DRAFT BUKU AJAR SISTEM CATU DAYA 2015
advertisement
DRAFT BUKU AJAR SISTEM CATU DAYA 2015 Mata Kuliah Prodi / Fakultas Tim Dosen Ketua (PJ) Anggota 1 Anggota 2 : Sistem Catu Daya ELG2A3 : Teknik Elektro/ Fakultas Teknik Elektro : Efri Suhartono Ekki Kurniawan Kharisma Bani Adam Hibah Dikelola Oleh Bagian Pengembangan Pembelajaran Gedung Bangkit (LC), Lantai 5 Telp. +6222 – 7564108 Ext. 2271 [email protected] lsd.telkomuniversity.ac.id DIKTAT KULIAH SISTEM CATU DAYA KATA PENGANTAR Mata kuliah SISTEM CATU DAYA (SCD) merupakan mata kuliah wajib pada Prodi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro Universitas Telkom yang diberikan pada mahasiswa tingkat kedua. Mata kuliah ini sangat penting untuk bekal nantinya jika berkecimpung di dunia industry/manufaktur. Buku referensi yang berbahasa Indonesia masih sangat kurang. Pada saat ini di Prodi Teknik Elektro belum tersedia diktat untuk mata kuliah SCD dengan demikian pembuatannya menjadi sangat penting dan mendesak. Pelaksanaan kuliah hanya dilakukan melalui tatap muka di kelas, padahal seharusnya ada praktikum tersendiri yang dapat menunjang perkuliahan. Di akhir perkuliahan mahasiswa diharapkan dapat mengerjakan Tugas Besar (TuBes). Tubes yang terdiri dari pembuatan alat-konverter elektronika daya beserta jurnal atau paper yang harus dipresentasikan di hadapan mahasiswa lainnya. Karena halhal tersebut maka DIKTAT KULIAH Sistem Catu Daya akan sangat membantu meningkatkan pemahaman mahasiswa pada materi yang diajarkan sekaligus membantu dosen pengampu untuk melakukan evaluasi keberhasilan perkuliahan. Dalam rangka menyongsong persiapan Universitas Telkom menuju World class university, diktat SCD akan dilengkapi dengan pengayaan dwibahasa (bilingual enrichment English-Indonesia). Pengayaan bilinguan ini sangat bermanfaat buat mahasiswa agar dapat meningkatkan kemampuannya dalam berbahasa Inggris, baik aktif maupun pasif ii DIKTAT KULIAH SISTEM CATU DAYA Syllabus dan SAP Sistem Catu Daya : Pengenalan silabus, SAP Pengenalan silabus, SAP dan aturan dan aturan perkuliahan; perkuliahan; Pengenalan Sistem Sistem Kelistrikan (Pembangkit, Kelistrikan secara umum Transmisi, Distribusi, Beban) Dasar listrik Sumber Tegangan dan Arus DC , Sumber Tegangan dan Arus AC Fasor, Sistem tiga fasa Generator Listrik Prinsip kerja generator AC/DC pengaturan tegangan dan frekuensi generator Pembangkit Listrik PLTA Struktur, prinsip kerja, pertimbangan teknis Pembangkit Listrik PLTG, PLTU, PLTGU,PLTD Struktur, prinsip kerja, pertimbangan teknis Pembangkit listrik baru & PLTS, terbarukan PLTAngin, PLTPb,PLTN Struktur, prinsip kerja, pertimbangan teknis Transmisi dan Distribusi Transmisi, Distribusi, Gardu dan Konsumen Gambar & Instalasi listrik Simbol/lambang pada gambar instalasi dengan single line diagram dan wired diagram.Pengelompokan Beban PLN, instalasi tegangan rendah Catu Daya tidak Teputus Sistem catu daya unbreakable/ tidak terputus, Genset, kerja pararel Genset dan PLN,Automatic tranfer iii DIKTAT KULIAH SISTEM CATU DAYA switch/Over Change Switch ( ATS/OCS ) Catu Daya tidak Teputus UPS (Uninterruptable Power Supply) Batere Batere; jenis, kapasitas, pengujian dan perawatan Sistem Proteksi beban lebih Circuit Breaker (MCB,MCCB,ACB,NFB) Proteksi petir,Grounding Bounding terhadap Karakteristik Petir, Sistem dan Proteksi eksternal dan internal, Grounding dan Bounding iv DIKTAT KULIAH SISTEM CATU DAYA DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................. i KATA PENGANTAR ............................................................................................ ii SILABUS ............................................................................................................... iii DAFTAR ISI ........................................................................................................... v BAB I BAB I DASAR DASAR LISTRIK ............................................................. 1 BAB II PENGENALAN SISTEM KELISTRIKAN SECARA UMUM ................ 8 BAB III GENERATOR DC dan AC .................................................................... 13 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU . 23 BAB V PEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB ................................................................................................................... 41 BAB VI SALURAN TRANSMISI, DISTRIBUSI, GARDU INDUK, DAN KONSUMEN ........................................................................................................ 49 BAB VII SISTEM INSTALASI DENGAN SINGLE LINE DIAGRAM, WIRED DIAGRAM DAN PENGELOMPOKAN BEBAN LISTRIK............................... 58 BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS ...................................................... 68 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN ............................................................................................................................... 74 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL ............................... 91 v DIKTAT KULIAH SISTEM CATU DAYA vi BAB I DASAR DASAR LISTRIK BAB I DASAR DASAR LISTRIK, TEGANGAN DAN ARUS DC dan AC, KONSEP FASOR, SISTEM SATU DAN TIGA FASA Tujuan Pembelajaran : - Memahami Dasar dasar listrik, sumber sumber listrik AC, DC. - Memahami konsep fasor, sistem satu dan tiga fasa 1.1 Sumber tegangan dan sumber arus DC Pada system tenaga listrik sumber catu daya dibagi menjadi beberapa jenis. Ditinjau dari polaritas potensialnya, sumber dibagi menjadi menjadi dua :direct current (DC), dan alternate current (AC) [1]. Tegangan DC mempunyai polaritas tegangan yang tidak berubah.Contoh sumber-sumber tegangan DC seperti tampak pada gambar 1.1 antara lain 1. Baterai 2. Generator DC 3. Photovoltaic (PV) Gambar 1.1.Berbagai macam sumber DC 1.1.1 Bentuk Sumber DC Sumber DC dapat digambarkan dengan sumber yang polaritasnya sama, sehingga dalam kartesius kita dapat mengetahui bahwa tegangan tersebut merupakan tegangan DC dengan melihat, apakah ada tegangan yang berubah polaritas (melintasi sumbu x). Tampak pada Gambar 1.2. bererapa jenis tegangan yang berbeda bentuk tegangannya. Kesemua tegangan pada grafik tersebut merupakan tegangan DC karena tidak ada beda polaritas pada ketiga tegangan [1]. V (Volt) V (Volt) Vdc Vdc t (detik) t (detik) 1 BAB I DASAR DASAR LISTRIK V (Volt) Vdc t (detik) Gambar 1.2.Bentuk tegangan DC 1.2 Sumber tegangan dan sumber arus AC Tegangan AC mempunyai polaritas tegangan yang tidak berubah. Contoh sumbersumber tegangan AC seperti tampak pada Gambar 1.3.antara lain : 1. Generator AC 2. Inverter Gambar 1.3. Inverter sebagai penghasil tegangan AC 1.2.1 BentukTegangan/ArusSumber AC Sumber AC dapat digambarkan dengan sumber yang polaritasnya yang berubah secara periodik, sehingga dalam kartesius kita dapat mengetahui bahwa tegangan tersebut merupakan tegangan DC dengan melihat, apakah ada tegangan yang berubah polaritas (melintasi sumbu x).Tampak pada Gambar 1.4.grafik tegangan AC[1]. Gambar 1.4.Bentuktegangan AC 2 BAB I DASAR DASAR LISTRIK 1.3 Fasor sumber tegangan dan sumber arus Phasor adalah bilangan kompleks yang merepresentasikan besaran atau magnitude dan phasa gelombang sinusoidal. Sebuah rangkaian yang dapat dijelaskan dengan menggunakan fasor disebut berada dalam wawasan frekuensi (frequency domain). Fasor dapat digunakan untuk mempermudah pembacaan pada sistem AC. Fasor merupakan vector yang mempunyai besaran dan arah (sudut). Besaran pada fasor tegangan/arus merupakan besaran RMS (Root Mean Square). Aturan aturan penulisan fasor pada sistem AC antara lain [2]. 1. Tegangan sebagai acuan utama, sumber tegangan memiliki sudut 0 pada sitem AC. 2. Arus mengacu terhadap tegangan. Arus dituliskan sebagai vector dan arah yang mengacu pada tegangan Sebagai contoh, V(t) = Vm cos(ωt+θ) dalam domain waktu Notasi phasornya : * Polar : V = Vm< θ * Rektangular : V = Vm cos θ + j Vm sin θ * Eksponensial : V = Vm ejθ Gambar 1.5 Bentuk fasor dari tegangan AC 1.4 Sistem tiga fasa Sistem tiga fasa merupakan sitem kelistrikan AC yang digunakan saatini.Listrik AC digunakan karena memiliki beberapa kelebihan antaralain. • Listrik AC mudah untuk diubah nilai tegangannya dengan bantuan transformator. Transmisi listrik harus menggunakan tegangan yang sangat tinggi agar rugirugirendah. Untuk distribusi dan pemakaian tegangan diturunkan kembali menggunakan trafo. Trafo bekerja untuk tegangan AC tidakbisa DC • Mesin listrik memerlukan catudaya AC 3 BAB I DASAR DASAR LISTRIK • Kemungkinan terjadinya kegagalan tegangan tinggi pada tegangan AC lebih rendah disbanding tegangan DC. Hal inidikarenakan proses electron avalance yang berhenti, karena polaritas berubah[2]. Gambar 1.5 SistemTigaFasa Daya listrik yang dibangkitkan pada pembangkit adalah fasa banyak dengan frekuensi 50 Hz atau 60 Hz. Penggunaan tiga fasa memiliki beberapa keuntungan: 1. Daya sesaat yang dikirimkan kebebanakan “melonjak tinggi”pada sistem 1 fasa. Pada Sistem tiga fasa daya yang dikirimkan lebih “stabil/ steady” (ingat mesin mobil dengan multi silinder). 2. Pada system tiga fasa, untuk mengirimkan daya yang sama, ukuran konduktor/ kabel dan komponen lainnya lebih kecil disbanding dengan menggunakan 1 fasa. Selain itu, tiga fasa juga menghasilkan medan putar untuk menggerakkan mesin listrik. Gambar 1.6 SistemTigaFasa Y dan bentuk fasornya Masing masing fasa mempunyai magnitude rms yang sama dan mempunyai perbedaan fasa 120o. Van dipilih secara sembarang sebagai fasor referensi.Urutan fasor tegangan pada gambar di atas adalah positif (abc). Jika urutan dibalik menjadi acb, maka urutannya adalah negatif. 4 BAB I DASAR DASAR LISTRIK Urutan ini hanya masalah pelabelan/ konvensi. Pada gambar 1.5 diatas urutan fasa tampak berkebalikan, tetapi sebenarnya urutan fasa pada gambar adalah sama. Kedua urutan tampak berbeda karena tinjauan tegangan yang dipakai berbeda, pada gambar kiri menggunakan Van, sedangkan gambar kanan, menggunakanVna.[2]. 1.5 Sistem satu fasa tiga kawat Gambar 1.7 Sistem satu fasa tiga kawat. Sistem satu fasa tiga kawat terdiri dari tiga konduktor, yang salah satu konduktornya merupakan kawat netral. Padabeban yang seimbang, tidak ada arus pada kawat netral, maka netral dapat dihilangkan dari rangkaian karena tidak mempengaruhi KVL maupun KCL. Apabila garis A maupun B bukan konduktor sempurna tetapi mempunyai impedansi yang sama Z2, arus netral InN tetap 0. Bila beban tidak sama/ tidak seimbang, maka arus netral 0. 1.4.1 Sistem tiga fasa empat kawat Gambar 1.8 Sistem 3 fasa Y - Y Wye-wye :Sumber dan beban terhubung dengan struktur wye (Y). Seimbang/ balanced = Sumber mempunyai tegangan fasa yang sama dan beban tiap fasa sama ZP. Arus netral = 0. Arus salurana A, bB dan cC adalah arus fasa Ip = IL [2]. 5 BAB I DASAR DASAR LISTRIK Soal latihan : 1. Jika arus 1 A mengalir searah jarum jam maka berapa banyakkah elektron yang mengalir berlawanan arah jarum jam ? Anggap muatan elektron adalah -1,6 X 10-19 Coulomb. 2. Sebuah sumber tegangan searah dibebani dengan resistor R ternyata mengalir arus 50 mA. Kemudian beban diganti dengan resistor 50 ohm dan arus yang mengalir 0,1 A. Berapakah nilai dari R dan besar sumber tegangan? 3. Berapa Watt kah daya listrik yang diserap oleh R pada soal no 2? 4. Berapa Joule kah energi yang diserap oleh resistor 50 Ohm selama 5 menit pada soal no 2? 5. Suatu sumber tegangan bolak-balik : 220√2 Cos 100 πt (Volt), diberi beban Z dan ternyata arus yang mengalir adalah 2√2 Cos (100 πt - π/6) (Amp). Berapakah nilai yang terukur oleh voltmeter AC (itu adalah nilai RMS atau nilai efektif) dan nilai yang terukur oleh Amperemeter AC (nilai RMS/efektif) jika dipasangkan pada rangkaian tersebut? 6. Berapakah beda fasa antara arus dan tegangan pada rangkaian tersebut dan berapakah faktor dayanya? 7. Dari beda fasa tersebut apakah beban Z bersifat resistif murni atau resistif dan induktif atau resistif dan kapasitif? 8. Berapa daya semu, daya nyata, daya reaktif pada beban tersebut? 9. Gambarkan segitiga dayanya! 10. Jelaskan apa bedanya listrik 3 fasa dengan 1 fasa? 6 BAB I DASAR DASAR LISTRIK Daftar Pustaka [1] [2] R. Prasad, Fundamentals of Electrical Engineering: Prentice-Hall of India (Private), Limited, 2005. Power System Analysis: McGraw-Hill Education Pvt Limited, 2003. 7 BAB II PENGENALAN SISTEM KELISTRIKAN SECARA UMUM SISTEM KELISTRIKAN (PEMBANGKIT, TRANSMISI, DISTRIBUSI, BEBAN) BAB II PENGENALAN SISTEM KELISTRIKAN SECARA UMUM SISTEM KELISTRIKAN (PEMBANGKIT, TRANSMISI, DISTRIBUSI, BEBAN) TujuanPembelajaran : - Memahami sitem kelistrikan secara umum Memahami fungsi dan bagian bagian transmisi Mengenal jenis-jenis pembangkit Energi listrik, merupakan elektron yang bergerak karena adanya beda potensial. Energi listrik memiliki keunggulan yang unik, karena dapat di transmisikan dengan mudah dengan efisiensi yang tinggi.Keunikan lainnya, listrik sangat mudah konversikan kedalam bentuk energi lain antara lain. a. Kalor (panas, dingin) b. Mekanik (gerak, putar, lempar) c. Cahaya d. Bunyi e. Elektromagnet f. Gabunganenergi-energitersebut. Dengan keunggulan lain berupa mudah untuk didistribusikan dan disimpan. Listrik menjadi pilihan utama dalam konversi dan distribusi energi. Parameter kondisi kelistrikan suatu daerah, dapat dilihat dari rasio elektrifikasi. Rasio elektrifikasi adalah persentase banyaknya Kepala Keluarga (KK) yang telah menikmati listik, dibandingkan dengan jumlah keseluruhan KK pada daerah tersebut. (2.1) Kondisi kelistrikan Indonesia saat ini, belum mencakup kesemua daerah. PadaGambar 2.1 terlihat bahwa rasio elektrifikasi Indonesia pada tiap daerah masih memiliki beda nilai yang relative besar seperti data padaGambar 2.1. 