BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Transformator
Transformator adalah suatu peralatan listrik yang berfungsi untuk emindahkan dan mengubah daya listrik ke rangkaian listrik lainnya, dengan frekuensi sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetis, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya.
Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif, yang terpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi (reluctance) rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti (core) yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup, maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di arus primer, maka di kumparan primer terjadi induksi (self induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, serta arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetis).1
………………………………..……………….......… (2.1)
dimana : E = gaya gerak listrik (ggl) [Volt].
M = induksi bersama (Henry).
5
6
Perlu diingat hanya tegangan listrik bolak - balik yang dapat ditransformasikan oleh transformator, sedangkan dalam bidang elektronika, transformator digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan arus bolak-balik antara rangkaian. Tujuan utama menggunakan inti (core) pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dan rangkaian magnetis (common magnetic circuit).
Konstruksi transformator daya biasanya terdiri atas bagian-bagian sebagai
berikut:
1. Inti atau teras (core) yang dilaminasi
2. Dua buah kumparan, kumparan primer dan kumparan sekunder
3. Tangki
4. Sistem pendingin
5. Terminal
6. Bis kabel (bushing)
Berdasarkan letak kumparan terhadap inti, transformator terdiri dari dua buah macam konstruksi, yaitu :
1. Transformator jenis inti (core-type transformer)
Dimana kumparan atau lilitan transformator mengelilingi inti, sedangkan konstruksi dari inti transformator jenis ini umumnya berbentuk huruf L atau huruf U.
Konstruksi (peletakan) kumparan pada prakteknya diatur saling berhimpitan (interleaving) antara kumparan primer dan kumparan sekunder dengan maksud mengurangi kerugian magnetis (magnetic leakage) berupa reaktansi induktif.
Kumparan
tegangan
tinggi
diletakkan
sebelah
luar
karena
pertimbangan isolasi tegangan tinggi lebih kompleks mengatasinya, dan lebih sering terkena gangguan dibanding tegangan rendah sehingga jika terjadi kerusakan lebih mudah membuka kumparan tersebut.
7
2. Transformator jenis cangkang (shell-type transformer)
Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti, sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F.
2.1.1
Prinsip Kerja Transformator
Prinsip kerja transformator adalah berdasarkan hukum Ampere dan hokum Faraday, yaitu : arus listrik dapat menimbulkan medan magnet dan sebaliknya medan magnet dapat menimbulkan arus listrik.2
Gambar 2.1
Prinsip Kerja Transformator
Jika pada salah satu kumparan pada trafo diberi arus bolak – balik maka jumlah garis gaya magnet berubah – ubah. Akibatnya pada primer terjadi induksi. Sekunder menerima garis gaya magnet dari primer yang jumlahnya berubah – ubah pula. Maka di sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara dua ujung terdapat beda tegangan. Jumlah gaya garis (Φ) yang masuk kumparan sekunder sama dengan jumlah garis gaya (Φ) yang keluar dari kumparan primer.
e1
e1 / e2
= - N1
= - N1
dan
/ - N2
e2
= - N2
atau
E1 / E2
= N1 / N2 ………………………………………………… (2.2)
8
dimana :
e1
e2
E1
E2
N1
N2
: GGL induksi sesaat pada sisi primer
: GGL induksi sesaat pada sisi sekunder
: GGL induksi pada sisi primer (volt) efektif
: GGL induksi pada sisi sekunder (volt)
: jumlah lilitan kumparam primer
: jumlah lilitan kumparan sekunder
Berdasarkan hukum kekekalan energi, maka bila dianggap tidak ada kerugian daya yang hilang, daya yang dilepas oleh primer sama dengan daya yang diterima oleh sekunder :
E1 . I1 = E2 . I2 …………………………………………………………… (2.3)
2.1.2
Jenis Transformator
Menurut pasangan lilitannya, trafo dibedakan atas :
Trafo 1 belitan
Trafo 2 belitan
Trafo 3 belitan
Pada trafo 1 belitan, maka lilitan primer merupakan bagian dari lilitan sekunder atau sebaliknya, trafo belitan ini lebih dikenal sebagai auto trafo. Trafo 2 belitan mempunyai 2 belitan, yaitu sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah, dimana primer dan sekunder berdiri sendiri. Sedangkan pada trafo 3 belitan mempunyai belitan primer, sekunder, tertier, masing – masing berdiri sendiri pada tegangan yang berbeda.
