BATERAI-CHARGER PADA GARDU INDUK 150 KV SRONDOL Ibnu Salam1, Susatyo Handoko, ST. MT2 Mahasiswa dan Dosen Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia Email :
[email protected]
1
2
Abstrak Sistem DC pada suatu Gardu Induk memiliki peranan sangat penting dalam kelancaran operasi Gardu Induk itu sendiri dalam melayani kebutuhan listrik bagi para konsumen. Sistem DC pada Gardu Induk disuplai oleh rectifier dan baterai yang mana keduanya dihubungkan paralel dengan beban. dalam keadaan normal Sistem DC akan disuplai oleh rectifier secara langsung, namun pada saat terjadi gangguan maka baterai akan bekerja secara otomatis mensuplai beban dengan range waktu tertentu. Sistem DC pada Gardu Induk berfungsi sebagai sumber DC bagi peralatan yang ada di Gardu Induk. Perlatan ini sangat penting bagi sebuah Gardu Induk, jika sistem DC tidak berfungsi sebagaimana mestinya maka dapat membahayakan peralatan itu sendiri. Pada Laporan kerja praktek ini, penulis bertujuan untuk mengetahui dan memahami prinsip kerja dari baterai-charger, bagian-bagian dan fungsinya. Dengan laporan ini diharapkan para pembaca dapat belajar mengenai sistem DC yang terdapat pada Gardu Induk. Kata kunci: Sistem DC, Baterai, Rectifier
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Untuk menjaga keandalan dari suatu Gardu Induk diperlukan peralatan pendukung yang baik, salah satunya yaitu Sistem DC. Sistem DC pada suatu Gardu Induk memiliki peran sangat penting dalam kelancaran operasi Gardu Induk itu sendiri dalam melayani kebutuhan listrik bagi para konsumen. Bagian yang harus ada pada sistem DC adalah baterai-charger.
II. DASAR TEORI 2.1 Sistem DC Dalam pengoperasian tenaga listrik terdapat dua macam sumber tenaga untuk kontrol di dalam Gardu Induk, ialah sumber arus searah (DC) dan sumber arus bolak balik (AC). Sumber tenaga untuk kontrol selalu harus mempunyai keandalan dan stabilitas yang tinggi. Karena persyaratan inilah dipakai baterai sebagai sumber arus searah. Catu daya sumber DC digunakan untuk kebutuhan operasi relai proteksi dan kontrol serta untuk scadatel. Untuk kebutuhan operasi relai dan kontrol di PLN terdapat dua sistem catu daya pasokan arus searah yaitu DC 110V dan DC 220V, sedangkan untuk kebutuhan scadatel menggunakan sistem Catu Daya DC 48V. Catu daya DC bersumber dari rectifier dan baterai terpasang pada instalasi secara paralel dengan beban, sehingga dalam operasionalnya disebut Sistem DC. Diagram instalasi Sistem DC dapat dilihat pada gambar berikut.
1.2 Tujuan Adapun tujuan dari Kerja Praktek ini adalah meliputi beberapa hal diantaranya a. Mengetahui prinsip kerja dari bateraicharger pada Gardu Induk. b. Mengetahui bagian-bagian dari bateraicharger beserta fungsinya. c. Mengetahui konfigurasi baterai-charger yang ada di Gardu Induk. 1.3 Pembatasan Masalah Laporan Kerja Praktek ini membahas mengenai prinsip kerja baterai-charger dan bagian-bagiannya, serta konfigurasinya yang berada pada Gardu Induk 150 kV Srondol.
1
REL 20KV
Pusat-pusat pembangkit Tenaga Listrik, batere ini berfungsi sebagai : - Sumber tenaga untuk alat kontrol, pengawasan, tanda-tanda isyarat (signalling and alarm). - Sumber tenaga motor-motor untuk PMT, PMS, Tap Charging Trafo tenaga dan sebagainya. - Sumber tenaga untuk penerangan darurat. - Sumber tenaga untuk rele proteksi. - Sumber tenaga untuk peralatan telekomunikasi. Sumber tenaga untuk alat-alat kontrol, rele proteksi dan sebagainya selalu harus mempunyai keandalan yang tinggi. Oleh karena itu perlu dijaga agar tegangan dari batere ini tidak banyak berubah dari yang sudah ditentukan.
