Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
I. 4. Metode Penulisan
Metode yang digunakan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah: 1.
Studi literatur : merupakan studi ke pustakaan dan kajian dari buku- buku teks pendukung.
2. Penelitian : melakukan penelitian di pembangkit tenaga listrik wilayah
Sumatera Utara. 3.
Studi bimbingan : diskusi dan konsultasi berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik
Elektro USU selama penulisan Tugas Akhir.
I. 5. Sistematika Penulisan
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat
penulisan, metode dan sistematika penulisan.
BAB II : PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK
Bab ini berisi teori dasar tentang pembangkit tenaga listrik
secara umum, prinsip kerja alternator, reaksi jangkar, pembebanan alternator, dan fasor diagram alternator.
BAB III : GANGGUAN TIDAK SEIMBANG
Bab ini akan menjelaskan secara umum tentang gangguan tidak
seimbang.
BAB IV : ANALISIS PENGARUH GANGGUAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP PEMBANGKIT TENAGA
LISTRIK ALTERNATOR
Bab ini akan berisikan Gangguan Satu Fasa Ke Tanah, Gangguan Dua Fasa Ke Tanah, dan Gangguan Fasa Ke Fasa.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan-kesimpulan yang didapat dari awal penelitian sampai selesainya penelitian, serta berisikan saran-
saran untuk perbaikan di masa yang akan datang. 2
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
BAB II PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK
2.1 Umum
Generator AC Alternator banyak di jumpai pada pusat-pusat listik dengan kapasitas yang relatif besar. Misalnya, pada PLTA, PLTU, PLTD,
PLTN, PLTG dan lain-lain. Di sini umumnya generator AC di sebut dengan ALTERNATOR atau generator saja. Selain generator AC dengan kapasitas yang
relatif besar tersebut, dikenal juga generator AC degan kapasitas yang relatif kecil. Misalnya, generator yang dipakai untuk penerangan darurat, untuk penerangan
daerah-daerah terpencil yang belum terjangkau listrik, dan sebagainya. Generator tersebut sering disebut “ home light” atau “generator set”.
Alternator generator arus bolak-balik adalah suatu mesin listrik yang dapat merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Dengan kata lain generator
menerima energi mekanik dan merubahnya menjadi energi listrik.
Gambar 2.1. Blok Diagram Konversi Elektro Mekanik.
Dibandingkan dengan generator DC, generator AC lebih cocok umtuk pembangkit tenaga listrik berkapasitas besar. Hal ini didasarkan atas
pertimbangan-pertimbangan, antara lain: a.
Timbulnya masalah komutasi pada generator DC b.
Timbulnya persoalan dalam hal menaikkanmenurunkan tegangan pada listrik DC. Hal ini menimbulkan persoalan untuk hantaran dalam
pengiriman tenaga listrik transmisidistribusi, masalah penampang kawat, tiang transmisi rugi-rugi, dan sebagainya.
c. Listrik AC relatif lebih mudah untuk diubah menjadi listrik DC.
Energi Mekanik
Medan Magnet Listrik
Energi Listrik
Masukan Keluaran
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
d. Masalah efisiensi dan lain-lain pertimbangan.
2.2. Prinsip Kerja Alternator 2.2.1. Kontruksi Generator AC
Kontruksi generator AC lebih sederhana dibandingkan generator DC. Bagian-bagian terpenting dari generator AC adalah :
1. RANGKA STATOR
Dibuat dari besi tuang, rangka stator merupakan rumah dari bagian-bagian generator yang lain.
2. STATOR
Bagian ini tersusun dari plat-plat seperti yang dipergunakan juga pada jagkar dari mesin arus searah stator yang mempunyai alur-alur sebagai
tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai tempat terjadinya GGL induksi.
3. ROTOR
Rotor merupakan bagian yang berputar. Pada rotor terdapat kutub-kutub magnet dengan lilitannya yang di aliri arus searah, melewati cincin geser
dan sikat-sikat. 4.