Menurut fungsinya, transformator dikelompokkan menjadi 3 jenis, yaitu :
Transformator daya
Transformator distribusi
Transformator pengukuran
9
Sedangkan menurut jumlah phasanya dibedakan menjadi trafo 1 phasa dan
trafo 3 phasa.
2.1.3. Hubungan Lilitan Transformator
Menurut Zuhal, Dasar Tenaga Listrik. 1991 secara umum dikenal tiga macam hubungan lilitan untuk sebuah transformator tiga phasa, yaitu : hubungan bintang, hubungan delta, dan hubungan zig – zag.
2.1.3.1 Hubungan Bintang
Arus transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan secara
bintang yaitu, IA, IB, dan IC, masing – masing berbeda phasa 120o.
Untuk beban yang seimbang :
IN = IA + IB + IC = 0
VAB + VAN + VBN = VAN – VBN
VBC = VBN – VCN
VCA = VCN - VAN
Gambar 2.2
Rangkaian hubungan bintang
10
Dari vektor diagram diketahui bahwa untuk hubungan bintang berlaku hubungan :
VAB =
VAN atau VL =
VP
IP = IL
Jadi besarnya daya pada hubungan bintang (VA)
= 3 VP IP
= 3 (VL /
) IL
=
VL IL ………………………………………………………..………. (2.4)
2.1.3.2 Hubungan Delta
Tegangan transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan secara delta, yaitu VAB, VBC dan VCA, masing – masing berbeda phasa 120o.
VAB + VBC + VCA = 0
(a)
Gambar 2.3
(b)
Rangkaian hubungan delta
11
IB = IBC – IAB
IC = ICA - IBC
Dari vektor diagram diketahui arus IA (arus jala – jala) adalah
x IAB (arus
fasa). Tegangan jala – jala dalam hubungan delta sama dengan tegangan
phasanya.
V.A. hubungan delta = VP IP = 3VL (
)
=
VL IL …………....………………… (2.5)
2.1.3.3 Hubungan Zig – Zag
Masing – masing lilitan tiga phasa pada sisi tegangan rendah dibagi menjadi dua bagian dan masing – masing dihubungkan pada kaki yang berlainan.
(a)
Gambar 2.4
(b)
Rangkaian hubungan zig-zag
Perhatikan gambar a dan b. Hubungan silang atau zig – zag digunakan untuk keperluan khusus seperti pada transformator distribusi dan transformator converter.
12
2.1.4. Rugi – Rugi dan Efisiensi Transformator
Rugi – rugi pada transformator ada 2 macam, yaitu rugi tembaga (PCu) dan rugi besi (Pi). Dimana rugi besi sendiri terdiri atas rugi histerisis dan rugi arus eddy .
2.1.4.1 Rugi Tembaga (PCu)
Adalah rugi yang disebabkan oleh arus beban yang mengalir pada kawat tembaga. Besarnya adalah :
PCu = I2 . R …………………………………………………………….… (2.6)
dimana :
PCu
I
R
: rugi tembaga (watt)
: arus beban yang mengalir pada kawat tembaga ( Ampere)
: tahanan kawat tembaga ( )
Karena arus beban berubah – ubah, rugi tembaga juga tidak tetap tergantung pada beban.
2.1.4.2 Rugi Besi (Pi)
Rugi besi terdiri atas :
Rugi Histerisis (Ph), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak – balik pada inti besi.
Rugi Arus Eddy (Pe), yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi.
