A. Pendahuluan
Pada sistem tenaga listrik 3 fase, idealnya daya listrik yang dibangkitkan, disalurkan dan diserap oleh beban semuanya seimbang, P pembangkitan = P pemakain, dan juga pada tegangan yang seimbang. Pada tegangan yang seimbang terdiri dari tegangan 1 fase yang mempunyai magnitude dan frekuensi yang sama tetapi antara 1 fase dengan yang lainnya mempunyai beda fase sebesar 120°listrik, sedangkan secara fisik mempunyai perbedaan sebesar 60°, dan dapat dihubungkan secara bintang (Y, wye) atau segitiga (delta, Δ, D).
Gambar 1. sistem 3 fase.
Gambar 1 menunjukkan fasor diagram dari tegangan fase. Bila fasor-fasor tegangan tersebut berputar dengan kecepatan sudut dan dengan arah berlawanan jarum jam (arah positif), maka nilai maksimum positif dari fase terjadi berturut-turut untuk fase V1, V2 dan V3. sistem 3 fase ini dikenal sebagai sistem yang mempunyai urutan fasa a – b – c . sistem tegangan 3 fase dibangkitkan oleh generator sinkron 3 fase.
B. Hubungan Bintang (Y, wye)
Pada hubungan bintang (Y, wye), ujung-ujung tiap fase dihubungkan menjadi satu dan menjadi titik netral atau titik bintang. Tegangan antara dua terminal dari tiga terminal a – b – c mempunyai besar magnitude dan beda fasa yang berbeda dengan tegangan tiap terminal terhadapa titik netral. Tegangan Va, Vb dan Vc disebut tegangan “fase” atau Vf.
Gambar 2. Hubungan Bintang (Y, wye).
Dengan adanya saluran / titik netral maka besaran tegangan fase dihitung terhadap saluran / titik netralnya, juga membentuk sistem tegangan 3 fase yang seimbang dengan magnitudenya (akar 3 dikali magnitude dari tegangan fase).
Vline = akar 3 Vfase = 1,73Vfase
Sedangkan untuk arus yang mengalir pada semua fase mempunyai nilai yang sama,
ILine = Ifase
Ia = Ib = Ic
C. Hubungan Segitiga
Pada hubungan segitiga (delta, Δ, D) ketiga fase saling dihubungkan sehingga membentuk hubungan segitiga 3 fase.
Gambar 3. Hubungan Segitiga (delta, Δ, D).
Dengan tidak adanya titik netral, maka besarnya tegangan saluran dihitung antar fase, karena tegangan saluran dan tegangan fasa mempunyai besar magnitude yang sama, maka: Vline = Vfase
Tetapi arus saluran dan arus fasa tidak sama dan hubungan antara kedua arus tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan hukum kirchoff, sehingga:
Iline = akar 3 Ifase = 1,73Ifase
Iline = akar 3 Ifase = 1,73Ifase
D. Daya pada Sistem 3 Fase
· Daya sistem 3 fase Pada Beban yang Seimbang
Jumlah daya yang diberikan oleh suatu generator 3 fase atau daya yang diserap oleh beban 3 fase, diperoleh dengan menjumlahkan daya dari tiap-tiap fase. Pada sistem yang seimbang, daya total tersebut sama dengan tiga kali daya fase, karena daya pada tiap-tiap fasenya sama.
Gambar 4. Hubungan Bintang dan Segitiga yang seimbang.
Jika sudut antara arus dan tegangan adalah sebesar θ, maka besarnya daya perfasa adalah fase = Vfase.Ifase.cos θ .dangkan besarnya total daya adalah penjumlahan dari besarnya daya tiap fase, dan dapat dituliskan dengan, PT = 3.Vf.If.cos θ
Pada hubungan bintang, karena besarnya tegangan saluran adalah 1,73Vfase maka tegangan perfasanya menjadi Vline/1,73, dengan nilai arus saluran sama dengan arus fase, IL = If, maka daya total (PTotal) pada rangkaian hubung bintang (Y) adalah: PT = 3.VL/1,73.IL.cos θ = 1,73.VL.IL.cos θ
Dan pada hubung segitiga, dengan besaran tegangan line yang sama dengan tegangan fasanya, VL = Vfasa, dan besaran arusnya Iline = 1,73Ifase, sehingga arus perfasanya menjadi IL/1,73, maka daya total (Ptotal) pada rangkaian segitiga adalah: PT = 3.IL/1,73.VL.cos θ = 1,73.VL.IL.cos θ
Dari persamaan total daya pada kedua jenis hubungan terlihat bahwa besarnya daya pada kedua jenis hubungan adalah sama, yang membedakan hanya pada tegangan kerja dan arus yang mengalirinya saja, dan berlaku pada kondisi beban yang seimbang.