TRAFO PS
RECTIFIER
FUSE
BATERE
REL DC
MCB
BEBAN DC
Gambar 1. diagram instalasi sistem DC
2.2 Bagian-Bagian Utama Sistem DC Bagian-bagian utama peralatan sistem DC, yaitu : 1. Rectifier / Charger Rectifier atau Charger adalah suatu rangkaian alat listrik untuk mengubah arus listrik bolak- balik (AC) menjadi arus searah (DC). 2. Baterai Suatu alat penyimpan energi listrik arus searah, yang berfungsi sebagai sumber cadangan ke beban. 3. Konduktor Berfungsi sebagai penghantar energi listrik arus searah dari sumber ke beban. 4. Terminal-terminal Berfungsi sebagai tempat percabangan dimana energi listrik akan dikirim atau dibagi ke beban-beban.
2. Bagian-bagian utama baterai Tiap baterai memiliki bagian sebagai berikut : a. Elektroda Tiap sel baterai terdiri dari 2 (dua) macam elektroda, yaitu elektroda positif dan elektroda negatif yang direndam dalam suatu larutan kimia berfungsi sebagai pemindah elektron pada saat berlangsung charge discharge (lihat gambar 1.9), elektroda positif dan negatif terdiri dari : - Grid adalah suatu rangka besi atau fiber berfungsi sebagai tempat material aktif. - Material aktif berfungsi sebagai material yang bereaksi secara kimia untuk menghasilkan energi listrik.
III. Baterai-Charger 150 kV Srondol 3.1 Baterai 1. Pengertian Batere adalah suatu alat yang menghasilkan energi listrik dengan proses kimia. Batere dapat berupa susunan beberapa sel atau hanya satu sel saja. Tiap sel dari batere terdiri dari elektroda positip (+), elektroda negatip (-) dan elektrolit. Jenis elektroda dan elektrolit ini tergantung dari pabrik yang memproduksi batere tersebut. Di Gardu-gardu Induk maupun di
b. Elektrolit Elektrolit adalah cairan atau larutan senyawa kimia yang berfungsi menghantarkan arus listrik, karena larutan tersebut dapat menghasilkan muatan listrik positif dan negatif. Bagian yang bermuatan positif disebut ion positif dan bagian yang bermuatan negatif disebut ion negatif. Makin banyak ion – ion yang dihasilkan suatu elektrolit maka makin besar daya hantar listriknya.
2
Jenis cairan ektrolit baterai terdiri dari 2 (dua) macam adalah sebagai berikut : - Larutan asam belerang (H2SO4) digunakan pada baterai asam. - Larutan Kalium Hidroxide (KOH) digunakan pada baterai alkali.
Batere timah hitam bahan elektrolinya adalah larutan asam belerang ( H2 SO4 ). Batere timah hitam ada 2 (dua) macam : - Lead – antomony - Lead – calcium Batere alkali (alkaline stroage battery) Batere alkali bahan elektrolitnya adalah larutan alkali (potassium hydroxide/KoH). Batere alkali ada 2 macam : - Nickel – iron – alkaline storage battery (Ni – Fe battery) - Nickel – cadmium battery (Ni – Cd battery)
c. Sel baterai Sel baterai berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan elektrolit dan elektroda adapun jenis bahan bejana (container) yang digunakan terdiri dari 2 (dua) macam : - Steel container Sel baterai dengan bejana (container) terbuat dari steel ditempatkan dalam rak kayu, hal ini untuk menghindari terjadi hubung singkat antar sel baterai atau hubung tanah antara sel baterai dengan rak baterai. - Plastic container Sel baterai dengan bejana (container) terbuat dari plastik ditempatkan dalam rak besi yang diisolasi, hal ini untuk menghindari terjadi hubung singkat antar sel baterai atau hubung tanah antara sel baterai dengan rak baterai apabila terjadi kerusakan / kebocoran elektrolit baterai.
b. Menurut kapasitas baterai Kapasitas suatu battere menyatakan berapa lama kemampuannya untuk memberikan aliran listrik, pada tegangan tertentu yang dinyatakan dalam Amper – Jam (Ah). C=Ixt C = kapasitas batere I = Arus (ampere) t = Waktu (jam)
d. Terminal dan penghubung baterai Terminal dan klem pada sel baterai berfungsi untuk menghubungkan kutubkutub sel baterai mengunakan nickel plated steel atau cooper sedangkan penghubung antar unit atau grup baterai berbentuk nickel plated atau berupa kabel yang terisolasi ( Insulated Flexible cable).