13
Gambar 2.5
Diagram rugi-rugi transformator
Sumber. Zuhal. Dasar Tenaga Listrik. 1991 hal 34
2.1.4.3 Efisiensi Transformator (η)
Efisiensi menunjukkan tingkat keefisiensian kerja suatu peralatan, dalam hal ini transformator yang merupakan perbandingan rating output (keluaran) terhadap inputnya (masukkan) yang dinyatakan dengan persamaan berikut :
Efisiensi (η)
=
=
maka persentase effesiensi adalah :
Dengan rugi
=
= PCu + Pi
x 100% …………… (2.7)7
2.1.5
Transformator Distribusi
Trafo distribusi yang digunakan di Indonesia saat ini pada umumnya adalah trafo produksi dalam negeri. Ada lima pabrik trafo di Indonesia yaitu :
Trafo distribusi yang digunakan di Indonesia saat ini pada umumnya adalah trafo produksi dalam negeri. Ada lima pabrik trafo di Indonesia yaitu: PT. UNINDO, PT. TRAFINDO dan PT. ASATA di Jakarta; PT. MURAWA di Medan : PT. Bambang Djaja di Surabaya. Ditinjau dari jumlah fasanya trafo distribusi ada dua
14
macam, yaitu trafo satu fasa dan trafo tiga fasa. Trafo tiga fasa mempunyai dua tipe yaitu tipe tegangan sekunder ganda dan tipe tegangan sekunder tunggal. Sedang trafo satu fasa juga mempunyai dua tipe yaitu tipe satu kumparan sekunder dan tipe dua kumparan sekunder saling bergantung, yang di kenal dengan trafo tipe "NEW JEC". Gambar 2.6 memperlihatkan sebuah trafo distribusi tiga fasa kelas 20 kV produksi PT. UNINDO Jakarta menurut standarisasi DIN, Jerman Barat. Bak trafo dapat diisi dengan minyak trafo biasa atau askarel (suatu bahan buatan) dan kelas ini untuk kapasitas daya lebih kecil dari 1000 kVA.8
Gambar 2.6
Trafo Distribusi kelas 20 kV
Keterangan-keterangan gambar 2.6 adalah:
1. Rele Buchcolz
2. Indikator permukaan minyak
3. Penapas Pengering
4. Untuk pembukaan
5. lubang untuk tarikan
6. Sumbat pengeluaran minyak
7. Pelat-nama
8. Apitan untuk hubungan tanah
9. Kantong-thermometer
10. Alat untuk merubah kedudukan tap
Transformator distribusi merupakan salah satu alat yang memegang peranan penting dalam sistim distribusi. Trafo distribusi digunakan untuk mengubah tegangan menengah menjadi tegangan rendah. Transformator distribusi membagi / menyalurkan arus atau energi listrik dengan tegangan distribusi supaya jumlah energi yang tercecer dan hilang sia – sia di perjalanan tidak terlalu banyak.
15
Trafo distribusi dapat berphasa tunggal atau phasa tiga dan ukurannya berkisar dari kira – kira 5 kVA smpai 500 kVA. Impedansi trafo distribusi ini pada umumnya sangat rendah, berkisar dari 2% untuk unit-unit yang kurang dari 50 kVA sampai dengan 4% untuk unit-unit yang lebih besar daripada 100 kVA.
2.1.6
Perhitungan Arus Beban Penuh dan Arus Hubung Singkat
Telah diketahui bahwa daya transformator distribusi bila ditinjau dari sisi tegangan tinggi (primer) dapat dirumuskan sebagai berikut :
S =
dimana :
…………….……………………………………………….. (2.8)
S
V
I
: daya transformator (kVA)
: tegangan sisi sekunder transformator (V)
: arus jala – jala (A)
Dengan demikian, untuk menghitung arus beban penuh (full load) dapat menggunakan rumus :
IFL =
dimana :
………………………………………………………....……… (2.9)
IFL
S
V
: arus beban penuh (A)
: daya transformator (kVA)
: tegangan sisi sekunder transformator (V)
Sedangkan untuk menghitung arus hubung singkat pada transformator digunakan rumus :
ISC =
………………..…………………………………. (2.10)
16
dimana :
ISC
S
V
%Z
2.1.7
: arus hubung singkat (A)
: daya transformator (kVA)
: tegangan sisi sekunder transformator (kV)
: persen impedansi transformator
Losses Akibat Adanya Arus Netral Pada Penghantar Netral Transformer
Sebagai akibat dari ketidakseimbangan beban antara tiap – tiap phasa pada sisi sekunder trafo ( phasa R, phasa S, phasa T) mengalirlah arus di netral trafo. Arus yang mengalir pada penghantar netral trafo inimenyebabkan losses (rugi- rugi). Untuk menghitung losses pada penghantar netral trafo ini dapat dirumuskan sebagai berikut :
PN = IN2 . RN ………………………………………………...........…….. (2.11)
dimana :
PN
IN
RN
: losses pada penghantar netral trafo (watt)
: arus yang mengalir pada netral trafo (A)
: tahanan penghantar netral trafo ( )
Sedangkan losses yang diakibatkan karena arus netral yang mengalir ke tanah (ground) dapat dihitung dengan perumusan sebagai berikut :
PG = LG2 . RG ………………………………………………………….... (2.12)
dimana :
PG
LG
RG
: losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah (ground).
