LAPORAN TUGAS AKHIR
STUDI GANGGUAN HUBUNG SINGKAT FASA TIGA KE TANAH PADA SALURAN KABEL TEGANGAN MENENGAH (SKTM) 20 kV DI GARDU INDUK PLN KEMBANGAN
Diajukan Untuk Mencapai Gelar Strata Satu (S-1) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana
Disusun oleh : Nama
: SAIPUL BAHRI
NIM
: 4140401-020
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA 2009
LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN TUGAS AKHIR STUDI GANGGUAN HUBUNG SINGKAT FASA TIGA KE TANAH PADA SALURAN KABEL TEGANGAN MENENGAH (SKTM) 20 kV DI GARDU INDUK PLN KEMBANGAN
Nama : Saipul Bahri Nim
: 4140401-020
Disetujui dan disahkan oleh :
Koordinator Tugas Akhir
Dosen Pembimbing
Yudhi Gunardi, ST, MT
Dr. Ir. Hamzah Hillal, MSc
Mengetahui, Kaprodi Teknik Elektro
Yudhi Gunardi, ST, MT
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat dan karunia sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini sebagai hasil dari Analisis pada Gardu Induk PLN Kembangan, JakartaBarat. Dalam laporan ini penulis mengambil judul “studi gangguan hubung singkat fasa tiga ke tanah pada saluran kabel tegangan menengah (SKTM) 20 kV di gardu induk PLN Kembangan”, Jakarta-Barat. Adapun dalam laporan tugas akhir ini penulis berusaha untuk menyusun laporan yang berkaitan dengan gangguan hubung singkat fasa tiga ke tanah pada salah satu penyulang pada gardu induk kembangan tepatnya pada penyulang Ji’ih. Tersusunnya laporan tugas akhir ini tidak terlepas dari pihak-pihak yang telah banyak membantu penulis mulai dari penyusunan hingga penyelesaian penulisan laporan ini. Oleh karena, itu penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah memberikan dukungan, baik moral maupun spiritual sehingga laporan ini dapat tersusun dengan baik. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan pada laporan ini, baik dalam penyajian bahasa yang digunakan maupun isinya karena keterbatasan ilmu pengetahuan dan pengalaman. Penulis sangat berharap kritik dan saran yang bersifat membangun dari para pembaca sehingga penulis dapat memperbaiki hal-hal yang dianggap masih kurang dalam penyusunan laporan ini. Penulis ingin Mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu dan memberikan saran, kritik, bimbingan serta motivasi untuk penyelesaian laporan tugas akhir ini, diantaranya adalah: 1. Allah SWT atas Rahmat, Ridho, Taufik dan Hidayah-Nya. 2. Kedua Orangtuaku yang telah banyak memberikan masukan, doa dan semangat serta dukungannya. 3. Bapak Yudhi Gunardi, ST, MT, selaku Ketua Prodi Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana. 4. Bapak Yudhi Gunardi, ST, MT, selaku Koordinator Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana.
i
5. Bapak Dr. Ir. Hamzah Hillal, MSc, selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana. 6. Staff dan karyawan PT. PLN (Persero) yang telah banyak membantu dalam pengambilan data tugas akhir serta memberi saran dan kritik. 7. Bang Fahmi dan Bu Sadriana yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini 8. Ika_Cute wanita yang tak henti-hentinya menyemangati dan memberikan do’a dan dukungannya pada penulis untuk menyelesaikan laporan tugas akhir ini. 9. Om Doli dan Teh Enjun yang selalu menyemangati serta memberikan do’a serta motivasinya kepada penulis dalam proses penyelesaian tugas akhir ini. 10. Nurul, Aris, Ridho, Eki, Rida, Rama adik-adik Ku yang selalu mendoakan penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 11. Teman-teman jurusan Teknik Elektro pada umumnya serta teman-teman di Peminatan Teknik Tenaga Listrik “POWER” khususnya Angkatan 2004 (004,008,009,011,013,022,025,028,dkk) dan Peminatan “ELEKTRONIKA” Angkatan 2004 (014,017,027,dkk) serta Elya.K, S.Ikom. “Thanks For All My Friends” 12. Bang Zainal ’98, Uni Linda ’01, Irvan Rosya ’01, Apendi ’01, Om Roy ’01 serta Alumni Teknik Elektro lainnya. 13. May “Prima Copy” terima kasih atas bantuannya. 14. Semua pihak yang telah banyak membantu dalam proses penyelesaian tugas akhir ini.
Jakarta, Oktober 2009
Penulis
ii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN KATA PENGANTAR ........................................................................................... i DAFTAR ISI.......................................................................................................... iii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. v DAFTAR TABEL ................................................................................................. vi ABSTRAK ............................................................................................................. vii BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang Masalah ...................................................................... 1 1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................ 2 1.3 Ruang Lingkup Masalah ..................................................................... 2 1.4 Metode Penelitian................................................................................ 2 1.5 Sistematika Penulisan.......................................................................... 3 BAB II GANGGUAN HUBUNG SINGKAT .................................................... 4 2.1 Definisi Gangguan .............................................................................. 4 2.2 Terjadinya Gangguan Hubung Singkat ............................................... 5 2.3 Macam-macam Gangguan Hubung Singkat ....................................... 6 2.4 Operator a ............................................................................................ 7 2.5 Metode Komponen Simetris ............................................................... 9 BAB III GANGGUAN PADA SISTEM INTERKONEKSI ............................ 14 3.1 Besar Gangguan Hubung Singkat ....................................................... 14 3.2 Impedansi Urutan ................................................................................ 15 3.3 Gangguan Hubung Singkat ................................................................. 23 iii
BAB IV PERHITUNGAN GANGGUAN HUBUNG SINGKAT .................... 28 4.1 Studi Kasus ............................................................................. .......... 28 4.2 Tegangan Pada Titik Gangguan .......................................................... 31 4.3 Tegangan Akibat Gangguan Fasa Tiga Pada Gardu BC.60 ................ 35 4.4 Arus Gangguan Hubung Singkat Dengan Simulasi Program ETAP .. 37 BAB V PENUTUP............................................................................................... 38 5.1 Kesimpulan ......................................................................................... 38 5.2 Saran .................................................................................................... 39 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
iv
DAFTAR GAMBAR
1. Diagaram fasor dari fungsi-fungsi operator a ................................................... 9 2. Tiga himpunan fasor seimbang yang merupakan komponen simetris dari tiga fasor tak seimbang ............................................................................................ 11 3. Penjumlahan secara grafis komponen-komponen untuk mendapatkan tiga fasor tak seimbang ..................................................................................................... 11 4. Impedansi beban tak seimbang ......................................................................... 15 5. Konfigurasi penghantar fasa tiga menurut Carson ............................................ 18 6. Jaringan urutan nol fasa tiga dari transformator dua lilitan .............................. 22 7. Jaringan urutan nol untuk hubungan wye dan delta beban fasa tiga................. 23 8. Gangguan Fasa Tiga ......................................................................................... 25 9. Gangguan fasa tunggal ke tanah ....................................................................... 27 10. Single line diagram Penyulang Ji’ih pada Gardu Induk PLN Kembangan....... 30 11. Gangguan Fasa Tunggal ke tanah dan rangkaian ekivalen gangguan .............. 32 12. Gangguan Fasa Tiga ke tanah dan rangkaian ekivalen gangguan .................... 35
v
DAFTAR TABEL 1. Fungsi – fungsi operator a................................................................................. 8
vi
ABSTRAK PT. PLN (Persero) merupakan perusahaan listrik yang sangat penting peranannya dalam suatu penyaluran energi listrik ke setiap konsumen-konsumennya, dimana dalam penyaluran energi listrik ke konsumen tersebut banyak terjadi gangguan dalam penyaluran, diantaranya adalah gangguan hubung singkat pada jalur 20 kV. Gangguan hubung singkat dapat terjadi pada setiap jaringan tegangan tinggi, tegangan menengah maupun tegangan rendah. Gangguan hubung singkat pada jalur 20 kV tidak dapat diprediksi kapan akan terjadi gangguan hubung singkat tersebut. Oleh karena itu, kontribusi PT. PLN (Persero) dalam mengatasi gangguan hubung singkat pada jalur 20 kV tersebut adalah dengan cara mengetahui gangguan tersebut secepat mungkin dan besar gangguan tersebut dapat diminimalisir. Sehingga, terjadinya pemadaman pada penyaluran energi listrik ke konsumen dapat dihindari sedini mungkin. Mengingat adanya gangguan yang terjadi pada jaringan PT. PLN (Persero) tersebut, maka penulis ingin menyampaikan masalah tersebut dengan batasan masalah yakni studi gangguan hubung singkat fasa tiga ke tanah pada saluran kabel tegangan menengah (SKTM) 20 kV di gardu induk PLN Kembangan, Jakarta-Barat dengan menggunakan penyulang Ji’ih. Perhitungan gangguan akan dilakukan dengan menggunakan perhitungan manual dan juga perhitungan dengan menggunakan program ETAP dikembangkan yang hasilnya sama dengan perhitungan manual.
