PARAMETER (RLC) SALURAN TRANSMISI TENAGA LISTRIK

    A.  Saluran Transmisi Tenaga Listrik 

1. Pengertian saluran transmisi tenaga listrik

Transmisi tenaga listrik merupakan proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga listrik (Power Plant) hingga substation distribution sehingga dapat disalurkan sampai pada konsumer pengguna listrik melalui suatu bahan konduktor (Joko Pramono,2010). 

Gambar 2.1 Sistem Tiga Fasa dan Empat Fasa

Saluran transmisi dalam suatu sistem tenaga listrik adalah saluran pemindah / transfer tenaga listrik dari suatu daerah (dapat merupakan power station, gardu induk) ke daerah lain (dapat merupakan Gardu induk) dengan jarak yang cukup jauh dengan tegangan tertentu. 

Saluran Transmisi merupakan media yang digunakan untuk mentransmisikan tenaga listrik dari Generator Station/ Pembangkit Listrik sampai distribution station hingga sampai pada konsumer pengguna listrik. Tenaga listrik di transmisikan oleh suatu bahan konduktor yang mengalirkan tipe Saluran Transmisi Listrik Penyaluran tenaga listrik pada transmisi menggunakan arus bolak-balik (AC) ataupun juga dengan arus searah (DC). Penggunaan arus bolak balik yaitu dengan sistem tiga-fasa atau dengan empat-fasa (Joko Pramono, dkk 2010).

Saluran transmisi tenaga listrik berfungsi untuk menyalurkan tenaga listrik dari pusat pembangkit tenaga listrik ke pusat beban, saluran transmisi tenaga listrik dapat diklasifikasikan menjadi beberapa hal, antara lain: Sistem hubungan saluran, sistem tegangan saluran, jenis arus yang melalui saluran dan letak saluran.

Saluran Transmisi dengan menggunakan sistem arus bolak-balik tiga fasa merupakan sistem yang banyak digunakan, mengingat kelebihan sebagai berikut : 

a.  Mudah pembangkitannya, 

b.  Mudah pengubahan tegangannya,

c.  Dapat menghasilkan medan magnet putar, 

d.  Dengan sistem tiga fasa, daya yang disalurkan lebih besar dan nilai sesaatnya konstan

   2. Kategori saluran transmisi tenaga listrik

Saluran transimi dapat dibedakan menjadi dua kategori, yaitu : saluran udara (overhead line) dan saluran bawah tanah (underground).

Saluran Udara (Overhead Lines) 

saluran transmisi yang menyalurkan energi listrik melalui kawat-kawat yang digantung pada isolator antara menara atau tiang transmisi. 

Keuntungan dari saluran transmisi udara antara lain : 

a.  Mudah dalam perbaikan 

b.  mudah dalam perawatan 

c.  mudah dalam mengetahui letak gangguan 

d.  Lebih murah 

Kerugian : 

karena berada diruang terbuka, maka cuaca sangat berpengaruh terhadap kehandalannya, dengan kata lain mudah terjadi gangguan dari luar, seperti gangguan hubungan singkat, gangguan tegangan bila tersambar petir, dan gangguan lainnya. 

Dari segi estetika/keindahan kurang, sehungga saluran transmisi bukan pilihan yang ideal untuk transmisi di dalam kota.

 

     Gambar 2. Saluran Listrik Udara Tegangan Tinggi

Saluran kabel bawah tanah (underground cable) 

Saluran transmisi yang menyalurkan energi listrik melalui kabel yang dipendam didalam tanah. Kategori saluran seperti ini adalah favorit untuk pemasangan didalam kota, karena berada didalam tanah maka tidak mengganggu keindahan kota dan juga tidak mudah terjadi gangguan akibat kondisi cuaca atau kondisi alam. Namun tetap memiliki kekurangan, antara lain mahal dalam instalasi dan investasi serta sulitnya menentukan titik gangguan dan perbaikkannya.