: arus netral yang mengalir ke tanah (A)
: tahanan pembumian netral trafo ( )
17
2.2
Faktor Daya
Pengertian faktor daya (cos φ) adalah perbandingan antara daya aktif (P) dan daya semu (S). Dari pengertian tersebut, faktor daya (cos φ) dapat dirumuskan sebagai berikut :
Faktor Daya
= ( daya aktif / daya semu )
=(P/S)
= ( V.I.cosφ / V.I ) ……….......……………………. (2.13)
= cos φ
Untuk penjelasan tentang daya-daya dapat dilihat pada segitiga daya berikut ini :
Gambar 2.7
Segitiga Daya
Daya Semu (S)
Daya Aktif (P)
Daya Reaktif (Q)
= V.I (VA) ……………………..………… (2.14)
= V.I.cos φ (Watt) ……………………..…. (2.15)
= V.I.sin φ (VAR) ……………………..… (2.16)
2.3
2.3.1
Ketidakseimbangan Beban
Pengertian Tentang Beban Tidak Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan adalah suatu keadaan dimana :
Ketiga vektor arus / tegangan sama besar
ketiga vektor saling membentuk sudut 120o satu sama lain.
Sedangkan yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan dimana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak terpenuhi.
Ketidakseimbangan beban pada suatu sistem distribusi tenaga listrik selalu terjadi dan penyebab ketidakseimbangan tersebut adalah pada beban-beban satu fasa pada pelanggan jaringan tegangan rendah.
Akibat ketidak seimbangan beban tersebut muncullah arus di netral trafo. Arus yang mengalir di netral trafo ini menyebabkan terjadinya losses (rugi-rugi), yaitu losses akibat adanya arus netral pada penghantar netral trafo dan losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah.
Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada 3, yaitu :
Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 120 derajat satu sama lain
Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 120 derajat satu sama lain
Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 120 derajat satu sma lain
Untuk lebih jelasnya dapat digambarkan dengan vektor diagram arus pada gambar
2.13
(a)
(b)
Gambar 2.13 Vektor diagram arus 14
Gambar 2.13 (a) menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (IN). Sedangkan pada gambar 2.13 (b) menunjukkan vektor diagram arus yang tidak seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT) tidak sama dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus netral (IN) yang besarnya bergantung dari seberapa besar faktor ketidakseimbangannya.
Pada dasarnya, ada 3 sumber penyebab terjadinya ketidakseimbangan sistem 3
fasa ini, yaitu 15 :
1. Tidak seimbang tegangan sejak pada sumbernya:
Tegangan tak simetris pada output generator 3 fasa bisa saja terjadi (walaupun jarang) karena kesalahan teknis pada ketiga berkas kumparan dayanya (jumlah lilitan atau resistansi).
2. Tidak seimbang tegangan pada salurannya:
Hal demikian dapat disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain:
Konfigurasi ketiga saluran secara total tidak seimbang, sehingga total kapasitansinya tidak seimbang. Keadaan demikian dapat terjadi pada penyaluran jarak jauh dan bertegangan tinggi, dimana jarak rata-rata masing-masing saluran fasa terhadap tanah tidak sama.
Resistansi saluran tidak sama karena jenis bahan konduktor yang berbeda
Resistansi saluran tidak sama karena ukuran konduktor tidak sama (besar R dipengaruhi oleh besar q).
Resistansi saluran tidak sama karena jarak antara masing-masing saluran fasa dengan beban tidak sama (besar R dipengaruhi oleh jarak l).
3. Tidak seimbang pada resistansi bebannya:
Karena besar I (arus beban) ditentukan oleh besar R(beban), maka pada keadaan 3φ: RR RS RT, maka arus bebannya: IR IS IT. Akibat lanjutnya adalah : bila resistansi saluran dianggap sama dengan R, maka rugi tegangan yang terjadi pada sistem 3φ adalah IRR ISR ITR atau VR VS VT dan rugi daya IR2R IS2R IT2R atau PR PS PT sehingga: V(T)R V(T)S V(T)T dimana V(T) = tegangan pada sisi terima (konsumen). Kondisi tak seimbang pada tegangan sisi terima akibat tidak seimbangnya beban ini adalah suatu hal yang paling sering terjadi dalam praktek, antara lain oleh adanya sambungan-sambungan di luar perhitungan dan perencanaan. Upaya teknis memang perlu dilakukan, agar diperoleh keadaan pembebanan yang seimbang. Pada sistem 3 fasa yang menggunakan saluran netral (baca saluran nol), dalam keadaan beban simetris maka arus yang lewat saluran nol adalah benar-benar nol (netral), tetapi bila terjadi keadaan tak simetris, maka sebagian arus (berupa arus resultan) akan lewat saluran netral ini, sehingga saluran tersebut menjadi tidak netral lagi.