8 BAB II PENGENALAN SISTEM KELISTRIKAN SECARA UMUM SISTEM KELISTRIKAN (PEMBANGKIT, TRANSMISI, DISTRIBUSI, BEBAN) Gambar 2.1.Kondisi Kelistrikan di Indonesia 2.1 Penyaluran (Transmisi) TenagaListrik Proses dan cara menyalurkan energi listrik pada jarak yang berjauhan dari satu tempat ke tempat lainnya (dari pembangkit listrik ke gardu induk dan dari satu gardu induk ke gardu induk lainnya), yang terdiri dari konduktor yang direntangkan antara tiang-tiang (tower), melalui isolator-isolator, dengan system tegangan tinggi/ ekstra tinggi. Ruang lingkupnya dimulai dari GarduInduk di Pembangkitan sampai dengan Gardu Induk (sisi primer) yang ada pusat-pusat beban. Gambar 2.2. Sistem penyaluran tegangan tinggi 9 BAB II PENGENALAN SISTEM KELISTRIKAN SECARA UMUM SISTEM KELISTRIKAN (PEMBANGKIT, TRANSMISI, DISTRIBUSI, BEBAN) Besaran tegangan : 66 KV, 70 KV, 132 KV, 150 KV, 245 KV, 275 KV, 350 KV, 500 KV, 1.100 KV, 1300 KV, 1.500 KV, dan lain-lain Jenis arus :arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC). Jenis dan ruang lingkup penyaluran : o Saluran udara (Overhead Line). o Saluran bawah tanah (Underground Cable). o Saluran kabel bawah laut (Sub Marine Cable). o Gardu IndukTegangan Ultra Tinggi. o Gardu IndukTeganganEkstraTinggi. o Gardu Induk. o Gardu Hubung. o Pusat Pengatur Beban. o Unit Pengatur Beban. Sedangkan di Indonesia sendiri system transmisi yang biasa dipakai sebagai berikut. o Besaran tegangan : 70 KV, 150 KV, 275 KV dan 500 KV. o Jenis arus :arusbolak-balik (AC). Jenis dan ruang lingkup penyaluran : o Saluran UdaraTeganganTinggi (SUTT). o Saluran Kabel Tanah TeganganTinggi (SKTT). o Saluran Kabel Bawah LautTeganganTinggi (Sub Marine Cable). o SaluranUdaraTegangan EkstraTinggi (SUTET). o GarduInduk (GI). o Gardu Induk Tegangan EkstraTinggi (GITET). o PusatPengatur Beban (UPB). o Unit Pengatur Beban. Sistem interkoneksi (Interconnection System) : o Telah terpasang di PulauJawa-Madura-Bali (Jamali) danPulau Sumatera. o Sebagian daerah di Sumatera masih terjadi bottle neck. 10 BAB II PENGENALAN SISTEM KELISTRIKAN SECARA UMUM SISTEM KELISTRIKAN (PEMBANGKIT, TRANSMISI, DISTRIBUSI, BEBAN) 2.2 Distribusi Tenaga Listrik Distribusi tenaga listrik merupakan proses pembagian, pengiriman, pendistribusian ,atau pengiriman energi listrik dari instalasi penyediaan (pemasok) ke instalasi pemanfaatan (pelanggan). Merupakan sub system tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan pelanggan, karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani langsung melalui jaringan distribusi. Ruang lingkup distribusi tenaga listrik dimulai dari sisi sekunder trafo tenaga di Gardu Induk sampai dengan Alat Pembatas dan Pengukur (APP) antara lain. Jaringan distribusi tegangan rendah, untuk melayani : 1. 2. Pelanggan rumah tangga (instalasi domestik). Pelanggan bisnis, social dan publik (instalasi bangunan/non domestik) dengan daya sampai dengan 197 KVA. Jaring distribusi tegangan menengah (20 KV), untuk melayani : 1. Pelanggan bisnis, social dan publik (instalasi bangunan/non domestik) dengan daya di atas 197 KVA sampai dengan 30 MVA. 2. Pelanggan industri (instalasi industri), dengan daya di atas 197 KVA sampai dengan 30 MVA. Jaringan distribusi tegangan tegangan tinggi (70 KV, 150 KV), untuk melayani : 1. Pelanggan industri (instalasi industri), dengan daya di atas 30 MVA. Sistem jaringan : 1. 2. 3. 4. Radial. Loop. Spindle. Mesh/Grid Gardu distribusi : 1. 2. 3. 4. Gardu trafo tiang type portal. Gardu trafo tiang type cantol. Gardu beton Gardu kiosk (Metal Clad). Ruang lingkup : 1. 2. 3. 4. Saluran udara tegangan menengah (SUTM) 20 KV. Saluran kabel tanah tegangan menengah (SKTM) 20 KV. Saluran kabel bawah air sungai/laut 20 KV. Saluran udara tegangan rendah (SUTR) 220 Volt. 11 BAB II PENGENALAN SISTEM KELISTRIKAN SECARA UMUM SISTEM KELISTRIKAN (PEMBANGKIT, TRANSMISI, DISTRIBUSI, BEBAN) 1. Saluran kabel tanah tegangan rendah (SKTR) 220 Volt. 2. Gardu Distribusi. 3. Saluran luar pelayanan/Saluran masuk pelayanan Sambungan rumah (SLP/SMP/SR). 4. Alat pembatas dan pengukur (APP). Soal-soal latihan : 1. Gambarkan Sistem kelistrikan di Indonesia mulai dari pembangkit listrik sampai ke pelanggan (beban). 2. Jelaskan kenapa rugi-rugi energi listrik akan lebih kecil jika listrik ditransmisikan dengan saluran tegangan tinggi ? 3. Jelaskan kenapa diameter penampang kabel transmisi akan lebih kecil jika arus transmisi semakin kecil! 4. Apakah yang dimaksud dengan SUTT, SUTET, SUTUT dan Tegangan Menengah serta Tegangan Rendah? 5. Di sisi mana saja penggolongan pada no 4 berada di sistem kelistrikan? 6. Mengapa transmisi tenaga listrik menggunakan AC, tidak DC? 7. Apakah gunanya Trafo Step Up dan trafo Step Down dalam sistem kelistrikan? 8. Di sisi mana saja masing-masing trafo itu digunakan? 9. Apakah yang dimaksud dengan sistem interkoneksi ? 10. Apa saja manfaat sistem interkoneksi? Berikan contoh kasus sitem Jawa-Bali 12 BAB II Generator DC dan AC BAB III Generator DC dan AC Tujuan Pembelajaran : - Mengetahui jenis-jenis generator, Mengetahui bagian-bagian generator, Memahami metode pengaturan frekuensi dan tegangan pada generator. 3.1 Generator DC Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus searah (Direct Current). Gambar 3.1. Mesin DC sederhana Generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent atau non permanen berupa gulungan sebagai stator, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator (bagian mesin DC yang diam) dan rotor (bagian mesin DC yang berputar). Bagian stator terdiri dari: a. rangka motor b. belitan stator c. sikat arang d. bearing dan terminal box. Rotor terdiri dari: a. Komutator b. belitan rotor c. kipas rotor dan poros rotor 13 BAB II Generator DC dan AC Belitan rotor (jangkar) dengan luas A berada ditengah-tengah medan magnet B. Rotor akan menerima fluks sebesar Dimana θ = Sudut antara vektor B dengan vektor p Permukaan A. Ketika rotor diputar dengan kec putar ω maka rotor akan menerima fluks sebesar Yang nilainya berubah ubah. Menurut hukum Lenz dan Faraday, akan timbul ggl induksi diujung rotor (komutator) sebesar eind N d NBA sin t dt Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara: 14 BAB II Generator DC dan AC 3.1.1. Prinsip Kerja Generator DC Pada penggunaan cicin seret, jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slipring berupa dua cincin (ini disebut cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.2. (1), maka dihasilkan listrik AC berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.2. (2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip. Pada Gambar 3.3. digambarkan sebuah generator DC pada setiap langkah dalam satu putaran. Gambar 3.2. Tegangan Generator (1) tanpa komutator, (2) Dengan komutator Gambar 3.3. Grafik Tegangan generator DC terhadap putaran 15 BAB II Generator DC dan AC 3.1.2. Penguatan Generator DC Gambar 3.4. Jenis Generator DC menurut sumber penguatan (eksitasi) Ditinjau dari jenis sumber penguatan,, generator DC dibagi menjadi beberapa bagian seperti tampak pada Gambar 3.4. antara lain : 1. Generator DC Penguat terpisah 2. Penguatan Sendiri, terdiri dari : 1. Penguatan Seri 2. Penguatan Shunt 3. Penguatan Kompon 3.1.2.1. Generator DC Penguatan Terpisah Generator DC penguat terpisah mempunyai sistem penguatan atau eksitasi yang diperoleh dari catu daya luar seperti pada Gambar 3.5. : Gambar 3.5. Generator dengan penguat terpisah 16 BAB II Generator DC dan AC Persamaan arus dan tegangan pada generator menjadi : Ia=i Persamaan tegangan : V = Ea + Ia.Ra + 2Vsik dengan : V : Tegangan jepit (volt) Ea : GGL lawan (volt) Ia : Arus jangkar (Ampere) Ra : Tahanan lilitan jangkar (Ohm) Im : Arus penguat terpisah(Ampere) Rm: Tahanan penguat terpisah (Ohm) Vsik : drop tegangan pada sikat 3.1.2.2. Generator DC Penguatan Seri Generator DC penguat seri mempunyai sistem penguatan atau eksitasi yang dihubungkan seri dengan belitan generator DC. Generaotr jenis ini, harus bekerja dalam keadaan berbeban, karena, ketika generator bekerja tanpa beban, maka arus penguatan menjadi nol. Skema generator DC penguat seri tampak pada Gambar 3.6. Gambar 3.6. Generator DC penguat seri Persamaan Rangkaian : Ia=IL Eg = Ia(Ra+Rs)+2Vsik +VL Pin =Eg x Ia sedngkan Pout = VL x IL 17 BAB II Generator DC dan AC 3.1.2.3. Generator DC Shunt Generator DC penguat seri mempunyai sistem penguatan atau eksitasi yang dihubungkan paralel dengan belitan generator DC. Generaotr jenis ini, tidak boleh bekerja dalam keadaan overload, karena, ketika generator mengalami penurunan tegangan, maka arus penguatan menjadi menurun, sehingga penurunan tegangan akan tinggi. Skema generator DC penguat shunt tampak pada Gambar 3.7. Gambar 3.7. Generator DC shunt Persamaan arus : I = Ia + Ish Rsh = V / Ish Persamaan tegangan : V = Ea + Ia.Ra + 2Vsik V = Ish . Rsh dengan : Rsh = Tahanan penguat shunt Ish = Arus penguat shunt Vsik = Tegangan pada kedua sikat 3.1.2.3. Generator DC Shunt Generator DC penguat kompon mempunyai sistem penguatan atau eksitasi yang dihubungkan parallel dan seri dengan belitan generator DC. Generaotr jenis ini, menggabungkan sistem penguatan generator shunt dan seri untuk untuk mengatasi kekurangan generator penguatan seri dan penguatan parallel.. Skema generator DC penguat kompon tampak pada Gambar 3.7. 18 BAB II Generator DC dan AC Gambar 3.8. Generator DC Kompon Sifatnya diantara penguat seri dan Shunt Nilai kompon tergantung pada jumlah lilitan seri yang dililitkan pada inti kutub. Kompon pendek : Persamaan Arus : I = Is = Ia + Ish Rsh = Vsh/Ish Persamaan tegangan : V = Ea + Ia.Ra + Is.Rs + 2Vsik Vsh = V – Is.Rs Dimana : Vsh = Tegangan pada lilitan penguat shunt Kompon Panjang : Vf = If . Rf atau Vf = Eg – 2Vsik – Ia (Ra + Rse) atau Vt = VL Ia = Ir + IL Eg = VL + 2Vsik +Ia (Ra +Rse) 3.1.3. Precent of regulation Percen of regulation (regulasi tegangan) merupakan parameter yang sering dipakai untuk menengetahui kualitas dari generator. Semakin kecil nilai presentase regulasi tegangan, maka semakin baik kualitas generator. 19 BAB II Generator DC dan AC PercentOf Re gulation ( E L EfL) x100 EfL (462V 440V ) x100 440 (22V ) x100 440 3.2. Generator AC Generator AC adalah generator listrik yang menghasilkan tegangan bolak balik (alternating current= AC). Berdasarkan prinsip kerjanya maka, generator AC yang banyak di jumpai adalah antara lain : 1. Mesin Serempak 2. Mesin tak serempak 3. Mesin komulator Pada mesin listrik dua kutub (satu pasang kutub) seperti gambar (a dengan besarnya tegangan terinduksi terlihat pada gambar (b) di bawah ini. (a) (b) Gambar 3.9. 20 BAB II Generator DC dan AC 3.2.1. medan putar Medan magnet berputar dihasilkan oleh sebuah belitan tiga fasa sebagaimana terdapat pada kumparan jangkar (pada stator) mesin serempak ataupun mesin tak serempak. Gambar 3.10 Illustrasi medan putar dalam mesin AC 3.2.2. Prinsip dasar Operasi Generator sinkron bekerja berdasarkan hokum faraday. Perubahan fuks yang disebabkan perputaran mekanis generator menyebabkan terjadinya potensial listrik. Potensial listrik yang terhubung dengan beban menyebabkan adanya arus yang mengalir pada beban. Generator sinkron ditinjau dari letak kumparan jangkar dan medan terbagi menjadi dua tipe. Tipe pertama memiliki kumparan medan yang tidak bergerak yang terletak pada stator. Tipe ke dua mempunyai kumparan medan bergerak yang terletak pada rotor. Gambar 3.11. Generator AC rotor jangkar (kiri) dan stator jangkar (kanan) 21 BAB II Generator DC dan AC 3.2.2. Frekuensi Frekuensi yang digunakan sistem kelistrikan di berbagai Negara berbeda satu dengan yang lain. Terdapat negara yang menggunakan frekuensi listrik 50 Hz(seperti indonesia) dan 60 Hz (seperti amerika, inggris). Apabila jumlah kutub magnet dinyatakan P dan kecepatan putar rotor n (rpm) maka frekuensi listrik yang timbul f = (n x P) / 120 Gambar 3. Generator sinkron 2 kutub (a) dan 4 kutub (b) 22 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU BAB IV PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI TERBARUKAN- RENEWABLE (PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU) Tujuan Pembelajaran : - Mengetahui mengerti prinsip kerja dari suatu PLTA dan pembangkit listrik tenaga air lainnya seperti PLTM), PLTD, PLTU, PLTG Mengerti bagian-bagian blok system dari suatu PLTA, PLTM, PLTU, PLTD, Memahami penggunaan dari jenis pembangkit listrik. (PLTA, PLTM, PLTU, PLTD) 4.1. Pembangkit Listrik Tenaga Air PLTA adalah pembangkit listrik yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik.Aliran air dimanfaatkan dan diubah menjadi energi listrik melalui putaran turbin dan generator. Dari jenis air yang dimanfaatkan sebagai penggerak turbin, PLTA dibagi beberapa jenis. PLTA yang memanfaatkan ketinggian air terjun digolongkan sebagai berikut: 1. PLTA jenis terusan air (water way) 2. PLTA jenis DAM/bendungan 3. PLTA jenis terusan dan DAM (campuran) PLTA yang memanfaatkan Aliran Sungai digolongkan sbb: 1. PLTA jenis aliran sungai langsung (run of river) 2. PLTA dengan kolam pengatur 3. PLTA jenis waduk (reservoir) 4. PLTA jenis pompa (pumped storage) 5. PLTA Hydroseries Gambar 3.1.Pembangkit Listrik Tenaga Air 23 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU PLTA bekerja dengan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.Air dialirkan melalui pintu air yang sudah diatur untuk mendapatkan debit air yang diinginkan.Aliran air ini akan melewati pipa pesat dan mengakibatkan tekanan air meningkat.Air dari pipa pesat kemudian akan menabrak baling-baling turbin sehingga turbin dapat berputar.Putaran turbin yang terhubung dengan poros akan membuat rotor generator juga ikut berputar.Generator yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan medan magnet diantara stator dan rotor sehingga akan terjadi ggl (aliran elektron).Listrik yang dihasilkan generator akan dialirkan ke transformator step up. 4.1.2. Perhitungan daya pada PLTA Daya yang dihasilkan oleh Generator pada PLTA, akan tergantung juga keluaran daya yang dihasilkan oleh kapasitas turbin airnya. Seperti pada gambar berikut, Gambar 4.1. Hubungan turbin dengan generator pada PLTA Pada PLTA turbin biasanya terhubung dengan generator. Besar listrik yang dihasilkan dinyatakan sbb: PT 9,81 G T QH .............................kw …………………………………..