PENYADAPAN DAYA PADA SALURAN TRANSIMISI DENGAN MENGGUNAKAN KOPLING KAPASITIF UNTUK SUPLAI LISTRIK DAERAH TERPENCIL

PENYADAPAN DAYA PADA SALURAN TRANSIMISI DENGAN MENGGUNAKAN KOPLING KAPASITIF UNTUK SUPLAI LISTRIK DAERAH TERPENCIL

Denny Azhari

Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Industri, Universitas Gunadarma

e-mail: my_escape13@yahoo.com

Astraksi: Paper ini dibuat dalam rangka menyelesaikan tugas softskill mata kuliah Teknik Tenaga Listrik. Jurnal ini membahas dan menganalisa mengenai pengembangan dari saluran transmisi yang ada dalam satuan acara perkuliahan (SAP) mata kuliah Teknik Tenaga Listrik Universitas Gunadarma. Salah satu alternatif untuk dapat memberikan sumber listrik pada daerah terpencil yang membutuhkan daya relative rendah dan dilalui oleh saluran transmisi adalah dengan melakukan penyadapan daya yang terdapat pada saluran transmisi dengan menggunakan kopling kapasitif. Kopling kapasitif yang digunakan membentuk suatu pembagi tegangan kapasitif yang berguna untuk menurunkan tegangan dari level tegangan transmisi ke level tegangan distribusi. Pemasangan Induktor yang dihubungkan pada sisi primer dan sisi sekunder transformator distribusi berfungsi untuk mengkompensasi resonansi yang timbul akibat adanya beban kapasitif. Pada tulisan ini dibahas kondisi sistem pada saat terjadi penyadapan baik saat transient maupun steady state dengan simulasi.

Kata kunci : transmisi, kopling kapasitif, pembagi tegangan kapasitif.

I. Pendahuluan

Listrik sudah menjadi barang penting bagi kita pada era sekarang ini. Pada masa sekarang, tenaga listrik sudah merupakan bagian dari kebutuhan pokok masyarakat, baik di perkotaan maupun di pedesaan. Dalam kemajuan pembangunan sarana kelistrikan di tanah air, ditemukan banyak daerah pedesaan yang dilewati saluran transmisi tegangan tinggi tanpa dapat menikmati aliran daya listrik yang besar itu.

Untuk kebutuhan pedesaan dengan daya yang relatif kecil, cara penyadapan konvensional dengan membangun suatu jaringan distribusi primer dengan memasang gardu induk berikut perlengkapannya maupun membangun suatu pembangkit memerlukan biaya yang besar dan kurang efisien. Oleh karena itu, salah satu alternatif dalam penyediaan daya listrik adalah dengan melakukan penyadapan daya saluran transmisi tegangan tinggi dengan kopling kapasitif. Diharapkan, cara ini dapat lebih efisien dan efektif, karena sistem yang digunakan cukup sederhana.

Konsep Dasar Penyadapan Daya Saluran Transmisi

Penyadapan daya saluran transmisi yang dimaksud adalah pengambilan sebagian daya yang terdapat pada saluran udara transmisi tegangan tinggi 35 kV sampai dengan 245 kV[1] ataupun saluran udara transmisi tegangan ekstra tinggi di atas 245 kV dengan memanfaatkan keberadaan daya yang diinduksikan oleh kopling kapasitif pada suatu konduktor yang berada di dalam medan listrik saluran udara transmisi.

Daya diperoleh dari muatan yang diinduksikan pada suatu bagian kawat tanah saluran udara tansmisi yang diisolasi dari strukturnya, sebagaimana yang dilakukan pada kawat fasa saluran distribusi. Peralatan yang digunakan dilengkapi dengan reaktansi induktif untuk mengkompensasi tingginya reaktansi kapasitif yang ekuivalen dengan impedansi internal kawat tanah saluran udara yang juga bernilai tinggi.

Cara penyadapan daya saluran transmisi ini, yang dikenal dengan sistem kopling kapasitif (Capacitive Coupling System / CCS), dikembangkan menjadi suatu suplai daya didasarkan pada suatu pembagi tegangan kapasitif yang dihubungkan langsung pada kawat fasa saluran udara transmisi dan merupakan input suatu transformator penurun tegangan.

Penyadapan Daya Saluran Transmisi melalui Kawat Fasa

Merupakan penyadapan dengan cara memasang suatu pembagi tegangan kapasitif pada kawat fasa untuk menurunkan tegangan level transmisi menjadi tegangan level distribusi untuk kemudian disalurkan ke konsumen. Rangkaian pembagi tegangan terdiri dari dua buah kapasitor yang dihubungkan seperti pada Gambar 1 dan rangkaian ekivalen Theveninnya dapat dilihat pada Gambar 2. Dari gambar rangkaian tersebut, didapat persamaan berikut :

Kondisi Tunak ( Steady State )

Akibat adanya CTH, maka impedansi sumber akan tinggi dan V2 akan sulit diregulasi atau diatur apabila beban bervariasi. Namun, hal ini dapat diatasi dengan menambah induktor yang dihubungkan seri. Induktor yang digunakan sebesar:

Sehingga akan diperoleh persamaan :

Maka rangkaian dasar dan rangkaian ekivalen Thevenin menjadi seperti yang terlihat pada

Gambar 3.