2.4.2
Penyaluran Daya Pada Keadaan Arus Seimbang
Misalnya daya sebesar P disalurkan melalui suatu saluran dengan penghantar netral. Apabila pada penyaluran daya ini arus – arus phasa dalam keadaan seimbang, maka besarnya daya dapat dinyatakan sebagai berikut :
P = 3 . [V] . [I] . cos φ ………………………………………………….. (2.17)
dengan :
P
V
: daya pada ujung kirim
: tegangan pada ujung kirim
cos φ : faktor daya
Daya yang sampai ujung diterima akan lebih kecil dari P karena terjadi penyusutan dalam saluran. Hal ini dibuat dengan asumsi bahwa arus pemuatan kapasitif pada saluran cukup kecil sehingga dapat diabaikan. Dengan demikian besarnya arus di ujung kirim sama dengan arus di ujung terima. Apabila tegangan dan faktor daya pada ujung terima berturut-turut adalah V dan φ ,daya pada ujung terima adalah :
P = 3 . [V ] . [I] . cos φ ………………..……………………………..… (2.18)
Selisih antara P pada persamaan memberikan susut daya saluran, yaitu :
P1
= P – P
= 3 . [I] . {[V] cos φ – [V ] cos φ } ……………………………… (2.19)
Dengan R adalah tahanan kawat penghantar tiap phasa, jadi persamaan berubah
menjadi:
P1 = 3 . [I]2 . R ……………………………………………………………. (2.20)
2.4.3
Penyaluran Daya Pada Keadaan Arus Tak Seimbang
Jika [I] adalah besaran arus phasa dalam penyaluran daya sebesar P pada keadaan seimbang, maka pada penyaluran daya yang sama tetapi dengan keadaan tak seimbang besarnya arus-arus phasa dinyatakan dengan koefisien a, b dan c sebagai berikut :
[IR] = a [I]
[IS] = b [I]
……………………………………………. (2.21)
[IT] = c [I]
dengan IR, IS, IT berturut – turut adalah arus di phasa R, S, T. 16
Telah disebutkan diatas bahwa faktor daya di ketiga phasa dianggap sama walaupun besarnya arus berbeda. Dengan anggapan seperti itu besarnya daya yang disalurkan dapat dinyatakan sebagai berikut :
P (a + b + c) . [V] . [I] . cos φ ………………………………………….… (2.22)
Apabila persamaan tersebut menyatakan daya yang besarnya sama, maka kedua
persamaan itu dapat diperoleh persyaratan untuk koefisien a, b, c yaitu :
a + b + c = 3 …………….………………………………………………… (2.23)
2.5
Ketidakseimbangan arus
Arus listrik akan mengalir dari sumbernya melalui penghantar menuju ke beban. Mengalirnya arus listrik tersebut menuju ke beban sangat tergantung pada besarnya konsumsi energi listrik dari beban tersebut. Makin besar konsumsi energi listrik suatu beban, maka makin besar pula arus yang mengalir ke beban tersebut.
Untuk sistem dengan sirkuit tiga fasa, akan rentan sekali terjadi ketidaksamaan besarnya arus yang mengalir di antara penghantar – penghantar ketiga fasanya, yang disebut ketidakseimbangan arus.
Ketidakseimbangan arus tersebut akan terjadi apabila daya beban dari masing – masing fasa dari ketiga fasa transformator tidak seimbang, dalam halini apabila impedansi bebannya tidak sama.
Untuk mengetahui besar ketidakseimbangan arus dari suatu trafo maka dapat digunakan cara :
Mengetahui besarnya arus – masing – masing di ketiga phasanya.
Menjumlahkan arus – arus tersebut dan kemudian di rata – rata
Memilih arus yang memiliki deviasi terbesar dengan rata – rata
Nilai dari deviasi tersebut dibagi dengan rata – rata
Nilai yang diperoleh dikalikan 100%. Maka diperoleh besar
ketidakseimbangan arus dalam %.
Ketidakseimbangan arus =
……....... (2.24)
Jadi besarnya ketidakseimbangan suatu trafo dapat dilihat dari ketidakseimbangan
pada arus tiap-tiap phasanya.
2.6
Beban Listrik
Menurut sifatnya, beban listrik terdiri dari :
a. Resistor (R) yang bersifat resistif
b. Induktor (L) yang bersifat induktif
c. Capasitor (C) yang bersifat capasitif
Beban listrik adalah piranti /peralatan yang menggunakan / mengkonsumsi
energi listrik. Jenis beban listrik yang akan di bahas secara garis besar adalah sebagai berikut :
-
-
Untuk penerangan dengan lampu-lampu pijar, pemanas listrik yang bersifat resistif.