· Daya sistem 3 fase pada beban yang tidak seimbang
Sifat terpenting dari pembebanan yang seimbang adalah jumlah phasor dari ketiga tegangan adalah sama dengan nol, begitupula dengan jumlah phasor dari arus pada ketiga fase juga sama dengan nol. Jika impedansi beban dari ketiga fase tidak sama, maka jumlah phasor dan arus netralnya (In) tidak sama dengan nol dan beban dikatakan tidak seimbang. Ketidakseimbangan beban ini dapat saja terjadi karena hubung singkat atau hubung terbuka pada beban.
Dalam sistem 3 fase ada 2 jenis ketidakseimbangan, yaitu:
1. Ketidakseimbangan pada beban.
2. ketidakseimbangan pada sumber listrik (sumber daya).
Kombinasi dari kedua ketidakseimbangan sangatlah rumit untuk mencari pemecahan permasalahannya, oleh karena itu kami hanya akan membahas mengenai ketidakseimbangan beban dengan sumber listrik yang seimbang.
Gambar 5. Ketidakseimbangan beban pada sistem 3 fase.
Pada saat terjadi gangguan, saluran netral pada hubungan bintang akan teraliri arus listrik. Ketidakseimbangan beban pada sistem 3 fase dapat diketahui dengan indikasi naiknya arus pada salahsatu fase dengan tidak wajar, arus pada tiap fase mempunyai perbedaan yang cukup signifikan, hal ini dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan.
E. Hasil Penelitian dan Pembahasan Pengaruh Beban Tak SeimbangTerhadap Pembangkitan dan Permintaan Daya Dalam Sistem Tenaga Listrik
Hasil simulasi unbalanced 3 phase load flow analysis menunjukkan bahwa perhitungan aliran daya tak seimbang mencapai konvergensi pada iterasi ke-5. Besaran-besaran yang dihasilkan yaitu berupa tegangan, arus dan rugi-rugi daya. Tegangan mempunyai persentase ketidakseimbangan terbesar pada bus 9 yaitu pada fasa a dan b mengalami kenaikan dari kondisi seimbang yaitu masing-masing sebesar 0,029% dan 0,231% sedangkan fasa c mengalami penurunan yaitu sebesar 0,262%. Kenaikan dan penurunan tegangan tak seimbang dari referensi kondisi seimbang dapat dilihat dalam tabel 1 dan Gambar 4.
Persentase ketidakseimbangan arus terbesar yaitu pada saluran penghubung antara bus 14-13 sebesar 29,63%, 32,10%, dan 38,27% untuk masing-masing fasa a, b, dan c (gambar 5). Akibat ketidakseimbangan antar fasa menyebabkan mengalirnya arus netral seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Arus netral maksimun terjadi pada saluran penghubung antara bus 7 -8 dan 9-7 yaitu sebesar 12 A.
Rugi-rugi daya aktif dan rugi-rugi daya reaktif yang dihasilkan masing-masing fasa yaitu a, b dan c untuk beban tak seimbang ditunjukkan pada saluran penghubung antara bus 9-10 yaitu sebesar 44,64%, 33,76% dan 21,60% untuk masing-masing fasa a, b dan c.
Besarnya pembangkitan dan permintaan daya aktif dan daya reaktif masing-masing fasa untuk kondisi beban tak seimbang dapat dilihat Tabel 2 dan 3.
F. Kesimpulan
· Hasil simulasi menunjukkan bahwa akibat besar variasi beban yang berbeda antar fasa menyebabkan pembangkitan tak seimbang antar fasa. Total Pembangkitan daya aktif yaitu sebesar 273,942 MW dengan persentase masing-masing fasa yaitu sebesar 32,85%, 32,97% dan 34,18%. Sedangkan total pembangkitan daya reaktif yaitu sebesar 124.405 MVAR dengan persentase masing-masing fasa yaitu 32,59%, 33,09% dan 34,33% untuk masing-masing fasa a, b dan c.
· 2. Pemakaian beban yang tidak seimbang dapat meyebabkan arus saluran antar fasa tidak seimbang. Ketidakseimbangan beban antara fasa menyebabkan adanya arus netral yaitu berkisar antara 3-12 A. Arus netral maksimun yaitu sebesar 12 A terjadi pada saluran penghubung antara bus 7-8 dan bus 9-7.