Dengan memasukkan nilai L akan diperoleh :

Pada kondisi beban penuh :

Pada kondisi tanpa beban : V3 = V2 = VTH.

Tegangan keluaran V2 kemudian dihubungkan dengan suatu transformator distribusi untuk menurunkan tegangan dari level distribusi ke level pelayanan 220 V. Induktor regulator atau kompensator dapat dihubungkan pada sisi primer atau sisi sekunder transformator seperti yang tampak pada Gambar 4.

Kondisi Transient

Masalah utama yang harus diperhatikan pada sistem kopling kapasitif pada kawat yang menggunakan pembagi ini adalah kondisi transient. Kondisi ini akan mempengaruhi desain sistem secara keseluruhan. Berikut ini adalah beberapa simulasi yang telah dilakukan beserta hasilnya.

1. Simulasi Hubung Singkat. Dilakukan pada sisi primer transformator dengan suatu inductor atau reaktor yang telah terhubung. Dan pengamatan difokuskan pada tegangan-lebih yang dihasilkan dari simulasi ini.

2. Simulasi Beban Nol. Dengan menghitung arus dan tegangan transient, dilakukan analisa kemungkinan timbulnya feroresonansi pada transformator yang disebabkan oleh saturasi inti. Beberapa kasus yang dianalisa diantaranya: (a) efek magnetis residual maksimum; positif dan negatif , (b) efek magnetis residual 50%; positif dan negatif, (c) tegangan puncak rata-rata pada C2 melewati titik nol.

3. Simulasi Surja Hubung. Untuk mengetahui unjuk kerja sistem pada kondisi rangkaian yang berbeda, dilakukan analisa terhadap tiga kasus berikut: (a) Dalam waktu sesaat, melakukan pembebanan pada sistem dengan tegangan sumber positif maksimum, dimana transformator tidak terhubung. (b) Sama seperti di atas, namun transformator dihubungkan pada sistem dengan kondisi tanpa beban. (c) Penutupan sesaat dilakukan pada sistem dan kemudian diikuti dengan pembukaan, saat tegangan maksimum berada pada polaritas yang berlawanan.

Desain Sistem

Dalam mendesain suatu sistem, maka terlebih dahulu perlu diketahui parameter-parameter yang mempengaruhi optimalisasi sistem dan cara penghitungan untuk mendapatkan nilai optimumnya.

Untuk sistem dengan rangkaian yang menghubungkan induktor pada sisi primer transformator, seperti pada Gambar 4a, penghitungan untuk mendapatkan nilai optimumnya menggunakan persamaan berikut:

dimana:

VTL, tegangan saluran transmisi,

Vo, tegangan keluaran yang diperlukan,

S, kapasitas daya keluaran,

n, rasio lilitan transformator,

VLmax, tegangan maksimum inductor L.

Untuk sistem dengan rangkaian yang menghubungkan induktor pada sisi sekunder transformator, seperti pada gambar 4b, maka persamaan-persamaan untuk mendapatkan nilai optimumnya adalah semua persamaan yang digunakan pada sistem sebelumnya ditambah dengan persamaan-persamaan berikut:

Dalam upaya untuk menurunkan arus hubungsingkat dan mengurangi tegangan-lebih pada C1 dan C2, maka pengaman yang digunakan adalah yang tanpa gaps dan reaktor atau inductor dipasang pada sisi primer maupun sisi sekunder transformator, agar arus hubung-singkat pada sisi primer berkurang.

Suatu fuse disconnector satu fasa dapat digunakan sebagai pengaman terhadap gangguan-gangguan yang timbul pada kopling kapasitor C1 dan juga gangguan yang terjadi di antara terminal dan kopling kapasitif. Untuk melindungi dari gangguan-gangguan pada sisi primer transformator, dapat digunakan suatu fuse cut-out. Sebagai pengaman terhadap petir dan tegangan lebih saat terjadinya gangguan, dapat digunakan zinc oxide arresters pada sisi tegangan tinggi maupun sisi tegangan rendah kopling kapasitif

Simulasi dengan Menggunakan EMTP

Agar dapat mengevaluaasi desain sistem terutama respon terhadap kondisi transient, Instituto de Investigaciones Electricas, sebuah lembaga kelistrikan di Mexico, mengadakan simulasi dengan menggunakan bantuan program EMTP dan test laboratorium. Simulasi dilakukan pada saluran transmisi bertegangan 115 kV dengan menggunakan 2 kapasitor 50 kVAR 14,4 kV, 4 kapasitor 50 kVAR 13,8 kV, dan 2 kapasitor 100 kVAR 12,47 kV; serta dua induktor kompensator, 3,9 H -3,3 A dan 0,63 mH – 200 A, yang dihubungkan pada sisi primer dan sekunder transformator distribusi 13.200 kV / 240/120 V – 50 kVA.

