagai transmisi perputaran piringan, sehingga alat pencatat merasakan adanya
perputaran, untuk mencatat jumlah energi yang diukur oleh kWh meter tersebut
dan mempunyai satuan, puluhan, ratusan, ribuan dan puluh ribuan
6.Data kWh Meter
Pada papan nama dari meter energi tercantum data sebagai berikut :
-
Nama alat / merek pabrik
-
Tipe atau jenis meter
-
Cara pengawatan : satu fasa, 2 kawat
tiga fasa, 3 kawat
tiga fasa, 4 kawat
15
-
Tegangan
-
Arus
-
Frekuensi
-
Konstanta meter
-
Kelas
-
Satuan energi listrik
2.3.2 kWh Meter Digital /Meter Elektronik
Meter Elektronik dirancang sebagai meter multifungsi yang mampu
mengukur energi aktif (kWh), energi reaktif (kVARh) baik total maupun masing –
masing fasa, dan parameter sesaat seperti tegangan, arus, faktor daya, daya aktif,
daya reaktif, daya untuk masing – masing fasa. Meter elektronik merupakan
sebuah
alat ukur besaran listrik yang bekerja berdasarkan prinsip elektronik
(pulsa) untuk memantau pasokan energi (kWh) ke pelanggan baik yang secara
langsung (instantaneous) atau yang sudah tersimpan dalam memori meter.
16
Diagram Skematik meter elektronik :
Gambar 2.6. Diagram Skematik Meter Elektronik
Meter AMR dilengkapi dengan
modem komunikasi DPLC (Digital
PowerLine Communication) yang terdapat didalam meter dan port komunikasi
serial RS-232 untuk keperluan setting meter dan Automatic Meter Reading secara
remote melalui media komunikasi PSTN, GSM, CDMA. Meter AMR juga
dilengkapi dengan fasilitas TusBung, yang berupa power relay didalam unit
tersebut. Dengan demikian dimungkinkan untuk memutus dan menyambung
beban pelanggan secara remote baik melalui DPLC modem maupun melalui port
komunikasi serial RS-232. Setiap perintah TusBung secara otomatis disimpan di
event log.
17
Meter AMR dilengkapi dengan kemampuan mendeteksi tampering dan kesalahan
dalam pemasangan meter, misalnya mendeteksi jika cover meter terbuka, missing
phase atau urutan fasa terbalik.
Pada Meter AMR juga terdapat Real Time Clock (RTC) yang digunakan
untuk mengontrol tarif dan stamping waktu untuk data load survey dan event log.
RTC dilengkapi dengan backup battery yang menjaga RTC selama catu daya
hilang (mati), yang mampu bertahan hingga 2 tahun. Ketidak-akurasian RTC
adalah sekitar 0,5 menit/bulan.
Pada umumnya meter elektronik memiliki empat buah modul :
a. Measurement Modul
Adapun bagian-bagian yang terdapat pada modul ini adalah:
1. Tegangan
:
- Tegangan Phasa R
- Tegangan Phasa S
- Tegangan Phasa T
2. Arus
:
- Arus Phasa R
- Arus Phasa S
- Arus Phasa T
3. Power factor
:
- Cos Phi
- Sin Phi
4. Daya
:
- Daya Aktif
18
- Daya Reaktif
- Daya Semu
b. Comunication modul
Meter Elektronik menyediakan modul komunikasi untuk memudahkan pembacaan
atau konfigurasi setting meter tersebut dari melalui PC ke meter elektronik.
Komunikasi dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu secara local atau remote reading
(dial up) jarak jauh seperti contoh sebagai berikut :
1. Local Communication (optical)
2. Local Communication RS 232 atau RJ-45
3. Remote Reading (Modem Communication) PSTN,GSM, CDMA,PLC.
c. Processor Modul
Modul ini berfungsi sebagai processor dari meter. Processor Modul atau disebut
juga Memory back up merupakan tempat penyimpanan data load profile, stand
billing reset, event log, dalam interval waktu – waktu yang telah ditentukan.
1. Load Profile adalah rekaman hasil pengukuran energi yang dapat dihitung oleh
meter dalam interval waktu yang ditentukan.
2. Billing Reset adalah energi yang terukur selama selang waktu 1 (satu) bulan yang
merupakan nilai untuk penghitungan tagihan kepada pelanggan.
