Arus netral pada gardu distribusi karena beban tak seimbang

Latar Belakang

Sistem Distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat tegangan rendah 220/380 volt umumnya dipergunakan untuk memasok kelompok beban perumahan,gedung perkantoran,kawasan industri dan lainnya.Dalam kondisi operasi normal, sistem distribusi tenaga listrik mempunyai arus beban yang relatif seimbang dengan dengan arus netral sistem sangat kecil, yakni tidak melebihi 20% dari arus normal. Namun kenyataannya didapatkan beberapa kasus dimana arus netral sistem menjadi sangat berlebihan,bahkan melebihi arus fasanya,meskipun arus fasa-fasanya seimbang.

Pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat, beban dikatakan seimbang jika pada masing-masing fasa mengalir arus yang sama besarnya,namun pada kenyataannya selalu ada ketidak seimbangan sehingga arusnya pun tidak seimbang. Pada kerja normal umumnya daya ke konsumen diambil dari feeder tiga fasa dengan empat kawat. Karena pemakaian atau pengoperasian beban tidak selalu pada waktu bersamaan pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat maka seringkali terjadi ketidak seimbangan pada fasa-fasanya. Akibatnya timbul arus balik yang mengalir pada konduktor netral kesumber yang kita kenal dengan arus netral. Arus netral ini merupakan penjumlahan vektor dari ketiga fasa arus fasa dalam komponen simetris.

1. GARDU DISTRIBUSI

Pengertian Umum

Yang dimaksud dengan Gardu Distribusi adalah suatu tempat/ bangunan instalasi listri yang didalamnya terdapat alat-alat : Pemutus, penghubung, pengaman dan trafo Distribusi untuk mendistribusikan tenaga listrik sesuai dengan kebutuhan tegangan konsumen.

Fungsi Gardu Distribusi Adalah Sebagai Berikut :

•  

1.        Menyalurkan/ meneruskan tenaga listrik tegangan menengah ke konsumen tegangan rendah.

2.      Menurunkan tegangan menengah menjadi tegangan rendah selanjutnya disalurkan kekonsumen tegangan rendah.

3.      Menyalurkan/ meneruskan tenaga listrik tegangan menengah ke gardu distribusi lainnya dan kegardu hubung.

Jenis-jenis Gardu :

• Gardu kios

Gardu kios adalah Gardu Distribusi yang pembangunannya biasanya bersifat untuk sementara saja selama ada rehabilitasi Gardu.Bangunannya terdiri dari rangka besi dan dindingnya dari Seng serta lantainya biasanya terbuat dari kayu atau beton. Ruangan pada Gardu ini terdiri dari 3 bagian, yaitu :

1.         

1.        Ruangan Tegangan Menengah

2.      Ruang Trafo

3.      Ruang Tegangan Rendah

• Gardu Beton/ Tembok

Sesuai dengan namanya maka gardu ini terbuat dari beton. Type  dari bagunan ini bermacam-macam sesuai dengan lokasi dan kebutuhan . Kapasitas transformator yang di pasang pada gardu ini dapat lebih besar dibandingkan dengan gardu-gardu sebelumnya yang sudah dijelaskan

Jumlah Trafo yang  dapat ditampung dalam gardu ini adalah 400 KVA s/d 630 KVA tetapi ada pula tempat-tampat tertentu trafo mancapai 1000 KVA.oleh karena kemampuannya yang cukup besar maka pembangunan gardu ini biasanya dilaksanakan pada daerah-daerah yang mempunyai kepadatan lebih besar/ daerah kawasan industri.pada gardu beton jenis yang lama biasanya ruangan tegangan menengah, ruangan trafo dan ruangan tegangan rendah dipisahkan oleh skat tembok atau terali kawat. Jenis gardu ini biasanya disebut jenis Open Type. Sedangkan bangunan beton yang baru sekat-sekat tak ada dimungkinkan karena instalasi tegangan menengah ada dalam kontak yang tertutup yang biasanya disebut cubikel sehingga lebih aman dan mudah dalam pengoprasian dan hemat tempat. Karena peralatan tegangan menengah berada didalam cubikel maka gardu beton gardu beton close type.

Perlengkapan yang ada dalam gardu antara lain:

·          

• Cubikel
• Trafo
• Rak Tegangan Rendah
• Dan lain-lain

Peralatan yang di gunakan

• Rak TR untuk 4 jurusan

Berfungsi untuk, setelah tegangan ke Rak TR selanjutnya tegangan didistribusikan dengan melalui jurusan-jurusan yang sudah terbagi-bagi, pada jurusan ini ada sebanyak 4 buah (namun ada juga yang sampai 8 jurusan).