Masalah utama yang harus diperhatikan dari pembangunan instalasi Sistem Kopling Kapasitif ini salah satunya adalah kondisi transien sistem. Agar dapat mengevaluasi desain sistem dan memilih peralatan pengaman yang diperlukan, Instituto de Invstigaciones Electricas, sebuah lembaga kelistrikan di Mexico, mengadakan simulasi dengan menggunakan bantuan program EMTP dan test laboratorium.

Simulasi hubung-singkat dilakukan pada sisi tegangan rendah kopling kapasitif atau sisi primer transformator distribusi. Tegangan-lebih yang dihasilkan dari simulasi ini besarnya mendekati 10 kali tegangan nominalnya, walaupun sistem pengaman yang digunakan beroperasi sangat cepat. Beberapa upaya dilakukan untuk mengurangi nilai tegangan-lebih tersebut. Solusi akhir yang ditempuh adalah dengan menggunakan dua induktor kompensator, yang satu dihubungkan pada sisi tegangan rendah kopling kapasitif atau sisi primer transformator distribusi dan yang lainnya pada sisi tegangan rendahnya atau sisi beban.

Tegangan-lebih yang timbul pada kapasitor C1 dan C2 bernilai maksimal 1,2 p.u. dan 1,28 p.u. dari nilai rating tegangannya, dan mempunyai bentuk gelombang osilasi underdamped. Simulasi beban nol bertujuan untuk mengetahui unjuk-kerja sistem saat transformator distribusi tidak dibebani. Dan nilai tegangan yang melewati kapasitor C2 adalah 12,85 KV. Simulasi Surja-Hubung Kopling Kapasitif bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja kapasitor kopling akibat terjadinya surja-hubung pada tiga kondisi yang berbeda:

(a) menghubungkan kapasitor kopling dengan sumber tegangan bernilai positif maksimum dalam waktu singkat, dimana sistem tidak terhubung dengan transformator distribusi;

(b) menghubungkan kapasitor kopling dengan sumber tegangan bernilai positif maksimum dalam waktu singkat, dimana system terhubung pada transformator distribusi dengan beban-nol;

(c) penutupan dan pembukaan hubungan kapasitor kopling dalam waktu singkat, dengan tegangan maksimum berlawanan polaritas.

Diketahui bahwa hanya pada kondisi terakhir, tegangan-lebih yang timbul dapat membahayakan kapasitor C1. Oleh karena itu, system sebaiknya tidak mempergunakan peralatan penutupan otomatis (automatic recloser). Setelah keseluruhan sistem didesain dan dianalisa dengan menggunakan simulasi program komputer, kemudian dibangun prototipenya.

Pada prototipe sistem tersebut dilakukan beberapa tes di laboratorium dengan tujuan:

(a) untuk mengetahui kualitas pelayanan (regulasi tegangan) dan keandalan sistem;

(b) untuk mengetahui operasionalisasi yang sesuai untuk semua peralatan pada kondisi yang berbeda;

(c) untuk mengetahui efek-efek membahayakan yang mungkin timbul pada saluran transmisi.

Test hubung singkat pada sisi tegangan rendah kopling kapasitif dilakukan dengan menghubung singkat sisi netral induktor kom-pensator sisi tegangan tinggi atau sisi primer transformator distribusi. Saat terjadi gangguan, kenaikan nilai tegangan transmisi tidak lebih 2% dan gangguan dapat dihilangkan oleh fuse 2 A.

Test hubung singkat pada sisi sekunder transformator distribusi dilakukan dengan cara sisi inductor kompensator pada sekunder transformator distribusi atau sisi beban dihubung-singkat dengan ground.. Fuse 200 A. Dipasang pada sisi beban dan fuse cut-out 2 A. dipasang pada sisi primer sebagai pengaman.

Arus hubung-singkat rata-rata yang timbul pada sisi sekunder mencapai 1.200 A. (rms) dan arus hubungsingkat ini mengakibatkan fuse cut-out 2 A terbuka dalam waktu 0,5 detik. Selama test dilakukan, tegangan rata-rata dari saluran transmisi mencapai 73 kV (rms), 10% lebih besar dari tegangan nominal. Tegangan rata-rata pada sisi primer transformator distribusi dibatasi sebesar 16,5 kV (rms) dengan menggunakan surge arrester. Gangguan yang terjadi pada beban diamankan dengan sistem pengaman tersendiri, yaitu fuse atau circuit-breaker yang dipasang pada beban. Tahanan sebesar 7,7 Ohm diletakkan pada jarak 50 m dari transformator distribusi untuk mensimulasikan beban-beban konsumen.