Besarnya kapasitas batere terdiri dari 2 (dua) macam : Kapasitas batere dengan harga rendah/menengah. Besarnya kapasitas batere sampai 235 Ah, dengan lama pengosongan selama 8 jam pada suhu 250 C, batere ini sebagai sumber arus searah (DC) untuk : - Alat kontrol, tanda-tanda isyarat - Motor-motor PMT dan PMS - Penerangan darurat - Proteksi - Telekomunikasi Kapasitas batere dengan harga tinggi. Besarnya kapasitas batere dari 235 Ah sampai dengan 450 Ah, dengan lama pengosongan selama 8 jam
3. Klasifikasi baterai Baterai dapat diklasifikasikan kedalam beberapa jenis, yaitu : a. Menurut bahan elektrolit Sesuai dengan bahan elektrolit yang digunakan, batere terdiri dari 2 (dua) macam : Batere timah hitam (lead-acid stroage battery)
3
pada suhu 25 0 C, batere ini sebagai sumber arus (DC) untuk ; - Menjalankan mesin (engine starting) - Penerangan darurat
beban dan menjaga baterai agar tetap dalam kondisi penuh. 1. Bagian-Bagian Charger Bagian-bagian dari Rectifier atau Charger adalah a. Transformator Utama Transformator utama yang terpasang pada rectifier biasanya merupakan transformator step-down berfungsi sebagai penurun tegangan dari tegangan AC 220/380 volt menjadi 110 /48 volt contoh transformator utama sebagai yang diperlihatkan pada gambar Besar kapasitasnya harus disesuaikan dengan kapasitas baterai terpasang dan beban sumber DC di Gardu Induk tersebut, paling tidak kapasitas arus output transformator harus lebih besar 20% dari arus pengisian baterai.
4. Prinsip kerja bateri
(a) Gambar 2.
(b) (a) Proses discharging (b) Proses charging
a) Proses discharge pada sel berlangsung menurut skema Gambar 2 (a). Bila sel dihubungkan dengan beban maka, elektron mengalir dari anoda melalui beban ke katoda, kemudian ion-ion negatif mengalir ke anoda dan ion-ion positif mengalir ke katoda. b) Pada proses pengisian menurut skema Gambar 2 (b). Dibawah ini adalah bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda dan proses kimia yang terjadi adalah sebagai berikut: - Aliran elektron menjadi terbalik, mengalir dari anoda melalui power suplai ke katoda. - Ion-ion negatif rnengalir dari katoda ke anoda. - Ion-ion positif mengalir dari anoda ke katoda Jadi reaksi kimia pada saat pengisian (charging) adalah kebalikan dari saat pengosongan (discharging).
Gambar 3. Transformator utama
b. Penyearah Thyristor Untuk bisa mengatur tegangan keluaran penyearah digunakan penyearah jembatan thyristor 3 fasa, penyearah ini dari bahan semi konduktor yang dilengkapi dengan satu terminal kontrol untuk mengatur sudut penyalaan thyristor.
3.2 Charger Rectifier atau Charger adalah suatu rangkaian alat listrik untuk mengubah arus listrik bolak- balik (AC) menjadi arus searah (DC). Umumnya Rectifier yang terpasang di Gardu berfungsi untuk mengisi muatan baterai, memasok daya secara kontinu ke
4
R
+
S T
Beban
-
Rangkaian kontrol elektronik ( AVR )
Gambar 6. Modul elektronik AVR
Gambar 4. Rangkaian penyearah thyristor
e. Alarm Unit Suatu perangkat elektronik yang yang berfungsi memberikan informasi ketika terjadi kondisi abnormal pada sistem kerja charger antara lain : AC Failure (Sumber AC input hilang) DC Failure (Sumber AC output hilang) High DC Voltage (Tegangan DC tinggi) Earth Fault Positif (Hubung tanah pada kutub positif pada sumber DC) Earth Fault Negatif (Hubung tanah pada kutub negatif pada sumber DC)
c. Filter (Penyaring) Filter berfungsi sebagai penyaring tegangan DC yang keluar dari rangkaian penyearah agar dapat menghasilkan tegangan searah yang murni (kandungan harmonisa atau ripple tegangan keluarannya tidak melebihi batas tertentu). Rangkaian filter ini bisa terdiri dari rangkaian induktif, kapasitif atau kombinasi dari keduanya.
L Dioda Dropper
FILTER
C
Baterai
Beban
f. Rangkaian Voltage Dropper Terdiri dari beberapa dioda yang terhubung seri yang berfungsi untuk menurunkan tegangan pada saat rectifier digunakan untuk tujuan pemeliharaan pada baterai agar selalu dalam keadaan penuh (Full Charge). Ketika beroperasi dengan pengisian Boost atau Equalizing tegangan output rectifier disisi baterai maupun beban akan tinggi sehingga dalam kondisi ini akan merusak peralatan, oleh karena itu supaya tegangan di sisi beban tetap stabil / rendah, maka dipasang penurun tegangan atau Voltage droper. Besarnya kapasitas droper akan tergantung kebutuhan besarnya tegangan yang harus diturunkan pada saat rectifier bekerja dengan pengisian Equalizing atau Boost.
