BAB II KWH METER UNTUK PENGUKURAN ENERGI LISTRIK
2.1 Teori Dasar Listrik Tidak seperti arus searah dimana besar dan polaritas dari arus/tegangan selalu tetap sepanjang waktu maka pada arus bolak-balik, besar dan polaritas dari arus/tegangan berubah-rubah terhadap waktu mengikuti bentuk fungsi sinusoidal.
Gambar 2.1 Gelombang Sinusioda Arus Bolak Balik 6
7
Dari karakteristik tersebut maka kita kenal
:
1. Tegangan / arus sesaat 2. Tegangan / arus puncak / maksimum 3. Tegangan / arus efektif
Tegangan
Arus
Nilai sesaat
:
e
= V sin wt
I = sin t
Nilai maks
:
V
= V
I =I
Nilai efektif :
Vef = V / √2
Ief = I / √2
Nilai efektif adalah nilai yang terukur pada alat ukur (Volt meter / Amper meter). Misalnya tegangan dirumah : 220 volt atau 380 volt. Daya 1 phasa P = V x I x Cosφ
(Watt) …………………………(2.1)
Dimana, P : Daya yang diserap beban.
(Watt)
V : Tegangan Phasa – Netral
(Volt)
I : Arus
(Ampere)
Daya 3 phasa P = √3 x V x I Cosφ
(Watt) …………………………(2.2)
Dimana, P : Daya yang diserap beban.
(Watt)
8
V : Tegangan Phasa – Phasa
(Volt)
I : Arus per phasa
(Ampere)
Φ : Beda sudut fasa antara tegangan dan arus Cos φ disebut juga faktor daya yang besarnya tergantung dari sifat beban (Resistif, Induktif , Kapasitif atau gabungan Resistif, Induktif , Kapasitif). Pada sistem arus searah hanya mengenal beban resistive ( R ), tetapi pada sistem arus bolak balik beban merupakan “ Impedansi” ( Z ) yang biasa dibentuk dari unsur : R, L, C. Contoh beban : R (hambatan murni)
: Lampu pijar, setrika listrik, heater
L ( hambatan induktif)
: Reaktor
C (hambatan kapasitas)
: Kapasitor
Sifat hambatan L (XL) dengan C (XC) saling bertentangan / meniadakan. R = ρL / A
........................................................................................(2.3)
Dimana :
ρ : Resistivitas L : Panjang kawat A : Luas penampang dalam kawat
R merupakan bagian Rill dari impedansi
9
XL = 2π.f.L, dan XC = 1/2π.f.C ....................................................(2.4) XL dan
XC
merupakan bagian imajiner dari impedansi Z
Hubungan dari tiga beban / hambatan digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.2 Vektor Diagram Beban Listrik Karena beban Z mempunyai/membentuk pergeseran sudut terhadap
V
(sebagai referensi) maka arus beban Ib yang mengalirpun membentuk sudut yang sama searah dengan sudut dari Z sebesar φ. Hal ini berakibat timbulnya 3 macam daya.
10
a. Daya aktif
: P (watt)
b. Daya reaktif
: Q (VAR)
c. Daya semu
: S (VA)
Hubungan dari ketiga macam daya tersebut kita kenal sebagai “segitiga daya”
Beban bersifat induktif
Beban bersifat kapasitif
Gambar 2.3 Segi Tiga Daya
Penjumlahan Vektor P dan Q S = P + jQ maka S = √(P² + Q²) ..............................................(2.4) 2.2 Pengukuran Energi Listrik Untuk Konsumen Secara umum alat ukur energi listrik yang biasa dikenal oleh masyarakat luar adalah kWh meter, akan tetapi selain kWh meter ada pula alat ukur energi listrik seperti kVARH meter dan kVAh meter, tergantung jenis pelanggan dan penggolongan tarif maka perusahaan listrik akan menetapkan alat ukur apa saja yang dipakai untuk mengukur energi listrik pada konsumen-konsumen tersebut.