SLIP RING atau CINCIN GESER Dibuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros
dengan memakai bahan isolasi. Slip ring ini berputar bersama-sama dengan poros dan rotor. Jumlah slip ring ada dua buah yang masing-
masing slip ring dapat menggeser sikat arang yang masing-masing merupakan sikat positif dan sikat negatif, berguna untuk mengalirkan arus
penguat magnet ke lilitan magnet pada rotor. Generator-generator sinkron umumnya dibuat sedemikian rupa sehingga
lilitan tempat terjadinya GGL tidak bergerak, sedangkan kutub-kutub akan menimbulkan medan magnet berputar. Generator semacam ini disebut generator
kutub dalam. Keuntungan generator kutub dalam ialah bahwa untuk mengambil arus tidak
dibutuhkan cincin geser dan sikat arang. Hal ini disebabkan lilitan-lilitan tempat terjadinya GGL itu tidak berputar. Generator sinkron tersebut terutama sangat
3 4
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
cocok untuk mesin-mesin dengan tegangan yang tinggi dan dengan arus yang besar.
Untuk mengalirkan arus penguat ke lilitan penguat yang berputar tetap diperlukan cincin geser dan sikat-sikat arang. Meskipun demikian bukan berarti
bahwa hal tersebut memberatkan karena arus penguat magnet tidak begitu besar dan tegangannya pun rendah.
Gambar 2.2. Bagan Mesin Berkutub Dalam
Bagian-bagian terpenting dari stator ialah rumah stator, inti stator dan lilitan stator. Inti stator ialah sebuah silinder yang berlubang, terbuat dari plat-plat
dengan alur-alur di bagian keliling dalamnya. Di dalam alur-alur itu dipasang lilitan statornya. Ujung-ujung lilitan stator ini dihubungkan dengan jepitan-jepitan
penghubung tetap dari mesin. Bagian-bagian yang terpenting dari rotor ialah kutub-kutub, lilitan penguat, cincin geser dan sumbu as.
Kontruksi generator yang umunya digunakan adalah jenis kutub dalam dan yang selanjutnya dibicarakan adalah kontruksi generator kutub dalam ini.
Kelebihan generator kutub dalam pada intinya ialah bahwa generator itu dapat menghasilkan tenaga listrik yang sebesar-besarnya, karena tegangan yang
terbentuk dapat langsung diambil dari lilitan statornya.
U
S
S S
U U
Kotak Terminal
Inti Stator Rangka Stator
Lilitan Penguat Inti Kutub
Cincin Geser
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Secara umum kutub magnet mesin sinkron dibedakan atas : 1.
Kutub magnet dengan bagian kutub yang menonjol SALIENT POLE. Kontruksi seperti ini digunakan untuk putaran rendah, dengan jumlah
kutub yang bannyak. 2.
Kutub magnet dengan bagian kutub yang tidak menonjol NON SALIENT POLE.
Kontruksi seperti ini digunakan untuk putaran tinggi, dengan jumlah kutub yang sedikit. Kira-kira 23 dari seluruh permukaan rotor dibuat alur-alur
untuk tempat lilitan penguat. Yang 13 bagian lagi merupakan bagian yang utuh, yang berfungsi sebagai inti kutub.
2.2.2. Karakteristik Alternator
1. Karakteristik Tanpa Beban
E = I
f
; n
s
= konstan I
a
= 0, Cos l tertentu
Gambar 2.3. Karakteristik Beban Nol Alternator. 2.
Karakteristik Hubung-singkat I
sc
= I
f
; n
s
dan f konstan, V = 0 yang diatur adalah I
f
. Sehingga diperoleh:
1 2
I
f
Garis celah udara V = E
A
I
A
I
f
I
sc
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.4. Karakteristik Alternator Terhubung-Singkat
2.2.3. Rangkaian Ekivalen Alternator
Bila grafik percobaan tanpa beban dan percobaan hubung-singkat generator digabungkan dapat dicari reaktansi X
S
sinkron-nya.
