MEDAN LISTRIK DI BAWAH SALURAN TRANSMISI

18

BAB III MEDAN LISTRIK DI BAWAH SALURAN TRANSMISI

III. 1 Tegangan Transmisi dan Rugi-Rugi Daya

Transmisi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik yang berperan menyalurkan energi listrik dari pusat pembangkit ke gardu induk. Saat sistem beroperasi, pada saluran transmisi terjadi rugi-rugi daya. Jika tegangan transmisi adalah tegangan bolak-balik tiga fasa, maka besarnya rugi-rugi daya yang timbul adalah sebagai berikut: [Watt] 3.1 dimana: I = Arus jala-jala transmisi [Ampere], dan R = Tahanan kawat transmisi per fasa [Ohm]. Arus pada jala-jala suatu transmisi arus bolak-balik tiga fasa adalah:  cos 3 r V P I  3.2 dimana: P = Daya beban pada ujung penerima transmisi [Watt], V r = Tegangan fasa ke fasa ujung penerima transmisi [Volt], dan c os φ = Faktor daya beban. Jika Persamaan 3.2 disubstitusikan ke Persamaan 3.1, maka rugi-rugi daya transmisi dapat dituliskan sebagai berikut: R I P 2 3   Universitas Sumatera Utara 19  2 2 2 cos r t V R P P   3.3 Dari Persamaan 3.3 di atas dapat dilihat bahwa rugi-rugi daya transmisi dapat dikurangi dengan cara meninggikan tegangan transmisi, memperkecil tahanan konduktor, dan memperbesar faktor daya beban. Tetapi cara yang cenderung dilakukan adalah meninggikan tegangan transmisi dengan dasar pertimbangan sebagai berikut: 1. Memperkecil tahanan konduktor dilakukan dengan memperbesar luas penampangnya. Tetapi, cara ini memiliki keterbatasan karena penambahan luas penampang konduktor juga ada batasnya. 2. Perbaikan faktor daya dilakukan dengan menambahkan kapasitor kompensasi shunt capacitor . Tetapi, perbaikan yang diperoleh juga ada batasnya. 3. Dari Persamaan 3.3 di atas terlihat bahwa rugi-rugi daya transmisi berbanding terbalik dengan kuadrat tegangan transmisi, sehingga pengurangan rugi-rugi yang diperoleh karena peninggian tegangan transmisi jauh lebih besar daripada pengurangan rugi-rugi daya karena pengurangan tahanan konduktor. Pertimbangan inilah yang mendorong perusahaan pembangkit tenaga listrik lebih cenderung menaikkan tegangan transmisi.

III. 2 Masalah Penerapan Tegangan Tinggi pada Transmisi

Meskipun peninggian tegangan transmisi akan mengurangi rugi-rugi daya, peninggian tegangan itu tetap ada batasnya karena tegangan tinggi menimbulkan beberapa masalah, antara lain: 1. Tegangan transmisi dapat menimbulkan korona pada kawat transmisi. Korona ini menimbulkan rugi-rugi daya dan dapat menimbulkan gangguan terhadap komunikasi radio. Universitas Sumatera Utara 20 2. Jika tegangan transmisi semakin tinggi, maka peralatan transmisi dan gardu induk membutuhkan isolasi yang volumenya semakin banyak agar peralatan mampu memikul tegangan tinggi tersebut. Hal ini mengakibatkan kenaikan biaya investasi. 3. Saat terjadi pemutusan dan penutupan rangkaian transmisi switching operation , timbul tegangan lebih surja hubung sehingga peralatan sistem tenaga listrik harus dirancang mampu memikul tegangan lebih tersebut. Hal ini juga mengakibatkan kenaikan biaya investasi. 4. Jika tegangan transmisi ditinggikan, menara transmisi harus semakin tinggi untuk menjamin keselamatan makhluk hidup di sekitar transmisi. Peninggian menara transmisi mengakibatkan transmisi mudah disambar petir. Sambaran petir pada transmisi akan menimbulkan tegangan lebih surja petir pada sistem tenaga listrik, sehingga peralatan listrik harus dirancang mampu memikul tegangan lebih tersebut. 5. Peralatan sistem perlu dilengkapi dengan peralatan proteksi untuk menghindarkan kerusakan akibat adanya tegangan lebih surja hubung dan surja petir. Penambahan peralatan proteksi ini menambah biaya investasi dan perawatan. Kelima hal di atas memberikan kesimpulan, bahwa peninggian tegangan transmisi akan menambah biaya investasi dan perawatan. Tetapi telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa mempertinggi tegangan transmisi dapat mengurangi rugi-rugi daya. Pada Gambar 3.1 ditunjukkan kurva yang menyatakan biaya total sebagai fungsi tegangan transmisi. Terlihat bahwa ada suatu harga tegangan transmisi yang memberi biaya total minimum.Tegangan ini disebut tegangan optimum. Universitas Sumatera Utara 21 Gambar 3. 1 Kurva hubungan biaya dan tegangan transmisi