11
Mengenai pemilihan serta penggunaan kWh meter yang akan dipasang untuk pengukuran energi listrik harus disesuaikan dengan : 1. Daya tersambung 2. Tegangan kerja 3. Sistem pengawatan dari kWh meter tersebut Pada sistem distribusi tenaga listrik berdasarkan suplai tegangan: 1. Pelanggan tegangan tinggi dengan daya tersambung lebih dari 30 MVA 2. Pelanggan tegangan menengah dengan daya tersambung lebih dari 200 KVA sampai dengan 30 MVA 3. Pelanggan tegangan rendah dengan daya tersambung dibawah 200 KVA. 2.3 Prinsip Kerja kWh Meter KWh meter merupakan suatu alat pengukur energi listrik. kWh meter terbagi menjadi kWh Meter Mekanik dan kWh Meter Digital atau sering disebut dengan Meter Elektronik. 2.3.1 kWh Meter Mekanik kWh meter adalah alat pengukur energi listrik yang mengukur secara langsung hasil kali tegangan, arus faktor kerja,kali waktu yang tertentu (UI Cos φ t) yang bekerja padanya selama jangka waktu tertentu tersebut. Hal ini berdasarkan bekerjanya induksi megnetis oleh medan magnit yang dibangkitkan oleh arus melalui kumparan arus terhadap disc (piring putar) kWh meter, dimana induksi megnetis ini berpotongan dengan induksi mgnetis
12
yang dibangkitkan oleh arus melewati kumparan tegangan terhadap disc yang sama. Koppel putar dapat dibangkitkan terhadap disc karena induksi magnetis kedua medan magnit tersebut diatas bergeser fasa sebesar 900 satu terhadap lainnya (azas Ferrari). Hal ini dimungkinkan dengan konstruksi kumparan tegangan dibuat dalam jumlah besar gulungan sehingga dapat dianggap inductance murni.
Gambar 2.4 kWh Meter
Gambar 2.5 Arus – Arus Eddy Suatu Piringan
Keterangan Gambar : M
= Magnit permanent
Cp = inti besi kumparan tegangan
13
Wp = kumparan tegangan yang dapat dianggap sebagai reaktansi murni, karena lilitan cukup besar Cc = Inti besi kumparan arus Wc = kumparan arus Ip
= arus yang mengalir melalui Wp
I
= Arus beban yang mengalir melalui Wc
F
= Kumparan penyesuaian fasa yang diberi tahanan R
RGS
= Register
1L & 2S
= Terminal sumber daya masuk
2L & 1S
= Terminal daya keluar
Gambar 2.6 Konstruksi kWh Mekanik
14
Keterangan gambar : 1. Kumparan Tegangan 2. Kumparan arus 3. Elemen Penggerak/piringan 4. Rem Magnit 5. Register 6. Name Plate 7. Terminal Klemp
Bagian – Bagian kWh Meter terdiri dari : 1.
Badan (Body) terdiri dari : a. Bagian atas b. Bagian bawah
2.
Kumparan arus terdiri dari : Kumparan arus terdiri dari : a. Pada kWh meter 1 phasa kumparan arus 1 set b. Pada kWh meter 3 phasa 3 kawat kumparan arus 2 set c. Pada kWh meter 3 phasa 4 kawat kumparan 3 set Pada kumparan arus dilengkapi dengan kawat tahanan atau lempengan besi yang berfungsi sebagai pengatur Cosinus phi (faktor kerja) Kumparan Tegangan terdiri dari : Pada kWh meter 1 phasa
…………… 1 Set
15
Pada kWh meter 3 phasa 3 kawat ..…………. 2 Set Pada kWh meter 3 phasa 4 kawat ..........……. 3 Set 3.
Piringan Piringan kWh meter ditempatkan dengan dua buah bantalan (atas dan
bawah) yang digunakan agar piringan kWh meter dapat berputar dengan mendapat gesekan sekecil mungin. 4. Rem Magnit Rem magnit adalah terbuat dari magnit permanen, mempunyai satu pasang kutub (Utara dan selatan) yang gunanya untuk : a. Mengatasi akibat adanya gaya berat dari piringan kWh meter b. Menghilangkan / meredam ayunan perputaran piringan serta alat kalibrasi semua batas arus. 5. Roda Gigi dan Alat Pencatat Meter (Register) Sebagai transmisi perputaran piringan, sehingga alat pencatat merasakan adanya perputaran, untuk mencatat jumlah energi yang diukur oleh kWh meter tersebut dan mempunyai satuan, puluhan, ratusan, ribuan dan puluh ribuan. 6. Data kWh Meter Pada papan nama dari meter energi tercantum data sebagai berikut : a. Nama alat / merek pabrik b. Tipe atau jenis meter c. Cara pengawatan : satu fasa, 2 kawat tiga fasa, 3 kawat
16
tiga fasa, 4 kawat d. Tegangan e. Arus f. Frekuensi g. Konstanta meter h. Kelas i. Satuan energi listrik
2.3.2 kWh Meter Digital/Meter Elektronik Meter Elektronik dirancang sebagai meter multi fungsi yang mampu mengukur energi aktif (kWh), energi reaktif (kVARh) baik total maupun masing – masing fasa, dan parameter sesaat seperti tegangan, arus faktor daya, daya aktif, daya reaktif, daya untuk masing – masing fasa. Meter elektronik merupakan sebuah alat ukur besaran listrik yang bekerja berdasarkan prinsip elektronik (pulsa) untuk memantau pasokan energi (kWh) ke pelanggan baik yang secara langsung (instantaneous) atau yang sudah tersimpan dalam memori meter.
