Teknik Tenaga Listrik

SISTEM TENAGA


4. ELEMEN SISTEM TENAGA

Salah satu cara yang paling ekonomis, mudah, dan aman untuk mengirimkan energi adalah melalui bentuk energi listrik. Pada pusat pembangkit, sumberdaya energi primer seperti bahan baker fosil (minyak, gas alam, dan buatan), hidro, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi energi listrik. Generator sinkron mengubah energi mekanis yang dihasilkan pada poros turbin menjadi energi listrik tiga fasa.
Melalui transformator penaik tegangan (step-up transformator) energi listrik ini kemudian dikirimkan melalui saluran transmisi bertegangan tinggi menuju pusat-pusat beban. Peningkatan tegangan dimaksudkan untuk mengurangi jumlah arus yang mengalir pada saluran transmisi. Dengan demikian saluran transmisi bertegangan tinggi akan membawa aliran arus rendah dan berarti mengurangi rugi panas (heat loss) I² R yang menyertainya. Ketika saluran transmisi mencapai pusat beban, tegangan tersebut kembali diturunkan menjadi tegangan menengah, melalui transformator penurun tegangan (step-down transformator).
Di pusat-pusat beban yang terhubung dengan saluran distribusi, energi listrik ini diubah lagi menjadi bentuk-bentuk energi terpakai lainnya seperti energi mekanis (motor), penerangan, pemanas, pendingin, dan sebagainya.


Sumber:
Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.

PUSAT PEMBANGKIT DAN OPERASI EKONOMISNYA

Pusat pembangkit berfungsi untuk mengkonversinya sumber daya energi primer menjadi energi listrik. Pusat pembangkit listrik konvensional mencakup:
1. Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU); minyak, gas alam, dan batubara.
2. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA).
3. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG).
4. Pusat Listrik Tenaga Diesel (PLTD).
5. Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP).
6. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN).

1. Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU); minyak, gas alam, dan batubara.

Pada pembangkit listrik ini, bahan baker minyak, gas alam, atau batubara dipakai untuk membangkitkan panas dan uap pada boiler. Uap tersebut kemudian dipakai untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung dengan sebuah generataot sinkron. Setelah melewati turbin, uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi tadi muncul menjadi uap yang bertekanan dan bertemperatur rendah. Panas yang disadap oleh kondensor menyebabkan uap berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler.

2. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA).
Penggunaan tenaga air mungkin merupakan bentuk konversi energi tertua yang pernah dikenal manusia. Perbedaan vertical antara batas atas dengan batas bawah bendungan di mana terletak turbin air, dikenal sebagai tinggi terjun. Tinggi terjun ini mengakibatkan air yang mengalir akan memperoleh energi kinetic yang kemudian mendesak sudut-sudut turbin. Bergantung pada tinggi terjun dan debit air, dikenal tiga macam turbin yaitu: Pelton, Francis, dan Kaplan. Karena tidak menggunakan bahan baker, biaya operasi PLTA sangat rendah, namun hal ini dibarengi dengan biaya inbvestasi yang sangan tinggi untuk kontruksi pekarjaan sipilnya.
Bergantung pada ketersediaan sumber energi air, PLTA dapat berfungsi untuk memikul beban puncak ataupun beban dasar. Sebagai sumber daya energi yang dapat pulih, sumber potensi tenaga air sangat menarik untuk dikembangkan. Tetapi pemanfaatannya secara luas sangan dibatasi oleh kondisi geografis setempat dan permasalahan lokasi yang biasanya jauh dari pusat beban. Dari 77 863 MW potensi tenaga air yang terbesar di seluruh Indonesia, sampai dengan periode Pelita IV baru sekitar 2000 MW saja yang dimanfaatkan.

3. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG).
Seperti juga pada PLTD, PLTG atau turbin gas merupakan mesin dengan proses pembakaran dalam (internal combustion). Bahan baker berupa minyak atau gas alam dibakar di dalam ruang pemvbakar (combustor). Udara yang memasuki kompresor setelah mengalami tekanan bersama-sama dengan bahan baker disemprotkan ke ruang pembakar untuk melakukan proses pembakaran. Gas panas hasil pembakaran ini berfungsi sebagai fluida kerja yang memutar roda turbin bersudut yang terkopel dengan generator sinkron. Generator sinkron kemudian mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.
Berbeda dengan pada PLTD, pada PLTG tidak terdapat bagian mesin yang bergerak tranlasi (bolak-balik) karena itu ia merupakan mesin yang bebas dari getaran. Meskipun temperature temperature turbin gas (1000 º C) jauh lebih tinggi daripada temperature turbin uap (583º C), namun efisiensi konvensi termalnya hanya mencapai 20%-30%. Karena biaya modal yang rendah, serta biar\ya bahan baker yang tinggi, maka PLTG berfungsi memikul beban puncak.

4. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN).
Pada reactor air tekan (pressurized water reactor) terdapat dua rangkaian yang seolah-olah terpisah. Pada rangkaian pertama bahan baker uranium-235 yang diperkaya dan tersususn dalam pipa-pipa berkelompok, disundut untuk menghasilkan panas dalam reactor. Karena air dalam bejana penuh, maka tidak terjadi pembentukan uap, melainkan air menjadi panas dan bertekanan. Air panas yang bertekanan tersebut kemudian mengalir ke rangkaian kedua melalui suatu generator uap yang tebuat dari baja. Generator uap menghasilkan uap yang memutar turbin dan proses selanjutnya mengikuti siklus tertutup sebagaimana berlangsung pada turbin uap PLTU.
Keuntungan reactor air tekan yang mempunyai dua rangkaian ini terletak pada pemisahan rangkaian pertama yang merupakan reactor radioaktif dari proses konversi turbin uap yang berlangsung pada rangkaian kedua. Dengan demikian, uap yang masuk ke dalam turbin dan kondensor merupakan uap bersih yang tidak tercemar radioaktif. PLTN yang mempunyai biaya modal tinggi dan biaya bahan baker rendah itu seyogyanya beroperasi untuk beban dasar (7000-8000 jam per tahun).

Sumber:
Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.


5. KONVERSI ENERGI ELEKTROMEKANIK

Salah satu aspek penting dalam sistem tenaga adalah yang menyangkut konversi energi elektromekanik;yaitu konversi energi dari bentuk mekanik ke listrik dan dari bentuk listrik ke mekanik. Konversi energi tersebut berlangsung pada system tenaga melalui peralatan electromagnet yang disebut generator dan motor.
Blok disebelah kiri menggambarkan system pembangkit. Melalui generator sinkron tiga fasa yang menerima kopel dari poros turbin, system ini berperan untuk mengubah bentuk energi mekanik menjadi listrik
Blok di tengah menggambarkan bagian dari system tenaga yang mengirimkan energi listrik dari system pembangkit menuju system beban. Untuk mengurangi rugi-rugi panas, energi yang dikirim perlu dinaikkan tegangannya melalui transformataor penaik tegangan. Dengan demikian, meskipun transformator bukan termasuk peralatan konversi energi, namun merupakan alat pembantu electromagnet yang juga penting dalam system tenaga.
Blok disebelah kanan menggambarkan system beban yang mengubah sebagian dari energi listrik menjadi bentuk energi mekanik. Perubahan tersebut berlangsung dalam mesin-mesin berputar yang disebut motor. Selain itu sebagian energi listrik dipergunakan untuk keperluan beban lainnya seperti penerangan, pendinginan, dan pemanasan.

TRANSMISI DAN DISTRIBUSI
Apabila saluranb transmidi menyalurkan tenaga listrik bertegangan tinggi ke pusat-pusat beban dalam jumlah besar, maka saluran distribusi berfungsi untuk membagikan tenaga listrik tersebut kepada pihak pemakai melalui saluran tegangan rendah.
Generator sinkron di pusat pembangkit biasanya menghasilkanb tenaga listrik dengan tegangan antara 6-20 kV yang kemudian, dengan bantuan transformator, tegangan tersebut dinaikkan menjadi 150-500 Kv. Saluran tegangan tinggi (STT) menyalurkan tenaga listrik menuju pusat penerima; di sini tegangan ditirunkan menjadi tegangan subtransmisi 70 Kv. Pada gardu induk (GI), tenaga listrik yang diterima kemudian dilepaskan menuju trafo distribusi (TD) dalam bentuk tegangan menengah 20 Kv. Melalui trafo distribusi yang tersebar di bebagai pusat-pusat beban, tegangan distribusi primer ini diturunkan menjadi tegangan rendah 220/380 V yang akhirnya diterima piuhak pemakai.

Sumber:
Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.

6. KARAKTERISTIK BEBAN

Sistem tenaga listrik dirancang untuk dapat mengirim energi listrik dengan cara yang efisien dan aman kepada para pelanggan. Karakteristik dari permintaan anergi listrik kadangkala membuat usaha tersebut sulit untuk dipenuhi. Meramalkan pertumbuhan beban dan usaha untuk memenuhi siklus beban harian dan beban tahunan secara memuaskan merupakan dua kesulitan yang harus di atasi.
Melalui kombinasi pengkajian kecenderungan masa lalu dan pembuatan ramalan ke masa depan, perencana akan memperkirakan kebutuhan pembangkitan tenaga dan merekomendasikan pembangunan fasilitasnya. Namun demikian, tugas perencanba sistem tidak saja terbatas pada menjamin ketersediaan pembangkitan yang cukup saja, tapi juga harus dapat menentukan:
1. Apakah saluran transmisi yang tersedia beserta pelengkapnya masih cukup mampu untuk membawa tambahan energi listrik yang diperlukan?
2. Apakah peralatan sistem masih cukup andal untuk melindungi sistem dari keadaan-keadaan gangguan.
3. Apakah keadan gejala peralihan (transient) akan mengganggu operasi normal sistem.
4. Cara operasi yang paling ekonomis untuk bermacam-macam keadan pembebanan.