3. Event Log adalah rekaman seluruh kejadian yang dialami oleh meter dengan tidak
memperhitungkan interval waktu. Dan kapasitas atau banyaknya data yang bisa
19
diambil sesuai dengan besarnya memori pada meter dan interval waktu yang
ditentukan.
d. LCD Display Modul
Merupakan tampilan parameter – parameter yang ada pada meter sesuai dengan
setting LCD Meter. Pada display meter elektronik ditampilkan :
1. Nilai dan besaran parameter yang diukur
2. Kode atau Register
3. Informasi atau keterangan pelanggan
Parameter yang ditampilkan terdiri dari beberapa item yang mana interval waktu
tampilan diatur sedemikian rupa. Misalnya 8 detik per item untuk tampilan isi
maka secara otomatis akan berganti
ke item berikutnya, dan seterusnya.
Kelompok tampilan meter elektronik :
a. Parameter pengukuran saat ini (instant)
b. Parameter pengukuran yang lalu
c. Informasi atau keterangan pelanggan
Parameter-parameter yang dapat ditampilkan meter elektronik adalah sebagai
berikut : Nomor serial meter, Energi Aktif Total (kWh) per Tarif, Energi Reaktif
Total per Tarif, Energi Aktif (kWh) Reverse, Energi Reaktif (kVARh) Reverse
Energy, Energi Aktif (kWh) per tiap fasa, Energi Reaktif tiap fasa, Tegangan Tiap
Fasa, Arus Tiap Fasa, Frekuensi, Daya Aktif Tiap Fasa, Daya Reaktif Tiap Fasa,
20
Daya Tiap FAsa, KVA Max, Faktor Daya Tiap Fasa, Tanggal dan Jam, Pesan
Pendek.
Jenis-jenis Meter Elektronik yang sering dipakai oleh PLN :
EDMI tipe Genius MK6
Actaris tipe SL 7000
Landys & Gyr tipe ZMD
Gambar 2.7 Meter Elektronik
2.4.Alat-alat Bantu KWh Meter
Ada tiga alat bantu yangdigunakan dalam pengukuran menggunakan kWh
meter,yaitu :
a. Current transformator (trafo Arus)
b. Potensial transformator (Trafo tegangan)
c. Time switch
Tidak semua alat bantu tersebut harus dipasang pada suatu pengukuran kWh
meter, hal tersebut tentu tergantung dari kebutuhan untuk pengukuran itu sendiri.
Maksud dari penggunaan alat bantu kWh meter adalah untuk menyederhanakan
disain pemuatan kWh sehingga :
21
-
Dengan satu jenis kWh meter yang tertentu dapat digunakan untuk pengukuran
dari beberapa macam besarnya daya listrik.
-
Untuk pengukuran tarif ganda maka didesain dengan coil perubahan register yang
menggunakan relay komando dari luar (Time Switch)
-
Supaya kWh meter dapat digunakan untuk pengukuran energi listrik baik pada
sistem tegangan rendah maupun pada sistem tegangan menengah juga pada sistem
tegangan tinggi
-
Untuk mempermudah pemasangan dan penempatan kWh meter
Bila alat bantu tersebut tidak bekaerja dengan baik maka akan
mempengaruhi ketelitian hasil pengukuran energi listrikoleh kWhmeter, antara
lain :
1. Menambah nilai kesalahan pengukuran, karena disamping kWh meter
alat bantupun memiliki kesalahan.
2. Kemungkinan
terjadinyakesalahan
perhitungan
akhir
dari
hasil
pengukuran karena kesalahan pendapat dari ratio trafo arus.
3. Adanya kesalahan pengawatan dari alat bantu dapat mengakibatkan
kesalahan terhadap hasil pengukuran.
4. Adanya kerusakan pada alat bantu dapat engikabatkan gagalnya
pengukuran.
22
2.4.1. Transformator Arus
Transformator arus adalah suatu alat listrik yang berfungsi untuk
mengubah besar arus tertentu (di lilitan primer) ke besaran arus tertentu lainnya
(di lilitan sekunder) melalui suatu kopling elektro megnetis.
Transformtor arus ini banyak digunakan didalam bidang pengukuran –
pengukuran listrik untuk memperoleh besaran ukur bagi ampere meter, kWh
meter, watt meter dan sebagainya
Karena meter – meter umumnya hanya dapat dilewati besaran ukur (arus)
yang kecil sedangkan arus yang mengalir ke jaringan distribusi adalah besar,
maka besar arus pada belitan primer transformator arus lebih besar dari pada besar
arus di lilitan sekundernya.
Jadi transformator arus yang dipergunakan pada meter – meter akan
mengubah arus primer yang besar menjadi arus sekunder yang lebih kecil
sehingga pengukuran dapat dilakukan.