Untuk peralatan yang menggunakan motor-motor listrik (pompa air,
alat pendingin/AC/Freezer/kulkas, peralatan laboratorium), penerangan dengan lampu tabung yang menggunakan balast/trafo bersifat induktif
(lampu TL, sodium, merkuri, komputer, TV, dll).
Jika beban resistif diaktifkan (dinyalakan), maka arus listrik pada beban ini segera mengalir dengan cepatnya sampai pada nilai tertentu (sebesar nilai arus nominal beban) dan dengan nilai yang tetap hingga tidak diaktifkan (dimatikan).
Lain halnya dengan beban induktif, misalnya pada motor listrik. Begitu motor diaktifkan (digerakkan), maka saat awal (start) menarik arus listrik yang besar (3 sampai 5 kali nilai arus nominal), kemudian turun kembali ke arus nominal.
Gambar 2.14 Rangkaian macam-macam Beban Sistem 3 fasa, 4 kawat
2.6.1
Klasifikasi Beban Listrik
Secara umum beban yang dilayani oleh sistem distribusi listrik ini dibagi dalam beberapa sektor yaitu sektor perumahan, sektor industri, sektor komersial dan sektor usaha. Masing-masing sektor beban tersebut mempunyai karakteristik- karakteristik yang berbeda, sebab hal ini berkaitan dengan pola konsumsi energi pada masing-masing konsumen di sektor tersebut. Karakteristik beban yang banyak disebut dengan pola pembebanan pada sektor perumahan ditujukan oleh adanya fluktuasi konsumsi energi elektrik yang cukup besar. Hal ini disebabkan konsumsi energi elektrik tersebut dominan pada malam hari.
Sedang pada sektor industri fluktuasi konsumsi energi sepanjang hari akan hampir sama, sehingga perbandingan beban puncak terhadap beban rata-rata hampir mendekati satu. Beban pada sektor komersial dan usaha mempunyai karakteristik yang hampir sama, hanya pada sektor komersial akan mempunyai beban puncak yang lebih tinggi pada malam hari.
Berdasarkan jenis konsumen energi listrik, secara garis besar, ragam beban
dapat diklasifikasikan ke dalam :
1. Beban rumah tangga, pada umumnya beban rumah tangga berupa lampu untuk penerangan, alat rumah tangga, seperti kipas angin, pemanas air, lemari es, penyejuk udara, mixer, oven, motor pompa air
dan sebagainya. Beban rumah tangga biasanya memuncak pada malam
hari.
2. Beban komersial, pada umumnya terdiri atas penerangan untuk reklame, kipas angin, penyejuk udara dan alat – alat listrik lainnya yang diperlukan untuk restoran. Beban hotel juga diklasifikasikan sebagi beban komersial (bisnis) begitu juga perkantoran. Beban ini secara drastis naik di siang hari untuk beban perkantoran dan pertokoan dan menurun di waktu sore.
3. Beban industri, dibedakan dalam skala kecil dan skala besar. Untuk skala kecil banyak beropersi di siang hari sedangkan industri besar sekarang ini banyak yang beroperasi sampai 24 jam.
4. Beban fasilitas umum, merupakan beba untuk pelayanan umum seperti
penerangan jalan, taman dan lainnya. Penerangan jalan umum dalam jumlah besar akan berdampak pada konsumsi daya listrik.
5. Beban lain – lain, merupakan kumpulan beban – beban yang belum bias dimasukkan dalam kelompok beban tersebut.
Pengklasifikasian ini sangat penting artinya bila kita melakukan analisa beban untuk suatu sistem yang sangat besar. Perbedaan yang paling prinsip dari empat jenis beban diatas, selain dari daya yang digunakan dan juga waktu pembebanannya. Pemakaian daya pada beban rumah tangga akan lebih dominan pada pagi dan malam hari, sedangkan pada beban komersil lebih dominan pada siang dan sore hari. Pemakaian daya pada industri akan lebih merata, karena banyak industry yang bekerja siang-malam. Maka dilihat dari sini, jelas pemakaian daya pada industri akan lebih menguntungkan karena kurva bebannya akan lebih merata. Sedangkan pada beban fasilitas umum lebih dominan pada siang dan malam hari.