vii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG MASALAH PT. PLN (Persero) sebagai suatu perusahaan yang mempunyai peranan penting dalam pengelolaan sumber energi listrik di Indonesia. Dimana PT. PLN (Persero) berusaha untuk mempertahankan agar penyaluran energi listrik ke konsumen atau masyarakat dapat terpenuhi tanpa adanya masalah gangguan apapun. Maka saat ini PT. PLN (Persero) berusaha menjaga mutu energi listrik yang akan digunakan oleh konsumen atau masyarakat agar dapat dihindari dari segala gangguan yang dapat menyebabkan penyaluran energi listrik ke konsumen tidak dapat terpenuhi. Gangguan yang sering terjadi dalam penyaluran energi listrik ke konsumen yakni pada sistem jaringan distribusi atau jaringan transmisi, dimana energi listrik yang akan disalurkan tersebut sering kali terjadi gangguan hubung singkat sehingga dapat terjadi pemadaman sementara dan bisa terjadi pemadaman total untuk perbaikan masalah gangguan tersebut. Hal ini dapat dimengerti, karena pentingnya distribusi tenaga listrik yaitu menyatukan energi listrik dari pusat-pusat pembangkit ke konsumen, maka diusahakan agar kerusakan akibat gangguan dapat dihindari sebaik mungkin. Untuk tujuan tersebut maka perlu dilakukan perhitungan arus hubung singkat pada jaringan distribusi, diantaranya : a. Menentukan kapasitas alat pemutus daya. Pada setiap gardu distribusi dihubung singkat lalu dihitung arus hubung singkatnya. Hal tersebut dilakukan agar alat pemutus daya yang digunakan jaringan tidak terlalu berlebihan kapasitasnya. b. Menentukan aliran hubung singkat pada saluran-saluran, sehingga rele-rele pengamanan atau koordinasi rele-rele dapat diatur. Adapun tujuan koordinasi rele adalah agar rele dapat mendeteksi gangguan bila ada gangguan hubung singkat dan mempunyai sifat selektivitas yakni rele hanya bekerja pada daerah gangguan saja.
1
Besar arus hubung singkat tergantung pada jenis dan sifat gangguan hubung singkat tersebut, kapasitas dari sumber tenaga konfigurasi sistem, metoda hubungan netral dari trafo peralatan-peralatan utama yang digunakan pada unit distribusi. Gangguan hubung singkat tidak hanya dapat merusak peralatan atau bagian-bagian dari jaringan, tetapi juga dapat menyebabkan jatuhnya tegangan dan frekuensi sistem energi listrik sehingga kerja paralel dari unit-unit distribusi menjadi terganggu juga.
1.2 TUJUAN PENELITIAN Mengevaluasi dan menganalisa gangguan hubung singkat fasa tiga ke tanah pada saluran kabel tegangan menengah (SKTM) 20 kV di Gardu Induk PLN Kembangan, Jakarta Barat.
1.3 RUANG LINGKUP MASALAH Dalam laporan tugas akhir ini yang menjadi pokok perhatian adalah analisa perhitungan gangguan hubung singkat akibat gangguan fasa tunggal ke tanah (SLG Fault) pada gardu BC.60 dan akibat gangguan fasa tiga pada gardu BC.60 di Gardu Induk Kembangan PLN, Jakarta Barat.
1.4 METODE PENELITIAN Metodologi selama pelaksanaan dan penulisan tugas akhir yakni sebagai berikut : a. Studi literature, yaitu dengan membaca buku-buku referensi untuk panduan penyelesaian tugas akhir ini. b. Diskusi dengan pimpinan dan petugas yang berwenang pada saat pengambilan data untuk penyelesaian tugas akhir. c. Membuat formulasi yang akan digunakan untuk analisis. d. Observasi langsung ke lapangan bersama pimpinan dan petugas yang berwenang. e. Pengukuran data-data yang digunakan pada penelitian. f. Menganalisa data-data yang telah didapat pada saat pengambilan data.
2
1.5 SISTEMATIKA PENULISAN Sistematika penulisan tugas akhir ini terbagi dalam lima bab. Bab satu memuat tentang latar belakang penulisan, tujuan penelitian tugas akhir, ruang lingkup permasalahan dalam penulisan tugas akhir, metode penelitian yang digunakan dalam pelaksanaan dan penulisan tugas akhir, serta sistematika penulisan tugas akhir. Bab dua membahas tentang definisi gangguan, terjadinya gangguan hubung singkat, macam-macam gangguan hubung singkat yang terdiri dari gangguan temporer, gangguan permanen, gangguan yang perlu diperhitungkan yang terdiri dari hubung singkat fasa tunggal ke tanah, dan hubung singkat fasa tiga, metode komponen simetris. Bab tiga berisi tentang besar gangguan hubung singkat, impedansi urutan, impedansi urutan beban sambungan Y, impedansi urutan transmisi, impedansi urutan mesin sinkron, impedansi urutan dari transformator, jaringan urutan nol, perhitungan arus hubung singkat fasa tiga dan perhitungan arus hubung singkat fasa tunggal yang terdiri dari gangguan fasa tunggal ke tanah (single line to ground fault). Sedangkan pada bab empat berisi tentang analisa perhitungan gangguan hubung singkat akibat gangguan fasa tunggal ke tanah (single line to ground fault) pada gardu BC.60 dan akibat gangguan fasa tiga pada gardu BC.60 di Gardu Induk Kembangan, Jakarta Barat. Kesimpulan dan saran yang diperoleh dari hasil analisa dijelaskan pada bab lima.
3
BAB II GANGGUAN HUBUNG SINGKAT 2.1 DEFINISI GANGGUAN Pengertian gangguan dalam operasi sistem tenaga listrik adalah kejadian yang menyebabkan bekerjanya relay dan menjatuhkan Pemutus Tenaga (PMT) diluar kehendak operator, sehingga menyebabkan putusnya aliran daya yang melalui PMT. Untuk bagian system yang tidak dilengkapi PMT, misalnya yang diamankan dengan sekering, maka gangguan adalah kejadian yang menyebabkan putusnya (bekerjanya) sekering. Ada juga gangguan yang tidak atau belum dilihat oleh relay tapi dilihat operator yang kemudian menjatuhkan PMT. Gangguan-gangguan pada sistem dapat terjadi disebabkan oleh 3 hal yaitu: a. Gangguan karena kesalahan manusia misalnya kelalaian pada saat mengubah jaringan sistem, lupa membuka pembumian setelah perbaikan, kurang pemeliharaan, dan sebagainya. b. Gangguan dari dalam misalnya gangguan-gangguan yang berasal dari sistem atau gangguan dari peralatan itu sendiri misalnya faktor usia alat yang sudah tua, arus lebih, tegangan lebih, dan lain-lain sehingga merusak isolasi peralatan. c. Gangguan dari luar yaitu gangguan yang berasal dari alam diantaranya cuaca, gempa bumi, petir dan banjir, pohon atau ranting, gangguan karena binatang diantaranya gigitan tikus pada kabel, kelelawar, burung, ular dan sebagainya. Gangguan-gangguan pada sistem tenaga listrik dapat merusak atau mempengaruhi sistem daya, antara lain: a. Jenis gangguan yang tidak normal dari batas yang diinginkan akan menyebabkan rusaknya alat yang dipergunakan. b. Gangguan dapat menghilangkan atau menaikan sistem tegangan di luar batas yang ditentukan. c. Gangguan dapat mengakibatkan sistem daya fasa tiga menjadi tidak simetris atau tidak seimbang, hal ini mengkibatkan peralatan fasa tiga tidak layak untuk dioperasikan.