……….…………………………………….2-1
Z
S
= R
A
+ jX
S
………………………………………….2-2
…………...……………………………….2-3
Karena R
A
X
S
, X
S
= X
m
+ X
A
, maka Z
S
≈X
S
reaktansi sinkron. Di mana: Xm = reaktansi pemagnetan akibat reaksi jangkar yang bersifat
induktif. Pemakaian nilai linier sebagai bahan perhitungan mengabaikan grafik
melengkung ini dianggap sudah cukup akurat, mengingat kelebihan arus medan yang ada tersebut dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.
Gambar 2.5. Grafik Karakteristik Alternator.
Berikut ini adalah rangkaian ekivalen alternator:
1 2
I
f
Garis celah udara V = E
A
I
A
arus hubung-singkat Percobaan tanpa
beban Percobaan hubung-
singkat c
a
b
Vf Rf
Lf +
- V
ph
jXs R
A
+ -
E
A
bc oa
I E
Z
hs bn
s
= =
2 2
A S
s
R Z
X −
= 7
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.6. Rangkaian Ekivalen Alternator Per Fasa
Dimana: R
f
= Tahanan kumparan medan L
f
= Induktansi kumparn medan V
f
= GGL kumparan medan V
ph
= Tegangan terminal per fasa Adapun rangkaian ekivalen alternator 3 fasa adalah sebagai berikut:
Gambar 2.7. Rangkaian ekivalen alternator dalam hubung bintang.
Gambar 2.8. Rangkaian Ekivalen Alternator Dalam Hubungan Segitiga
2.3. Reaksi Jangkar
Tegangan E
A
adalah tegangan induksi per fasa pada generator sinkron. Dan hal ini hanya berlaku pada kondisi arus jangkar tidak mengalir I
a
= 0. Dan tegangan induksi E
A
ini kadangkala tidak sama dengan tegangan terminal V
.
Dan
I
L
V
L
+
- R
A
jXs jXs
R
A
E
1
E
3
E
2
jXs R
A
- +
I
A V
ph
I
L
+
- V
ph
E
1
E
2
E
3
R
A
jXs R
A
jXs R
A
I
A
jXs +
- V
L
8
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
bagaimana hubungan antara kedua tegangan ini, tergantung pada model generator itu sendiri.
Faktor yang sangat dirasakan dan pengaruhnya cukup besar dalam menyebabkan terjadinya perbedaan tegangan induks i E
A
dengan tegangan terminal V adalah apa yang dikenal dengan REAKSI JANGKAR. Bila rotor
generator singkron diputar, tegangan generator E
A
akan dibangkitkan pada statornya. Dan bila beban dihubungkan ke terminal generator generator bekerja
melayani beban, maka arus stator akan mengalir, dan ini menyebabkan timbulnya medan magnet pada stator. Medan magnet stator ini akan mendistorsi medan
magnet yang telah ada yang berasal dari rotor dan merubah besaran tegangan fasanya. Dan pengaruh ini dikenal dengan Reaksi Jangkar, karena arus jangkar
stator mempengaruhi medan magnet yang dihasilkan rotor.
Gambar 2.9. Medan Magnet Yang Berputar Akan Menghasilkan Tegangan Induksi E
A
. 9
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.10. Tegangan Resultan Menghasilkan Arus Lagging Bila Generator Melayani Arus Lagging.
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.11. Arus Stator Menghasilkan Medan Magnet Sendiri B
S
dan Tegangan E
stat
Pada Belitan Stator Mesin.
Gambar 2.12. Fasor Penjumlahan B
S
Dengan B
R
Yang Menghasilkan B
net
dan Penjumlahan E
stat
Dengan E
A
Menghasilkan V Pada Fasa Outputnya.
Gambar 2.9 menunjukkan rotor dua kutub yang berada di dalam stator tiga fasa. Dalam hal ini tak ada beban yang terhubung ke terminal generator. Medan
magnet rotor B
R
, akan membangkitkan tegangan induksi E
A
, dari Gambar ditentukan bahwa tegangan positif dimana arus keluar dari konduktor stator
berada di bagian atas Gambar, sedang terminal negatif dimana arus masuk ke konduktor adalah bagian bawah dari Gambar. Pada saat generator beroperasi
B
R
E
Amax
I
Amax
B
S
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
tanpa beban, tidak ada arus jangkar yang mengalir di rotor, dan E
A
akan sama dan sefasa dengan tegangan terminal V
.