Gambar 5. Rangkaian filter (penyaring)
d. AVR (Automatic Voltage Regulator) Automatic Voltage Regulator yang terpasang pada rectifier / Charger merupakan modul elektronik yang berfungsi untuk memberi trigger positif pada gate Thyristor sehingga pengaturan arus maupun tegangan output rectifier yang mengalir ke baterai maupun ke beban dapat diset sesuai kebutuhan.
5
Diode
Diode
Relay 2
Relay 1
High Voltage Control Card
Load Output
High Voltage Control Card
Gambar 7. Diagram voltage droper
g. Unit Pengaturan Umumnya pengaturan untuk operasi rectifier agar dapat memenuhi syarat / standar pengisian baterai sesuai yang diinginkan maka pengaturan setting tegangan atau arus dapat diatur pada modul kontrol unit, hal ini dapat dilakukan dengan mengatur variabel resistor pada PCB rangkaian elektronik AVR dengan cara memutar ke kiri atau ke kanan.
3.3 Konfigurasi Baterai-Charger di GI 150kV Srondol 1. Rangkaian Kerja / Konfigurasi BateraiCharger Macam kerja rangkaian batere dengan penyearah (rectifier), dapat dibagi dalam beberapa bagian : Sistem sederhana (simple system) Batere selalu dihubungkan dengan pengisi batere (charger) dalam pengisian pemeliharaan. Batere hanya sewaktu-waktu dihubungkan kebeban , misalnya untuk start motor listrik (engine starting). Load
Charger Main s input
Battery
Gambar 9. Rangkaian baterai-charger sederhana
Gambar 8. PCB rangkaian elektronik VR
Sistem cadangan (stand by system) Sistem Pada operasi kerja normal beban langsung dihubungkan dengan penyearah (rectifier), dan batere dihubungkan dengan pengisi batere (battery charger) dalam pengisian pemeliharaan, maka bila sumber AC terganggu, secara otomatis beban akan terhubung ke batereini umumnya untuk lampulampu darurat. Contactor
2. Prinsip Kerja Charger Prinsip kerja dari Rectifier atau Charger yaitu sumber tegangan AC yang masuk melalui terminal input trafo step-down dari tegangan 380V/220V menjadi tegangan 110V kemudian oleh diode penyearah / thyristor arus AC tersebut diubah menjadi arus DC dengan ripple atau gelombang DC tertentu. Untuk memperbaiki ripple atau gelombang DC yang terjadi, dipasangkan suatu rangkaian penyaring (filter) yang dipasang sebelum terminal output.
Load
Rectifier
Mains input
Charger
Battery
Gambar 10. Rangkaian baterai-charger sistem cadangan
6
Sistem terapung (floating system) Pada operasi kerja normal beban terhubung ke pengisi batere (battery charger) dan batere, maka bila sumber arus searah (DC) dari pengisi batere terganggu, beban akan langsung disupply dari batere. Load
Charg e r
Mains input Battery
Gambar 11. Rangkaian baterai-charger floating system
Sistem ganda (duplicate system) Pada sistem ganda ini terdapat 2 (dua) buah pengisi batere (battery charger) yang dihubungkan dengan ke 2 (dua) unit batere. Disini beban batere dapat disupply dengan menggunakan 2 (dua) unit batere atau salah satu unit batere.
dari sumber inputan ACnya) maka secara otomatis beban akan dipikul atau ditanggung oleh baterai. Tetapi baterai tidak dapat terus – menerus atau kontinyu dalam memikul beban karena baterai mempunyai kapasitas tertentu, sehingga apabila dibebani terus – menerus maka baterai akan berkurang atau menurun kapasitasnya (ah). Hal ini dikarenakan kapasitas baterai berbanding terbalik terhadap arus bebannya. Pada Gardu Induk 150 kV Srondol untuk baterai SCADATEL 48 V terpasang 2 unit baterai dan 2 unit rectifier atau charger, sedangkan untuk baterai proteksi 110 V terpasang 1 unit baterai dan 1 unit charger. Untuk baterai SCADATEL 48 V ketika dilakukan pemeliharaan tahunan dapat dilakukan secara bergantian, tanpa harus beban kehilangan supply tegangan karena ada fasilitas untuk pemindahan beban.