Penyekat/ Batas untuk Rak Trafo

Berfungsi sebagai, pemisah/ pembatas antara tempat (trafo yang satu dengan yang lainnya agar tidak keliru), juga demi keselamatan kerja, perawatan trafo.

•  Handle utama

Berfungsi sebagai penghubung tegangan dari AS trafo dengan kemampuan 400 A, juga berfungsi sebagai pengaman yang sudah dilengkapi dengan sekring / fuse untuk mengamankan trafo.

•   Lemarti Hitung

Berfungsi sebagai, lemari penghubung yang disalurkan dari gardu induk yang menghasilkan tagangan Kilo Volt dan lemari hitung dapat dipakai sebagai pusat beban atau daya.

•   Kubikel

Kubikel sering disebut juga lamari TM yang berfungsi langsung sebagai alat penghubung dan pemutus antara tegangan menengah (TM) atau arus yang masuk ke trafo

Transformator Yang Digunakan

1. Transformator Tegangan

Transformator tegangan berfungsi sebagai  penurun tegangan tinggi/ menengah menjadi tegangan rendah untuk besaran ukur sesuai dengan alat-alat ukur.

2. Transformator Arus

Transformator arus berfungsi untuk menurunkan arus besar pada tegangan tinggi/ menengah menjadi arus kecil pada tegangan rendah untuk besaran ukur, sesuai alat-alat ukur.

3. Kombinasi transformator Arus dan Tegangan

Yaitu suatu mesin listrik statis yang bekerja dengan keras dan azas induksi  yang berguna untuk mentransfer tenaga dari kumparan sekunder dengan disertai perubahan arus dan tegangan sesuai dengan perbandingan transformator, tetapi frekwensinya  tetap.

1. KetidakSeimbangan Beban

Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan di mana :

· Ketiga vektor arus / tegangan sama besar.

· Ketiga vektor saling membentuk sudut 120º satu sama lain.

Sedangkan yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan di mana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak terpenuhi. Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada 3 yaitu :

· Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 120º satu sama lain.

· Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 120º satu sama lain.

· Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 120º satu sama lain.

Penjumlahan ketiga vektor arusnya (I_R, I_S, I_T) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (I_N). Sedangkan pada Gambar 1(b) menunjukkan vektor diagram arus yang tidak seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (I_R, I_S, I_T) tidak sama dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus netral (I_N) yang besarnya bergantung dari seberapa besar faktor ketidakseimbangannya.

3. ARUS NETRAL

Arus netral dalam sistem distribusi tenaga listrik dikenal sebagai arus yang mengalir pada kawat netral di sistem distribusi tegangan rendah tiga fasa empat kawat. Arus netral ini akan muncul jika :

► Kondisi beban tidak seimbang

► Karena adanya Arus harmonisa akibat dari beban non-linear yang semakin berkembang digunakan saat ini.

Arus yang mengalir pada kawat netral yang merupakan arus balik untuk sistem distribusi tiga fasa empat kawat adalah penjumlahan vektor dari ketiga arus fasa dalam komponen simetris.

4. Sistem DistribusiTiga Fasa empat kawat

Dalam keadaan tegangan dan arus yang simetris,tidak akan ada arus yang mengalir pada kawat netral. Oleh karena itu ketiga fasanya simetris. Artinya kedua fasanya bergeser -120º dan 120º terhadap fasa referensi, maka analisanya cukup dilakukan berdasarkan satu fasa. Namun jika tegangan dan arus fasa tidak seimbang maka akan ada arus balik yang melewati kawat netral sistem karena ketiga fasanya tidak simetris. Untuk menganalisanya dapat digunakan metode komponen simetris.

Komponen simetris

Metode komponen simetris pertama kali digunakan oleh C.L fortesque dan dipakai di dalam penyelesaian persoalan-persoalan yang rumit di dalam jaringan berfasa banyak yang tidak seimbang. Sejak saat itu metode komponen simetris menjadi sangat penting dan merupakan hal yang pokok pada berbagai artikel dan penyelidikan-penyelidikan ilmiah.

Menurut teorema Fortesque,tiga vektor tak seimbang pada suatu sistem tiga fasa dapat diuraikan menjadi tiga bagian vektor yang seimbang. Dimana komponen-komponennya terdiri dari vektor-vektor sebagai berikut :

( i ) Komponen-komponen urutan positif terdiri dari tiga vektor yang sama besarnya, terpisah antara satu dengan yang lain dalam fasa 120º dan mempunyai urutan fasa yang sama seperti pada vektor-vektor aslinya.