17
Gamabar 2.7 Konstruksi Meter Elektronik Meter AMR dilengkapi dengan modem komunikasi DPLC (Digital Power Line Communication) yang terdapat didalam meter dan port komunikasi serial RS-232 untuk keperluan setting meter dan Automatic Meter Reading secara remote melalui media komunikasi PSTN, GSM, CDMA. Meter AMR juga dilengkapi dengan fasilitas pemutusan dan penyambungan, yang berupa power relay didalam unit tersebut. Dengan demikian dimungkinkan untuk memutus dan menyambung beban pelanggan secara
18
remote baik melalui DPLC modem maupuan melalui port komunikasi serial RS-232. Setiap perintah pemutusan dan penyambungan secara otomatis disimpan di event log. Meter AMR dilengkapi dengan kemampuan mendeteksi tampering dan kesalahan dalam pemasangan meter, misalnya mendeteksi jika cover meter terbuka, missing phase atau urutan fatsa terbalik. Pada meter AMR juga terdapat Real Time Clock (RTC) yang digunakan untuk mengontrol tariff dan stamping waktu untuk data load survey dan event log. RTC dilengkapi backup battery yang menjaga RTC selama catu daya hilang (mati), yang mampu bertahan hinggan 2 tahun. Ketidak akurasian RTC adalah sekitar 0,5 menit/bulan. Pada umumnya meter elektronik memiliki empat buah modul: a. Measurement Modul Adapun bagian-bagian yang terdapat pada modul ini adalah: 1. Tegangan
: - Tegangan Phasa R - Tegangan Phasa S - Tegangan Phasa T
2. Arus
: - Arus Phasa R - Arus Phasa S - Arus Phasa T
3. Power Faktor : - Cos Phi - Sin Phi 4. Daya
: - Daya Aktif - Daya Reaktif
19
- Daya Semu b. Communication Modul Meter elektronik menyediakan modul komunikasi untuk memudahkan pembacaan atau konfigurasi setting meter tersebut melalui PC ke meter elektronik. Komunikasi dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu dengan lokal atau remote reading (dial up) jarak jauh seperti contoh sebagai berikut: 1. Local Communication (optical) 2.
Local Communication RS 232 atau RJ 45.
3. Remote Reading (Modem Communication) PSTN, GSM, CDMA, PLC c. Processor Modul Modul ini berfungsi sebagai processor dari meter. Processor Modul disebut juga memory back up merupakan tempat penyimpanan data load profile, stand billing reset, event log, dalam interval waktu-waktu yang telah ditentukan. 1. Load Profile adalah rekaman hasil pengukuran energi yang dapat dihitung oleh meter dalam interval waktu yang ditentukan. 2. Billing Reset adalah energI yang terukur selama selang waktu 1 (satu) bulan yang merupakan nilai untuk penghitungan tagihan kepada pelanggan. 3. Event Log adalah rekaman seluruh kejadian yang dialami oleh meter dengan tidak memperhitungkan interval waktu. Dan kapasitas atau
20
banyaknya data yang bisa diambil sesuai dengan besarnya memori pada meter dan interval waktu yang ditentukan. d. LCD Display Modul Merupakan tampilan parameter – parameter yang ada pada meter sesuai dengan setting LCD meter. Pada display meter elektronik ditampilkan : 1. Nilai dan besaran parameter yang diukur 2. Kode atau register 3. Informasi atau keterangan pelanggan Parameter yang ditampilkan terdiri dari beberapa item yang mana interval waktu tampilan diatur sedemikian rupa. Misalnya 8 detik per item untuk tampilan isi maka secara otomatis berganti ke item berikutnya, dan seterusnya. Kelompok tampilan meter elektronik: a. Parameter pengukuran saat ini (instant) b. Parameter pengukuran yang lalu c. Informasi atau keterangan pelanggan. Parameter – parameter yang dapat ditampilkan meter elektronik adalah sebagai berikut: Nomor serial meter, energi aktif total (kWh) per tarif, energi total reaktif (kVARh) per tarif, energi aktif (kWh) reverse, energi reaktif (kVARh) reverse, energi aktif (kWh) tiap fasa, energi reaktif (kVARh) tiap fasa, tegangan tiap fasa, arus tiap fasa frekuensi, daya aktif tiap fasa, daya reaktif tiaf fasa, KVA max, faktor daya tiap fasa, tanggal dan jam, pesan pendek.