 

    Gambar 3. Saluran Listrik Bawah Tanah

Peralatan saluran transmisi tenaga listrik

Peralatan-peralatan pokok yang termasuk didalam sistem saluran transmisi adalah : 

Konduktor (kawat penghantar) 

Kawat penghantar adalah komponen yang memegang peranan penting dalam menyalurkan tenaga listrik dari satu tempat ke tempat yang lain. Pada saluran transmisi udara biasanya kawat penghantar yang digunakan adalah kawat penghantar telanjang (bare wire)

Menara transmisi (tower) 

Menara transmisi adalah komponen yang digunakan untuk menggantungkan kawat penghantar dan isolator agar tidak mengenai benda-benda dibawah (manusia, bangunan, dan sebagainya). Menara transmisi yang paling banyak digunakan adalah menara baja (steel tower) yaitu bangunan yang tinggi terbuat dari baja yang bagian-bagian kakinya mempunyai pondasi sendiri-sendiri

Isolator gantung 

Isolator adalah komponen yang mengisolasikan kawat penghantar dengan menara transmisi, agar tidak terjadi hubungan dengan tanah. Isolator harus mampu menahan gaya-gaya dari luar, maupun gaya mekanis karena berat dari kawat penghantar.

Peralatan-peralatan pendukung (tanduk api, damper, dsb)

Supaya pemasangan kawat penghantar pada pasangan isolator lebih praktis dan kuat, maka dalam pemasangan kawat penghantar dilengkapi dengan peralatan-peralatan pembantu pada saluran transmisi. Peralatan pembantu kawat penghantar antara lain :sambungan penghantar (joints), batang pelindung (armor rods) dan Peredam (damper).

B.  Parameter Saluran Transmisi Tenaga Listrik 

Saluran transmisi listrik mempunyai empat parameter yang mempengaruhi kemampuannya untuk berfungsi sebagai bagian dari suatu sistem tenaga, yaitu resistansi, induktansi, kapasitansi dan konduktansi bocor saluran. Pada umumnya konduktansi bocor saluran, dalam perhitungan karakteristik saluran dapat diabaikan (karena sangat kecil).  Parameter-parameter ini merupakan salah satu pertimbangan utama dalam perencanaan saluran transmisi. 

Impedansi seri dibentuk oleh resistansi dan induktansi yang terbagi rata disepanjang saluran. Sedangkan konduktansi dan kapasitansi yang terdapat diantara penghantar-penghantar dari suatu saluran fasa-tunggal atau di antara sebuah penghantar dan netral dari suatu saluran tiga-fasa membentuk admitansi paralel. Dalam perhitungan, rangkaian saluran ekivalen yang dibentuk dari parameter-parameter dijadikan satu meskipun resistansi, induktansi dan kapasitansi tersebut terbagi merata di sepanjang saluran.

Resistansi (Tahanan)

Tahanan saluran transmisi merupakan penyebab terjadinya rugi daya nyata pada saluran transmisi, pada saluran transmisi arus bolak-balik pengertian tahanan saluran adalah tahanan arus bolak-balik atau tahanan efektif dari saluran. Besarnya tahanan saluran arus bolak-balik dipengaruhi oleh efek kulit, temperature dan konstruksi kawat saluran. 

Resistansi efektif ( R ) dari suatu penghantar adalah

R=P/I^2 

dimana 

P = rugi daya pada penghantar (Watt) 

I = arus yang mengalir (Ampere)

Resistansi efektif sama dengan resistansi dari saluran jika terdapat distribusi arus yang merata (uniform) di seluruh penghantar. Distribusi arus yang merata di seluruh penampang suatu penghantar hanya terdapat pada arus searah, sedangkan tidak pada arus bolak-balik (ac).

Tahanan arus searah (tahanan DC) besarnya sangat tergantung dari tahanan jenis material, panjang penghantar saluran dan luas penampang penghantar :

R=ρ L/A

Keterangan : 

R = tahanan saluran (ohm) 

ρ = Tahanan Jenis ( ohm-m) 

L = panjang saluran (m) 

A = luas penampang penghantar (m2) 

Ukuran kawat penghantar untuk saluran transmisi dinyatakan dalam luas penampang penghantar, dalam satuan (mm2 , CM / Circular Mil). 1 CM = 1973 x (luas dalam mm2 ). 

Dengan meningkatnya frekuensi arus bolak-balik, distribusi arus makin tidak merata (nonuniform). Peningkatan frekuensi ini juga mengakibatkan tidak meratanya kerapatan arus (current density), disebut juga efek kulit (skin effect). Perhitungan resistansi total suatu saluran transmisi ditentukan oleh jenis penghantar pabrikan, biasanya pabrikan akan memberikan tabel karakteristik listrik dari penghantar yang dibuatnya, termasuk diantaranya nilai resistansi ac penghantar dalam satuan Ω/km (Standar Internasional) atau Ω/mi (American Standart).