4
d. Gangguan dapat mengakibatkan sistem tidak stabil dan menghentikan aliran daya sistem tenaga listrik.
2.2 TERJADINYA GANGGUAN HUBUNG SINGKAT Gangguan hubung singkat adalah suatu hubungan yang terjadi karena adanya kesalahan antara bagian-bagian yang bertegangan kerja. Tujuan dari analisa hubung singkat adalah untuk menentukan arus dan tegangan maksimum dan minimum pada bagian-bagian atau titik-titik tertentu dari suatu sistem tenaga listrik untuk jenis gangguan yang terjadi, sehingga dapat ditentukan pola pengaman, relay dan pemutus tenaga (CB) untuk mengamankan sistem dari keadaan tidak normal dalam waktu seminimal mungkin. Penyebab terjadinya hubung singkat dapat disebabkan oleh beberapa hal, yaitu : a. Adanya isolasi komponen jaringan yang tembus/rusak karena tidak tahan terhadap tegangan lebih, baik yang disebabkan oleh tegangan lebih dari dalam sebagai akibat dari manipulasi/switching atau tegangan lebih dari luar seperti petir, maupun karena isolasi peralatan tersebut sudah tua atau usang. b. Adanya pengaruh mekanis yang menyebabkan hantaran putus dan mengenai fasa yang lainnya seperti akibat angin atau pada kabel tanah biasanya dapat diakibatkan oleh kendaraan berat penggali tanah dan sebab yang lainnya. c. Disebabkan oleh gangguan binatang seperti tikus, ular, kucing dan lain-lain. Menurut tempat terjadinya, hubung singkat dapat dibedakan menjadi: a. Hubung singkat yang terjadi pada sistem pembangkitan.Yang dimaksud adalah hubung singkat yang terjadi pada jepitan generator (dinamakan pula hubung singkat jepitan) dan umumnya sangat berbahaya. b. Hubung singkat yang terjadi cukup dekat dari sistem pembangkitan. Yang dimaksud disini adalah hubung singkat yang mungkin terjadi pada rel dibelakang transformator.
5
c. Hubung singkat yang terjadi jauh dari sistem pembangkitan. Yang dimaksud disini adalah hubung singkat yang mungkin terjadi pada jaringan listrik yang jauh dari sistem pembangkit atau pada bagian distribusi yang dekat dengan beban.
2.3 MACAM-MACAM GANGGUAN HUBUNG SINGKAT 2.3.1 Ditinjau Dari Sifat Gangguan Bila ditinjau dari sifatnya, maka gangguan dapat terbagi atas : a. Gangguan temporer. Gangguan ini bersifat sementara atau temporer ditandai dengan normalnya kerja Pemutus Tenaga (PMT) setelah dimasukan kembali. Gangguan ini baru dapat di atasi setelah PMT trip karena gangguan akan hilang dengan sendirinya. Gangguan ini apabila terjadi berkali-kali dapat menyebabkan timbulnya kerusakan peralatan dan akhirnya menimbulkan gangguan yang permanen sebagai akibat timbulnya kerusakan pada peralatan tersebut. b. Gangguan permanen. Yang bersifat permanen ditandai dengan bekerjanya kembali PMT untuk memutuskan aliran energi listrik atau pada prakteknya disebut PMT trip kembali. Gangguan permanen baru dapat diatasi setelah sebab gangguannya dihilangkan. Gangguan ini bisa disebabkan karena adanya kerusakan pada peralatan sehingga gangguan ini baru dapat dihilangkan setelah kerusakan diperbaiki atau karena ada sesuatu yang mengganggu secara permanen. Sedangkan pada gangguan temporer sebab gangguan hilang dengan sendirinya setelah PMT trip.
2.3.2 Arus Gangguan Yang Perlu Diperhitungkan. Jenis-jenis arus gangguan yang perlu lebih diperhitungkan adalah jenis-jenis gangguan yang lebih sering terjadi dalam sistem tenaga listrik, antara lain adalah: a. Hubung singkat fasa tunggal ke tanah. Gangguan hubung singkat fasa tunggal ke tanah (single line to ground fault) merupakan jenis gangguan yang lebih sering terjadi pada sistem tenaga listrik dan terkadang bernilai sangat besar sehingga sangat perlu untuk diperhitungkan.
6
b. Hubung singkat fasa tiga. Gangguan hubung singkat fasa tiga merupakan jenis gangguan yang mempunyai nilai gangguan paling besar pada sistem tenaga listrik sehingga juga perlu untuk diperhitungkan. Jenis-jenis gangguan yang mungkin terjadi pada sistem tenaga listrik fasa tiga adalah sebagai berikut : a. Fasa dua ke tanah b. Antar dua fasa
2.4
OPERATOR a
Dikarenakan aplikasi dari teori komponen-komponen simetris untuk sistem fasa tiga itu memerlukan sebuah unit fasor atau operator, yang akan memutar fasor lainnya sebesar 120º searah dengan jarum jam (akan menambah 120º untuk sudut fasa dari fasor) tetapi jika meninggalkan besarannya tidak berubah ketika digabungkan dengan fasor (lihat gambar 2.1). Nilai yang kompleks dari besaran unit dengan sudut 120º digambarkan sebagai berikut: a = 1 120° = 1ej
2π/3
=1 cos 120° +j sin 120°
= -0.5 + j0.866 dimana, j = √-1 Jika operator a disimpulkan sebagai berikut: a =1 120° sehingga:
a2
= a × a = 1 120°
1 120° = 1 240° = 1 -120°
a3
= a2 × a = 1 240°
1 120° = 1 360° = 1 0°
a4
= a3 × a = 1 0°
1 120° = 1 120° = a
a5
= a3 × a2 = 1 0°
1 240° = 1 240° = a2
7
a6
= a3 × a3 = 1 0°
1 0°
= 1 0°
= a3
an+3 = a3 × an = an Tabel 1.1 Fungsi-fungsi operator a BENTUK
FUNGSI-FUNGSI
BENTUK POLAR
A
1 120º
-0,5 + j0,866
a2
1 240º = 1 -120º
-0,5 - j0,866
a3
1 360º = 1 0º
1,0 + j0,0
a4
1 120º
-0,5 + j0,866
1 + a = -a2
1 60º
0,5 + j0,866
1–a
√3 -30º
1,5 - j0,866
1 + a2 = -a
1 -60º
0,5 + j0,866
1 – a2
√3 30º
1,5 + j0,866
a–1
√3 150º
-1,5 + j0,866
a + a2
1 180º
-1,0 + j0,0
a - a2
√3 90º
0,0 + j1,732
a2 – a
√3 -90º
0,0 – j1,732
a2 – 1
√3 -150º
-1,5 – j0,866
1 + a + a2
0 0º
0,0 + j0,0
RECTANGULAR
Gambar 2.1 memperlihatkan gambar fasor dari fungsi-fungsi operator a.