Charger Batter y 1
Mains input
Load
Battery 2
Gambar 13. Diagram Satu Baris Baterai 48 V UNIT I dan II GI Srondol 150 kV
Charger
Untuk baterai proteksi 110 V ketika dilakukan pemeliharaan tahunan maka diperlukan baterai cadangan yang dipasang paralel dengan baterai existing atau sebagai pengganti sumber tegangan pada beban. Dengan kata lain pada saat baterai existing dari charger dilepas maka beban langsung dipikul oleh baterai cadangan.
Gambar 12. Rangkaian baterai-charger sistem ganda
2. Konfigurasi Baterai-Charger di Gardu Induk 150kV Srondol Pada dasarnya semua sistem DC di Gardu Induk yang berada di bawah naungan P3B JB menggunakan sistem floating, dimana baterai dan beban dirangkai secara paralel. Dalam keadaan normal beban langsung disuplai dari rectifier atau charger, sedangkan ketika rectifier atau charger mengalami gangguan (baik gangguan dari rectifier atau charger itu sendiri maupun gangguan
7
4.2 Saran Setelah melakukan pengamatan dan studi lapangan di Gardu Induk 150 kV Srondol, maka penulis memberikan beberapa saran yang mungkin dapat memberikan manfaat bagi semua pihak yang membaca laporan ini, antara lain: 1. Pengambilan data saat kerja praktek perlu dilakukan untuk lebih memahami Sistem DC secara kesuluruhan di Gardu Induk. 2. Untuk mengetahui kondisi baterai-charger perlu diadakan pemeliharaan secara berkala (baik mingguan, bulanan maupun tahunan). 3. Bagi mahasiswa, sebelum kerja praktek dipersiapkan bahan-bahan kuliah dan pembahasan yang ingin dibuat.
Gambar 14. Diagram baterai 110 V GI 150 kV Srondol ketika pemeliharaan
IV. PENUTUP 4.1 Kesimpulan Kesimpulan yang didapat setelah melaksanakan kerja praktek di Gardu Induk 150kV Srondol adalah : 1. Baterai-charger merupakan peralatan tambahan yang tidak kalah pentingnya untuk suatu sistem pada Gardu Induk. 2. Pada Gardu Induk 150 kV Srondol memiliki 2 macam baterai, yaitu baterai 110 V sebanyak 1 unit dan 48 V sebanyak 2 unit. Untuk baterai 110 V digunakan untuk sumber DC bagi sistem proteksi, sedangkan baterai 48 V digunakan untuk sumber DC bagi sistem SCADATEL Gardu Induk 3. Rectifier atau Charger adalah suatu rangkaian alat listrik untuk mengubah arus listrik bolak- balik (AC) menjadi arus searah (DC). Selain itu juga berfungsi untuk mengisi muatan baterai, memasok daya secara kontinu ke beban dan menjaga baterai agar tetap dalam kondisi penuh. 4. Ada 4 macam sistem, yaitu sistem sederhana, sistem cadangan, sistem floating dan sistem ganda. 5. Sistem baterai-charger pada Gardu Induk 150 kV Srondol menggunakan sistem floating. Dimana ketika dalam keadaan normal, beban dipikul langsung oleh rectifier atau charger. Sedangkan ketika terjadi gangguan, baik dari sumber inputan atau rectifier/charger itu sendiri, maka beban ditanggung oleh baterai
DAFTAR PUSTAKA [1] Buku Petunjuk PT.PLN (PERSERO) Supplay DC System. [2] Buku Diklat Pemeliharaan Sistem DC PT.PLN (PERSERO) [3] http://www.pln.co.id/, diakses pada 12 Oktober 2013 [4] http://www.google.com [5] Tobing, Bonggas L. 2003. Peralatan Tegangan Tinggi, Jakarta : Penerbit PT Gramedia Pustaka Utama.
BIODATA PENULIS Ibnu Salam lahir di Trenggalek, 20 Februari 1992. Menempuh pendidikan dasar di SDN 2 Salamrejo. Melanjutkan ke MTs Negeri Model Trenggalek dan pendidikan tingkat atas di SMA Negeri 1 Trenggalek dan sekarang sedang melanjutkan studi S1 di jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro Semarang, konsentrasi Ketenagaan Listrik.
8
Semarang, Februari 2014 Mengetahui, Dosen Pembimbing
Susatyo Handoko, ST. MT NIP 197305262000121001
9
