
Sistem Tenaga
Tenaga listrik kini merupakan landasan bagi
kehidupan modern, dan tersedianya dalam jumlah dan mutu yang cukup
menjadi syarat bagi suatu masyarakat yang memiliki taraf kehidupan yang
baik dan perkembangan industri yang maju.
Dalam merencanakan suatu
sistem penyediaan tenaga listrik, lokasi fisik pusat tenaga listrik,
saluran transmisi dan gardu induk perlu ditentukan dengan tepat, agar
dapat diperoleh suatu sistem yang baik, ekonomis dan dapat diterima
masyarakat.
Berikut adalah skematis Prinsip Penyediaan Tenaga Listrik
Penyediaan tenaga listrik
Untuk sitem penyediaan tenaga listrik yang besar pada umumnya dapat disebut tiga jenis tenaga listrik, yaitu:
1.Pusat listrik tenaga air
2.Pusat listrik tenaga termal
3.Pusat listrik tenaga nuklir
Kini
juga dikembangkan berbagai pusat tenaga listrik yang menggunakan
jenis-jenis sumber daya energi lain, seperti angina, surya dan panas
laut. Namun pada saat ini kontribusi jenis-jenis pusat tenaga listrik
ini masih kecil.
Lingkungan hidup
Pengelolaan energi dan
demikian juga penyediaan tenaga listrik berpengaruh paa lingkungan
hidup, dan pada gilirannya berpengaruh negative pada mutu kehidupan. Di
lain pihak, energi listrik diperlukan untuk meningkatkan taraf
kemakmuran masyarakat. Tergantung dari sumber energi rimer yang dipakai,
unsur-unsur pencemar lingkungan hidup yang diproduksi adalah
karbondioksida (CO2), karbonmonoksida (CO), sulfurdioksida (SO2),
berbagai nitrogenoksida (NOx), dan radiasi nuklir. Pencemaran-pencemaran
karbondioksida dan nitrogenoksida sering dinamakan gas-gas rumah kaca
(greenhouse gases) karena memberi kontribusi kepada efek rumah kaca
(greenhouse gases) yang merupakan penyebab dari apa yang disebut
pemanasan global (global warming).
Elemen Sistem Tenaga
Salah
satu cara yang paling ekonomis,mudah, dan aman untuk mengirimkan energi
adalah melalui bentuk energi listrik. Pada pusat pembangkit, sumber
daya energi primer seperti bahan bakar fosil (minyak, gas alam, dan
batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi energi.
Generator sinkron mengubah energi mekanis yang dihasilkan pada poros
turbin menjadi energi listrik tiga fasa.
Melalui transformator
panaik 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 yang
rendah dan berarti mengurangi rugi panas (heat loss) I2R yang
menyertakan. Ketika saluran transmisi mencapai pusat bebn, tegangan
tersebut kembali diturunkan menjadi tegangan menengah melalui
transformator penurun tegangan (step-down transformator).
Di
pusat-pusat beban yang terhubung dengan saluran disrtibusi, energi
listrik ini diubah menjadi bentuk-bentuk energi terpakai lainnya seperti
energi mekanis (motor), penerangan, pemanasan, pendinginan, dan
sebagainnya.
Elemen Pokok Sistem tenaga dapat dilihat pada gambar berikut:
PUSAT PEMBANGKIT DAN OPERASI EKONOMISNYA
Pusat
pembangkit berfungsi untuk mengkonversikan sumber daya energi primer
menjadi energi listrik. Pusat pembangkit listrik konvensional
mencangkup:
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).
Di
samping pembangkit listrik konvensional tersebut, saat ini tengah
dikembangkan beberapa teknologi konversi untuk sumberdaya energi baru
seperti: biomassa, solar, limbah kayu, angi, gelombang laut, dan
sebagainya.
Pembangkit listrik melalui cara megnetohidrodinamik (MHD)
pada saat ini juga sedang memasuki tahap penelitian dan pengembangan
yang intensif.
Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU).
Pada
pembangkit listrik ini, bahan baker minyak, gas alam, atau batubara
dipakai untuk membangkitakan panas dan uap pada boiler. Uap tersebut
kemudian dipakai untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung dengan
sebuah generator sinkron. Setelah melewai turbin, uap yang bertekanan
dan bertemperatur tinggi tadi muncul menjadi uap bertekanan dan
bertempratur rendah. Panas yang disadap oleh kondensor menyebabkan uap
berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler.