Arus hubung-singkat rata-rata yang timbul akibat terjadinya gangguan hubungsingkat pada beban besarnya kurang dari 520 A. (rms) dan fuse yang dipasang pada beban atau konsumen beroperasi dalam waktu kurang dari 3 cycle. Tegangan-lebih rata-rata pada sisi primer transformator distribusi juga mencapai 16,5 kV (rms).

Simulasi Menggunakan Psipce

Nilai besaran yang digunakan pada simulasi menggunakan Pspice sama dengan nilai besaran yang digunakan pada simulasi menggunakan EMTP, sub bab sebelumnya. Namun karena adanya perbedaan variabel, maka nilai besaran untuk kapasitor diubah dalam satuan Farad. Sehingga untuk kapasitor 50 kVAR - 13,8 kV digunakan nilai 0,639608021 mF; kapasitor 50 kVAR – 14,4 kV digunakan nilai 0,6964351987 mF; dan kapasitor 100 kVAR – 12,47 kV digunakan nilai 1,705830889 mF. Skema rangkaiannya dapat dilihat pada Gambar 8.

Dari simulasi hubung-singkat pada sisi tegangan rendah kopling kapasitif. Nilai tegangan-lebih yang timbul pada kapasitor C1 dan C2 adalah sebesar 138,359 kV dan 30,31 kV, dengan bentuk gelombang osilasi underdamped.

Apabila nilai tegangan nominal pada kapasitor C1 dan C2 adalah 115 kV dan 24,94 kV; maka nilai tegangan-lebih yang timbul sama dengan 1,2031 p.u. ~ 1,20 p.u. dan 1,2153 p.u. ~ 1,22 p.u. Grafik hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar

9. Dari simulasi beban nol. Nilai maksimum tegangan pada C2 saat transformator diberi beban nol adalah sebesar 12,459 kV. Grafik dan output hasil simulasi beban nol ini dapat dilihat pada Gambar 10.

Kesimpulan

1. Sistem kopling kapasitf adalah suatu cara untuk mendapatkan daya dari saluran transmisi dengan menurunkan tegangan transmisi ke tegangan distribusi primer berdasarkan prinsip pembagi tegangan. Tegangan yang diperoleh bersifat kapasitif, maka perlu dikompensasi dengan induktor agar diperoleh pengaturan tegangan yang baik pada outputnya.

2. Sistem kopling kapasitif ini perlu dilengkapi dengan peralatan pengaman yang cukup memadai, agar tidak berpengaruh besar terhadap saluran transmisi apabila terjadi gangguan pada sistem kopling kapasitif.

Referensi

[1]. _____________.”Capasitor Bank Used to

Power Remote Loads Can Be a Headache”,

Electrical World , May 15, 1971.

[2]. B.G. Checo International. Capacitive

Coupling Supply. International Promotion

Service, Canada

[3]. Fink, Donald G. & Beaty, H. Wayne.

Standard Handbook For Electrical

Engineer. 12thed. MacGraw Hill, Singapore,

1987

[4]. Hutauruk, T.S. Transmisi Daya Listrik.

Penerbit Erlangga, Jakarta 1993

[5]. Kusnetsov, M. Fundamental of Electrical

Engineering. Peace Publisher, Moscow.

[6]. Maruvada, P. Sarma and Harbec, G.

“Capacitance Power Tap-Off From

Transmission Lines Using Ground Wires:

Calculation of Equivalent Circuit

Parameters”, IEEE Transaction On Power

Apparatus & Systems. Vol. PAS-97, no 4

July/Aug. 1978.

[7]. Rashid, Muhamad H. Spice for Circuits

And Electronics Using Spice. 2nd ed,

Prentice Hall, New Jersey, 1995.

[8]. Sarmiento, H.G., “Solving Electric Energy

Supply to Rural Areas: The Capacitive

Voltage Divider” IEEE Transaction on

Power Delivery, Vol 5, No. 1 Jan 1990.

[9]. Soedirman, Soemarto. “Penyadapan Daya

Saluran Transmisi Dengan Kopling

Kapasitif, Energi & Listrik”, 1989-1,LMK

1989.

[10]. Stevenson, William D., Jr. Elementary of

Power System Analysis. 4th ed., McGraw

Hill, Singapore, 1989.

[11]. Tuinenga, Paul E., Spice: A Guide to

Circuit Simulation and Analysis Using

Pspice. 3rd ed.,Prentice Hall, New Jersey,

1995.