8
Variasi kombinasi operator a diberikan di dalam table 1.1 1 + a + a2 = 0
(2.1) a - a2
-a2
a
a-1
-a3, -1
a2 - 1
1 - a2
a3, 1
-a
a2
1-a
a2 - a
Gambar 2.1 Diagaram fasor dari fungsi-fungsi operator a
2.5 METODE KOMPONEN SIMETRIS Pada tahun 1918 salah satu cara yang paling ampuh untuk menangani rangkaian fasa majemuk (poly phase = berfasa banyak) tak seimbang telah dibahas C.L Fortescue dihadapan suatu sidang American Institute of Electrical Enginering. Sejak saat itu, metode komponen simetris menjadi sangat penting dan merupakan pokok perubahan berbagai artikel dan penyelidikan uji coba gangguan tak simetris pada system transmisi, yang dapat terjadi karena hubung singkat, impedansi antar saluran, impedansi dari sutu atau dua saluran ke tanah, atau penghantar yang terbuka, dipelajari dengan metode komponen simetris ini. Persoalan sistem tenaga listrik fasa tiga yang seimbang dapat diselesaikan dengan mengubah semua sistem fasa tunggal. Dua fasa lainnya sama dengan fasa pertama dengan pergeseran sudut fasa ± 120º. Metode komponen simetris mencoba menyelesaikan sistem fasa tiga tidak seimbang menjadi sistem fasa tunggal dengan bantuan fasor tak seimbang oleh Fortescue. Fasor fasa tiga tidak seimbang diuraikan
9
menjadi 2 pasang fasor fasa seimbang yang masing-masing disebut komponen urutan positif, dan komponen urutan negatif, dan satu pasang fasor fasa tunggal yang disebut komponen urutan nol. Karya Fortescue membuktikan bahwa suatu sistem tak seimbang yang terdiri dari n fasor yang berhubungan dapat diuraikan menjadi n buah sistem dengan fasor yang dinamakan komponen-komponen simetris (symmetrical components) dari fasor aslinya. n buah fasor pada setiap himpunan komponennya adalah sama panjang, dan sudut diantara fasor yang bersebelahan dalam himpunan itu sama besarnya. Menurut teorema Fortescue, tiga fasor tak seimbang dari sistem fasa tiga dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang. Himpunan seimbang komponen itu adalah: a. Komponen urutan positif, yang terdiri atas tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 120º, dan mempunyai urutan fasa yang sama seperti fasor aslinya. b. Komponen urutan negatif, yang terdiri atas tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 120º, dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya, dan c. Komponen urutan nol, yang terdiri atas tiga fasor yang sama besarnya, dan dengan pergeseran fasa nol antara fasor yang satu dengan yang lain. Pada umumnya, ketika memecahkan permasalahan dengan menggunakan komponen simetris bahwa ke tiga fasa dari sistem dinyatakan sebagai a,b dan c dengan cara yang demikian, sehingga urutan fasa tegangan dan arus dalam sistem adalah a b c, sedangkan urutan fasa dari komponen urutan negatif adalah a c b. Jika fasor aslinya adalah tegangan, maka tegangan tersebut dapat dinyatakan dengan subskrip tambahan ‘1’ untuk komponen urutan positif, ‘2’ untuk komponen urutan negative, dan ‘0’ untuk urutan nol. Komponen urutan positif dari Va, Vb, Vc adalah Va1, Vb1, Vc1. Demikian pula urutan nol adalah Va0, Vb0, Vc0. Gambar 2.2 menunjukan 3 himpunan komponen simetris semacam itu. Fasor arus akan dinyatakan dengan I dengan subskrip seperti untuk tegangan. Karena setiap fasor tak seimbang, yang asli adalah jumlah komponen fasor asli yang dinyatakan dalam suku-suku komponennya. Va Va1 Va2 Va0 2.2
10
Vb Vb1 Vb2 Vb0 2.3 Vc Vc1 Vc2 Vc0 2.4 Sintesis himpunan tiga fasor tak seimbang dari ke tiga himpunan komponen simetris pada gambar 2.2 diperlihatkan pada gambar 2.3.
Gambar 2.2. Tiga himpunan fasor seimbang yang merupakan komponen simetris dari tiga fasor tak seimbang.
Va
Va0 Va2
Vc1
Va1
Vc Vc0 Vc2 Vb Vb0 Vb1
Vb2
Gambar 2.3. Penjumlahan secara grafis komponen-komponen untuk mendapatkan tiga fasor tak seimbang.
11
Pada gambar 2.3 merupakan sintesa tiga fasor tak simetris dari tiga himpunan fasor simetris. Sintesa itu telah dilakukan sesuai dengan persamaan (2.1) sampai dengan (2.4). Vb1 = a2 Va1
Vc1 = a Va1
Vb2 = a Va2
Vc2 = a2 Va2
Vb0 = Va0
Vc0 = Va0
(2.5)
Dengan mensubsitusi persamaan diatas ke dalam persamaan (2.3) dan (2.4), tegangan pada masing-masing fasanya adalah: Va
= Va0 + Va1 + Va2
(2.6)
Vb
= Va0 + a2 Va1 + a Va2
(2.7)
Vc
= Va0 + a Va1 + a2 Va2
(2.8)
Atau dalam bentuk matriks dapat ditulis: Va 1 1 Vb = 1 a2 Vc 1 a
1 a a2
Va0 Va1 Va2
(2.9)
Untuk memudahkan dapat dimisalkan: 1 1 1 a2 1 a
1 a a2
(2.10)
1 1 1 = 1 a 3 1 a2
1 a2 2.11 a
A = maka, A
-1
Dengan memperkalikan kedua sisi persamaan (2.9) dengan A-1 diperoleh: Va0 1 1 Va1 = 1 3 Va2 1
1 a a2
1 a2 a
Va Vb 2.12 Vc
Ini menunjukan bagaimana menguraikan tiga fasor tak simetris menjadi komponen simetrisnya. Hubungan ini demikian pentingnya sehingga dapat dituliskan dalam bentuk yang sederhana.
12
Dari persamaan (2.7), diperoleh: 1 Va0 Va Vb Vc 2.13 3 1 Va1 Va a Vb a2 Vc 2.14 3 1 Va2 Va a2 Vb a Vc 2.15 3
13
BAB III GANGGUAN PADA SISTEM INTERKONEKSI 3.1 BESAR GANGGUAN HUBUNG SINGKAT Besar gangguan hubung singkat atau gangguan hubung singkat MVA pada rel K ditentukan dari besarnya tegangan rel dan arus gangguan. Gangguan hubung singkat MVA digunakan untuk menentukan besarnya ukuran pada rel dan batas untuk trip oleh circuit breaker. Berdasarkan pada definisi di atas, besarnya gangguan hubung singkat atau gangguan hubung singkat MVA pada rel K adalah: SCC √3 VLK IK F x 10‐3 MVA 3.1 Dimana tegangan antar fasa VLK ditulis dalam satuan kilo volt dan IK(F) ditulis dalam satuan ampere. Arus gangguan fasa tiga secara simetris dalam satuan per unit adalah: IK F Dimana VK
(0)
VK 0 3.2 XKK
adalah besarnya tegangan pada rel sebelum gangguan dalam
per unit dan XKK adalah besarnya reaktansi sampai titik gangguan dalam per unit. Untuk menentukan arus dasar adalah: IB
SB 103 √3 VB
3.3
Dimana SB adalah daya dasar dalam MVA dan VB adalah tegangan antar fasa dasar dalam kilo volt. Maka arus gangguan dalam ampere adalah: IK F = IK F pu × IB
VK 0 SB × 103 XKK √3 VB
3.4
Subsitusi untuk IK (F) dari persamaan (3.4) ke (3.1) adalah: SCC
VK 0 SB VL 3.5 XKK VB
14
Jika tegangan dasar besarnya sama dengan tegangan fasa VB = VL, maka: SCC
VK 0 SB 3.6 XKK
Besarnya tegangan pada rel sebelum gangguan diasumsikan sebesar 1.0 pu. Oleh karena itu, dari hasil persamaan (3.6) maka besarnya gangguan hubung singkat atau gangguan hubung singkat MVA adalah: SCC
SB MVA 3.7 XKK
3.2 IMPEDANSI URUTAN Impedansi urutan adalah impedansi peralatan listrik terhadap arus urutan positif, negatif dan nol ( Z1, Z2, Z0 ). Peralatan utama terdiri atas transmisi, trafo, mesin, dan beban listrik.