Yang perlu diperhatikan dalam menggunakan trafo arus sebagai alat
bantu pengukuran adalah :
1. Ratio
Umumnya arus nominal dari sisi sekunder trafo arus ditentukan sebesar 5
Ampere. Tetapi walaupun demikian untuk keperluan-keperluan khusus ada
juga pabrik yang membuat 1 Ampere. Demikian juga untuk kWh
meterrating arus biasanya dibuat 5 Ampere,sehingga apabila Ampere
meter akan digunakan untuk pengukuran yang beban nominalnya sebesaar
300
Ampere,
diperlukan
trafo
arus
yang
mempunyai
ratio
300A/5A=300/5. Ini berarti bahwa trafo arus tersebut mempunyai nominal
23
arus pada sisi primernya sebesar 300 A dan nominal arus pada sisi
sekunder sebesar 5 A.
2. Kelas
Pemilihan kelas dari trafo arus yang akan dipasang untuk pengukuran kWh
meter harus disesuaikan dengan kelas dari kWh meternya yaitu kelas dari
trafo arus sama dengan kelas kWh meter atau bisa juga trafo arus lebih
lebih kecil dari kelas kWh meter. Hal ini dimakasudkan supaya kesalahan
hasil kWh meter tidak banyak dipengaruhi oleh besarnya kelas kesalahan
dari trafo arus.
3. Daya (VA)
Daya trafo arus angakan dipasang harus lebih besar dari daya kWh meter.
4. Polaritas
Setiap trafo arus dari pabrik sudah ditetapkan terminal-erminalnya baik
sekunder maupun primernya.
Perlu diperhatikan supaya dalam penymbungan pengawatan kWh meter
dari terminal – terminal tersebut tidak terjadi kekeliruan yang dapat menyebabkan
salahnya polaritas arus yang menuju kWh meter.
2.4.2. Transformator Tegangan
Transformator tegangan adalah alat pengubah besaran listrik (tegangan)
dari suatu harga ke harga yang lain yang tertentu besarnya.
Transformator tegangan merupakan salah satu dari beberapa jenis
transformator yang ada, yang berfungsi sebagai alat pembantu dalam pengukuran
tegangan. Alat ini biasa digunakan untuk memberi tegangan kepada meter – meter
24
dan peralatan pengaman yang memerlukannya, dan biasa dipasang pada sisi
tegangan tinggi dari suatu jaringan listrik (6 kV ke atas)
Faktor ketelitian yang harus diperhatikan pada transformator alat
pengukuran (termasuk juga transformator tegangan). Hal ini disebabkan karena
besaran ukurannya yang lebih diperhatikan dari pada rugi-rugi yang terjadi pada
alat tersebut.
2.4.3. Time Switch
Fungsi dari time switch sebagai alat bantu untuk pengukuran energi listrik
oleh kWhmeter tariff ganda adalah sebagai pemberi komando kepada kWh Meter,
kapan kWh mter harus mengukur pada waktu baban puncak dan kapan hasrus
mengukur diluar waktu beban puncak.
Pengukuran kWh waktu beban puncak menurut aturan yang digunakan
PLN yaitu mulai 17.00 – 22.00 dan diluar waktu tersebut pengukuran kWh diluar
beban puncak, karena pada time switch terdapat indikator waktu seperti pada jam,
maka prinsipkerja dari time switch sama halnya dengan prinsipkerja jam hanya
pada time switch terdapat kontak- kontak yang bekerja dapat diatur sesuai dengan
kebutuhan peralatan lain yang memerlukannya.
2.5.Kelengkapan Meter Elektronik
2.4.1. Modem
Modem digunakan untuk pengantar sarana telekomunikasi dan jaringan pada
meter elektronik
25
Gambar 2.8.Modem Komunikasi
2.5.2. Antena
Antena digunakan untuk memperkuat sinyal telekomunikasi yang menggunakan
modem GSM sebagai sarana telekomunikasinya.
Gambar 2.9. Instalasi Modem Komunikasi
2.5.3. Adaptor
Adaptor berfungsi sebagai pemasok sumber tegangan dan pengatur arus untuk
modem.
2.5.4. MCB (Mini Circuit Breaker )
MCB berfungsi untuk membatasi arus yang masuk ke adaptor.
26
2.5.5. Kabel Data
Kabel data digunakan untuk menhubungkan meter elektronik dengan modem
untuk mentransfer data – data pada meter elektronik.
Gambar 2.10.Kabel Data
2.5.6.Optical Probe
Alat ini digunakan untuk melakukan pembacaan data- data pada meter elektronik
secara manual dan local.
Gambar 2.11.Optical Probe
27
2.6. Pengawatan Meter Elektronik
Gambar 2.12. Pengawatan Meter Elektronik 3 phasa