III. 3 Kuat Medan Listrik di Bawah Saluran Transmisi

Tegangan tinggi yang diterapkan pada transmisi daya listrik menghasilkan medan listrik yang kuat pula. Untuk menghitung kuat medan listrik di bawah saluran transmisi, dimisalkan suatu konstruksi menara tunggal seperti Gambar 3.2 berikut: Gambar 3. 2 Konstruksi Menara Tunggal Saluran Transmisi Tegangan Tinggi Universitas Sumatera Utara 22 Gambar 3. 3 Kuat medan listrik di titik P Agar dapat menghitung kuat medan listrik di titik P seperti pada Gambar 3.3 di atas, terlebih dahulu harus diketahui:  Harga x , yaitu jarak pemisah horizontal antar konduktor penghantar transmisi.  Harga y , yaitu ketinggian konduktor penghantar dari titik yang ditinjau.  Harga r , yaitu jari-jari konduktor yang dipakai.  Harga h , yaitu ketinggian kawat penghantar dari permukaan tanah,  Untuk konstruksi menara ganda, perlu juga diketahui jarak pemisah vertikal antar konduktor penghantar. Dan untuk pemakaian konduktor berkas, perlu diketahui jarak pemisah antar berkas. Kemudian, dari harga x dan y tersebut, dapat dihitung jarak masing-masing konduktor penghantar ke titik P, yaitu: y r r  3.4 3.5 2 2 y x r s   θ R -x x y T S R E R E T E S θ T θ S r T r S r R P E y x -x h Permukaan tanah Universitas Sumatera Utara 23   2 2 2 y x r T   3.6 dan sudut yang dibentuk oleh vektor E terhadap sumbu horizontal adalah:   90 R  3.7         x y S 1 tan  3.8         x y T 2 tan 1  3.9 Jika dimisalkan tegangan fasa ke fasa sebagai fungsi waktu sebagai berikut: t V v l l R l l  sin    3.10        120 sin t V v l l S l l  3.11        120 sin t V v l l S l l  3.12 maka harga maksimum dari tegangan fasa ke netral sebagai fungsi waktu adalah: t V v l l R  sin 2 3   3.13       120 sin 2 3 t V v l l S  3.14       120 sin 2 3 t V v l l T  3.15 Untuk kawat lurus di sepanjang saluran transmisi dengan mengabaikan nilai andongan, maka besar kuat medan listriknya adalah: r h r V E m p h p h ln  3.16 dimana: E ph = kuat medan listrik di sekitar konduktor fasa, V = tegangan fasa ke netral, h m = ketinggian kawat penghantar dari permukaan tanah, r ph = jarak konduktor fasa ke titik yang diamati, dan r = jari-jari konduktor. Universitas Sumatera Utara 24 Untuk kawat penghantar saluran transmisi yang memiliki andongan, maka untuk mengetahui besar kuat medan listrik akibat adanya andongan, maka diambil pendekatan dengan merubah harga h m menjadi harga h , dimana h adalah tinggi rata- rata kawat penghantar di atas permukaan tanah gambar 3.4, yaitu: h = h m – 23×andongan, dimana h m = ketinggian kawat penghantar pada menara transmisi dari permukaan tanah. Sehingga, kuat medan listrik di titik P akibat masing-masing konduktor fasa adalah: r h r v E R R R ln  3.17 r h r v E S S S ln  3.18 r h r v E T T T ln  3.19 Nilai E ini harus diubah terlebih dahulu ke komponen sumbu x dan y agar dapat dijumlahkan. Adapun harga proyeksi E di sumbu x adalah sebagai berikut:   R R R Rx r h r v E  cos ln  3.20   S S S Sx r h r v E  cos ln  3.21 Gambar 3.4 Pendekatan dengan menggunakan tinggi rata-rata kawat penghantar diatas permukaan tanah h 23 andongan h m andongan Menara transmisi Menara transmisi Universitas Sumatera Utara 25   T T T Tx r h r v E  cos ln  3.22 dan harga proyeksi E di sumbu y adalah:   R R R Ry r h r v E  sin ln  3.23   S S S Sy r h r v E  sin ln  3.24   T T T Ty r h r v E  sin ln  3.25 Kemudian, sesuai dengan prinsip superposisi, harga-harga E di sumbu x tersebut dapat dijumlahkan sebagai berikut: Tx Sx Rx x E E E E          T T T S S S R R R x r h r v r h r v r h r v E    cos ln cos ln cos ln                        120 sin 2 3 ln cos 120 sin 2 3 ln cos sin 2 3 ln cos t V r h r t V r h r t V r h r E l l T T l l S S l l R R x                  120 sin 120 sin sin 3 2 1 t k t k t k E x    3.26 dimana:   3 ln cos 2 1 l l R R V r h r k      3 ln cos 2 2 l l S S V r h r k    Universitas Sumatera Utara 26   3 ln cos 2 3 l l T T V r h r k    Demikian juga halnya dengan komponen E di sumbu y yang dapat dijumlahkan dengan cara yang sama, sebagai berikut: Ty Sy Ry y E E E E          T T T S S S R R R y r h r v r h r v r h r v E    sin ln sin ln sin ln                        120 sin 2 3 ln sin 120 sin 2 3 ln sin sin 2 3 ln sin t V r h r t V r h r t V r h r E l l T T l l S S l l R R y                  120 sin 120 sin sin 6 5 4 t k t k t k E y    3.27 dimana:   3 ln sin 2 4 l l R R V r h r k      3 ln sin 2 5 l l S S V r h r k      3 ln sin 2 6 l l T T V r h r k    Karena:   t t t    cos . 