2.6.2
Karakteristik Umum Beban Listrik
Karakteristik beban diperlukan agar sistem tegangan dan pengaruh thermis dari pembebanan dapat dianalisis dengan baik. Analisis tersebut termasuk dalam
menentukan keadaan awal yang akan di proyeksikan dalam perencanaan selanjutnya. Penentuan karakteristik beban listrik suatu gardu distribusi sangat penting artinya untuk mengevaluasi pembebanan gardu distribusi tersebut, ataupun dalam merencanakan suatu gardu distribusi yang baru. Karakteristik beban ini sangat memegang peranan penting dalam memilih kapasitas transformator secara tepat dan ekonomis. Di lain pihak sangat penting artinya dalam menentukan rating peralatan pemutus rangkaian, analisa rugi-rugi dan menentukan kapasitas pembebanan dan cadangan tersedia dan suatu gardu. Karakteristik beban listrik suatu gardu sangat tergantung pada jenis beban yang dilayaninya. Hal ini akan jelas terlihat dan hasil pencatatan kurva beban suatu interval waktu. Berikut ini beberapa faktor yang menentukan karaktristik beban.
1. Faktor Beban (load factor)
Faktor beban adalah perbandingan antara beban rata – rata terhadap beban puncak yang diukur dalam suatu periode tertentu. Beban rata – rata dan beban puncak dapat dinyatakan dalam kilowatt, kilovolt – amper, amper dan sebagainya, tetapi satuan dari keduanya harus sama. Faktor beban dapat dihitung untuk periode tertentu biasanya dipakai harian, bulanan atau tahunan. Beban puncak yang dimaksud disini adalah beban puncak sesaat atau beban puncak rata-rata dalam interval tertentu (demand maksimum), pada umumnya dipakai demand maksimum 15 menit atau 30 menit. Faktor beban dapat diketahui dari kurva bebannya.Sedangkan untuk perkiraan besaran faktor beban di masa yang akan datang dapat didekati dengan kata data statistik yang ada berdasarkan jenis bebannya.
2. Beban Harian
Faktor beban harian, bervariasi menurut karakterstik dari daerah beban tersebut, apakah daerah pemukiman, daerah industri, perdagangan ataupun gabungan dari bermacam pemakai/pelanggan, juga bagimana keadaan cuaca atau juga apakah hari libur dan sebagainya.
3. Faktor Beban harian rata – rata
Faktor beban harian rata – rata , merupakan dasar dari pada faktor
beban tahunan total.
4. Faktor Penilaian Beban
Faktor-faktor
penilaian
beban
adalah
faktor
yang
dapat
memberikan gambaran mengenai karakteristik beban, baik dari segi kuantitas pembebanannya maupun dari segi kualitasnya. Faktor-faktor ini sangat berguna dalam meramalkan karakteristik beban masa datang atau dalam menentukan efek pembebanan terhadap kapasitas sistem secara menyeluruh.
5. Jenis Beban Tersambung
Suatu cara yang baik adalah untuk bermula dengan mencatat semua
jenis alat pemakaian listrik yang dapat disambung oleh para konsumen atau pelanggan pada system penyedia tenaga listrik. Alat – alat pemakaian tenaga listrik itu secara umum dapat dibagi empat kelompok besar : penerangan, tenaga, pemanasan / pendinginan dan keperluan yang berlainan.
6. Beban Penerangan
Data kelompok penerangan termasuk lampu – lampu pijar dan fluoresen, neon, uap merkuri, uap sodium dan lampu metal halide. Semua lampu tersebut dapat dijalankan dengan arus searah maupun arus bolak – balik. Lampu – lampu pijar beroperasi pada faktor daya satu. Keluaran cahayanya menurun banyak dengan penurunan tegangan sebanyak 5% akan menurun cahaya dengan 15% untuk kemudian menurunl ebih deras lagi. Masa manfaatnya biasa dirancang untuk selama 1000 jam nyala, namun akan cepat menurun bilamana tegangan dinaikkan.
Lampu – lampu fluoresen dan neon pada umumnya memiliki factor daya yang sangat rendah, yaitu hingga 50%. Karena nya lampu – lampu ini dilengkapi dengan kapasitor sehingga faktor daya itu menjadi lebih tinggi
dan hamper mencapai nilai 1. Lampu – lampu uap merkuri (tekanan tinggi) dan uap sodium (tekanan tinggi dan tekanan rendah) serta lampu metal halide beroperasi dengan faktor daya sebesar 70% hingga 80%.
Bilamana dipergunakan kapasitor maka faktor daya itu dapat ditingkatkan
hingga mendekati 100%.
7. Beban Tenaga
Beban tenaga pada umunya terdiri atas berbagai jenis motor listrik.