(4.1) Dengan : ηT = efisiensi turbin ηG = efisiensi generator Q = debit aliran air (m3/detik) H = tinggi jatuh air (m) Semakin tinggi suatu bendungan, semakin tinggi air jatuh, maka semakin besar daya listrik yang dihasilkan (hubungannya linier). Semakin banyak air yang jatuh menyebabkan turbin akan menghasilkan tenaga yang lebih banyak. Tenaga juga berbanding lurus dengan aliran sungai. Dua kali sungai lebih 24 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU besar dalam mengalirkan air akan menghasilkan dua kali lebih banyak energi. g langsung dengan generator seperti terlihat dalam Gambar 4.1. 4.1.3. Keuntungan dan kerugian PLTA Pembangunan PLTA memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan.PLTA relatif tidak menimbulkan kerusakan lingkungan.Tidak memerlukan bahan bakar.Operasi dan perawatannya relatif lebih mudah.Pengembangan suatu PLTA dengan memanfaatkan aliran sungai akan memberikan manfaat atau keuntungan dari segi lainnya, seperti pariwisata, perikanan, persediaan air bersih/minum, irigasi, dan pengendalian banjir. Disisi lain, PLTA membutuhkan inventasi awal yang besar karena butuh lahan yang luas dan biaya besar untuk pembangunan waduk. Persiapan memerlukan waktu yang relatif lama PLTA sangat bergantung pada ketersediaan air sungai, sehingga harus tetap menjaga tangkapan air 25 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU 4.2. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) ialah pembangkit listrik yang menggunakan mesin diesel sebagai penggerak mula (prime mover), yang berfungsi menghasilkan energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Gambar 4.3. Bagian-bagian PLTD Keterangan Gambar 4.3. : 1. Tangki penyimpanan bahan bakar 2. Penyaring bahan bakar 3. Tangki penyimpanan bahan bakar sementara (bahan bakar yang disaring) 4. Pengabut. 5. Mesin diesel. 6. Turbo charger 7. Penyaring gas pembuangan 8. Tempat pembuangan gas (bahan bakar yang disaring) 9. Generator. 10. Trafo. 11. Saluran transmisi. 4.2.1. Prinsip kerja PLTD Bahan bakar di dalam tangki penyimpanan bahan bakar dipompakan ke dalam tangki penyimpanan sementara (daily tank) namun sebelumnya disaring terlebih dahulu.Bahan bakar dari daily tank dipompakan ke Pengabut (nozzel), dan di sini bahan bakar dinaikan temperaturnya hingga manjadi kabut.Udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi 26 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU dimasukan ke dalam ruang bakar (combustion chamber). Bahan bakar dari convertion kit (untuk BBG) atau nozzel (untuk BBM) kemudian diinjeksikan ke dalam ruang bakar (combustion chamber).Di dalam mesin diesel terjadi penyalaan sendiri, karena proses kerjanya berdasarkan udara murni yang dimanfaatkan di dalam silinder pada tekanan yang tinggi (35 – 50 atm), sehingga temperatur di dalam silinder naik. Dan pada saat itu bahan bakar disemprotkan dalam silinder yang bertemperatur dan bertekanan tinggi melebihi titik nyala bahan bakar sehingga akan menyala secara otomatis yang menimbulkan ledakan bahan bakar. Gambar 4.4. Mesin Diesel Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah jadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi.Poros engkol mesin diesel digunakan untuk menggerakan poros rotor generator. Oleh generator energi mekanis ini dirubah menjadi energi listrik sehingga terjadi gaya gerak listrik (ggl). 4.2.2. Pemeliharaan PLTD Pemeliharaan terencana yang terdiri dari : 4.2.2.1. Preventif Maintenance Preventif Maintenance adalah perawatan yang dilakukan secara berkala dalam rangka mencegah terjadinya kerusakan dengan melakukan pengecekan, penggantian, overhaul pada sistem interval waktu yang ditentukan. 27 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU 2. Pemeliharaan Periodik a.Pemeliharaan Periodik, terdiri atas :Top Overhaul (TO 6000 jam) Pekerjaan – pekerjaan yang dilakukan pada TOP Overhaul meliputi pemeriksaan pada seluruh bagian-bagian unit yang antara lain : 1. Pemeriksaan semua kepala silinder dan komponen yang lainnya. 2. Pemeriksaan dan pengukuran satu bantalan dan bantalan luncuran (metal) atau sesuai buku manual pabrikan. 3. Pembersihan generator 4. Pemeriksaan peralatan listrik 5. Pemeriksaan perawat pendingin cooler dan inter cooler 6. Pemeriksaan cairan peredam getaran (vibration damper) 7. Pemeriksaan Turbocharger (overhaul jika diperlukan pada saatnya) 8. Pengetasan kemampuan mesin 4.2.2.2. Pemeliharaan Periodik Rutin Pemeliharaan periodik rutin yaitu pemeliharaan kecil yang dilakukan dalam tahun anggaran yang bersangkutan. Service Pemeliharaan rutin jangka pendek meliputi pekerjaan melumasi, membersihkan, mengganti, dan menambah minyak pelumas atau bahan bakar kimia.Hal ini biasanya sudah di beritahukan oleh pabrik pembuat mesin. Misalnya sebagai berikut : • PO (8-20) jam • P1 ( 100-150 ) jam • P2 ( 200-300 ) jam • Inspeksi Pemeliharaan rutin dengan jangka waktu yang lebih panjang.Kegiatan biasanya diberitahukan oleh pabrik pembuat misalnya : P3 (400-600) jam Memeriksa peralatan-peralatan, bekerja dengan baik Memperbaiki komponen-komponen yang terjadi kerusakan Memeriksa tekanan, temperatur, dan gas asap Memeriksa sistem pelumasan bekerja dengan baik P4 (1200-1800) jam P5 ( 2400-3600 ) jam 28 ini juga BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU 4.3. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan energi panas dari uap (steam) untuk memutar turbin sehingga dapat digunakan untuk membangkitkan energi listrik melalui generator. Steam yang dibangkitkan ini berasal dari perubahan fase air yang berada pada boiler akibat mendapatkan energi panas dari hasil pembakaran bahan bakar. Secara garis besar sistem pembangkit listrik tenaga uap terdiri dari beberapa peralatan utama di antaranya: boiler, turbin, generator, dan kondensor. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) terdiri dari beberapa system utama, yaitu : 1. Turbine & Generator 2. Boiler (Steam Generator) 3. Coal Handling System 4. Ash Handling System 5. Flue Gas System 6. Balance of Plant Gambar 4.5. Sistem Utama PLTU 29 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU Pada PLTU uap digunakan dalam siklus uap tertutup.Uap yang telah memutar turbin dengan energinya dikondensasikan kembali menjadi air dan dipompa ke boiler, selanjutnya dipanaskan lagi di dalam boiler tersebut. Demikian seterusnya siklus ini terjadi terus menerus. Turbine & Generator merupakan jantung pembangkit listrik ini, karena dari bagian inilah energi listrik dihasilkan.Generator yang berputar dengan kecepatan tetap, menghasilkan energi listrik yang disalurkan ke jaringan interkoneksi dan selanjutnya didistribusikan ke konsumen. Apabila turbin bertingkat maka akan terdiri dari HP ( highpressure ) turbine, IP ( intermediate-pressre ) turbine dan LP ( low-pressure ) turbine. Turbine & Generator memiliki beberapa alat pendukung , yaitu lubricating oil system dan generator cooling system. Boiler (steam generator) berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.Uap bertekanan sangat tinggi yang dihasilkan boiler dipergunakan untuk memutar turbine. Boiler terbagi menjadi beberapa sub system, yaitu : Boiler house steel structure Pressure parts Coal system Air system Boiler cleaning system Air yang disuplai ke boiler, pertama kali masuk ke economizer inlet header, terus didistribusikan ke economizer elements, berkumpul kembali di eco outlet header lalu disalurkan ke steam drum. Economizer terletak di dalam backpass area (di bagian belakang boiler house), sementara steam drum ada di bagian depan roof area. Hal pertama yang harus diketahui adalah bahan baku dari PLTU itu sendiri yakni air, serta bahan bakar .Air yang digunakan dalam siklus PLTU ini disebut air demin, yakni air yang mempunyai kadar conductivity (Kemampuan untuk menghantarkan listrik) sebesar 0.2 μs (mikro siemen). Sebagai perbandingan air mineral yang kita minum sehari-hari mempunyai kadar conductivity Sekitar 100 – 200 us. Untuk mendapatkan air demin ini, setiap unit PLTU biasanya dilengkapi dengan Desalination Plant dan Demineralization Plant yang berfungsi untuk memproduksi air demin ini.Tapi disini tidak dibahas tentang Desalination Plant maupun Demineralization Plant. 30 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU Keunggulan kekurangan Dapat dibangun dengan kapasitas yang bervariasi Kapasitas bisa sampai ratusan MW Effisiensi tinggi jika beban mendekati full load Kekurangan kekurangan PLTU antara lain. Respon beban lambat sehingga hanya buat beban dasar Start up lama dan harus ada cadangan berputar spining reserve utuk mempercepat startup Tidak ramah lingkungan Investasi mahal Sangat tergantung pada tersedianya pasokan bahan bakar Berikut ini beberapa pembangkit yang ada di Jawa Barat : 31 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU Berikut ini beberapa pembangkit yang ada di Indonesia. Table 4.1 beberapa pembangkit di Indonesia 4.4. Pembangkit Listrik Tenaga Gas Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya. 4.4.1. Prinsip kerja PLTG Sistem kerja PLTG dimulai dari pengkompresian udara dan pemanasan udara dengan penambahan bahan bakar. Gas panas bertekanan tinggi ini lah yang tersebut digunakan untuk memutar turbin, sebagai pengerak pemutar generator pembangkit.Gas panas yang dihasilkan dalam ruang bakar dapat meningkatkan temperatur hingga 1100 derajat celcius.Sehubungan dengan temperatur yang sedemikian tinggi tersebut perlu dilakukan pemilihan material hot gas patch, sehingga material tersebut dapat dipergunakan pada kondisi tersebut secara aman . Prinsip kerja dari sebuah PLTG didasarkan pada siklus Brayton seperti pada diagram (p, v dan t, s) 32 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU Gambar 4.6. Silkus Brayton 4.4.2. Bagian-bagian PLTG Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) mempunyai beberapa peralatan utama, seperti: Turbin Gas(Gas Turbine), Kompresor (Compressor), Ruang Bakar (Combustor), Generator. Turbin Gas(Gas Turbine): suatu pembangkit energi mekanik dari suatu proses konversi energi dari energi panas menjadi energi kinetik selanjutnya menjadi energy mekanik yang mampu menggerakkan turbin dengan massa gas pembakaran bahan bakar. Dalam proses operasinya Gas Turbin ditunjang dengan alat bantu khusus yang meliputi: Lubricating Oil System, Control Oil System, Turning Motor, Pony Motor, Starting Motor, Cooling Water System, Exhaust Duck System, Turbine Supervisory Instrumen. Kompresor (Compressor) :adalah suatu pembangkit tenaga mekanik yang berfungsi untuk membangkitkan energy panas yang berasal dari udara atmosfer guna memenuhi kebutuhan proses pembakaran dalam ruang bakar gas turbin. Dalam proses operasinya, Compresor ditunjang dengan alat bantu khusus yang meliputi: Intake Air Filter dan Inlet Gate Fane Udara dengan tekanan atmosfir ditarik masuk ke dalam compressor melalui pintu, udara ditekan masuk ke dalam COMPRESSOR. 33 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU Udara ditekan masuk ke dalam ruang bakar dengan tekanan 250 Psi dicampur dengan bahan bakar dan di bakar dalam Ruang Bakar (COMBUSTOR) dengan temperatur 2000 – 3000⁰F. Gas hasil pembakaran yang merupakan energi termal dengan temperature dan tekanan yang tinggi yang suhunya kira-kira 900⁰C Ruang Bakar (Combustor) : suatu ruang bakar yang merupakan pembangkit energi panas dari suatu proses pembakaran bahan bakar. Dalam proses operasinya, Combuster ditunjang dengan alat bantu khusus yang meliputi: Tangki bahan bakar dan Pompa bahan bakar (untuk bahan bakar minyak), Gas Station (untuk bahan bakar gas), Control System, Fuel Nozzle, Ignitor System Generator, adalah suatu pembangkit energy listrik dari suatu proses konversi energy dari energy mekanik pada poros turbin dikonversikan menjadi energy listrik. Dalam proses operasinya ditunjang dengan alat bantu khusus yang meliputi: Jacking Oil Pump, Exciter, Generator Circuit Breaker, Main Transformer, Generator Protection System, Auxiliary Power System. Udara dengan tekanan atmosfir ditarik masuk ke dalam compressor melalui pintu, udara ditekan masuk ke dalam COMPRESSOR. Udara ditekan masuk ke dalam ruang bakar dengan tekanan 250 Psi dicampur dengan bahan bakar dan di bakar dalam Ruang Bakar (COMBUSTOR) dengan temperatur 2000 – 3000⁰F. Gas hasil pembakaran yang merupakan energi termal dengan temperature dan tekanan yang tinggi yang suhunya kira-kira 900⁰C Gambar 4.7 Sistem kerja PLTP Dari energi panas yang dihasilkan inilah kemudian akan dimanfaatkan untuk memutar turbin dimana didalam sudu-sudu gerak dan sudu-sudu diam turbin, gas panas tersebut 34 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU temperature dan tekanan mengalami penurunan dan proses ini biasa disebut dengan proses ekspansi. Selanjutnya energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin digunakan untuk memutar generator hingga menghasilkan energi listrik. Kendala utama perkembangan PLTG ini di Indonesia adalah pada proses penyediaan bahan bakar gas itu sendiri. jumlah kebutuhan gas bumi untuk sejumlah pembangkit PLN di Jawa dan Sumatera sebanyak 1.459 juta kaki kubik per hari, sedangkan pasokan gas yang disediakan oleh para pemasok sebanyak 590 juta kaki kubik per hari. Dengan demikian terjadi kekurangan pasokan gas sebanyak 869 juta kaki kubik Dari segi operasi, unit PLTG tergolong unit yang masa start-nya pendek, yaitu antara 15-30 menit, dan kebanyakan dapat di-start tanpa pasokan daya dari luar (black start), yaitu menggunakan mesin diesel sebagai motor start. Dari segi pemeliharaan, unit PLTG mempunyai selang waktu pemeliharaan (time between overhaul) yang pendek, yaitu sekitar 4.000-5.000 jam operasi. Makin sering unit mengalami start-stop, makin pendek selang waktu pemeliharaannya. Walaupun jam operasi unit belum mencapai 4.000 jam, tetapi jika jumlah startnya telah mencapai 300 kali, maka unit PLTG tersebut harus mengalami pemeriksaan (inspeksi) dan pemeliharaan. Saat dilakukan pemeriksaan, hal-hal yang perlu mendapat perhatian khusus adalah bagian-bagian yang terkena aliran gas hasil pembakaran yang suhunya mencapai 1.300 0C, seperti: ruang bakar, saluran gas panas (hot gas path),dan sudu-sudu turbin. Bagian-bagian ini umumnya mengalami kerusakan (retak) sehingga perlu diperbaiki (dilas) atau diganti. Proses start-stop akan mempercepat proses kerusakan (keretakan) ini, karena proses start-stop menyebabkan proses pemuaian dan pengerutan yang tidak kecil. Hal ini disebabkan sewaktu unit dingin, suhunya samadengan suhu ruangan (sekitar 30C sedangkan sewaktu operasi, akibat terkena gas hasil pernbakaran dengan suhu sekitar 1.3000C. Dari segi efisiensi pemakaian bahan bakar, unit PLTG tergolong unit termal yang efisiensinya paling rendah, yaitu berkisar antara 15-25%. Dalam perkembangan penggunaan unit PLTG di PLN, akhir-akhir ini digunakan unit turbin gas aero 35 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU derivative, yaitu turbin gas pesawat terbang yang dimodifikasi menjadi turbin gas penggerak generator. Berikut ini beberapa PLTG di Indonesia. Pembangkit Listrik Tenaga Gas PUG Alurcanang Terdapat di Provinsi JawaBarat Pembangkit Listrik Tenaga Gas PUG Dieng Terdapat di Provinsi Jawa Tengah Pembangkit Listrik Tenaga Gas PUG Grati Terdapat di Provinsi Jawa Timur Pembangkit Listrik Tenaga Gas PUG Karnojang Terdapat di Provinsi Jawa Barat Pembangkit Listrik Tenaga Gas TrisaktiKota Banjarmasin, Kalimantan Selatan 36 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU 4.5. Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap PLTGU merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan tenaga gas dan uap. Jadi disini sudah jelas ada dua mode pembangkitan. yaitu pembangkitan dengan turbin gas dan pembangkitan dengan turbin uap. turbin gas lebih dikenal dengan istilah GTG (Gas Turbin Generator) sedangkan turbin uap dikenal dengan STG(Steam Turbin Generator). Tidak hanya itu saja, terdapat juga bagian yang namanya HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Untuk GTG, Gas yang digunakan bukanlah gas alam , melainkan gas hasil pembakaran bahan bakar High Speed Diesel (HSD) dan Marine Fuel Oil (MFO) sehingga menghasilkan emisi sisa pembakaran. Emisi ini diolah sedemikian rupa sehingga kadar zat berbahayanya tidak melebihi standar yang ditetapkan pemerintah. Bahan bakar ini disuplai ke tangki-tangki penampungan bahan bakar melalui pipa bawah laut. Turbin gas ini dapat dioperasikan dalam dua mode, yaitu konfigurasi simple cyle dan konfigurasi combined cycle. Dalam keadaan simple cycle turbin gas atau biasa dikenal Gas Turbin Generator (GTG) bekerja sendiri sehingga tidak ada pemanfaatan kembali sisa energi dari gas panas yang terbuang. Gas buang langsung di alirkan ke atmosfir. Pada keadaan combined cycle pada umumnya terdiri dari beberapa turbin gas dimana energi sisa pada gas buangnya akan dimanfaatkan kembali untuk pemanasan air di Heat Recovery Steam Generator (HRSG) untuk menghasilkan uap yang akan digunakan untuk pembangkitan turbin uap atau Steam Turbin Generator (STG). Adapun prinsip kerja dari PLTGU bisa dijelaskan pada gambar berikut ini, Pertama, Turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu poros, tetapi pada saat start up fungsi ini terlebih dahulu dijalankan oleh penggerak mula (prime mover). Kedua, Proses selanjutnya pada ruang bakar, jika start up menggunakan bahan bakar cair (fuel oil) maka terjadi proses pengabutan (atomizing) setelah itu terjadi proses pembakaran dengan penyala awal dari busi, yang kemudian dihasilkan api dan gas panas yang bertekanan. Gas panas tersebut dialirkan ke turbin sehingga turbin dapat menghasilkan tenaga mekanik berupa putaran. Selanjutnya gas panas dibuang ke atmosfir dengan temperatur yang masih tinggi. 37 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU Proses seperti tersebut diatas merupakan siklus turbin gas, yang merupakan penerapan Siklus Brayton. Siklus PLTGU terdiri dari gabungan siklus PLTG dan siklus PLTU. Siklus PLTG menerapkan siklus Brayton, sedangkan siklus PLTU menerapkan siklus ideal Rankine sseperti gambar di bawah : Gambar 4.8. Sistem kerja PLTGU Steam Generator” (HRSG). Siklus kombinasi ini selain meningkatkan efisiensi termal juga akan mengurangi pencemaran udara. Dengan menggabungkan siklus tunggal PLTG menjadi unit pembangkit siklus kombinasi (PLTGU) maka dapat diperoleh beberapa keuntungan, diantaranya adalah : 1. Efisiensi termalnya tinggi, sehingga biaya operasi (Rp/kWh) lebih rendah dibandingkan dengan pembangkit thermal lainnya. 2. Biaya pemakaian bahan bakar (konsumsi energi) lebih rendah 3. Pembangunannya relatif cepat 4. Kapasitas dayanya bervariasi dari kecil hingga besar 5. Menggunakan bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan 6. Fleksibilitasnya tinggi 7. Tempat yang diperlukan tidak terlalu luas, sehingga biaya investasi lahan lebih sedikit. 38 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU 8. Pengoperasian PLTGU yang menggunakan komputerisasi memudahkan pengoperasian. 9. Waktu yang dibutuhkan: untuk membangkitkan beban maksimum 1 blok PLTGU relatif singkat yaitu 150 menit. 10. Prosedur pemeiliharaan lebih mudah dilaksanakan dengan adanya fasilitas sistem diagnosa. Gambar 4.9. Sistem proses kerja PLTGU 39 BAB IV ENERGI TERBARUKAN PLTA dan PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU Beberapa daftar PLTGU di Indonesia : 1. UBP Priok, mengoperasikan PLTU Priok Unit 3&4 (2x45 MW), PLTGU (Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap) Priok Blok I dan II masing-masing (3x120 MW dan 1x171 MW), PLTG Priok Unit 1&3 (2x17 MW) 2. UBP Semarang, mengoperasikan PLTU Tambak Lorok, Semarang Unit 1-2 (2x42 MW), Unit 3 (105 MW), PLTGU Tambak Lorok Blok I dan II masing2 (3x100 MW dan 1x152 MW), PLTG Cilacap (2x20 MW) 3. UBP Perak-Grati], mengoperasikan PLTU Perak, Surabaya Unit 3-4 (2x28 MW), PLTGU Grati, Lekok, Pasuruan Blok I (3x99 MW dan 1x153 MW), PLTG Grati Blok II (3x100 MW) 40 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB BAB V PEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN (PLTS, PLTN, PLTPB) Tujuan Pembelajaran : - Mengetahui mengerti prinsip kerja dari jenis pembangkit renewable ( PLTS, PLTN), PLTPb ) Mengerti bagian-bagian blok system dari suatu PLTS, PLTN), PLTPb Memahami penggunaan dari jenis pembangkit listrik. (PLTS, PLTN), PLTPb) 5.1. PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya) PLTS adalah pembangkit listrik yang mengubah energi surya menjadi energi listrik. Pembangkitan listrik bisa dilakukan dengan dua cara, yaitu secara langsung menggunakan Photovoltalic dan secara tidak langsung dengan Pemusatan energi. 5.1.1. Prinsip Kerja Photovoltalic Pembangkitan energi listrik pada sel surya terjadi berdasarkan efek fotolistrik, atau disebut juga efek fotovoltaik, yaitu efek yang terjadi akibat foton dengan panjang gelombang tertentu yang jika energinya lebih besar daripada energi ambang semikonduktor, maka akan diserap oleh elektron sehingga elektron berpindah dari pita valensi (N) menuju pita konduksi (P) dan meninggalkan hole pada pita valensi, selanjutnya dua buah muatan, yaitu pasangan elektron-hole, dibangkitkan. Aliran elektron-hole yang terjadi apabila dihubungkan ke beban listrik melalui penghantar akan menghasilkan arus listrik. Sel surya atau sel photovoltaic adalah alat yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik menggunakan efek fotoelektrik. Dibuat pertama kali pada tahun 1880 oleh Charles Fritts. 41 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB Gambar 5.1. Photovoltaic Photovoltaic terdiri dari beberapa jenis, antaralain. 1. Panel Surya Monocristalline silicon (mono-silicon atau single silicon) Panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi.Memiliki efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang , efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan. 2. Panel Surya Polycristalline silicon (multicrystalline, multi-silicon, ribbon) Memiliki level silikon yang lebih rendah dari panel monocrystalline. Panel ini sedikit lebih murah dan sedikit lebih rendah efisiensinya dari panel monocrystalline.Panel Plycristalline Merupakan solar cell yang memiliki susunan kristal acak. Type Polikristal memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung. 3. Panel Surya Amorphous/ Thin Film (amorphous silicon, cadmiumtelluride, copper indium gallium (di)selenide) Disebut Thin Film karena panel ini sangat murah untuk dibuat. TeknologiAmorphous ini sering terdapat pada solar panel yang kecil, seperti padakalkulator atau lampu taman. 4. Panel Surya Thin Film Photovoltaic Merupakan panel surya ( dua lapisan) dengan struktur lapisan tipismikrokristal-silicon dan amorphous dengan efisiensi modul hingga 8.5%sehingga untuk luas permukaan yang diperlukan per watt daya yangdihasilkan lebih besar daripada monokristal & 42 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB polykristal. Inovasi terbaruadalah Thin Film Triple Junction PV (dengan tiga lapisan) dapat berfungsisangat efisien dalam udara yang sangat berawan dan dapat menghasilkandaya listrik sampai 45% lebih tinggi dari panel jenis lain dengan daya yangditera setara. 5.1.2.Tingkat Efektifitas PLTS Di Dunia Gambar 5.2.Intensitas rata-rata sinar matahari. dari gambar 5.2. dapat disimpulkan bahwa Indonesia memiliki potensi yang cukup baik untuk mengembangkan PLTS karena rata-rata sinar radiasi matahari yang cukup baik di indonesia.Proyeksi efisiensi solar sel berbagai jenis. 43 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB Tabel 5.1. Proyeksi efisiensi photovoltaic 5.2. PLTN Adalah stasiun pembangkit listrik thermal di mana panas yang dihasilkan diperoleh dari satu atau lebih reactor nuklir pembangkit listrik .PLTN termasuk dalam pembangkit daya base load , yang dapat bekerja dengan baik ketika daya keluarannya konstan (meskipun boiling water reactor dapat turun hingga setengah dayanya ketika malam hari) . Energi nuklir sebagai energi alternatif masa kini karena menjadi salah satu energi alternatif yang relatif besar potensinya untuk menggantikan energi fosil selain itu energi nuklir merupakan energi yang sangat murah dan efisien dengan satu gram nuklir saja dapat membangkitkan energi yang besar hanya perlu pemeliharan dan keamanaan yang sangat intensif . PLTN jenis air ringan dengan kapasitas antara 600 s/d 900 MWe di bangun di Semenanjung Muria Jawa-tengah dan dioperasikan sekitar tahun 2004 sebagai solusi optimal untuk mendukung sistem kelistrikan Jawa-Bali. Selain di semenanjung Muria Jawa-Tengah masih dalam rencana untuk dibangun seperti di Pulau Bangka tahun 2016 rencana akan dibangun . Daya yang dibangkitkan berkisar dari 40 MWe hingga 1000 MWe . Unit baru yang sedang dibangun pada tahun 2005 mempunyai daya 600-1200 Mwe . 5.2.1. Prinsip kerja PLTN Prinsip kerja PLTN hampir mirip dengan cara kerja pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) berbahan bakar fosil lainnya. Jika PLTU menggunakan boiler untuk menghasilkan energi panasnya, PLTN menggantinya dengan menggunakan reaktor nuklir. PLTU menggunakan bahan bakar batubara, minyak bumi, gas alam dan sebagainya untuk menghasilkan panas dengan cara dibakar, kemudia panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan air di dalam boiler sehingga menghasilkan uap air, uap air yang didapat 44 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB digunakan untuk memutar turbin uap, dari sini generator dapat menghasilkan listrik karena ikut berputar seporos dengan turbin uap. PLTN juga memiliki prinsip kerja yang sama yaitu di dalam reaktor terjadi reaksi fisi bahan bakar uranium sehingga menghasilkan energi panas, kemudian air di dalam reaktor dididihkan, energi kinetik uap air yang didapat digunakan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan listrik untuk diteruskan ke jaringan transmisi,. Gambar 5.3. Prinsip kerja PLTN Gambar 5.4. Potensi uranium di Indonesia 5.2.2. Keuntungan PLTN Keuntungan PLTN dibandingkan dengan pembangkit daya utama lainnya adalah: Tidak menghasilkan emisi gas rumahkaca (selama operasi normal) - gas rumah kaca hanya dikeluarkan ketika Generator Diesel Darurat dinyalakan dan hanya sedikit menghasilkan gas) 45 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB Tidak mencemari udara - sepert karbonmonoksida, sulfur tidak menghasilkan gas-gas berbahaya dioksida, aerosol, mercury, nitrogen oksida, partikulate atau asap fotokimia Sedikit menghasilkan limbah padat (selama operasi normal) Biaya bahan bakar rendah - hanya sedikit bahan bakar yang diperlukan Ketersedian bahan bakar yang melimpah - sekali lagi, karena sangat sedikit bahan bakar yang diperlukan. 5.2.3. Kekurangan PLTN • Risiko kecelakaan nuklir - kecelakaan nuklir terbesar adalah kecelakaan Chernobyl(yang tidak mempunyai containment building). • Limbah nuklir - limbahradioaktif tingkat tinggi yang dihasilkan dapat bertahan hingga ribuan tahun. AS siap menampung limbah ex PLTN dan Reaktor Riset. Limbah tidak harus disimpan di negara pemilik PLTN dan Reaktor Riset. Untuk limbah dari industri pengguna zat radioaktif, bisa diolah di Instalasi Pengolahan Limbah Zat Radioaktif, misal yang dimiliki oleh BATAN Serpong. • Risiko kecelakaan nuklir - kecelakaan nuklir terbesar adalah kecelakaan Chernobyl (yang tidak mempunyai containment building). • Limbah nuklir - limbah radio aktif tingkat tinggi yang dihasilkan dapat bertahan hingga ribuan tahun. AS siap menampung limbah ex PLTN dan Reaktor Riset. Limbah tidak harus disimpan di negara pemilik PLTN dan Reaktor Riset. Untuk limbah dari industri pengguna zat radioaktif, bisa diolah di Instalasi Pengolahan Limbah Zat Radioaktif, misal yang dimiliki oleh BATAN Serpong. Jenis-jenis PLTN PLTN dikelompokkan berdasarkan jenis reaktor yang digunakan. Tetapi ada juga PLTN yang menerapkan unit-unit independen, dengan menggunakan jenis reaktor yang berbeda. 