Nilai resistansi juga dipengaruhi oleh suhu, ditunjukkan oleh persamaan berikut 

R_t2=R_t2 [1+α_t1 (T_2-T_1 )]

Rt2 – tahanan pada suhu t2 

Rt1 – tahanan pada suhu t1 

αt1 – koefisien suhu

Induktansi 

Induktansi adalah sifat rangkaian yang menghubungkan tegangan yang diimbaskan oleh perubahan fluks dengan kecepatan perubahan arus. Persamaan awal yang dapat menjelaskan induktansi adalah menghubungkan tegangan imbas dengan kecepatan perubahan fluks yang meliputi suatu rangkaian. Tegangan imbas adalah 

e=dτ/dt

Dimana e = tegangan imbas (volt) 

 = banyaknya fluks gandeng rangkaian (weber-turns)

Banyaknya weber-turns adalah hasil perkalian masing-masing weber dari fluks dan jumlah lilitan dari rangkaian yang digandengkannya. Jika arus pada rangkaian berubah-ubah, medan magnet yang ditimbulkannya akan turut berubah-ubah. Jika dimisalkan bahwa media di mana medan magnet ditimbulkan mempunyai permeabilitas yang konstan, banyaknya fluks gandeng berbanding lurus dengan arus, dan karena itu tegangan imbasnya sebanding dengan kecepatan perubahan arus

e=L di/dt

Dimana  L= konstanta kesebandingan induktansi (H) 

di/dt= "kecepatan perubahan arus" ("A/s)" 

Dari Persamaan diatas maka didapat persamaan umum induktansi saluran dalam satuan Henry, yaitu :

L=τ/i

dengan i adalah arus yang mengalir pada saluran transmisi dalam satuan ampere (A). 

Induktansi timbal-balik antara dua rangkaian didefenisikan sebagai fluks gandeng pada rangkaian pertama yang disebabkan oleh arus pada rangkaian kedua per ampere arus yang mengalir di rangkaian kedua. Jika arus I2 menghasilkan fluks gandeng dengan rangkaian 1 sebanyak Ψ_12 , maka induktansi timbal baliknya adalah

M_12=Ψ_12/I_2    (H)

Dimana  Ψ_12 = fluks gandeng yang dihasilkan I2 terhadap rangkaian 1 (Wbt) 

          I = arus yang mengalir pada rangkaian kedua.

Pada saluran tiga fasa induktansi rata-rata satu penghantar pada suatu saluran ditentukan dengan persamaan :

L_a=2×10^(-7)  "ln"  D_eq/D_s  (H/m)     "untuk penghantar tunggal" 

L_a=2×10^(-7)  "ln"  D_eq/(D_s^b ) (H/m)     "untuk penghantar berkas" 

Dengan D_eq=√(D_12 D_23 D_31 ) dan D_s adalah GMR penghantar tunggal dan D_s^b adalah adalah GMR penghantar berkas. Nilai D_s^bakan berubah sesuai dengan jumlah lilitan dalam suatu berkas . 

Untuk suatu berkas dua-lilitan

D_s^b c=∜(〖(r×d)〗^2 )  = √(r×d) 

Untuk suatu berkas tiga-lilitan

D_s^b c=√(9&〖(r×d×d)〗^3 )  =∛(rd^2 )  

Untuk suatu berkas empat-lilitan

D_s^b c=√(16&〖(r×d×d×d×2^(1/2))〗^4 )  =1,09∜(rd^3 )  

Persamaan di atas merupakan persamaan untuk saluran yang telah ditransposisikan, yaitu suatu metode pengembalian keseimbangan ketiga fasa dengan mempertukarkan posisi-posisi penghantar pada selang jarak yang teratur di sepanjang saluran sedemikian rupa sehingga setiap penghantar akan menduduki posisi semula penghantar yang lain pada suatu jarak yang sama, lihat Gambar berikut.