21
Jenis – jenis meter elektronik yang sering dipakai di PLN:
Wasion I Meter 318
Edmi MK10E
Iskra MT830
Actaris SL7000
Landys & GYR ZMD
Gambar 2.8 Meter Elektronik 2.4 Alat – alat Bantu KWH Meter Ada tiga alat bantu yang digunakan dalam pengukuran menggunakan kWh meter, yaitu: a. Current transformator (trafo arus) b. Potensial transformator (trafo tegangan)
22
c. Time switch Tidak semua alat bantu tersebut harus dipasang pada suatu pengukuran kWh meter, hal tersebut tentu tergantung dari kebutuhan untuk pengukuran itu sendiri. Maksud dari penggunaan alat bantu kWh meter adalah untuk menyederhanakan disain pemuatan kWh sehingga: 1. Dengan satu jenis kWh meter yang tertentu dapat digunakan untuk pengukuran dari beberapa macam besarnya daya listrik. 2. Untuk pengukuran tarif ganda maka di desain dengan coil perubahan register menggunakan relay komando dari luar (Time Switch). 3. Supaya kWh meter dapat digunakan untuk pengukuran energi listrik baik pada sistem tegangan rendah maupun pada sistem tegangan menengah juga pada sistem tegangan tinggi. 4. Untuk mempermudah pemasangan dan penempatan kWh meter. Bila alat bantu tersebut tidak bekerja dengan baik maka akan mempengaruhi ketelitian hasil pengukuran energi listrik oleh kWh meter, antara lain: a. Menambah nilai kesalahan pengukuran, karena disamping kWh meter alat bantu pun memiliki kesalahan. b. Kemungkinan terjadinya kesalahan perhitungan akhir dari hasil pengukuran karena kesalahan pendapat dari ratio trafo arus. c. Adanya kesalahan pengawatan dari alat bantu dapat mengakibatkan kesalahan terhadap hasil pengukuran. d. Adanya kerusakan pada alat bantu dapat mengakibatkan gagalnya pengukuran.
23
2.4.1 Trafo Arus Trafo arus adalah suatu alat listrik yang berfungsi untuk mengubah besar arus tertentu (di lilitan primer) ke besaran arus tertentu lainnya (di lilitan sekunder) melalui suatu kopling elektro magnetis. Trafo arus ini banyak digunakan didalam bidang pengukuran – pengukuran listrik untuk memperoleh besaran ukur bagi ampere meter, kWh meter, watt meter dan sebagainya. Karena meter – meter umumnya hanya dapat dilewati besaran ukur (arus) yang kecil sedangkan arus yang mengalir ke jaringan distribusi adalah besar, maka besar arus pada belitan primer trafo arus lebih besar dari pada besar arus di lilitan sekundernya. Jadi trafo arus yang dipergunakan pada meter – meter akan mengubah arus primer yang besar menjadi arus sekunder yang lebih kecil sehingga pengukuran adalah : 1.
Ratio Umumnya arus nominal dari sisi sekunder trafo arus ditentukan sebesar 5 Ampere. Tetapi walaupun demikian untuk keperluan – keperluan khusus ada juga pabrik yang membuat 1 Ampere. Demikian juga untuk kWh meterrating arus biasanya dibuat 5 Ampere, sehingga apabila Ampere meter akan digunakan untuk pengukuran yang beban nominalnya sebesar 250 Ampere, diperlukan trafo arus yang mempunyai ratio 250A/5A = 250/5. Ini berarti bahwa trafo arus tersebut mempunyai nominal arus pada
24
sisi primernya sebesar 250 A dan nominal arus pada sisi sekundernya sebesar 5 A. 2.