120 sin 120 cos . sin 120 sin       t t   cos 866 , sin 5 ,    dan,   t t t    cos . 120 sin 120 cos . sin 120 sin       t t   cos 866 , sin 5 ,    maka Persamaan 3. 25 dan 3. 26 menjadi:     t t k t t k t k E x      cos 866 , sin 5 , cos 866 , sin 5 , sin 3 2 1            t k k t k k k E x   cos 866 . 866 . sin 5 . 5 . 3 2 3 2 1      3.28 dan,     t t k t t k t k E y      cos 866 , sin 5 , cos 866 , sin 5 , sin 6 5 4            t k k t k k k E y   cos 866 . 866 . sin 5 . 5 . 6 5 6 5 4      3.29 Universitas Sumatera Utara 27 Selanjutnya,untuk memperoleh nilai E total E tot pada titik P, maka harga E x dan E y tersebut dijumlahkan secara vektoris seperti berikut: 2 2 2 y x tot E E E               2 3 2 3 2 1 cos 866 . 866 . sin 5 . 5 . t k k t k k k         2 6 5 6 5 4 cos 866 . 866 . sin 5 . 5 . t k k t k k k                    t k k k k k k  2 2 6 5 4 2 3 2 1 sin 5 . 5 . 5 . 5 .              t k k k k  2 2 6 5 2 3 2 sin 1 866 . 866 . 866 . 866 .         t t k k k k k k k k k k   cos sin 2 866 . 866 . 5 . 5 . 866 . 866 . 5 . 5 . 6 5 6 5 4 3 2 3 2 1                     t k k k k k k  2 2 6 5 4 2 3 2 1 sin 5 . 5 . 5 . 5 .           2 6 5 2 3 2 866 . 866 . 866 . 866 . k k k k           t k k k k  2 2 6 5 2 3 2 sin 866 . 866 . 866 . 866 .         t t k k k k k k k k k k   cos sin 2 866 . 866 . 5 . 5 . 866 . 866 . 5 . 5 . 6 5 6 5 4 3 2 3 2 1        Karena: t t t    2 sin cos sin 2  maka:           2 6 5 2 3 2 2 6 5 4 2 3 2 1 866 . 866 . 866 . 866 . 5 . 5 . 5 . 5 . k k k k k k k k k k                   6 5 6 5 4 3 2 3 2 1 2 866 . 866 . 5 . 5 . 866 . 866 . 5 . 5 . sin k k k k k k k k k k t                2 6 5 2 3 2 866 . 866 . 866 . 866 . 2 sin k k k k t      Dari hasil yang diperoleh di atas, diperoleh bahwa bentuk umum dari E tot 2 adalah sebagai berikut: 3 2 2 1 2 2 sin sin c t c t c E tot      3.30 Universitas Sumatera Utara 28 dimana:           2 6 5 2 3 2 2 6 5 4 2 3 2 1 1 866 . 866 . 866 . 866 . 5 . 5 . 5 . 5 . k k k k k k k k k k c                   6 5 6 5 4 3 2 3 2 1 2 866 . 866 . 5 . 5 . 866 . 866 . 5 . 5 . k k k k k k k k k k c               2 6 5 2 3 2 3 866 . 866 . 866 . 866 . k k k k c     Dari Persamaan 3. 30, diperoleh bentuk umum untuk E tot , yaitu: 3 2 2 1 2 sin sin c t c t c E tot      3.31 Dari Persamaan 3.31 di atas, terlihat bahwa E tot merupakan fungsi dari t . Untuk itu, nilai E tot ini harus dipetakan terhadap t . Kemudian, dari Persamaan 3.30 dapat dihitung nilai efektif dari E tot dengan menggunakan persamaan:     T tot tot dt E T eff E 2 1 3.32 Dari Persamaan 3.30 dan 3.31, dapat dilihat bahwa untuk berbagai titik di bawah saluran transmisi, yang mengalami perubahan hanyalah nilai c 1 , c 2 , dan c 3 . Dengan mensubstitusikan Persamaan 3.30 ke Persamaan 3.32, didapat:       T tot dt c t c t c T eff E 2 3 2 2 1 2 sin sin 1   3.33 Dari Persamaan 3.33, dapat dihitung nilai efektif dari kuat medan listrik di bawah saluran transmisi pada titik P. Dengan proses yang sedemikian rumit dan panjang, nilai maksimum dan nilai efektif dari kuat medan listrik yang diperoleh hanya untuk satu titik, yaitu titik P. Sehingga, apabila perhitungan kuat medan listrik di bawah saluran transmisi dilakukan secara manual akan memakan waktu yang sangat lama, karena: Universitas Sumatera Utara 29  Jika titik yang ditinjau bergeser, maka perhitungan secara manual harus diulang mulai dari awal, sehingga sangat memakan waktu dan tenaga.  Jika konstruksi menara yang digunakan adalah saluran ganda, maka perhitungan di atas akan berubah dan menjadi semakin rumit. Hal ini dikarenakan pada saluran ganda, variabel yang harus dihitung bertambah banyak.  Jika penghantar yang digunakan adalah penghantar berkas, maka perhitungan juga akan berubah dan menjadi semakin rumit. Untuk itu, dibuatlah suatu program pembantu menggunakan program MATLAB untuk menghitung kuat medan listrik di bawah saluran transmisi. Perhitungan dengan menggunakan program akan mempermudah pekerjaan karena proses perulangan perhitungan untuk berbagai posisi titik uji akan dilakukan secara otomatis oleh program tersebut. Perhitungan menjadi jauh lebih mudah dan singkat dimana pemakai cukup memasukkan parameter-parameter tertentu ke dalam program tersebut.