Siklus lengkap proses ini terlihat pada gambar berikut:
sisa
panas yang dibuang oleh kondensor mencapai setengah jumlah panas semula
yang masuk. Hal ini mengakibatkan efisien termodinamika suatu turbin
uap bernilai kecil dari 50%. Turbin uap yang modern mempunyai temperatur
boiler sekitar 500 sampai 600 derajat celcius dan temperatur kondensor
antara 20 sampai 30 derajat celcius.
Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)
Seperti
juga pada PLTD, PLTG atau turbin gas merupakan mesin dengan proses
pembakaran dalam (internal combustion). Bahan bakar berupa minyak atau
gas alam dibakar di dalam ruang pembakar (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 bersudu yang terkopel dengan generator sinkron.
Generator sinkron kemudian mengubah energi mekanis menjadi energi
listrik. Lihat gambar berikut:
Berbeda dengan pada PLTD,
pada PLTG tidak terdapat bagian mesin yang bergerak Translasi
(bolak-balik) karena itu ia merupakan mesin yang bebas dari getaran.
meskipun temperatur turbin gas (1000 derajat celcius) jauh lebih tinggi
daripada temperatur turbin uap (530 derajat celcius), namun efisien
konversi termalnya hanya mencapai 20% - 30%. karena biaya modal yang
rendah, serta biaya bahan bakar yang tinggi, maka PLTG berfungsi memikul
beban puncak.
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 tersusun dalam pipa-pipa berkelompok, tersudut 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 terbuat 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 beroprasi untuk beban dasar (7000-8000 jam pertahun).
Pusat Tenaga Listrik Air (PLTA)
penggunaan
tenaga air mungkin merupakan konversi energi tertua yang pernah dikenal
manusia. perbedaan veritikal antara batas asa dengan batas bawah
bendungan di mana terletak turbin air, dikenal sebagai tinggi terjun.
Tinggi terjun ini mengakibatkan air yang mengalir akan memperoleh energi
kinetik yang kemudian mendesak sudu-sudu turbin. Bergantung pada tinggi
terjun dan debit air, dikenal tiga macam turbin yaitu:
- Pelton
- Francis
- Kalpan
Karena
tidak menggunakan bahan bakar, biaya operasi PLTA sangat rendah, namun
hal ini dibarengi dengan biaya investasi yang sangat tinggi untuk
kontruksi pekerjaan sipilnya.
Bergantung pada ketersediaan sumber
energi air, PLTA dapat berfungsi untuk memikul beban puncak ataupun
beban dasar. Sebagai sumberdaya energi yang dapat pulih, sumber potensi
tenaga air sangat menarik untuk dikembangkan. Tetapi pemanfaatanya
secara luas sangat dibatasi oleh kondisi geografis setempat dan
permasalahan lokasi yang biasanya jauh dari opusat beban. Dari 77 863 MW
potensi tenaga air terbesar diseluruh Indonesia, sampai dengan periode
pelita IV ini baru sekitar 2000 MW saja yang telah dimanfaatkan.
Dengan
memperhatikan bahwa setiap pusat pembangkit mempunyai perbedaan yang
cukup berarti dilihat dari aspek biaya modal, biaya operasi, maupun
efisiensinya, maka seorang insinyur listrik harus mampu memilih
alternatif susunan gabungan pembangkit (generation-mix) yang paling
ekonomis untuk dioperasikan. Mengingat beban bervariasi secara ekstrem
dari saat ke saat dan brsamaan dengan itu penyediaan (supply) sistem
pembangkit diharapkan selalu mencukupi kebutuhan beban yang berfluktuasi
tadi, maka terdapat interelasi antara parameter ekonomis pusat-pusat
pembangkit dengan dinamika beban. susunan kapasitas terpasang pembangkit
PLN menurut jenisnya untuk keadaaan akhir pelita IV (1988/89) terlihat
pada tabel berikut:
Susunan Kapasitas Terpasang Pembangkit PLN Menurut Jenisnya untuk Keadaan Akhir Pelita IV (19988/89)
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 sistem tenaga melalui peralatan elektromagnet yang
disebut generator dan motor seperti diperlihatkan pada diagram blok
berikut:
pada gambar tesebut, blok disebelah kiri
menggambarkan sistem pembangkit. melalui generator sinkron tiga fasa
yang menerima kopel dari poros turbin, sistem ini berperan untuk
mengubah bentuk energi mekanik menjadi energi listrik.