Kelas Pemilihan kelas dari trafo arus yang akan dipasang untuk pengukuran kWh meter harus disesuaikan dengan kelas dari kWh meternya yaitu kelas dari trafo arus sama dengan kelas kWh meter atau bisa juga trafo arus lebih kecil dari kelas kWh meter. Hal ini dimaksudkan supaya kesalahan hasil kWh meter tidak banyak dipengaruhi oleh besarnya kelas kesalahan dari trafo arus.
3.
Daya (VA) Daya trafo arus dipasang harus lebih besar dari daya kWh meter.
4.
Polaritas Setiap trafo arus dari pabrik sudah ditetapkan terminal – terminalnya baik sekunder maupun primernya. Perlu diperhatikan supaya dalam penyambungan pengawatan kWh
meter dan terminal – terminal tersebut tidak terjadi kekeliruan yang dapat menyebabkan salahnya polaritas arus yang menuju kWh meter.
2.4.2 Trafo Tegangan Trfo tegangan adalah alat pengubah besaran listrik (tegangan) dari suatu harga ke harga yang lain yang tertentu besarnya. Trafo tegangan merupakan salah satu dari beberapa jenis trafo yang ada, yang berfungsi
25
sebagai alat pembantu dalam pengukuran tegangan. Alat ini biasa digunakan untuk memberi tegangan kepada meter – meter dan peralatan pengaman yang memerlukannya, dan biasa dipasang pada sisi tegangan tinggi dari suatu jaringan listrik (6 kV ke atas). Faktor ketelitian yang harus diperhatikan pada trafo alat pengukuran (termasuk juga trafo tegangan). Hal ini disebabkan karena besaran ukurannya yang lebih diperhatikan dari pada rugi – rugi yang terjadi pada alat tersebut. 2.4.3 Time Switch Fungsi dari time switch sebagai alat bantu untuk pengukuran energi listrik oleh kWh meter tarif ganda adalah sebagai pemberi komando kepada kWh meter, kapan kWh meter harus mengukur pada waktu beban puncak dan kapan harus mengukur diluar waktu beban puncak. Pengukuran kWh waktu beban puncak menurut aturan yang digunakan PLN mulai 18.00 – 22.00 dan diluar waktu tersebut pengukuran kWh diluar beban puncak, karena pada time switch terdapat indikator waktu seperti pada jam, maka prinsip kerja dari time switch sama halnya dengan prinsip kerja jam hanya pada time switch terdapat kontak – kontak yang bekerja dapat diatur sesuai dengan kebutuhan peralatan lain yang memerlukannya.
26
2.5 Kelengkapan Meter Elektronik 2.5.1 Modem Modem digunakan untuk pengantar sarana telekomunikasi dan jaringan pada meter elektronik.
Gambar 2.9 Modem Komunikasi 2.5.2 Antena Antenna digunakan untuk memperkuat sinyal telekomunikasi yang menggunakan modem GSM sebagai sarana telekomunikasinya.
Gambar 2.10 Instalasi Modem Komunikasi
27
2.5.3 Adaptor Adaptor berfungsi sebagai pemasok sumber tegangan dan pengatur arus untuk modem.
Gambar 2.11 Adaptor 2.5.4 MCB (Miniatur Circuit Breaker) MCB berfungsi untuk membatasi arus yang masuk ke adaptor. 2.5.5 Kabel Data Kabel data digunakan untuk menghubungkan meter elektronik dengan modem untuk mentransfer data – data pada meter elektronik.
Gambar 2.12 Kabel Data
28
2.5.6 Optical Probe Alat ini digunakan untuk melakukan pembacaan data – data pada meter elektronik secara manual dan lokal.
Gambar 2.13 Optical Probe 2.5.7 Pengawatan Meter Elektronik kWh 3 phase 26
27
28
29
R
S
T
N
18 1
3 4 18 12
6 7 20 14
20
22
OK tipe 3
24
9 10 11 22 16
24
25
26 13 27 15 28 17 29 11 Terminal Blok 18 19 20 21 22 23 24 25
3
6
9
12
14
16
19
21
23
13
15
34 1 30 4 31 7 32 10 33
17
19
MCB
R 30
21 S 31
23 T 32
25 N 33
Gambar 2.14 AMR (Wiring Pengukuran Langsung)
29
Gambar 2.15 Wiring Pengukuran Tak Langsung