3.2.1 Impedansi Urutan Beban Sambungan Y Beban fasa tiga seimbang dengan titik netral yang dibumikan dapat dilihat seperti pada gambar 3.1: Ia a
Ia
Zs
+ Zm Ib
b
Zs
Ib
Zn
+ Va
Zm Ic
c n
Zm
In Ic
Zs
+ Vb Vc -
-
-
Gambar 3.1. Impedansi beban tak seimbang.
15
dimana, Tegangan fasa-netral Va = Zs Ia + Zm Ib + Zm Ic + Zn In V b = Z m I a + Zs I b + Zm I c + Zn I n
(3.8)
Vc = Zm Ia + Zm Ib + Zs Ic + Zn In Dari hukum arus Kirchoff’s, didapat: In Ia Ib Ic 3.9 Dengan mengsubsitusikan persamaan (3.9) ke persamaan (3.8), maka dalam bentuk matriks didapat: Ia Ib 3.10 Ic
Va Vb = Vc
Sehingga dapat dituliskan dalam bentuk matriks: Vabc Zabc Iabc 3.11 dimana, Zs Zn Zabc Zm Zn Zm Zn
Zm Zn Zs Zn Zm Zn
Zm Zn Zm Zn 3.12 Zs Zn
Dengan mengubah bentuk Vabc dan Iabc ke bentuk komponen simetris, maka: A Va012 Zabc AIa012 Kemudian dengan mengalikan persamaan (3.13) dengan A-1, maka: Va012 A‐1 Zabc Ia012 Z012 Ia012 dimana, Z012 A‐1 Zabc A Melalui substitusi Zabc, A, dan A-1, maka: 1 1 Z012 1 3 1
1 a a2
1 a2 a
Zs Zn Zm Zn Zm Zn
Zm Zn Zs Zn Zm Zn
16
Zm Zn Zm Zn Zs Zn
1 1 1 a2 1 a
1 a 3.13 a2
Setelah melakukan perkalian matriks ini akan diperoleh: Z012
Zs 3Zn 0 0
0 Zs ‐Zm 0
0 0 3.14 Zs ‐Zm
Bila Zm = 0 maka: Z012
Zs 3Zn 0 0
0 Zs 0
0 0 3.15 Zs
Matriks impedansi urutan adalah matriks diagonal, sehingga untuk beban seimbang atau simetris semua besaran urutan bebas satu sama lain yang berarti setiap arus fasa menimbulkan tegangan dropnya sendiri-sendiri pada fasa yang bersangkutan. Dengan demikian analisis fasa tiga dapat dilakukan dengan menggunakan komponen fasa tunggal saja. Peralatan sistem tenaga yaitu transmisi, transformer dan mesin dengan beban harus dianalisis untuk mengetahui impedansi yang akan dialiri arus urutan positif, urutan negatif dan urutan nol.
3.2.2 Impedansi Urutan Transmisi Transmisi adalah rangkaian pasif sehingga urutan fasa tidak mempengaruhi impedansi, karena tegangan dan arus mengalami geometri penghantar yang sama, terlepas dari urutan sehingga impedansi urutan positif dianggap sama dengan impedansi urutan negatif atau Z1 = Z2. Pengaruh tanah dan shielding diabaikan dalam pehitungan parameter jaringan. Arus urutan nol fasa tunggal mengalir melalui fasa a, b dan c yang mengalir melalui kawat netral yang ditanahkan. Tanah atau sebarang kawat shielding efektif sebagai jalanya arus balik arus urutan nol. Jadi impedansi urutan nol Z0 adalah dipengaruhi oleh lintasan balik melalui tanah. Hal ini berlainan dengan impedansi urutan positif dan negatif atau Z1 dan Z2. Misalnya konfigurasi penghantar fasa tiga menurut Carson sebagaimana ditunjukkan pada gambar 3.2 berikut:
17
D
D
Dn
D
Tanah
Gambar 3.2. Konfigurasi penghantar fasa tiga menurut Carson Kawat fasa dialiri oleh arus urutan nol Ia0, Ib0, dan Ic0 dan kembali melalui tanah yang jaraknya Dn sama dari setiap konduktor. Penghantar netral dialiri oleh arus yang berlawanan arah dengan arus fasa dan dengan demikian, Ia0 Ib0 Ic0 In 0 3.16 Karena Ia0 = Ib0 = Ic0, maka: In ‐3 Ia0 3.17 Menurut rumus, fluks melingkar suatu konduktor dalam satu kelompok penghantar adalah: λi 2x10
‐7
n
1 Ii ln r'i
Ij ln j 1
1 untuk j 1 3.18 Dij
1
dimana r'i r1 e‐4 3.19 Fluks melingkar total fasa a adalah: λa0 2x10‐7 Ia0 ln
1 1 1 1 Ib0 ln Ic0 In 3.20 r' D D Dn
Subsitusi Ib0, Ic0, In dalam fungsi Ia0 akan diperoleh: λa0 2x10‐7 Ia0 ln λa0 2x10‐7 Ia0 ln
1 1 ln r' D
1 1 ‐3In 3.21 D Dn
D3n Wb/m 3.22 r'D2
18
Karena L0 = λa0 / Ia0 adalah induktansi urutan nol per fasa dalam mH/km, maka: L0 0.2 ln
D3n DD3n 0.2 ln 3.23 r'D2 r'D3
atau L0 0.2 ln
D Dn 3 0.2 ln mH/km 3.24 r' D
Suku pertama dari persamaan ini adalah induktansi urutan positif, sehingga reaktansi urutan nol dapat dinyatakan sebagai : X0 X1 3X n 3.25 dimana: X n 2πf 0.2 ln
Dn mΩ/km 3.26 D
Impedansi urutan nol transmisi lebih besar dari pada tiga kali impedansi urutan positif atau impedansi urutan negatifnya.
3.2.3 Impedansi Urutan Mesin Sinkron Induktansi mesin serempak tergantung pada urutan fasa terhadap arah putaran rotor. Impedansi urutan positif generator muncul dari arus urutan positif yang ditimbulkan oleh tegangan urutan positif. Impedansi urutan positif terdiri atas berbagai besaran yaitu Xd’’, Xd’, dan Xd yang digunakan pada studi gangguan fasa tiga seimbang. Kalau arus urutan negatif ada dalam stator, maka fluks bersih pada celah udara berputar melawan arah putaran rotor sehingga fluks bersih ini berputar dua kali putaran sinkron terhadap rotor. Karena tegangan medan penguat behubungan dengan variabel urutan positif, maka gulungan medan penguat tak mempengaruhi urutan negatif, sehingga hanya gulungan peredam yang berpengaruh pada sumbu tegak (quadratice axis). Tidak ada perbedaan reaktansi subtransien dengan reaktansi transien pada sumbu tegak lurus dan sumbu langsung (direct axis). Reaktansi urutan negatif sama dengan reaktansi subtransien urutan positif.
19
X2 X d" 3.27 Impedansi urutan nol adalah impedansi yang mempunyai arus urutan nol yang sama besar dan fasa yang sama. Bila mmf ruangan adalah sinusoidal maka resultante fluks celah udara adalah nol sehingga tak ada reaktansi yang dibangkitkan oleh reaksi jangkar (armature reaction). Mesin mempunyai rekasi urutan nol yang sangat kecil mendekati reaktansi bocor. X0 X1 3.28
3.2.4 Impedansi Urutan Dari Transformator Transformator tenaga mempunyai rugi-rugi inti dan arus magnetisasi sekitar 1% dari nilai nominal sehingga cabang magnetisasi boleh diabaikan. Trafo diibaratkan rangkaian seri yang besarnya ekivalen dengan impedansi kebocoran. Karena trafo adalah peralatan statik maka kebocoran impedansi tidak berubah bila urutan fasa berubah, sehingga impedansi urutan positif sama dengan impedansi urutan negatif dan juga bila trafo mengalirkan arus urutan nol maka impedansi urutan nol sama dengan impedansi bocor trafo, sehingga: Z0 Z1 Z2 ZF 3.29 Untuk trafo Y-∆ dan ∆-Y tegangan fasa urutan positif pada sisi tegangan tinggi mendahului tegangan fasa pada sisi tegangan rendah sebesar 30°. Tegangan urutan negatif tiap fasa bergeser sebesar -30°. Rangkaian ekivalen untuk impedansi urutan nol tergantung pada sambungan gulungan trafo dan tergantung pada ada atau tidaknya pentanahan titik netral. Konfigurasi pentanahan netral dengan rangkaian ekivalen impedansi urutan nol untuk berbagai rangkaian adalah sebagai berikut (dalam hal ini reluktansi inti diabaikan sehingga arus primer ada bila arus sekunder ada). a. Sambungan trafo Y-Y dengan kedua netral ditanahkan. Arus urutan nol adalah sama dengan jumlah arus fasa. Arus urutan nol bisa mengalir baik di primer maupun di sekunder sehingga impedansi urutan nol sama dengan impedansi bocor trafo. Rangkaian ekivalennya dapat dilihat pada gambar 3.3.a.