1. Reaktor Fisi Membangkitkan panas melalui reaksi fisi nuklir dari isotop fossil uranium dan plutonium . Selanjutnya reaktor daya fisi dikelompokkan lagi menjadi: a. Reaktor thermal menggunakan moderator neutron untuk melambatkan atau memoderate neutron sehingga mereka dapat menghasilkan reaksi fissi selanjutnya. Neutron 46 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB yang dihasilkan dari reaksi fissi mempunyai energi yang tinggi atau dalam keadaan cepat, dan harus diturunkan energinya atau dilambatkan (dibuat thermal) oleh moderator sehingga dapat menjamin kelangsungan reaksiberantai. Hal ini berkaitan dengan jenis bahan bakar yang digunakan reactor thermal yang lebih memilih neutron lambat ketimbang neutron cepat untuk melakukan reaksi fissi b. Reaktor cepat menjaga kesinambungan reaksi berantai tanpa memerlukan moderator neutron. Karena reactor cepat menggunakan jenis bahan bakar yang berbeda dengan reaktor thermal, neutron yang dihasilkan di reaktor cepat tidak perlu dilambatkan guna menjamin reaksi fissi tetap berlangsung 2. Reaktor subkritis menggunakan sumber neutron luar ketimbang menggunakan reaksi berantai untuk menghasilkan reaksi fissi. Reaktor Fusi Fusi nuklir menawarkan kemungkinan pelepasan energi yang besar dengan hanya sedikit limbah radioaktif yang dihasilkan serta dengan tingkat keamanan yang lebih baik. Namun demikian, saat ini masih terdapat kendal-kendala bidang keilmuan, teknik dan ekonomi yang menghambat penggunaan energi fusi guna pembangkitan listrik. Hal ini masih menjadi bidang penelitian aktif dengan skala besar seperti dapat dilihat di JET, ITER, dan Z machine. Merupakan suatu proses yang digunakan untuk menentukan apa yang harus dikerjakan untuk menjamin setiap aset fisik tetap bekerja sesuai yang diinginkan atau sesuatu proses untuk menentukan jenis perawatan, inspeksi, monitoring, atau testing mana yang lebih efektif diterapkan pada suatu mesin saat kondisi tertentu. Intinya RCM bertujuan utuk meningkatkan reliabilitas dan kemudian dapat mengoptimalkan biaya dari aktivias maintenance. Beberapa prinsip RCM : 1. RCM fokus terhadap sistem dan standar fungsionalnya 2. RCM fokus terhadap reliabilitas sistem atau komponen 3. RCM fokus terhadap pencegahan kerusakan (preventive maintenance). 4. RCM bertujuan untuk keselamatan (safety), keamanan (security), dan ekonomi. 5. RCM menggunakan logic tree untuk menentukan jenis perawatan. Logic tree digunakan untuk menetukan jenis perawatan yang sesuai. 47 BAB VPEMBANGKIT LISTRIK BARU TERBARUKAN :PLTS, PLTN, PLTPB 6. RCM meruakan planning jangka panjang. 7. Task Selection setelah hasil analisi diketahui, kemudian baru diambil langkah kegiatan pemeliharaan. Kegiatan pemeliharaan dapat berupa preventive maintenance, conditioning monitoring, inspeksi, dan lain sebagainya. 8. Task Comparison setelah kegiatan pemeliharaan ditentukan dan dilakukan, kemudian hasilnya dibandingkan dengan kegiatan pemeliharaan sebelumnya. Pembandingan ini bertujuan untuk mengidentifikasi perubahan yang diperlukan pada program pemeliharaan. 9. Records Data dan hasil yang yang diperoleh pada langkah 1 sampai 4 kemudian diarsipkan untuk berbagai keperluan di masa mendatang. 48 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen BAB VI SALURAN TRANSMISI, DISTRIBUSI, GARDU INDUK DAN BEBAN Tujuan Pembelajaran : - Mengetahui sistem tenaga listrik secara umum, Mengetahui bagian-bagian transmisi, dan distribusi tenaga listrik, Memahami fungsi Transmisi dan distribusi tenaga listrik. Sistem tenaga listrik secara umum terdiri dari beberapa bagian utama. Bagian pertama adalah pembangkit tenaga listrik, kemudian saluran transmisi, saluran ditribusi, dan beban. Secara sederhana, sistem tenaga listrik dapat diillustrasikan dengan Gambar 6.1 berikut. Gambar 6.1.Sistem Tenaga Listrik 6.1. KlasifikasiTegangan Klasifikasi tegangan transmisi listrik ditinjau dari besar tegangan dibagi menjadi beberapa kelas antara lain : Saluran UdaraTegangan EkstraTinggi (SUTET) Tegangan: 345 kV, 500 kV, 765 Kv SaluranUdaraTeganganTinggi (SUTT) 49 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen Tegangan:115 kV, 150 kV 230 kV Digunakan pada saluran interkoneksi antara Gardu induk dan pembangkit. Saluran UdaraTegangan Menengah (SUTM) Tegangan : 2.4 kV sampai 46 kV, PLN pakai yang 20 kV. Digunakan untuk suplai saluran penduduk dan bangunan komersial. Saluran Udara Tegangan Rendah (SUTR) 40V-1000V 6.2. Transmisi tenaga listrik Konfigurasi Jaringan Transmisi tampak pada Gambar 6.2. Pada gambar terlihat bahwa bagian awal terdapat sebuah pembangkit yang tegangannya dinaikkan kemudian tersalur pada sebuah saluran transmisi.Pada ujung saluran , system transmisi dihubungkan pada sebuah gardu yang berfungsi menurunkan tegangan. Gardu penurun tegangan kemudian disalurkan pada sebuah system distribusi, sehingga daya dapat diterima oleh beban. Gambar 6.2.Sistem TransmisiTenagaListrik Pada perencanaan saluran transmisi, terdapat beberapa faktor yang diperhatikan dalam penyaluran tenaga listrik antara lain. 1. Pemilihan tegangan 2. Pemilihan jenis kawat 50 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen 3. Pemilihan sistem Proteksi 4. Kontinuitas penyaluran tenaga listrik 5. Pembebasan tanah yang dilalui Keuntungan transmisi tegangan tinggi dapat dilihat pada table 6.1. Tabel 6.1.KeuntunganTransmisiTeganganTinggi 6.2.1. Bagian-bagian Saluran Transmisi Bagian-bagian saluran transmisi secara umum terdiri dari beberapa bagian seperti pada Gambar 6.3.antara lain. 1. Isolator. 2. Bundle 2 conductor (ada yang 4) 3. Spacer untuk menahan 2 konduktor. 4. Saluran kawat tanah. 5. 3 saluran tegangan fasa. 6. Identitas tower. 7. Perangkat Anti-climbing 51 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen i Gambar 6.2.Saluran Transmisi Tenaga Listrik Dalam isolasi pada tegangan tinggi, kemampuan isolasi sangat dipengaruhi oleh jarak isolasi. Berikut ini standart pada isolasi udara menurut standart PUIL Peraturan Umum Instalasi Listrik, dan ESA ( Electrical Safety Advices ). Tabel 6.2.Jarak Aman menurut PUIL 2000 ( Peraturan Umum Instalasi Listrik ) No TeganganSistem phasa – tanah ( kV ) Jarak Minimum ( cm ) 1 1 50 2 12 60 3 20 75 4 36 100 5 20 70 6 30 85 7 70 100 8 150 150 9 500 500 52 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen Tabel 6.3.JarakAmanmenurutESA ( Electrical Safety Advices ) No TeganganSistem ( kV ) JarakAman ( cm ) 1 20 70 2 30 85 3 70 100 4 150 150 5 500 500 6.2.2. Jenis-jeniskabeltransmisi Jenis-jenis kabel transmisi yang digunakan antara lain. 1. Aluminum Conductor Steel Reinforced (ACSR) 2. All Aluminum Conductor (AAC) 3. All Aluminum Alloy Conductor(AAAC) Aluminum outer strands 2 layers, 30 conductors Steel core strands, 7 conductors r r d r d d d Gambar 6.3.Aluminum Conductor Steel Reinforced (ACSR) Kabel transmisi yang lebih dari satu kabel dalam transmission line disebut dengan konduktor berkas. Konduktor berkas /Bundle Conductor digunakan untuk membagi kuat medan listrik / mengurang iterjadinya Korona. 53 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen 6.2.3. Perlengkapan Gardu Transmisi 1. Busbar atau Rel, Merupakan titik pertemuan/hubungan antara trafo-trafo tenaga,Saluran Udara TT, Saluran Kabel TT dan peralatan listrik lainnya untuk menerima dan menyalurkan tenaga listrik/daya listrik. 2. Ligthning Arrester, biasa disebut dengan Arrester dan berfungsi sebagai pengaman instalasi (peralatan listrik pada instalasi Gardu Induk) dari gangguan tegangan lebih akibat sambaran petir (ligthning Surge). 3. Transformator instrument atau Transformator ukur, Untuk proses pengukuran. 4. Sakelar Pemisah (PMS) atau Disconnecting Switch (DS),Berfungsi untuk mengisolasikan peralatan listrik dari peralatan lain atau instalasi lain yang bertegangan. 5. Sakelar Pemutus Tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB), Berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan rangkaian pada saat berbeban (pada kondisi arus beban normal atau pada saat terjadi arus gangguan). 6. Sakelar Pentanahan, Sakelar ini untuk menghubungkan kawat konduktor dengan tanah / bumi yang berfungsi untuk menghilangkan/mentanahkan tegangan induksi pada konduktor pada saat akan dilakukan perawatan atau pengisolasian suatu sistem. 7. Kompensator, alat pengubah fasa yang dipakai untuk mengatur jatuh tegangan pada saluran transmisi atau transformator. SVC (Static Var Compensator) berfungsi sebagai pemelihara kestabilan 8. Peralatan SCADA dan Telekomunikasi, (Supervisory Control And Data Acquisition) berfungsi sebagai sarana komunikasi suara dan komunikasi data serta tele proteksi dengan memanfaatkan penghantarny 9. Rele Proteksi, alat yang bekerja secara otomatis untuk mengamankan suatu peralatan listrik saat terjadi gangguan,menghindari atau mengurangi terjadinya kerusakan peralatan akibat gangguan 10. Kompensator, alat pengubah fasa yang dipakai untuk mengatur jatuh tegangan pada saluran transmisi atau transformator. SVC (Static Var Compensator) berfungsi sebagai pemelihara kestabilan 11. Peralatan SCADA dan Telekomunikasi, (Supervisory Control And Data Acquisition) berfungsi sebagai sarana komunikasi suara dan komunikasi data serta tele proteksi dengan memanfaatkan penghantarnya 12. Rele Proteksi, alat yang bekerja secara otomatis untuk mengamankan suatu peralatan listrik saat terjadi gangguan, menghindari atau mengurangi terjadinya kerusakan peralatan akibat gangguan 54 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen 6.3. SISTEM DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK Sistem Jaringan Distribusi terdiri dai beberapa bagian antaralain. - Jaringan tegangan menengah JTM ) - Konfigurasi jaringan - Trafo distribusi - Jaringan tegangan rendah ( JTR ) - Saluran rumah ( down wire ) - Konsumen ( sektor beban ) Jenis jaringan distribusi listrik dari bentuk jarring diklasifikasikan sebagai berikut. Sistem distribusi Radial Sistem distribusi loop Sistem distribusi Spindle Sistem distribusi Radial Sub-transmission Line Re-closing Circuit Breaker Feeder 4 Feeder 3 Feeder 2 Single-phase Radial Feeder Neutral Feeder 1 Single-phase Radial Feeder Fuse Distribution (Step-down) Transfomer } To Consumer Service Drop Three-phase Four-wire Main Feeder Gambar 6.4.Sistem distribusi 55 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen 6.3.1. Struktur Jaringan Radial Gambar 6.5.Jaringan radial Struktur jaringan radial adalah paling sederhana dan paling murah biaya pembangunannya. cabang dari penyulang utama disebut penyulang Lateral sedangkan cabang dari penyulang Lateral disebut panyulang sub-Lateral. Arus yang paling besar mengalir adalah yang paling dekat dengan gardu induk. dan akan berkurang dengan semakin jauh dari gardu induk. Sehingga memungkinkan ukuran konduktor diperkecil dengan mengecilnya arus tersebut. Struktur jaringan ini dalam menyalurkan energi listrikmemiliki keandalan yang kurang. Suatu gangguan pada hulu penyulang dapat mengakibatkan gangguan pada penyaluran energi listrik ke konsumen yang berada dibelakang titik gangguan 6.3.2. StrukturJaringan Loop Gambar 6.6. Jaringan loop Struktur jaringan loop merupakan gabungan dari dua struktur jaringan radial. dimana pada ujung dari kedua jaringan dipasang sebuah pemutus ( PMT ) atau pemisah ( PMS ). Ketika kondisi gangguan setelah gangguan diisolir. maka PMT/PMS ditutup sehingga aliran daya listrik ke bagian yang tidak terkena gangguan tidak terhenti. Kondisi normal. struktur jaringan loop ini merupakan dua struktur jaringan radial. Pada umumnya konduktor dari struktur ini mempunyai penampang yang sama. Ukuran konduktor tersebut dipilih sehingga dapat menyalurkan seluruh daya listrik beban struktur loop yang merupakan jumlah dari kedua struktur jaringan radial. Struktur jaringan ini. mempunyai keandalan yang cukup. sedangkan biaya pembangunannya lebih mahal dibandingkan dengan pembangunan struktur jaringan radial. 56 Bab VI Saluran Transmisi, Distribusi, Gardu Induk, dan Konsumen 6.3.3. StrukturJaringanSpindel Gambar 6.7.JaringanSpindel Struktur jaringan spindel merupakan perluasan dari struktur jaringan radial. dimana jumlah saluran keluaran dari rel tegangan menengah diperbanyak dan kesemuanya bertemu pada suatu tempat yang disebut Gardu Refleksi yang hanya berfungsi sebagai gardu hubung. Selain itu disediakan satu atau dua saluran langsung tanpa pembebanan menuju gardu refleksi yang disebut Penyulang Ekspres. Pada kondisi normal saluran ini tidak dibebani tetapi selalu dalam kodisi bertegangan 57 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban BAB VII SISTEM INSTALASI DENGAN SINGLE LINE DIAGRAM, WIRED DIAGRAM DAN PENGELOMPOKAN BEBAN LISTRIK Tujuan Pembelajaran : - Mengetahui system system instalasi listrik secara umum, Mengetahui bagian-bagian instalasi Memahami fungsi instalasi tenaga listrik. Sistem instalasi listrik merupakan system pembagian beban pada suatu beban listrik. Instalasi listrik adalah suatu bagian penting yang terdapat dalam sebuah bangunan gedung , yang berfungsi sebagai penunjang kenyamanan penghuninya. Di indonesia dalam dunia teknik tenaga listrik terdapat aturan PUIL (Persyaratan Umum Instalasi Listrik). Ada beberapa jenis gambar yang harus dikerjakan dalam tahap perancangan suatu proyek pemasangan instalasi listrik penerangan dan tenaga yang baku menurut puil 2000. Rancangan instalasi listrik terdiri dari: 1. Gambar situasi Gambar situasi adalah gambar yang menunjukkan dengan jelas letak bangunan instalasi tersebut akan dipasang dan rencana penyambungannya dengan jaringan listrik PLN. 2. Gambar instalasi meliputi : a) Rancangan tata letak yang menunjukkan dengan jelas tata letak perlengkapan listrik beserta sarana pelayanannya (kendalinya), seperti titik lampu, saklar, kotak kontak, motor listrik, panel hubung bagi dan lain-lain. b) Rancangan hubungan peralatan atau pesawat listrik dengan pengendalinya . c) Gambar hubungan antara bagian-bagian dari rangkaian akhir, serta pemberian tanda yang jelas mengenai setiap peralatan atau pesawat listrik. d) Gambar diagram garis tunggal yang tercantum dalam diagram garis tunggal ini meliputi: e) Diagram phb lengkap dengan keterangan mengenai ukuran dan besaran nominal komponennya. f) Keterangan mengenai jenis dan besar beban yang terpasang dan pembaginya. g) ukuran dan besar penghantar yang dipakai. h) Sistem pembumiannya. 