( ii ) Komponen-komponen urutan negatif terdiri dari tiga vektor sama besarnya, terpisah antara satu dengan yang lain dalam fasa 120º dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan vektor-vektor aslinya.

( iii ) Komponen-komponen urutan nol terdiri dari tiga vektor yang sama besarnya dan dengan pergeseran fasanya nol antara vektor satu dengan yang lainnya.

Didalam memecahkan suatu persoalan dengan komponen-komponen simetris,

untuk menunjukkan ketiga fasa sistem tersebut sebagai a, b, dan c sedemikian rupa

sehingga urutan fasa tegangan dan arus didalam sistem tersebut abc. Jadi urutan fasa pada komponen urutan positif vektor-vektor tak seimbangnya adalah abc. Dan urutan fasa pada komponen-komponen urutan negatifnya adalah acb. Jika vektor aslinya adalah merupakan tegangan, maka vektornya dapat dinyatakan sebagai va, vb, dan vc. Kemudian ketiga himpunan komponen-komponen simetris ini ditunjukkan oleh subskrib tambahan 1 untuk komponen-komponen urutan negatif dan subskrib 0 untuk komponen-komponen urutan nol.

Komponen-komponen urutan positif pada va, vb dan vc adalah va1, vb1, dan vc1. Demikian pul komponen-komponen urutan negatifnya adalah va2, vb2, dan vc2 dan komponen-komponen urutan nolnya adalah vao, vbo dan vco. Komponen-komponen yang mewakili arus akan ditandai dengan I dan ditandai dengan subskrib-subskrib yang sama seperti untuk tegangan.

Karena setiap vektor-vektor asli itu dinyatakan dalam suku-suku komponennya sebagai berikut :

Va = va1 + va2 + va3 ( 2.1 )

Vb = vb1 + vb2 + vb3 ( 2.2 )

Vc = vco + vco + vco ( 2.3 )

5. Arus Netral Karena Beban Tak Seimbang

Untuk arus tiga fasa dari suatu sistem yang tidak seimbang dapat juga diselesaikan dengan menggunakan metode komponen simetris. Dengan menggunakan notasi-notasi yang sama seperti pada tegangan akan didapatkan persamaan-persamaan untuk arus-arus fasanya sebagai berikut :

Ia = I1 + I2 + I0 ( 2.4 )

Ib = a² I1 + a I2 + Io ( 2.5 )

Ic = a I1 + a² I2 + Io (2.6 )

Dengan tiga langkah yang telah dijabarkan dalam menentukan tegangan urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol terdahulu, maka arus-arus urutan juga dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga kita dapatkan juga :

I1 = 1/3 ( Ia + a Ib + a² Ic ) ( 2.7 )

I2 = 1/3 ( Ia + a² Ib + a Ic ) ( 2.8 )

I0 = 1/3 ( Ia + Ib + Ic ) ( 2.9 )

Disini terlihat bahwa arus urutan nol ( Io ) adalah merupakan sepertigadari arus netral atau arus baliknya akan menjadi nol jika dalam sistem tiga fasa empat kawat. Dalam sistem tiga fasa empat kawat ini jumlah arus saluran sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral, jadi :

Ia + Ib + Ic = IN ( 2.10 )

Dengan mensubsttusikan persamaan ( 2.9 ) ke ( 2.10 ) diperoleh :

IN = 3 Iao ( 2.11 )

Dalam sistem tiga fasa empat kawat ini jumlah arus saluran sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral. Jika arus-arus fasanya seimbang maka arus netralnya akan bernilai nol, tapi jika arus-arus fasanya tidak seimbang akibat pembebanan yang tak seimbang, maka akan ada arus yang mengalir dikawat netral sistem ( Arus netral akan mempunyai nilai dalam arti tidak nol ).

6. Pengaruh Arus Netral Dalam Sistem Distribusi

Arus netral ini sangat berpengaruh pada sistem jika arus netralnya berlebihan, dalam hal ini dapat mengakibatkan antara lain :

► Terjadinya kegagalan pengawatan pada kawat netral

► Timbulnya panas yang berlebihan pada transformator

► menurunnya kwalitas daya.

Masalah tersebut perlu kita pikirkan seiring dengan semakin meningkatnya kebutuhan akan energi listrik dan kehandalan peralatan untuk mengurangi biaya pemeliharaan sistem distribusi listrik.

Jadi fenomena arus netral ini harus dilihat secara seksama karena dapat mengakibatkan kerugian yang sangat besar. Sekaligus penanggulangannya yaitu dengan meminimalisir arus netral di gardu-gardu distribusi agar dapat mengurangi kerugian yang lebih lanjut.