Sekarang kita hubungkan terminal generator dengan beban induktif, dimana dalam hal ini, arus jangkar akan terbelakang secara fasor dari tegangan terminal.
Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.10, arus yang mengalir pada belitan stator akan menghasilkan medan magnet pada belitan itu sendiri dimana arahnya
ditentukan oleh kaedah Tangan Kanan, seperti yang diperlihatkan Gambar 2.11, medan magnet pada stator B
S
akan menghasilkan tegangan yang dalam Gambar disimbolkan sebagai E
stat
. Dengan dua tegangan yang ini E
A
dan E
stat
, pada belitan stator maka total tegangan pada fasa yang sama adalah penjumlahan dari tegangan
induksi E
A
dan tegangan reaksi jangkar E
stat
. Atau dapat ditulis :
V = E
A
+ E
stat
…… ………………………….………….2-4 Dan besarnya medan magnet total B
net
adalah penjumlahan dari medan magnet rotor B
R
dengan medan magnet stator B
S
. B
net
= B
R
+ B
S
…… ……………………………………..2-5
Bila sudut E
A
dan B
R
adalah sama, dan sudut E
stat
dan B
S
adalah sama, maka medan magnet resultan B
net
sama dengan tegangan V . Untuk menganalisis pengaruh reaksi jangkar terhadap tegangan fasa,
pertama tegangan E
stat
ditempatkan dengan sudut 90 dibelakang bidang arus
jangkar I
A
. Kedua, tegangan E
stat
sebanding dengan arus jangkar I
A
. Bila X adalah konstanta yang sebanding, naka tegangan reaksi jangkar dapat ditulis:
E
stat
= -jX. I
A
………..……………………………….……2-6 Dan tegangan fasanya:
V = E
A
- jX. I
A
……………………………………….…2-7
Dengan memperhatikan Gambar 2.13, maka menurut Hukum Kirchoff persamaan tegangan pada rangkaian dapat ditulis:
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
V = E
A
- jX. I
A
…………………………………….…….2-8
Gambar 2.13. Rangkaian Ekivalen Generator.
Persamaan ini sama dengan tegangan reaksi jangkar. Oleh karena itu, tegangan reaksi jangkar dapat dimodelkan seperti inductor yang seri dengan tegangan
induksi. Akibat adanya pengaruh reaksi jangkar ini, belitan stator juga mempunyai induktani sendiri self inductance L
A
yang berhubungan dengan reaktansi X
A
dan resistan rotor R
A
, maka total perbedaan tegangan antara E
A
dengan V dinyatakan oleh persamaan:
V = E
A
- jX. I
A
- jX. I
A
- I
A
. R
A
……………………..2-9
Pengaruh reaksi jangkar dan induktansi sendiri pada mesin yang keduanya direpresentasikan menjadi satu reaktansi dikenal juga dengan REAKTANSI
SINKRON X
S
. Dimana:
X
S
= X + X
A
…….……………………………………...2-10
Dengan demikian persamaan V akan menjadi: V
= E
A
- jX. I
A
- I
A
. R
A
.………………………………2-11
jX
V
F
I
A
+ -
E
A
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
2.4. Pembebanan Alternator
Gambar 2.14. Alternator Yang Dihubungkan Ke Beban.
Beban yang dipikul alternator bias bersifat resistif, induktif dan kapasitif, dalam keadaan berbeban tingkah laku alternator sangat bervariasi, tergantung dari
factor daya beban dan dalam keadaan beroperasi sendiri maupun dalam kerja parallel dengan alternator lain. Dengan mengabaikan R
A,
maka persamaan pada rangkaian ekivalen generator yang memikul beban adalah:
E
A
= V + jXs. I
A
……………………………………….2-12
Pada saat alternator diberi beban tambahan, maka arus beban yang dipasok generator juga meningkat. Namun karena resistansi medan R
f
tidak diubah, maka arus medan tetap constant yang juga mengakibatkan fluks-nya tetap pula.