7.1. Tujuan instalasi listrik Tujuan adanya instalasi listrik antaralain. a) Instalasi listrik yang baik. Peraturan dalam instalasi lebih diutamakan pada keselamatan manusia terhadap bahaya sentuhan serta kejutan arus, keamanan instalasi listrik beserta perlengkapannya dan keamanan gedung serta isinya terhadap kebakaran akibat listrik. b) Persyaratan ini berlaku untuk semua instalasi arus kuat, baik mengenai perencanaanpengawasannya. 58 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban 7.2. Syarat-Syarat Instalasi Listrik Syarat-Syarat Instalasi Listrik antaralain. 1. Syarat ekonomis Mulai dari perencanaan, pemasangan dan pemeliharaannya semurah mungkin, kerugian daya listrik harus sekecil mungkin. 2. Syarat keamanan Tidak membahayakan jiwa manusia dan terjaminnya peralatan dan bendabenda disekitarnya dari kerusakan akibat dari adanya gangguan seperti: gangguan hubung singkat, tegangan lebih, beban lebih dan sebagainya. 3. Syarat keandalan (kelangsungan kerja) Kelangsungan pengaliran arus listrik kepada konsumen harus terjamin secara baik. Persyaratan Utama untuk Catu Daya Perangkat elektronik antara lain. Dipercaya kehandalan dan kelestariannya Mampu menyediakan arus dan tegangan yang normal untuk mencatu perangkat telekomunikasi Tegangan output harus dapat diatur dalam batas-batas yang ditetapkan untuk perangkat telekomunikasi Dapat mengamankan secara otomatis terhadap setiap kondisi gangguan Derau (Noise) yang ditimbulkan harus dibawah harga tertinggi yang ditetapkan Biaya instalasi, pemeliharaan dan operasinya harus dalam batas-batas yang wajar dengan kondisi yang ditetapkan Berdasarkan besar tegangan, instalasi listrik terbagi menjadi beberapa jenis saluran, salah satunya adalah saluran tegangan rendah, seperti tampak pada gambar 7.1. Selain tegangan rendah, terdapat pula sambungan tegangan menengah atau tinggi yang tampak pada Gambar 7.2. 3 ~ 50 Hz 380/220 V Main Supply Main Fuse Meter Distribusi Tegangan Rendah Gambar 7.1. Saluran tegangan rendah 59 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban Saluran Sambungan Tegangan Rendah memiliki beberapa karakteristik sebagai berikut. Panel berfungsi untuk mendistribusikan daya listrik dimana PLN sebagai catuan inputnya Panel dapat disambungkan pada sistem tegangan rendah atau tegangan tinggi Pada sitem jala-jala yang sampai ke beban adalah : Tegangan Fasa (Vf) biasanya 220 V Tegangan Saluran (VL-L) biasanya 380 V Frekwensi 50 Hz Sambungan AC satu phasa 220 Volt digunakan untuk pelanggan kebutuhan daya mulai dari 450 VA – 5500 VA Untuk pelanggan mulai 6600 VA – 50 KVA digunakan tegangan sambungan AC tiga phasa 220/380 Volt Main Supply 3 ~ 50 Hz 20 KV Saklar Tegangan Tinggi Sekring (Fuse) Meter Tranformer 20 KV 380/220V Distribusi Tegangan Rendah Gambar 7.2. Saluran tegangan menengah atau tinggi Saluran Sambungan Tegangan Medium atau Tinggi (untuk industri ) memiliki beberapa karakteristik sebagai berikut. • • Sambungan AC tegangan tinggi diatas 20 KV digunakan untuk kebutuhan daya diatas 50 KVA Sistem sambungan tegangan ini harus dihubungkan dengan trafo distribusi penurunan tegangan 20 KV ke tegangan 220/380 V yang disatukan dengan pelanggan umum lainnya 60 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban 7.3. Pembagian Beban listrik Pembagian beban dalam instalasi dilakukan dalam panel. Terdapat beberapa jenis panel antaralain MDP (Main Distribution Panel), panel yang dibawahnya: SDP (Sub Distribution Panel), dan yang terakhir adalah load panel, yang langsung terhubung dengan beban. Gambar 7.3. Pembagian beban Jenis perangkat instalasi m.e seperti terdapat pada Gambar 7.4. antaralain. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. SOURCE/Sumber PLN PANEL HUBUNG BAGI PENGANTAR PEMUTUS/PENGHUBUNG SISTEM PROTEKSI INDIKATOR LOAD 61 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban Gambar 7.4. Perangkat pada system instalasi dan backup genset 7.4. Penghantar 3 fasa Berikut ini identifikasi warna kebel 3 fasa : Fasa R/U/X : warna merah Fasa S/V/Y : warna kuning Fasa T/W/Z : warna hitam Penghantar Netral : warna biru Penghantar Ground : warna loreng hijau kuning Gambar 7.5. identifikasi warna kabel Dalam pemasangan instalasi listrik ada beberapa jenis kabel yang sering digunakan diantaranya : NGA, NYA, NYM, NYY, NYGbY, NYRGbY. Untuk kabel yang dipasang ditempat yang aman dan ditanam didalam dinding (inbow) : NGA, NYA, NAYA. Untuk kabel yang ditanam dalam tanah : NYY,NYGbY, NYRGbY 62 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban 7.4.1. NYA Konstruksi : 1. Copper Conductor 2. PVC Insulated Tegangan : 450/750 V Ukuran : 1.5mm2s/d 4.00mm Applikasi : instalasi pemanent, untuk lokasi yang tidak basah. Gambar 7.6. kabel NYA 7.4.2. NYM Aplikasi pada : kondisi kering, lembab, tempat basah, di tempat workshop,pabrik, area bisnis, dept store. Jangan digunakan pada bawah tanah. Gambar 7.6. kabel NYM 63 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban 7.4.3. NYY Konstruksi : 1. Annealed Copper Conductor 2. Extruded PVC Insulated 3. Extruded PVC Inner Sheathed Tegangan : 0.6/1 kV Aplikasi : untuk Indoor and Outdoor Installasi didalam tanah. Gambar 7.7. Kabel NYY 7.4.4. NYAF Konstruksi : 1. konduktor tembaga yang Flexible 2. isolasi PVC Tegangan nominal : 450/750 Volt Size Diameter : 1.5mm2–2.40 mm2 Aplikasi: Installasi Permanent pada lokasi kering Gambar 7.8. Kabel NYAF 64 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban 7.4.5. Kabel jenis NYFGbY Konstruksi : 1. Annealed Copper Conductor 2. Extruded PVC Insulated 3. Extruded PVC Inner Sheathed 4. Flat Steel Wire and Tape Armoured 5. Extruded PVC Outer Sheathed Aplikasi: instalasi Indoor and Outdoor kondisi ada tekanan mekanis. Gambar 7.8. Kabel NYFGbY 65 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban 7.5. Standar daya PLN Berikut ini standart sambungan listrik dari PLN. Tampak pada Tabel 7.1. daya terendah sebesar 450 VA, dan batasan penyaluran daya tiga fasa adalah 6.6 kVA. Untuk permintaan daya sebesar 6.6 kVA atau lebih, maka digunakan saluran tiga fasa. Komponen Pokok Instalasi Listrik Bahan penghantar listrik Bahan Isolasi (Isolator Rol) Pipa Instalasi Kotak Sambung Sakelar Fitting Perlengkapan Bantu Macam-macam saklar manual Yang digunakan untuk instalasi penerangan antara lain: Saklar tunggal Saklar seri Saklar silang Saklar Tukar 66 Bab VII Sistem instalasi listrik dengan single line diagram dan wired diagram dan pengelompokan beban Saklar kelompok Saklar kutub dua Saklar kutub tiga Saklar tarik Saklar tombol tekan 67 BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS Tujuan Pembelajaran : - Mengetahui system catu daya perangkat elektronika Mengetahui prinsip kerja dan blok diagram catu daya perangkat elektronika Mengetahui cara kerja UPS. 8.1. Sistem Catu Daya Perangkat AC LOAD AC LOAD PLN DC LOAD AVR DC LOAD DC LOAD D G MAIN SOURCE DISTRI BUTION CONVER SION REGULATION ACCUMULA TOR Gambar 7.1. Blok sistem catu daya Beban listrik Dalam catu daya perangkat terdapat beberapa bagian yang mempunyai fungsi berbeda. Bagian tersebut antara lain. Pengaturan tegangan / Regulasi (AVR) Maksudnya adalah untuk mengurangi ketergantungan dari perubahan yang mungkin terjadi. Sebelum disambungkan dengan peralatan harus dilakukan usaha penstabilan dengan alat pengatur tegangan (Voltage Regulator) Pengubahan (Convertion) Setiap perangkat telekomunikasi membutuhkan daya berupa tegangan dan arus yang berbeda sesuai dengan sistem yang digunakan. Oleh karena itu tegangan dari sumber utama 68 BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS harus dirubah terlebih dahulu dari AC ke DC (Rectifier) atau sebaliknya dari DC kembali ke AC (Inverter) Penyimpanan Tenaga –Batere (Akumulator) Fungsinya untuk menjaga jika terjadi pemutusan dari sumber daya utama ke sumber cadangan dengan menyimpan daya yang dapat digunakan selama masa transisi 8.2. Jenis beban kategori pembagian beban daya pada suatu perangkat/gedung berdasarkan urgensi beban ataralain. • Non Esential (Beban tidak penting) Beban seperti lampu-lampu penerangan dirumah, ataun air-conditioning untuk keperluan umum dan beban lain dimana catu daya utama (PLN) terputus dalam waktu yang lama. • Esential (Beban penting) yaitu beban yang dapat mengalami catu daya utama (PLN) terputus untuk sementara waktu sambil menunggu catu daya cadangan bekerja. Seperti beberapa lampu penerangan, atau beban lainnya (freezer,dll) di pertokoan,perhotelan, tempat hiburan, dll agar pelayanan tidak terlalu lama terganggu. • No Break System (Beban yang tidak boleh terputus) beban yang tidak boleh terputus sama sekali catuan dayanya. Seperti pada beban Server, Ruang ICU Rumah sakit, Sistem sentral telekomunikasi, dll. 8.2. Sistem Catu daya pada perangkat elektronik Gambar 8.2. system catudaya elektronik Sistem power supply mempunyai input AC atau DC dan mempunyai output DC, untuk suplai rangkaian elektronik seperti pada gambar 8.2. Pada sistem power suply terdapat beberapa bagian utama sehingga dapat menghasilkan keluaran supply yang terregulasi. Bagian pertama adalah rectifier yang bertugas menyearahkan suplai, pada rangkaian ini 69 BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS dihasilkan keluaran daya DC yang belum terregulasi. Untuk itu, diperlukan regulation circuit yang berfungsi meregulasi keluaran akhir. Gambar 8.3. Blok system catu daya Rectifier Mengubah bentuk sinus AC menjadi DC pulsa. Ada banyak macam bentuk rcetifier, tetapi yang umum dengan dioda. Macam dan type rectifier dibahas kemudian. Filter Hasil dari rectifier yang sudah DC namun masih berupa pulsa pulsa dalam nilai yang tetap, tidak seperti batere. Sebuah filter digunakan untuuk menghilangkan pulsa tersebut dan membuat output konstan. Filter yang dipakai biasanya sebuah capacitor. Regulator regulator adalah rangkaian yang membantu memelihara nilai output tegangan yang constant. Perubahan beban atau input AC menyebabkan output yang bervariasi. Banyak perangkat elektronk tidak tahan terhadap variasi tegangan. Jadi harus pada tegangan yang konstan. 70 BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS Walaupun input tegangan bervariasi, maka regulator tetap akan memberikan nilai tegangan output yang fix. Proses penyearahan (rectifier) Gambar 8.4. Rectifier Direkomendasikan menggunakan penyearahan gelombang penuh (sedikit ripple), jika penyearah ½ gelombang tidak efisien dan menyebabkan magnetisasi DC pada trafo. 8.4. UPS (Uninteruptible Power Supply) UPS merupakan suatu alat yang berfungsi sebagai buffer antara power suplay dengan peralatan elektronik yang kita gunakan seperti komputer, printer, modem, dsb. Pada UPS tegangan AC dari PLN disearahkan menjadi tegangan DC untuk kemudian dikonversikan lagi menjadi tegangan AC melalui DC to AC inverter jika secara tiba tiba listrik PLN padam. Gambar 8.5. Uninteruptable power suply 8.4.1. Fungsi Utama dari UPS Dapat memberikan energi listrik sementara ketika terjadi kegagalan daya pada listrik utama. 71 BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS Memberikan kesempatan waktu yang cukup untuk segera menghidupkan genset sebagai pengganti listrik utama. Memberikan kesempatan waktu yang cukup untuk segera melakukan back up data dan mengamankan [[sistem operasi] (OS) dengan melakukan shutdown sesuai prosedur ketika listrik utama padam. Mengamankan sistem komputer dari gangguan-gangguan listrik yang dapat mengganggu sistem komputer baik berupa kerusakan software, data maupun kerusakan hardware. 8.4.2. Komponen Utama UPS Rectifier (penyearah) Berfungsi untuk mengubah arus AC menjadi arus DC dari suplai daya untuk mengisi baterai. Inverter Berfungsi untuk mengubah arus DC dari baterai menjadi arus AC ke peralatan yang dilindungi oleh UPS . Baterai Jenis baterai yang digunakan UPS umumnya berjenis lead-acid atau jenis nikelcadmium. Baterai ini umumnya mampu menjadi sumber tegangan cadangan maksimal selama 30 menit. Macam ups berdasarkan cara kerja antara lain. 1. Line Interactif UPS Pada UPS jenis ini diberi tambahan alat AVR (automatic voltage regulator )yang berfungsi mengatur tegangan dari suplai daya ke peralatan . Pada saat kondisi normal listrik dari power akan langsung menuju ke beban dengan terlebih dahulu melalui AVR tanpa melewati batery. Sama seperti pada offline UPS, UPS ini mempunyai waktu transfer pemindahan dari power listrik jala-jala ke power batery pada saat terjadi gangguan. Gambar 8.6. Line Interactive UPS 72 BAB VIII CATU DAYA TIDAK TEPUTUS 2. On-line UPS Pada UPS jenis ini terdapat 1 rectifier dan 1 inverter yang terpisah. Hal ini lebih mahal apabila dibandingkan dengan dua jenis UPS lainnya.Dalam keadaan gangguan, suplai daya ke rectifier akan diblok sehingga akan ada arus DC dari baterai ke inverter yang kemudian diubah menjadi AC. Online UPS bekerja dengan mengubah arus AC menjadi DC untuk mengisi batery dan pada saat yang bersamaan diubah kembali oleh inverter menjadi arus AC. Pada UPS jenis ini supply tegangan langsung dihubungkan ke beban melallui tahapan penyearah dan inverting secara online. Gambar 8.7. On line UPS 3. Off-line UPS UPS jenis ini merupakan UPS paling murah diantara jenis UPS yang lain. Karena rectifier dan inverter berada dalam satu unit. Dalam keadaan gangguan, switch akan berpindah sehingga suplai daya dari suplai utama terblok. Akibatnya akan mengalir arus DC dari baterai menuju inverter Gambar 8.8. Off line UPS 73 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Tujuan Pembelajaran : - Mengetahui definisi,jenis-jenis batere Mengetahui konstruksi sel batere, reaksi kimia dan bagian utama sebuah batere Mengetahui karakteristik, pengoperasian dan pemmeliharaan batere. 