20
b. Sambungan Y-Y, hanya primer yang ditanahkan. Karena sambungan sekunder tidak ditanahkan netralnya maka jumlah arus fasa adalah nol. Sehingga arus urutan pada primer adalah nol dengan perkataan lain rangkaian terbuka, seperti pada gambar 3.3.b. c. Transformator Y-∆ dengan netral Y ditanahkan. Arus urutan nol primer ada karena adanya arus sirkulasi urutan nol pada sekunder ∆. Tetapi tidak ada arus yang meninggalkan sambungan segitiga sehingga ada isolasi antara arus urutan nol primer pada hubungan Y dengan arus urutan nol sekunder pada hubungan ∆, seperti pada gambar 3.3.c. d. Trafo sambungan Y- ∆ dengan netral diisolasi. Karena netral diisolasi maka impedansi urutan nol tak dapat mengalir dan rangkaian ekivalen kelihatan seperti rangkaian terbuka (impedansi tak terhingga), seperti pada gambar 3.3.d. e. Trafo sambungan ∆- ∆. Arus urutan nol berputar pada sambungan ∆, tapi tidak keluar dari ∆, seperti pada gambar 3.3.e. Impedansi netral memegang peranan pada rangkaian ekivalen. Bila netral dibumikan melalui impedansi Zn maka rangkaian ekivalen impedansi netral adalah 3Zn karena In = 3 I0 pada lintasan arus urutan nol.
21
Ia0
p p
Rangkaian ekivalen urutan nol
Rangkaian hubungan Trafo
Simbol
Ia0
s
Z0
n
n
Ia0
s
3Ia0
3Ia0
Ia0
Ia0 Ia0
N0
(a)
s
p p
s
N0
(b) Ia0
p p
Z0
n
s
s
Z0
n
Ia0
3Ia0
N0
Ia0 (c) s
p p
s
Z0
n
N0
(d)
p p
s
Z0
s
N0 (e)
s
p p
s
Z0
n
n
N0 (f)
Gambar 3.3. Jaringan urutan nol fasa tiga dari transformator dua lilitan
3.2.5 Jaringan Urutan Nol Catatan penting bahwa sistem urutan nol adalah bukan sistem fasa tiga tetapi sistem fasa tunggal. Karena arus urutan nol dan tegangan adalah sama besarnya dan pada setiap titik fasa dalam semua sistem fasa. Bagaimanapun juga, arus urutan impedansi hanya didapat pada rangkaian jika rangkaian tersebut dapat dilalui arus. Adapun, jika rangkaian tersebut tidak dapat dilalui arus impedansi urutan nol dalam rangkaian,
22
maka urutan impedansi tersebut terbatas. Dalam penggambaran jaringan urutan nol, keterabatasan impedansi ditunjukan dengan cara rangkaian terbuka. Pada gambar 3.4 menjelaskan bahwa jaringan urutan nol untuk hubungan Y (wye) dan
∆(delta) beban fasa tiga. Rangkaian eqivalen urutan nol
Diagram hubungan beban
Z0
Ia0
Z0 n
Z0
Z0
N0 (a) Ia0
Z0
n
Ia0
Z0 n
Z0
Z0
Ia0
3Ia0 Ia0
N0 (b)
Ia0
Z0
n
Ia0
Z0 n
Z0
Z0
3Zn
Ia0
Zn 3Ia0
Ia0
N0 (c)
n Z0
Ia0 = 0
Z0
Z0
Z0
N0 (d)
Gambar 3.4. Jaringan urutan nol untuk hubungan wye dan delta beban fasa tiga: (a) hubungan beban wye tanpa pentanahan; (b) hubungan beban wye dengan pentanahan; (c) hubungan beban wye dengan pentanahan menggunakan impedansi; (d) hubungan beban delta
3.3 GANGGUAN HUBUNG SINGKAT 3.3.1 Gangguan Fasa Tiga Pada umumnya, gangguan fasa tiga merupakan gangguan yang seimbang (symmetrical), tetapi juga bisa dianalisa dengan menggunakan komponen simetris. gambar 3.5(a) memperlihatkan gambaran umum dari gangguan fasa tiga seimbang pada gangguan di titik F dengan impedansi Zf dan Zg. Gambar 3.5(b)
23
memperlihatkan rangkaian ekivalen jaringan urutan, dengan Vf adalah tegangan sebelum terjadi gangguan (Vf = 1,0 ∠0° p.u). Arus urutan positif, negatif dan nol dapat digambarkan sebagai berikut: Ia0 0 3.30 Ia2 0 3.31 Ia1
1.0 0° 3.32 Z1 Zf
Dengan mensubsitusikan persamaan (3.30), (3.31), (3.32) ke dalam persamaan matriks, maka dapat ditulis: Iaf 1 Ibf 1 Icf 1
1 a2 a
Ia0 Ia1 3.33 Ia2
1 a a2
sehingga, Iaf Ibf Icf
1 1 1
1 a2 a
1 a a2
0 Ia1 3.34 0
Dari persamaan di atas diperoleh: Iaf Ia1
1.0 0° 3.35 Z1 Zf
Ibf a2 Ia1
1.0 240° 3.36 Z1 Zf
Icf a Ia1
1.0 120° 3.37 Z1 Zf
Ketika jaringan urutan dihubung singkat dengan impedansi gangguannya, maka: Va0 0 3.38 Va1 Zf Ia1 3.39 Va2 0 3.40 Dengan mensubsitusikan persamaan (3.38), (3.39), (3.40) ke persamaan matriks adalah sebagai berikut:
24
Vaf Vbf Vcf
1 1 1
1 a2 a
Va0 Va1 3.41 Va2
1 a a2
maka, Vaf 1 1 Vbf 1 a2 Vcf 1 a
0 1 a Va1 3.42 a2 0
sehingga, Vaf Va1 Zf Ia1 0° 3.43 Vbf a2 Va1 Zf Ia1 240° 3.44 Vcf a Va1 Zf Ia1 120° 3.45 Sehingga, tegangan fasa-fasa menjadi : Vab Vaf ‐Vbf Va1 1‐a2 √3 Zf Ia1 30° 3.46 Vbc Vbf ‐Vcf Va1 a2 ‐a2 √3 Zf Ia1 ‐90° 3.47 Vca Vcf ‐Vaf Va1 a‐1 √3 Zf Ia1 150° 3.48
a
F Zf + 3Zg
Zf
Ia1
Ia0
Ia2
Zf
b
c
Zf
F0
F1
Z3
Va0 -
Z1
F2
+
Zf
If
+
Zf
If
+
If
Va1
Va2
-
-
Z2
+ 1.0∠0°
Zf
If + If + If = 3Ia0
N0
(a)
N1
(b)