III. 4

Optimized Double Circuit Line ODCL Saluran transmisi sirkuit ganda Double Circuit adalah saluran transmisi yang memiliki dua sirkuit yang terpisah pada menara yang sama. Tiap sirkuit-nya terdiri dari 4 kawat dan 3 kawat. Sirkuit yang memiliki 4 kawat Gambar 3.4a terdiri dari 3 kawat fasa dan 1 kawat tanah. Sedangkan pada sirkuit yang memiliki 3 kawat Gambar 3.4b, ketiganya adalah kawat fasa. Kawat tanahnya hanya ada satu buah dan terletak pada ujung atas menara transmisi. Universitas Sumatera Utara 30 Gambar 3. 4 Jenis menara transmisi Sirkuit Ganda Secara fisik, saluran transmisi optimized double circuit line tidak ada bedanya dengan saluran transmisi sirkuit ganda double circuit lainnya. Optimized Double Circuit Line ODCL adalah salah satu jenis saluran transmisi sirkuit ganda Double Circuit , dimana ditandai dengan perubahan konfigurasi fasa pada kawat penghantarnya, yang bertujuan untuk mengurangi kuat medan listrik dan medan magnet yang dihasilkan oleh saluran transmisi tersebut. Kawat tanah a Kawat fasa b Universitas Sumatera Utara 31

BAB IV KUAT MEDAN LISTRIK DI BAWAH