 

Gambar 4. Siklus Transposisi

Persamaan ini juga dapat dapat digunakan untuk saluran tiga fasa dengan jarak pemisah tidak simetris karena ketidaksimetrisan antara fasa-fasanya adalah kecil saja sehingga dapat diabaikan pada kebanyakan perhitungan induktansi

Kapasitansi

Kapasitansi suatu saluran transmisi adalah akibat beda potensial antara penghantar, baik antara penghantar-penghantar maupun antara penghantar-tanah. Kapasitansi menyebabkan penghantar tersebut bermuatan seperti yang terjadi pada pelat kapasitor bila terjadi beda potensial di antaranya. Untuk menentukan nilai kapasitansi antara penghantar-penghantar ditentukan dengan persamaan : 

C_ab=πk/ln(D/r)     (F/m)

Jika saluran dicatu oleh suatu transformator yang mempunyai sadapan tengah yang ditanahkan, beda potensial antara kedua penghantar tersebut dan kapasitansi ke tanah (kapasitansi ke netral), adalah muatan pada penghantar per satuan beda potensial antara penghantar dengan tanah. Jadi kapasitansi ke netral untuk saluran dan kawat adalah dua kali kapasitansi antara penghantar-penghantar. 

C_an=2πk/ln(D/r)     (F/m)

Dimana 

C_ab = kapasitansi antara penghantar a-b (F/m) 

C_an= kapasitansi antara penghantar-tanah (F/m) 

k = permeabilitan bahan dielektrik 

D = jarak antara penghantar (m) 

r = jari-jari antara penghantar (m)

Persamaan diatas juga dapat digunakan untuk menentukakan kapasitansi saluran tiga-fasa dengan jarak pemisah yang sama. Jika penghantar pada saluran tiga-fasa tidak terpisah dengan jarak yang sama, kapasitansi masing-masing fasa ke netral tidak sama. Namun untuk susunan penghantar yang biasa, ketidaksimetrisan saluran yang tidak ditrasnposisikan adalah sangat kecil, sehingga perhitungan kapasitansi dapat dilakukakan seakan-akan semua saluran itu ditransposisikan. Untuk saluran tiga fasa yang ditransposisikan, nilai kapasitansi fasa ke netral ditentukan dengan persamaan

C_n=2πk/ln(D_eq/r)     "untuk penghantar tunggal  " 

C_n=2πk/ln(D_eq/(D_s^b c))     "untuk penghantar berkas " 

Dengan D_eq  adalah GMR penghantar, r adalah jari-jari penghantar dan D_s^b c adalah GMR penghantar berkas. Nilai D_s^b c akan berubah sesuai dengan jumlah lilitan dalam suatu berkas . 

Untuk suatu berkas dua-lilitan

D_s^b c=∜(〖(r×d)〗^2 )  = √(r×d) 

Untuk suatu berkas tiga-lilitan

D_s^b c=√(9&〖(r×d×d)〗^3 )  =∛(rd^2 )  

Untuk suatu berkas empat-lilitan

D_s^b c=√(16&〖(r×d×d×d×2^(1/2))〗^4 )  =1,09∜(rd^3 )  

Untuk menghitung kapasitansi saluran kabel ke tanah perlu menggunakan metode muatan bayangan. Pada metode ini bumi dapat diumpamakan dengan suatu penghantar khayal yang bermuatan di bawah permukaan bumi pada jarak yang sama dengan penghantar asli di atas bumi. Penghantar semacam itu mempunyai muatan yang sama tetapi berlawanan tanda dengan penghantar aslinya dan disebut penghantar bayangan. Jika ditempatkan satu penghantar bayangan untuk setiap penghantar atas-tiang, fluks antara penghantar asli dengan bayangannya adalah tegak lurus pada bidang yang menggantikan bumi, dan bidang itu adalah suatu permukaan ekipotensial. Fluks di atas bidang itu adalah sama seperti bila bumi ada tanpa adanya penghantar bayangan. Persamaan untuk menentukan kapasitansi saluran kabel ke tanah adalah :

C_n=2πk/(ln(D_eq/(D_S^b c))-ln(∛(H_12 H_23 H_31 )/∛(H_1 H_2 H_3 )) )

Dimana C_n  = kapasitansi saluran kabel ke tanah (F/m) 

H_12' = jarak antara penghantar 1 dengan penghantar bayangan 2 (m) 

H_23 = jarak antara penghantar 2 dengan penghantar bayangan 3 (m) 

H_31= jarak antara penghantar 3 dengan penghantar bayangan 1 (m) 

H_1= jarak antara penghantar 1 dengan permukaan bumi (m) 

H_2 = jarak antara penghantar 2 dengan permukaan bumi (m) 

H_3= jarak antara penghantar 3 dengan permukaan bumi (m)