Motor arus searah tidak begitu banyak dipakai. Yang terbanyak digunakan adalah motor induksi, terutama dari jenis motor kurung. Motor sinkron juga tidak begitu banyak dipergunakan, kecuali untuk keperluan – keperluan khusus. Jenis motor yang banyak dipakai adalah dengan daya beberapa puluh watt (fractional horsepower motors). Motor – motor ini umumnya satu phasa, terdapat pada berbagai alat seperti mesin cuci, kipas angin, lemari es, dan lain sebagainya. Motor jenis ini pada umumnya beroperasi dengan faktor daya 50% hingga 70%. Karenanya sering dilengkapi dengan starter, alat yang besar seperti lemari es dapat mengakibatkan kedap – kedip, atau flicker pada lampu.
Motor induksi atau motor tak serempak banyak dipakai di pabrik
dan industri. Bilamana beroperasi pada beban penuh, faktor daya dapat mencapai 80% atau lebih. Pada beban rendah, faktor daya akan banyak menurun. motor induksi kecil hingga 1-2 kW, biasanya phasa tunggal. Untuk motor yang lebih besar pada umumnya dibuat untuk tiga phasa. Motor sinkron, atau motor serempak biasanya dipakai pada daya yang agak besar, yaitu untuk koreksi faktor daya instalsi besar atau jaringan perusahaan listrik karena faktor dayanya dapat diatur.
8. Faktor Diversitas
Faktor diversitas adalah perbandingan antara jumlah beban puncak
dari masing – masing pelanggan dari satu kelompok pelanggan dengan beban puncak dari kelompok pelanggan tersebut. Didefinisikan sebagai
perbandingan antara jumlah demand dari unit-unit beban terhadap demand
maksimum dari keseluruhan beban.
9. Faktor Kebersamaan (waktu)
Faktor kebersamaan (waktu) adalah perbandingan antara beban puncak (kebutuhan maks) dari suatu kelompok pelanggan (beban) dengan beban puncak dari masing – masing pelanggan dari kelompok tersebut.
10. Kebutuhan "Demand"
Kebutuhan sistem elektrik didefinisikan sebagai beban pada terminal terima secara rata-rata dalam suatu universal waktu tertentu. Satuan beban tersebut dapat berupa Kilowatt, Kilovoltampere, Ampere dan Kiloampere.
11. Selang Kebutuhan "Demand Interval"
Interval Kebutuhan merupakan periode yang dijadikan dasar untuk
terima secara rata-rata. Pemilihan periode ini dapat terjadi mulai dari selang 15 menit, selang 30 menit, selang 60 menit ataupun lainnya. Pada kondisi-kondisi tertentu kebutuhan pada selang 15 menit sama dengan kebutuhan pada selang 30 menit. Pernyataan kebutuhan ini harus diekspresikan dalam suatu selang waktu dimana kebutuhan tersebut diukur.
12. Kebutuhan Maksimum "Maksimum Demand"
Kebutuhan Maksimum didefinisikan sebagai kebutuhan terbesar yang dapat terjadi dalam suatu selang tertentu. Jadi, kebutuuhan maksimum dapat dikatakan dalam selang waktu 1 jam, 1 minggu, harian dll.
13. Diversitas Kebutuhan "Diseverisfied Demand"
Diversitas kebutuhan dikaitkan dengan beban komposit, dengan beban yang tidak saling berhubungan pada selang waktu tertentu. Jadi, diversitas kebutuhan merupakan perbandingan jumlah maksimum masing- masing
beban komposit tersebut terhadap kebutuhan maksimum seluruh beban komposit.
14. Faktor Kebutuhan (DF = demand factor)
Didefinisikan sebagai perbandingan antara beban puncak dengan
beban terpasang dengan kata lain merupakan derajat pelayanan serentak
ada seluruh beban terpasang.
15. Faktor Coincident (CF = coincident factor)
Didefinisikan sebagai perbandingan antara demand maksimum seluruh beban dengan jumlah demand maksimum masing-masing unit beban.
16. Faktor Rugi-rugi Beban (LLF = Loss factor)
Didefinisikan sebagai perbandingan antara rugi dan rata-rata terhadap rugi daya pada beban puncak pada periode waktu tertentu. Faktor rugi-rugi beban merupakan rugi-rugi sebagai fungsi waktu, berubh sesuai dengan fungsi dari waktu kuadrat. Oleh karena itu, factor rugi-rugi ini tidak dapat ditentukan langsung dari faktor beban.
17. Faktor Penggunaan (UF = utility factor)
Didefenisikan sebagai perbandingan antara demand maksimum dengan kapasitas nominal dari sistem pencatu daya.