Karena kecepatan putar penggerak mula dijaga tetap mengakibatkan besarnnya ggl E
A
alternator tetap juga. Berikut ini adalah efek yang ditimbulkan akibat penambahan beban pada
alternator yang beroperasi tunggal, dengan sifat beban resistif, induktif dan kapasitif.
Vf Rf
Lf
+
-
V
ph
jXs R
A
+ -
E
A
B eban
Z
b
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.15. Diagram Fasor Efek Penambahan Beban Saat Alternator Bekerja Tunggal Dengan Sifat Beban Resistif.
Gambar 2.16. Diagram Fasor Efek Penambahan Beban Saat Alternator Bekerja Tunggal Dengan Sifat Beban Induktif.
Gambar 2.17. Diagram Fasor Efek Penambahan Beban Saat Alternator Bekerja Tunggal Dengan Sifat Beban Kapasitif.
V’ I
A
I’
A
E’
A
E
A
V F = 0
d d
RESISTIF 14
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Keterangan Gambar : Simbol keterangan tanpa ‘, adalah keadaan mula-mula.
Symbol parameter dengan tanda ‘, adalah keadaan akibat penambahan beban pada alternator.
2.5 Diagram Fasor Alternator
Karena tegangan yang dibangkitkan pada generator sinkron adalah tegangan arus bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor.
Fasor ini mempunyai dua besaran yaitu Magnetude skalar dan sudut, dimana hubungan antara keduanya harus diekspresikan dalam dua dimensi. Bila E
A,
V , jX
s
.I
A
dan I
A
.R
A
di plot dalam suatu Gambar yang menunjukkan hubungan antara besaran tersebut, maka hasil dari plot Gambar ini disebut dengan DIAGRAM
FASOR. Sebagai contoh Gambar 2.18 menunjukkan hubungan tersebut dimana
generator melayani beban dengan faktor daya satu beban resistif murni. Dari Gambar 2.18, total tegangan E
A
berbeda dengan tegangan fasa V , yang disebabkan adanya tegangan drop pada element resistif dan induktif pada mesin.
Semua tegangan dan arus ini direfrensikan terhadap V , V sebagai referensi,
∠ =
Φ Φ
V V
. Diagram fasor ini dapat diperbandingkan dengan diagram fasor untuk
generator yang melayani beban induktif atau kapasitif Lagging PF atau Leading PF. Dimana diagram fasor untuk kedua beban yang terakhir ini masing-masing
diperlihatkan oleh Gambar 2.19 dan Gambar 2.20. Perlu dicatat bahwa arus jangkar dan tegangan fasa yang diberikan bahwa E
A
yang dibutuhkan untuk beban lagging beban induktif lebih besar dibandingkan dengan E
A
yang dibutuhkan beban kapasitif. Oleh karena itu arus medan yang besar beban kapasitif
membutuhkan arus medan yang besar untuk mendapatkan tegangan terminal yang sama, karena:
E
A
= K. . …………………………………………..2-13 15
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
Dimana dalam hal ini dijaga konstan untuk mendapatkan frekuensi yang konstan.
Gambar 2.18. Diagram Fasor Generator Sinkron Untuk PF = 1
Gambar 2.19. Diagram Fasor Generator Sinkron Untuk Beban Lagging.
Gambar 2.20. Diagram Fasor Generator Sinkron Untuk Beban Leading Beban Kapasitif
Pada kenyataanya, dalam kondisi normal, reaktansi sinkron jauh lebih besar bila dibandingkan dengan resistan jangkar R
A
, sehingga harga resistan ini seringkali diabaikan.
Daya Sari : Studi Tentang Pengaruh Gangguan Tidak Seimbang Pada Busbar Terhadap Generator Di Gardu Induk Paya Pasir, 2009.
USU Repository © 2009
BAB III GANGGUAN TIDAK SEIMBANG