Gambar 3.5. Gangguan Fasa Tiga (a) gambaran umum; (b) rangkaian ekivalen jaringan urutan
25
N2
3.3.2 Gangguan Fasa Tunggal Ke Tanah (SLG Fault) Pada umumnya, gangguan fasa tunggal ke tanah pada sistem transmisi terjadi ketika satu penghantar fasanya terhubung singkat ke tanah baik secara langsung (solidly), RF = 0 atau terhubung dengan kawat tanah. Gambar 3.6 (a) memperlihatkan gambaran umum dari gangguan fasa tunggal ke tanah pada gangguan di titik F dengan impedansi gangguan ZF. Gambar 3.6 (b) memperlihatkan rangkaian ekivalen jaringan urutan. Pada analisa gangguan fasa tunggal ke tanah dimisalkan terjadi pada fasa a, dengan Vf adalah tegangan sebelum terjadi gangguan (Vf = 1,0 ∠0º p.u), dimana: Ia0 Ia1 Ia2 Iaf 1 1 Ibf 1 a2 Icf 1 a
Z0
1.0 0° 3.49 Z1 Z2 3Zf
1 Ia0 a Ia1 3.50 a2 Ia2
Arus gangguan untuk fasa a adalah: Iaf Ia0 Ia1 Ia2 3.51 atau Iaf 3Ia0 3Ia1 3Ia2 3.52 Dari gambar 3.6 (a) Vaf Zf Iaf 3.53 Dengan mensubsitusikan persamaan (3.52) ke persamaan (3.53), tegangan pada fasa a adalah sebagai berikut: Vaf 3Zf Ia1 3.54 Pada gambar 3.6 (b) memperlihatkan rangkaian jaringan urutan di seri, sehingga: Vaf Va0 Va1 Va2 3.55 Va0 Va1 Va2 3Zf Ia1 3.56
26
Tegangan urutan nol, positif dan negatif bisa didapat dari persamaan: Va0 Va1 Va2
Z0 0 1.0 0° ‐ 0 0 0
0 Z1 0
Ia0 Ia1 3.57 Ia2
0 0 Z2
Gangguan fasa tunggal ke tanah pada fasa b dan c tegangan dihubungkan untuk mengetahui komponen tegangan fasa a, dari persamaan matriks dapat ditulis: Vaf Vbf Vcf
1 1 1
1 a2 a
1 a a2
Va0 Va1 3.58 Va2
adalah Vbf Va0 a2 Va1 aVa2 3.59 dan
F
Z0
b
+
F0 Va0 -
a
0
Ia
Vcf Va0 a Va1 a2 Va2 3.60
Ia Iaf
Ibf = 0
1
N0 c Icf = 0 Z1
Va1 -
-
Zf
+
F1
+
Vaf
3 Zf
0 °
N1
2
Ia
1 . 0 ∠
+ -
Va2 -
Z2
+
F2
N2
(a)
(b)
Gambar 3.6. Gangguan fasa tunggal ke tanah (a) gambar umum; (b) rangkaian ekivalen jaringan urutan
27
BAB IV PERHITUNGAN GANGGUAN HUBUNG SINGKAT 4.1 STUDI KASUS Jaringan tegangan menengah pada sistem kelistrikan di Indonesia kebanyakan menggunakan saluran udara yang tidak terlepas dari berbagai macam gangguan, kecuali untuk daerah Jakarta Raya dan Tangerang kebanyakan adalah dengan menggunakan saluran kabel. Dalam pembahasan sub-sub bab berikutnya, pada bab 4 ini gangguan hubung singkat (short circuit) pada salah satu penyulang pada GI Kembangan, Jakarta-Barat yaitu pada penyulang Ji’ih akan dianalisis. Selain menganalisa besarnya tegangan akibat gangguan hubung singkat di gardu distribusi BC.60 besarnya tegangan pada tiap rel TM yang dekat dengan gardu distribusi BC.60 juga akan dianalisis. Penyulang yang akan dianalisa adalah penyulang Ji’ih pada GI Kembangan, Jakarta-Barat seperti dapat dilihat pada gambar 4.1 dengan data sebagai berikut: a. Spesifikasi Transformer Pada GI Kembangan: Daya pengenal
= 60 MVA
Tegangan primer
= 150 kV
Tegangan sekunder
= 20 kV
Keterangan vektor
= YNyno
Pentanahan
= 12 Ω
Rn
= 4,13
Z(%)
= 12
R(%)
= 0,37
X(%)
= 11,98
b. Spesifikasi BC 60
Daya
= 2 x 630 kVA
Tegangan primer (Tp)
= 20 kV
Tegangan sekunder (Ts)
= 400 V
28
Keterangan vektor
= DynS
Z(%)
= 4
R(%)
= 1,2
X(%)
= 3,82
29
Gambar 4.1. Single line diagram penyulang ji’ih pada Gardu Induk PLN Kembangan
30
4.2 TEGANGAN PADA TITIK GANGGUAN Untuk menghitung tegangan gangguan hubung singkat pada jaringan tegangan menengah yang disebabkan oleh gangguan yang terjadi di lokasi pada saluran tegangan menengah (TM) tersebut diperlukan beberapa parameter, antara lain impedansi transformator TT/TM, sistem pentanahan pada sisi TM dan impedansi saluran dari GI ke titik lokasi gangguan. Semua parameter tersebut diubah ke dalam satuan standar yaitu satuan per-unit.
4.2.1 Perhitungan Per-Unit Dalam perhitungan per-unit dipilih dasar daya (Sbase) dan dasar tegangan (Vbase) pada sisi sekunder transformer yaitu: Sbase = 60 MVA Vbase = 20 kV a. Impedansi transformer dalam per-unit adalah: XT =
11.98 60 × = 0.120 pu 100 60
ZT = jXTpu = j0.120 pu b. Sistem pentanahan dalam per-unit adalah: Zbase =
20 = 6.67 Ω 60
maka : Rn =
Rn 4.13 = = 0.62 pu Zbase 6.67
4.2.2 Perhitungan Besarnya Tegangan Akibat Gangguan Fasa Tunggal Ke Tanah Pada Gardu BC 60 Pada gangguan fasa tunggal ke tanah (single line to ground fault) diasumsikan nilai impedansi gangguan ZF = 0 dan gangguan terjadi pada fasa a. Representasi rangkaian dengan gangguan fasa tunggal beserta rangkaian ekivalen urutan yang dapat dilihat pada gambar 4.2.