9.1. Definisi BATERAI Baterai adalah elemen (sel) sumber arus listrik searah. Baterai merupakan alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai biasanya terdiri atas beberapa buah sel listrik. Jika dalam sel listrik itu terjadi reaksi kimia, maka pada kedua elektrodanya akan timbul beda potensial. Baterai adalah perangkat catu daya yang berfungsi sebagai catu daya back-up (cadangan) dalam sistem catu daya di perkantoran, industri, hotel, Rumah Sakit, dll apabila catu utama PLN atau Genset mengalami gangguan. Untuk beberapa hal baterai juga menjadi sumber catu daya utama, seperti untuk starter mobil/motor, hp, kamera digital, camdig, dll. 9.2. Peran Baterai pada Sistem Catu Daya Adapun fungsi batere pada suatu system catu daya : Menjaga agar catuan tetap kontinu meskipun terjadi gangguan-gangguan pada sumber daya utama Mengatasi perubahan-perubahan beban jika sumber daya utama tidak dapat mengontrol perubahan-perubahan beban atau output sumber daya utama tidak dapat mencukupi apabila terjadi beban puncak (peak-load) Menjadi filter arus searah yang paling halus 9.3. Gambaran Umum Secara umum baterai dibagi atas : a. Primer b. Sekunder 74 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Baterai primer adalah baterai yang hanya dapat dipakai sekali atau satu siklus saja karena reaksi kimianya hanya satu arah (‘discharge’). Jadi reaksi kimianya irreversible. Baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang ketika muatan listriknya sudah habis dipakai (bisa di ‘charge’ kembali). Jadi reaksi kimianya reversible. I. Baterai Primer Ada 6 jenis baterai primer yang saat ini beredar di pasaran : 1. Baterai Leclenche (Zn MnO2), Baterai kering / Dry Cell 2. Baterai sel kering Magnesium (MgMnO2) 3. Baterai MnO2 Alkaline 4. Baterai Mercury 5. Baterai Oksida Perak 6. Baterai Lithium I.1. Baterai Leclanche (Zn – MnO2) Sel kering lechlanche telah dikenal lebih dari 100 tahun yang lewat dan sampai saat ini masih merupakan sel kering yang sering digunakan untuk membuat baterai Satu sel baterai berkapasitas 1,5 V. Kutub (+) (Anoda) : Zn Kutub (-) (Katoda) : MnO2 Rekasi Kimia : Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Zn(NH3)2Cl2 + 2MnOOH Fitur o Murah, banyak tersedia o Tidak efisien pada pada aliran arus besar o Kurva pengosongan kurang baik (miring) o Poor performance at low temperatures o Kinerja pada suhu rendah kurang baik 75 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Gambar 9.1. Baterai Leclanche I.2. Sel kering Magnesium (MgMnO2) Konstruksinya hampir sama dengan sel kering seng, hanya bedanya kontainernya bukan seng tapi magnesium. Kapasitas 1 sel = 1,5 V Anoda (+) : Mg Katoda (-) : MnO2 Gambar 9.2. Sel kering Magnesium I.3. Sel MnO2– Alkaline Sama seperti Sel Leclanche Zn dan Dioksida Magnesium. Perbedaannya dari : Konstruksi, Elektrolitnya dan Tekanan dalam (lebih kecil) , sebab kerapatan bahan katodanya dan permukaan Anoda yang lebih luas kontak dengan elektrolitnya. Elektroda : o Zinc (-), manganese dioxide (+) Elektrolit: o Potassium hydroxide aqueous electrolyte 76 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. 77 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Fitur : o 50-100% more energy than carbon zinc o Low self-discharge (10 year shelf life) o Good for low current (< 400mA), long-life use o Poor discharge curve Gambar 9.3. Baterai alkaline Karekteristik discharge baterai Alkaline tampak pada gambar 9.4. Dari gambar tersebut tampak bahwa kurva discharge dari baterai alkaline sangat curam. Gambar 9.4. Kurva discharge baterai alkaline Kelebihannya: Pada proses pemakaian akan tetap pada rating yang dimiliki, meskipun pemakaian tak menentu. Pada pembebanan tinggi dan terus menerus, mampu memberikan umur pelayanan 2-10 kali dari sel Leclanche. Sangat baik dioperasikan pada temperature rendah samapai -20° C. 78 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Kapasitas tiap selnya = 1,5 V. Fitur : o Memiliki kapasitas energi 50-100% lebih banyak dibandingkan carbon zinc o Self Discharge rendah (bisa tahan 10 tahun) o Bagus untuk arus kecil (< 400mA), o Kurva discharge curam (jelek) 1. Sel Mercury Sel ini mempunyai katoda yang terbuat dari oksida merkuri dan anodanya seng dengan elektrolit alkaline. Anoda dan katodanya dibuat dalam bentuk serbuk kecil yang dipadatkan dalam suatu cairan elektrolit,tetapi keduanya dibentuk dalam suatu wadah kaleng ganda. Kutub (+) Anoda : Seng (Zn) Kutub (-) Katoda : Oksida Mercury Elektrolit : Alkaline Kapasitas max stabil = 1,35 V ( Biasa digunakan sebagai tegangan referensi) Kapasitas selnya bisa sampai 1,4 V bila katodanya Oxida Mercury (HgO) / Oxida Mangan (MnO2). Dengan oksida merkuri murni untuk katoda,tegangannya sangat stabil sebesar 1,35 Volt. Gambar 9.5. Baterai mercury 2. Sel Oksida Perak (AgO2)Primer Kutub (+) Anoda : Serbuk elektrolit Alkaline Kutub (-) Katoda : Oksida perak Tegangan open circuit = 1,6 V 79 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Tegangan minimal (dengan beban) = 1,5 V Pemakaian : Kamera, alat bantu pendengaran, jam elektronik. Ukuran : 0,3 – 0,5 inchi. Gambar 9.6. Baterai oksida perak 3. Sel Lithium Kutub (+) Anoda : Manganese dioxide Kutub (-) Katoda : Lithium Elektrolit : Alkali metal salt in organic solvent electrolyte High energy density Long shelf life (20 years at 70°C) Capable of high rate discharge Expensive Tegangan output yang tinggi, 3V umurnya yang panjang, ringan dan kecil bentuknya Fitur : Pemakaian : II. Kamera, Calculator, CMOS Battery backup Baterai Sekunder (Rechargeable) Ada 2 jenis baterai sekunder: 1. Baterai sekunder Basah 2. Baterai sekunder kering Baterai Sekunder (Basah) : 1.Baterai Lead Acid (Accumulator) 2. Baterai Alkali (Nikel-Cadmium). (Ni-Cd, Ni-Mh) 80 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Baterai Sekunder (Kering) : 1.Baterai Kering (jenis aki) 2. Baterai jenis (Lithium ion) 1. Baterai Lead Acid (Accumulator) Akumulator (accu, aki) adalah sebuah alat yang dapat menyimpan energi (energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Aki termasuk elemen sekunder basah, yaitu elemen elektrokimia yang dapat diperbaharui bahan-bahan pereaksinya sehingga harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan. Sel aki terbagi menjadi 2 jenis yaitu : o sel aki basah o sel aki kering Gambar 9.7. Baterai lead acid Konstruksi Baterai Basah Timbel-sulfat (Lead-acid) Pada baterai basah timbel sulfat (lead-acid) menggunakan logam PbO2 untuk pelat positif dan Pb pelat negatifnya sedangkan elektrolitnya adalah larutan asam sulfat (H2SO4) Gambar 9.8. Reaksi kimia pada baterai lead acid 81 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Reaksi Kimia Baterai Timbel Sulfat (Lead-acid) o Berdasarkan reaksi tersebut dapat dilihat bahwa pada waktu baterai dikosongkan, jumlah asam sulfat dalam elektrolit semakin lama semakin berkurang dan berat jenis elektrolitnya juga semakin berkurang o Hal tersebut menunjukkan kondisi baterai sangat tergantung dari berat jenis elektrolitnya (Pelat Pos) (Pelat Neg) PbO 2 2 H 2SO 4 Pb (Pelat Pos) PbSO 4 2 H 2 O 4 (Pelat Neg) PbSO 4 Kondisi Batere Penuh Kondisi Batere Kosong Akibat Pengosongan Baterai Timbel Sulfat (Lead-acid) o Kondisi baterai kosong karena jumlah asam sulfat dalam elektrolit berkurang dan berat jenis elektrolitnya juga semakin berkurang tidak boleh terjadi karena akan menyebabkan baterai menjadi rusak o Fabrikasi biasanya telah menetapkan batas minimum berat jenis elektrolit baterai yang ditolerir pada saat pengosongan (misalnya baterai merk Yuasa memiliki berat jenis elektrolit minimum berkisar antara 1,120 Kg/l sampai dengan 1,140 Kg/l) Reaksi Kimia pada Baterai Lead Acid o Kutub (+) Anoda : PbO2 (oksida timah hitam) o Kutub (-) Katoda : Pb (timah hitam) o Elektrolit : Asam sulfat (H2SO4) Proses pengosongan : o H2SO4 terionisasi menjadi ion 2H+ dan SO42-. o Pada plat (+) ion 2H+ akan menuju ke PbO2, sehingga terbentuk H2O dan ion SO4- menuju Pb sehingga terbentuk PbSO4, reaksi kimianya : o Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O Proses pengisian : o Ion H+ dari SO4- ditarik kembali dan berekombinasi dengan PbSO4 sehingga terbentuk PbO2 pada plat (+) dan Pb pada plat (-) serta H2SO4. Reaksi kimianya o 2PbSO4 + 2H2O Pb + PbO2 + 2H2SO4 + gas O2 + gas H2 82 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. 2. Reaksi Kimia Baterai Alkali (Nikel-Cadmium) Baterai ini menggunakan Nikel Tri-Hidroksida NiOH3 sebagai pelat positif, Cadmium (Cd) untuk pelat negatif dan elektrolitnya adalah Potasium Hidroksida (KOH) (Positif) (Negatif) (Positif) (Negatif) 2 NiOH 3 KOH Cd 2 NiOH 2 KOH CdOH2 Kondisi batere penuh Kondisi batere kosong Gambar 9.9. Baterai ni-cad o Kutub (+) Anoda : Oksida Nikel (NiOH) o Kutub (-) Katoda : Cadmium (Cd) o Elektrolitnya : Cairan potassium Hidroksida (KOH) Reaksi kimianya : o 2 Ni(OH)3 + Cd 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2 o Nominal output tiap selnya = 1,25 V. Kelebihannya : o Kemampuan dayanya yang tinggi o Umur siklusnya yang panjang o Kemampuan kerja pada temperature yang rendah cukup baik o Mempunyai tahanan dalam (Rd) yang rendah. o Kebocoran 3 % per bulan. o Loss kapasitasnya < 50 % bila disimpan selama 1 tahun. o Bisa diisi dengan cepat dan pengisian yang berlebihan tidak akan rusak NiCd Recharging 83 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. Over 1000 cycles (if properly maintained) Fast, simple charge (even after long storage) C/3 to 4C with temperature monitoring Self discharge 10% in first day, then 10%/mo Trickle charge (C/16) will maintain charge Memory effect Overcome by 60% discharges to 1.1V Gambar 9.10. NiCd Memory Effect Gambar 9.11. NiMH Battery Discharge 3. Baterai Ni-MH (Nickel Metal Hydride) Sebuah nikel-metal hidrida baterai, disingkat NiMH, adalah jenis baterai isi ulang mirip dengan baterai nikel-kadmium (NiCd), tetapi memiliki hidrogen yang menyerap paduan untuk elektroda negatif bukan kadmium. Seperti dalam 84 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. baterai NiCd, elektroda positif adalah nikel oxyhydroxide (NiOOH). Sebuah baterai NiMH bisa memiliki dua sampai tiga kali kapasitas dari NiCd ukuran setara dan efek memori tidak begitu signifikan. Namun, dibandingkan dengan baterai lithium-ion, kepadatan energi volumetrik lebih rendah dan selfdischarge yang lebih tinggi. Reaksi elektroda negatif yang terjadi dalam baterai NiMH adalah sebagai berikut: H2O + M + e-↔ OH-+ MH. Elektroda dibebankan dalam arah yang benar dari persamaan ini dan dibuang ke arah kiri.Nikel oxyhydroxide (NiOOH) membentuk elektroda positif dan reaksi yang sesuai adalah: Ni (OH) 2 + OH-↔ NiOOH + H2O + e-. Perbandingan antara baterai Ni-Cd dan Ni-MH Baterai NiCD o Generasi pertama dari baterai sekunder o ukuran dan beratnya yang besar o Digunakan untuk ponsel – ponsel lama o Memiliki permanent memory effect (di charge hanya saat baterai benar2 habis) Baterai NiMH o Generasi ke dua dari baterai sekunder. o Ukuran dan beratnya lebih ringan o Digunakan untuk ponsel menengah ke bawah o Memiliki temporary memory effect 85 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. 4. Baterai Lithium Ion (Kering) Kimiawi : Graphite (-), cobalt or manganese (+) Nonaqueous electrolyte Fitur Kapasitas 40% lebih besar dari NiCd Flat discharge (like NiCd) Self-discharge 50% lebih kecil dari NiCd Mahal Recharge Lithium Ion : 300 kali 50% capacity saat 500 kali charge Lithium-ion Battere dalam Notebooks Lithium: greatest electrochemical potential, lightest weight of all metals o But, Lithium metal is explosive o So, use Lithium-{cobalt, manganese, nickel} dioxide Overcharging would convert lithium-x dioxide to metallic lithium, with risk of explosion 5. Baterai Lithium Polymer Unsur kimia o Graphite (-), cobalt or manganese (+) o Nonaqueous electrolyte Ciri ciri: o Ringan, bentuk yang fleksibel, tipis. o Harga lebih rendah , tapi saat ini mahal. o Lebih rendah usia teknis dari Li-on. Aki kering Sel aki kering memiliki karakteristik tidak adanya lubang – lubang untuk mengisi air aki karena cairannya berbentuk gel. Gel ini 86 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. sangat minimpenguapannya dan pada saat menguap pun, uap tersebut tidak dibuang keluarwadah tetapi masuk lagi ke dalam wadah. Secara teknis, ternyata aki kering sebenarnya tidak sepenuhnya kering. Penggunaan bahan timbal kalsium pada setiap pelat menjadi pembeda dengan akin konvensional atau hybrid. Penggunaan cairan elektrolit aki tetap diperlukan pada aki maintenance free ini. Bahkan jumlah cairan elektrolitnya lebih banyak dari kedua jenis aki lainnya. Sistem sirkulasi serta cover yang memungkinkan elektrolisasi aki kering menjadi sempurna. Tahanan dalam baterai Baterai tanpa beban Baterai terukur 12 V Baterai dibebani o Setelah ditambahkan R teg terukur < 12 V. o (karena ada tahanan dalam baterai, rd) o Sehingga rangkaian pengganti adalah sbb: i 87 12 R rd BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. vterukur ixR vterukur 12 xR R rd o Jika rd ada ,maka nilai v terukur < 12 v Kapasitas baterai Contoh :Baterai dengan 12 V, 40 Ah. Artinya energi yang bisa dsimpan baterai adalah 1 2V x 40 Ah x 1h = 480 W.h (VAh) Dalam SI : 480 W x 3600 s = Joule Kapasitas Battery Type Capacity (mAh) Density (Wh/kg) Alkaline AA 2850 124 NiCd AA 750 41 NiMH AA 1100 51 Lithium ion 1200 100 Lead acid 2000 30 Pengosongan dan Pengisian Baterai Alkali (Nikel-Cadmium) KOH