Selain persoalan-persoalan teknik tersebut, harus pula turut diperhatikan permasalahan yang menyangkut dampak lingkungan dan aspek penerimaan masyarakat atas hadirnya fasilitas baru ini. Dengan demikian seorang insinyur tenaga listrik, menghadapi kebutuhan listrik yang kian meningkat, diharapkan dapat melakukan perkiraan-perkiraan dan sekaligus menyelesaikan persoalan yang muncul secara tepat dan terus-menerus.
Mengingat teknologi yang tersedia saat ini mungkin untuk menyimpan energi listrik secara efisien serta memenuhi persyaratan biaya-manfaat, maka tenaga listrik harus dibangkitkan sebanyak yang diperlukan saja.
Pusat-pusatr pembangkit yang tersedia harus selalu dapat memenuhi kebutuhan beban yang berubah-berubah tersebut. Meskipun pusat pembangkit dengan ukuran besar biasanya dianggap ekonomis, namun jika tambahan daya yang diperlukan hanya sekedar untuk memenuhi beban puncak yang berlangsung beberapa jam, pembangkit ukuran kecil sudah cukup memadai untuk melayaninya. Karena itu, seorang insinyur tidak saja harus memperkirakan pertumbuhan beban dari tahun ke tahun, tapi juga harus mampu memperhitungkan secara ekonomis kebutuhan beban harian yang selalu berubah-ubah.
Karakteristik perubahan besarnya daya yang diterima oleh beban sistem tenaga setiap saat dalam suatru interval haro tertentu dikenal sebagai kurva beban harian. Penggambaran kurva ini dilakukan dengan mencatat besarnya beban setiap jam melalui pencatatan Mega Watt-meter yang terdapat di gardu induk. Sumbu vertical menyatakan skala beban dalam satuan MW, sedangkan sumbu horizontal menyatakan skala pencatatan waktu dalam 24 jam. Dengan demikian luas daerah di bawah kurva merupakan besarnya energi listrik yang diserap oleh beban dalam waktu 1 hari (MW x jam = MWh).

PROTEKSI

Suatu gangguan atau kegagalan, dalam keadan bagaimanapun, akan mempengaruhi aliran arus normal pada sistem tenaga. Gangguan-gangguan yang terjadi dapat disebabkan oleh sambaran petir, hubungan singkat karena kejatuhan benda tertentu pada kawat penghantar, rusaknya isolasi, dan lain sebagainya. Gangguan-gangguan tersebut dapat mengakibatkan lonjakan tegangan yang berlebihan, aliran arus yang sangat besar, bungan api listrik, dan kegagalan sistem tenaga untuk beroperasi secara keseluruhan. Menjadi tugas insinyur listrik pula untuk merancang sistem proteksi dengan mengatur pemakaian sekering (fuse), pemutus daya (circuit breaker), dan sistem relai yang mampu menemukan gangguan dengan cepat serta memisahkannya segera dari bagian sistem yang lain. Dengan rancangan sistem proteksi yang baik, ganggua-gangguan yang terjadi dapat dilokalisir [ada daerah kejadian saja sehingga tidak mengganggu para pelanggan di daerah lain.

NOTASI DAN SIMBOL

Penggunaan notasi dan symbol dalam buku ini diusahakan sesederhana mungkin. Untuk harga sesaat besaran arus bolak-balik, digunakan huruf kecil, misalnya I untuk arus sesaat, dan v untuk tegangan sesaat. Penggunaan huruf besar menunjukan nilai fasor yang mengandung besaran (magnitude) dan sudut. Besaran fasor adalah harga rms-nya (root-mean-square). Namun pada pemakaian tertentu, huruf besar juga berarti harga bilangan nyata yang hanya mempunyai besaran. Misalnya P=VI cos θ akan menghasilkan bilangan-bilangan nyata, sehingga nilai V dan I hanya menunjukkan besarannya saja.
Untuk perhitungan-perhitungan tiga fasa, daya nyata, daya reaktif, dan daya mayanya diasumsikan selalu mempunyai besaran tiga fasa, kecuali bilai dinyatakan lain.
Sumber:
Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.