31
Gambar 4.2 Gangguan fasa tunggal ke tanah dan rangkaian ekivalen gangguan Langkah perhitungan gangguan fasa tunggal ke tanah adalah sebagai berikut: a. Akibat gangguan fasa tunggal ke tanah pada BC.60 Dari hasil perhitungan seperti yang dapat dilihat pada lampiran B diperoleh: •
Impedansi urutan positif = impendasi urutan negatif Z1 = Z2 = 0,025 83,29° = 0,003 + j0,025
•
Impedansi urutan nol Z0 = 0,032 88,76° = 0,0007 + j0,032
b. Arus urutan Ia Ib Ic
1 1 1 a2 1 a
Iao Ia1 Ia2
1 a a2
Ia0 Ia1 Ia2
=
Z0
1.0 0° Z1 Z2 3Zn
1 0° 0.003+j0.025 + 0.0007+j0.032 + 0.003+j0.025
=
1 0° 0.007+j0.082
=
1 0° 0.082 85.12°
= 12.20 -85.12° = 1.038 – j12.16
32
c. Arus gangguan hubung singkat pada fasa a Ia = 3Ia1 = 3 12.20 -85.12° = 36.6 -85.12° d. Besarnya arus pada fasa a, I
dengan:
Sbase BC.60 = 630 kVA Vbase = 20 kV Ibase =
630 kVA 20 kV
= 31.5 A Ia
= 36.6 -85.12° × 31.5 A = 1152.9 -85.12° A = 1.1529 -85.12° kA
e. Tegangan Urutan Va0 Va1 Va2
0 1 0° 0
Z0 0 0
0 Z1 0
0 0 Z2
0,032 88,76° 0 0 = 1 0° 0 0
Iao Ia1 Ia2 0 0,025 83,29° 0
0 1 0° 0
0,390 3,64° 0,305 -1,83° 0,305 -1,83°
0 1 0° 0
0,389+j0,025 0,305-j0,010 0,305-j0,010
-0,389 –j0,025 0,695+j0,010 -0,305+j0,010 0,390 -176,32° 0,695 0,82° 0,305 178,12°
33
0 12.20 -85.12° 0 12.20 -85.12° 0,025 83,29° 12.20 -85.12°
f. Tegangan gangguan hubung singkat pada fasa Va Vb Vc
1 1 1 a2 1 a
1 a a2
1 1 1 a2 1 a
1 a a2
Va0 Va1 Va2 0,390 -176,32° 0,695 0,82° 0,305 178,12°
dimana, a
= 1 120° = -0,5 + j0,867
a2 = 1 -120° = -0,5 – j0,867 maka,
Va Vb Vc
0,390 -176,32° + 0,695 0,82° + (0,305 178,12°) 0,390 -176,32° + 0,695 -119,18° + (0,305 298,12°) 0,390 -176,32° + 0,695 120,82° + 0,305 58,12° -0,389-j0,025 + 0,695+j0,010 +(-0,305+j0,010) -0,389-j0,025 + -0,34-j0,607 +(0,144-j0,269) -0,389-j0,025 + -0,356+j0,597 +(0,161+j0,259) 0,001-j0,005 = -0,585-j0,901 -0,458+j0,467 0,005 -78,69° = 1,074 -122,99° 0,654 134,44°
g. Besarnya tegangan pada fasa a, b, c, Vbase Va (0,005 -78,69°)
20 kV
0,10 -74,69° kV Vb (1,074 -122,99°) 21,48 -122,99° kV Vc
(0,654 134,44°) 13,08 134,44° kV
20 kV
0,026 – j0,096 20 kV - 11,7 – j18,02 20 kV - 9,16+ j9,34
34
h. Tegangan line to line pada saat gangguan Vab
Va
Vb
(0,026 – j0,096) – (- 11,7 – j18,02) 11,73 + j17,92 21,42 56,79° pu Vbc
Vb
Vc
(- 11,7 – j18,02) – (- 9,16+ j9,34) -2,54 – j27,36 27,48 -95,30° pu Vca
Vc
Va
(- 9,16+ j9,34) – (0,026 – j0,096) - 9,19 + j9,44 13,17 134,23° pu
4.3 TEGANGAN AKIBAT GANGGUAN FASA TIGA PADA GARDU BC.60 Pada gangguan fasa tiga:
Gambar 4.3. Gangguan fasa tiga ke tanah dan rangkaian ekivalen gangguan
35
a. Akibat gangguan fasa tiga pada BC.60 Z1
0,003 + j0,025
0,025 83,29°
b. Arus urutan Ia0 Ia2 0 Ia1 =
1 0° 1 0° Z1 Zground 0,003 j0,025
1 0° 0,025 83,29°
= 40,00 -83,29° = 4,674 – j39,73 c. Arus gangguan hubung singkat pada fasa Ia 1 Ib = 1 Ic 1
0 40,00 -83,29° 0 40,00 -83,29° = 40,00 -203,29° 40,00 36,71° 1 a2 a
1 a a2
d. Besar arus pada fasa 3, Ibase
3000 kA
Ia = (40,00 -83,29°) × 31,5 A = 1260 -83,29° A Ib = (40,00 -203,29°) × 31,5 A = 1260 -203,29° A Ic = (40,00 36,71°) × 31,5 A = 1260 36,71° A e. Tegangan urutan Va0 0 Z0 Va1 1 ‐ 0 Va2 0 0
0 Z1 0
0 0 Z2
Ia0 Ia1 Ia2
0 0 0 0 0,032 88,76° 0,025 83,29° 0 0 = 1 40,00 -83,29° 0 0 0 0 0,025 83,29°
0 1 0 0 0 0
0 1 0 0
36
f. Tegangan gangguan hubung singkat pada fasa Va Vb Vc
0 0 0
g. Besar tegangan pada fasa a, b, c, Vbase Va Vb Vc
20 kV
0 0 0
h. Tegangan line to line pada saat gangguan Vab Vbc Vca
0 0 0
4.4 ARUS GANGGUAN HUBUNG SINGKAT DENGAN SIMULASI PROGRAM ETAP Adapun tujuan dari pada menganalisa arus gangguan hubung singkat fasa tiga dengan menggunakan program ETAP yakni sebagai perbandingan antara perhitungan manual dengan menggunakan simulasi program ETAP. Dari hasil analisa diperoleh beberapa data gambar dan hasil laporan analisa sebagai mana dapat dilihat pada lembar lampiran A berikutnya.
37
BAB V PENUTUP 5.1 KESIMPULAN Gangguan hubung singkat pada suatu sistem tenaga listrik tidak dapat diprediksi kapan akan terjadi tetapi dapat ditangani ketika gangguan tersebut terjadi. Dari hasil laporan tugas akhir ini penulis dapat menyimpulkan tentang sebab gangguan secara umum serta hasil analisa gangguan hubung singkat fasa tunggal ke tanah maupun gangguan fasa tiga, yakni antara lain : a. Gangguan pada sistem dapat terjadi disebabkan oleh tiga hal yaitu : •
Gangguan karena kesalahan manusia misalnya kelalaian pada saat mengubah jaringan sistem, lupa membuka pembumian setelah perbaikan, kurang pemeliharaan, dan sebagainya.
•
Gangguan dari dalam misalnya gangguan-gangguan yang berasal dari sistem atau gangguan dari peralatan itu sendiri misalnya faktor usia alat yang sudah tua, arus lebih, tegangan lebih, dan lain-lain sehingga merusak isolasi peralatan.
•
Gangguan dari luar yaitu gangguan yang berasal dari alam diantaranya cuaca, gempa bumi, petir dan banjir, pohon atau ranting, gangguan karena binatang diantaranya gigitan tikus pada kabel, kelelawar, burung, ular dan sebagainya.
b. Besarnya arus dan tegangan akibat gangguan fasa tunggal ke tanah pada gardu BC 60 : •
Besarnya Arus pada Phasa a, I Ia
•
adalah
= 1.1529 -85.12° kA
Besarnya Tegangan pada Phasa a, b, c Vbase Va 0,10 -74,69° kV
Vb
21,48 -122,99° kV
Vc
13,08 134,44° kV
38
20 kV
c. Besarnya arus dan tegangan akibat gangguan fasa tiga pada gardu BC 60: • Besar Arus pada Phasa 3, Ibase
3000 kA
Ia = 1.260 -83,29° kA Ib = 1.260 -203,29° kA Ic = 1.260 36,71° kA • Besarnya Tegangan pada Phasa a, b, c Vbase
20 kV
Va 0 Vb 0 Vc
0
Dari hasil perhitungan arus gangguan hubung singkat fasa tiga pada gardu BC.60 dengan menggunakan perhitungan manual didapat Ia = 1.260 kA sedangkan dengan menggunakan simulasi ETAP didapat Ia = 1.341 kA seperti yang dapat dilihat pada lampiran A.
5.2
SARAN
Beberapa saran dapat ditulis antara lain: a. Cara meminimalisir gangguan: •
Harus adanya sistem proteksi yang memadai dan handal sebagai pemutus utama apabila terjadi gangguan.
•
Sistem monitoring jarak jauh sebagai pemonitor apabila terjadi suatu gangguan.
•
Perlu adanya pergantian peralatan untuk instalasi listrik secara berkala dalam jangka waktu yang telah ditentukan bila dianggap perlu.
b. Penulis juga ingin menyampaikan beberapa saran kepada pihak pengelola agar dapat menjadi bahan pertimbangan untuk meningkatkan kinerjanya dalam meningkatkan kualitas pelayanan listrik kepada konsumen dengan meminimalisir secepatnya apabila terjadi gangguan pada suatu sistem.
39
DAFTAR PUSTAKA [1]
Gonen, T, “Modern Power System Analysis”, Mc Graw Hill, New York, 1987.
[2]
Saadat, H, “Power System Analysis”, Mc Graw Hill International Edition, Electrical Enginering Series, 1999.
[3]
Stevenson, W.D., “Elements of Power System Analysis”, Mc Graw Hill, New York, 1982.
[4]
Marsudi, Djiteng, “Operasi Sistem Tenaga Listrik”, Jakarta, 1990.