tidak memiliki andil langsung pada reaksi elektro kimia diatas sehingga KOH tidak mengalami perubahan (BJ elektrolitnya tidak berubah selama proses pengosongan dan pengisian) Kondisi penuh atau kosong baterai alkali tidak dapat ditentukan oleh besarnya BJ elektrolit 88 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. KOH hanya berfungsi sebagai konduktor listrik dan sifatnya menyerap CO 2 dari udara disekelilingnya Cara Menghitung Kapasitas Baterai System Floating Sentral kapasitas 1000 sst dengan tegangan catuan 48 V ± 10% (toleransi tegangan dan hal ini tergantung type sentralnya) sedangkan kebutuhan arusnya adalah 0,07 A/sst Besar arus discharge (pelepasan) Idis baterai adalah Idis = 1000 sst x 0,07 A/sst = 70 Amp Karena baterai yang digunakan 2 bank maka arus discharge perbank adalah 35 amper Besar tegangan akhir minimum baterai adalah Eakh = (48 V – 4,8 V) / 24 = 1,8 V/sel Seperti biasa pada perencanaannya dipasang 2 bank, alasannya adalah jika dilakukan perawatan maka dapat dilaksanakan setiap bank secara bergantian tanpa mengganggu operasi normal telekomunikasi Cara Menghitung Kapasitas Baterai System Charge-Discharge Suatu transmisi dengan beban 18 A, sistem charge-discharge adalah 7-24 jam dimana Depth of Discharge-nya (DoD) adalah 25 % dan baterai disusun menjadi 2 bank sehingga arus discharge setiap bank sebesar 9 amp maka besar kapasitas per bank Cb = (9x24x1) / 25% = 864 AH Mengingat dipasaran tidak terdapat baterai dengan kapasitas seperti diatas maka dipilih kapasitas yang lebih besar yaitu 1000 AH Oleh karena itu baterai yang harus dipasangkan 2 bank baterai dengan kapasitas sebesar 2x1000 AH Pemilihan Baterai untuk Telekomunikasi High discharge (UPS, Starter Genset) dimana harus mampu memberikan arus besar dalam waktu singkat Medium discharge (STO, Transmisi) Low discharge (Solar panel) Waktu Autonomy : o Hitungan menit sampai beberapa jam 89 BAB IX BATERAI : JENIS, KAPASITAS, PENGUJIAN DAN PERAWATAN. o Dari beberapa jam sampai 10 jam o 10 jam keatas Type baterai : o Sealed baterai (Pasta elektrolit) dimana umur type ini pendek o Lead acid biasa yang umurnya 10 sampai dengan 20 tahun o NiCad , umurnya panjang tetapi harus selalu mengganti elektrolit KOH Penggunaan Baterai untuk telekomunikasi Seperti yang di rekomendasikan oleh CCIR untuk penggunaan pada sistem catu daya telekomunikasi ,terdapat dua jenis baterai : Baterai Basah o Baterai Timbal-sulfat (Lead-acid) o Baterai Alkali (Alkaline Baterai) Baterai Kering Baterai jenis ini tidak memerlukan pemeliharaan rutin 90 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL Tujuan Pembelajaran : - Mahasiswa mengetahui gangguan-gangguan yang mungkin dalam sistem kelistrikan - Mahasiswa memahami prinsip kerja sistem proteksi - Mahasiswa mampu mendesain sistem proteksi tenaga listrik 9.1. Definisi Petir merupakan kejadian alam di mana terjadi loncatan muatan listrik antara awan dengan bumi. Loncatan muatan listrik tersebut diawali dengan mengumpulnya uap air di dalam awan . Ada tiga syarat untuk timbulnya petir. a. Ada udara naik, b. kelembapan, dan c. partikel bebas atau aerosol. Ketiga elemen ini akan menyebabkan timbullah muatan dalam awan cumulonimbus. 9.2. Kondisi Indonesia Umumnya muatan negatif terkumpul dibagian bawah dan ini menyebabkan terinduksinya muatan positif diatas permukaan tanah, sehingga membentuk medan listrik antara awan dan tanah. Jika muatan listrik cukup besar dan kuat medan listrik di udara dilampaui, maka terjadi pelepasan muatan berupa petir atau terjadi sambaran yang bergerak dengan kecepatan cahaya.” Kerusakan terhadap Perangkat Electronik, penyumbang terbesarnya adalah petir. Dari grafik pada Gambar 10.1. terlihat bahwa kerusakan terbesar perangkat elektronik disebabkan karena surge (petir) Sebesar 30 % Gambar 10.1. Penyebab kerusakan alat elektronik 91 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL Salah satu daerah di Indonesia, yakni wilayah Bogor, Jawa Barat pernah tercatat sebagai wilayah yang memiliki sambaran petir per tahun tertinggi di dunia per harinya, yakni sekitar 322 hari atau 88 persen per tahun. Gambar 10.2. Proses terjadi petir 9.3. Anatomi Petir (Lightning Stroke) Proses terjadinya petir dimulai dari sebuah step leader yang tibul karena adanya perbedaan tegangan antar awam, atau awan dengan tanah. Step leader kemudian berkembang enjadi sebuah streamer. Streamer berkembang, sehingga terjadi electron avalance. Electron avalance yang terus berkembang i inilah yang kemudian menjadi sebuah sambaran petir seperti tampak pada Gambar 10.2. Gambar 10.3. Petir 9.4. Parameter Dasar Petir Terdapat beberapa parameter dasar dalam sebuah petir. Parameter tersebut antara lain impuls current, Total Charge, Impulse Charge, dan Average step. Gambaran gelombang petir dapat dilihat pada Gambar 10.4. 92 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL Tabel 10.1. Parameter petir Gambar 10.4. Gelombang Surja Petir 9.5. Sistem Proteksi Petir terdiri dari 3 macam : Mengacu pada IEC (International Electrotechnical Commission) TC 81/1989 tentang konsep Lightning Protection Zone (LPZ), a. Proteksi Eksternal, yaitu instalasi dan alat-alat di luar sebuah struktur untuk menangkap dan menghantar arus petir ke sistem pentanahan. Proteksi Eksternal yang baik terdiri atas air terminal/interceptor, down conductor, dan ekuipotensialisasi. b. Proteksi Internal, merupakan proteksi peralatan elektronik terhadap efek dari arus petir. Terutama efek medan magnet dan medan listrik pada instalasi metal atau sistem listrik. Sesuai dengan standar DIV VDE 0185, IEC 1024-1. Proteksi Internal terdiri atas pencegahan terhadap dampak sambaran langsung, pencegahan terhadap dampak sambaran tidak langsung, dan ekuipotensialisasi. c. Proteksi Pentanahan, merupakan bagian terpenting dalam instalasi sistem proteksi petir. Kesulitan pada sistem pentanahan biasanya karena berbagai macam jenis tanah. Hal ini dapat diatasi dengan perencanaan dan teknik penerapan yang tepat, serta menghubungkan semua metal 93 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL (ekuipotensialisasi) dengan sistem pentanahan, sesuai dengan IEC TC 81 Bab 2.3. 9.6. Standar Sistem Grounding a. IEEE Standard 142™ -2007, “IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems”, b. IEEE Standard 80™ - 2000 “IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding” c. IEEE Standard 81™ -1983 “IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System”, d. IEEE Standard 1100™-2005 – “IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment”, e. IEEE Standard 446™ -1995 “IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications” (Chapter7). Gambar 10.5. Sistem proteksi eksternal petir dengan grounding 9.7. SISTEM PROTEKSI INSTALASI Mekanikal-Elektrikal (ME) PROTEKSI EKSTERNAL PROTEKSI EKSTERNAL GROUNDING MELIPUTI : AIR TERMINAL/FINAL Berfungsi menerima sambaran petir langsung DOWN CONDUCTOR Berfungsi menyalurkan /menghantarkan arus petir dari final ke sistem pertahanan 94 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL SISTEM PERTAHANAN /Pembumian Berfungsi membuang, menetralkan arus petir dengan aman ke tanah Bonding - untuk mengindari "side flashing” >korosi terjadi pada semua komponen, sistim penangkal petir tidak lagi menghantar dengan sempurna Gambar 10.6. Perangkat Grounding 9.8. Metode Perlindungan Petir a. Metode Sudut (Protective Angle Metodh) Proteksi berada di dalam permukaan yang dibentuk dari proyeksi titik puncak terminasi udara ke tanah dengan sudut (2) dan garis vertical ke segala arah. Metode sudut proteksi mempunyai batasan geometri. Gambar 10.7. Metode Sudut b. Metode Jaring (Mesh Metodh) metode ini finial batang tegak, konduktor atap, harus membentuk polygon tertutup. Poligon finial ini harus dilengkapi dengan penghantar melintang yang menghubungkan finial sehingga membentuk jarring dengan ukuran sesuai dengan tingkat proteksi, bagian logam dan instalasi harus terletak di bawah jaring. 95 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL Gambar 10.8. Metode jaring 9.9. Jenis-jenis Sambaran Petir a. Sambaran langsung (direct striking ) b. Sambaran tidak langsung Galvanic coupling (sambungan oleh tanah) Arus petir akan masuk ke bumi dan akan menyebabkan GPR ( Ground potential Rising ) atau dikenal sebagai kenaikan tegangan tanah. Inductive coupling Pada saat sambaran petir mengenai tower maka akan timbul medan elektromagnetik dengan kerapatan yang cukup tinggi. Dan akan menginduksi semua material dalam radius 1 km2, perangkat tidak mengalami kerusakan karena sudah ada arrester pemotong tegangan. Capasitif coupling Ketika suatu perangkat/saluran terkena sambaran petir maka perangkat/saluran yang lain menjadi netral sehingga ada efek kapasitf virtual yang timbul diantara perangkat tersebut. Tabel 10.2. Indeks Faktor Kerusakan Berdasarkan Penggunaan Bangunan 96 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL 97 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL Tabel 10.3. Indeks Faktor Kerusakan Berdasarkan Konstruksi Bangunan 9.10. Sistim Penangkal Petir a. Franklin Sistem Pengaman atau penangkal Petir telah dimulai sejak BENJAMIN FRANKLIN pada tahun 1752,menemukan teknik penangkal petir menggunakan interseptor yang dihubungkan ke tanah melalui konduktor berkembang sampai sistem yang pasif (konvensional) maupun aktif. Gambar 10.9. Sistim Penangkal Petir Franklin b. Sangkar Burung Faraday Terdiri dari komponen – komponen : Alat penerima logam tembaga (logam bulat panjang runcing ) / spit Kawat penyalur tembaga Pentanahan / ground sampai dengan bagian tanah basah c. Radioaktif Electrode Udara disekeliling electrode akan diionisasi akibat pancaran partikel alpa dari isotop . Electrode akan terus menerus menciptakan arus ion (Min 108 ion/det) Coaxial cabel 98 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL Untuk menghindari kerusakan akibat muatan listrik yang besar akibat petir, maka Coaxial cabel diberi isolasi sehingga benda-benda disekitarnya aman. Pentanahan Perlu test geografis dari pentanahan. Tahanan bumi max yang terbaik = 5ohm. 9.11. PROTEKSI INTERNAL a. EQUIPOTENSIAL BONDING (EB) Fungsi : mengurangi dan menghilangkan beda potensial akibat sambaran petir. b. PERISAI/SHIELDING Fungsi : mencegah induksi dan radiasi melalui medium udara ke peralatan/kabel c. ARESTER Fungsi : sebagai pemotong pulsa untuk mencegah masuknya pulsa transient petir secara konduksi melalui kabel/penghantar 9.12. LIGHTNING ARESTER Fungsi arester sebagai pemotong pulsa arus transient petir Keadaan normal lightning arester sebagai isolator, pada saat arus transient masuk arester segera menjadi konduktor yang baik dengan mem bypass arus petir ke ground Setelah membebaskan arus transient segera berubah menjadi isolator tanpa menyebabkan arus daya membuka/menjatuhkan fuse/circuit breaker Perbedaan jenis arester terletak dalam cara mengubah dirinya menjadi isolator, harga besaran arus kilat yang dapat dipotong dan tegangan surge yang diijinkan pada terminalnya 9.13. Beberapa Factor yang Perlu Dipertimbangkan dalam Merencanakan dan Memasang Penangkal Petir a. Keamanan secara teknis 99 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL b. c. d. e. f. g. Penampang hantaran-hantaran Pembumian Ketahanan mekanis Ketahanan terhadap korosi Bentuk dan ukuran bangunan yang dilindungi Factor ekonomis 9.14. Sistem Penangkal Petir yang Banyak Dipakai Sekarang EF (Electrostatic Field) Ada 3 prinsip penting yang dimiliki penangkal petir moderen elektrostatik: a. Penyaluran arus yang sangat kedap atau tertutup dari sekitar dengan menggunakan terminal penerima dan kabel pengantar khusus yang bersifat isolasi tinggi. b. menciptakan electron bebas awal yang besar sebagai streamer emission pada bagian puncak. c. Sistem penangkal petir ini terbagi dalam 2 yaitun EF Terminal yang diletakkan dipuncak bangunan sebagai penangkal petir dan EF Carier (kabel Penghantar ) yang masuk kedalam tanah. Penggabungan electrostatic terminal dan electrostatic carrier yang memiliki isolasi tenggangan tinggi penangkal petir. 9.15. a. b. c. d. e. Keuntungan dari System Elektrostatik Non radioaktif Mampu menerima sambaran petir hingga 150 kA Tidak menggunakan radio elemen ,baterey atau solar sel Mengantisipasi secara dini sambaran petir dengan aktif Memberikan efek radius proteksi yang cukup luas. 9.16. ESE (Early Streamer Emission). Perlu diketahui bahwa dalam pemasangan penangkal petir ini tidak teralu rumit dan kabel penghantar yang turun ke ground cukup 1 titik saja, sehingga induksi yang terjadi di struktur bangunan semakin kecil kemungkinannya. 100 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL Sistem kerja penangkal petir dengan model ini adalah berusaha untuk menarik lidah petir dari awan, dimana penangkal petir akan menciptakan kondisi yang lebih positif dibanding sekelilingnya ( bangunan, pohon, dll ) sehingga luncuran dari awan akan menuju ke penangkal petir tersebut bukan ke bangunan atau pohon disekitarnya. Keunggulan ESE system a. Operasi optimal dalam proses discharge ion positif dan negatif. b. Mudah dalam pemasangan dan tidak membutuhkan perawatan khusus. c. Tahan terhadap arus petir yang tinggi. d. Terbuat dari bahan 100% stainless stell sehingga tahan terhadap korosi. Cocok diterapkan pada iklim dengan tingkat kelembapan yang cukup tinggi seperti di Indonesia. e. Dapat dipasang pada pabrik, area terbuka seperti lapangan golf, gedung-gedung perkantoran dan apartement serta sektor-sektor properti lainnya. 9.17. Grounding BTS Gambar 10.10. BTS Grounding Rentang aman (safety range) dapat diperoleh dengan menghitung radius sambaran petir terhadap tower BTS dengan bangunan lain, yang ditentukan dengan rumus pada persaman berikut : 101 BAB X SISTEM PROTEKSI EKSTERNAL – INTERNAL D = Jarak tower terhadap bangunan (feet) h1 = Tinggi tower BTS (feet) h2 = Tinggi bangunan sekitar tower BTS (feet) 102