Blok di tengah
gambar, menggambarkan bagian dari sistem tenaga yang mengirimkan energi
listrik dari sistem pembangkit menuju sistem beban. Untuk mengurangi
rugi-rugi panas, energi yang dikirim perlu dinaikkan tegangannya melalui
transformator penaik tegangan. Dengan demikian, meskipun transformator
bukan termasuk peralatan konversi energi. namun merupakan alat pembantu
elektromagnet yang juga penting dalam sistem tenaga.
Blok di sebelah
kanan menggambarkan sistem 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
saluran transmisi menyalurkan tenaga listrik bertegangan tinggi ke
pusat-pusat beban dalam jumlah besar, maka saluran distribusi berfungsi
membagikan tenaga listrik tersebut kepada pihak pemakai melalui saluran
tegangan rendah.
Generator sinkron di pusat pembangkit biasanya
menghasilkan 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 diturunkan 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
berbagai pusat-pusat beban, tegangan distribusi primer ini diturunkan
menjadi tegangan rendah 220/380 V yang akhirnya diterima pihak pemakai.
Contoh saluran transmisi dan distribusi terlihat pada Gambar:
KARAKTERISTIK BEBAN
Sistem
tenaga listrik dirancang untuk dapat mengirim energi listrik dengan
cara yang efisien dan aman kepada para langganan. Karakteristik dari
permintaan energi 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 diatasi.
Pertumbuhan rata-rata konsumsi listrik di
Indonesia pada Pelita II dan Pelita III masing-masing mencapai 14.1% dan
12.7% per tahun. Selama sepuluh tahun itu (1974/75-1983/84) konsumsi
listrik total telah meningkat sebanyak tiga kali. Dalam Pelita IV
(1983/84-1988/89) pertumbuhan rata-rata pemakaian listrik diperkirakan
sekitar 13-15% per tahun.
Mengingat untuk membangun suatu pusat
pembangkit tenaga listrik diperlukan waktu 8 sampai 10 tahun, maka para
perencana sistem harus melihat kemungkinan-kemungkinan perkembangan
sistem tenaga 10 sampai 20 tahun ke muka. Hal tersebut diperlukan agar
tersedia cukup waktu untuk memperkirakan dan memperbaiki perencanaan
dalam perspektif jangka panjang.
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
perencana sistem tidak 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 keadaan gejala peralihan (transient) akan menggan2gu operasi normal sistem.
4. Cara operasi yang paling ekonomis untuk bermacam-macam keadaan 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 belum mungkin untuk menyimpan energi
listrik secara efisien serta memenuhi persyaratan biaya-manfaat. maka
tenaga listrik harus dibangkitkan sebanyak yang diperlukan saja.
PROTEKSI
Suatu
gangguan atau kegagalan, dalam keadaan 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 yang
berlebihan, aliran arus yang sangat besar, bunga api listrik, dan
kegagalan sistem tenaga untuk beroperasi secara keseluruhan. Menjadi
tugas insinvur 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, gangguan-gangguan yang terjadi dapat
dilokalisir pada daerah kejadian saja sehingga tidak mengganggu para
langganan di daerah lain.
NOTASI DAN SIMBOL
Penggunaan
notasi dan simbol dalam buku ini diusahakan sesederhana mungkin. Untuk
harga sesaat besaran arus bolak-balik, digunakan huruf kecil, misaInya i
untuk arus sesaat. dan v untuk tegangan sesaat. Penggunaan huruf besar
menunjukkan 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 0 akan menghasilkan
bilangan-bilangan nyata, sehingga nilai V dan I hanya menunjukkan
besarannya saja.
Untuk perhitungan-perhitungan tiga fasa, daya nyata,
daya reaktif, clan daya mayanya diasumsikan selalu mempunyai besaran
tiga fasa, kecuali bila dinyatakan lain.
Sumber : google.com