Article

Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses Pada Trafo Distribusi

Jurnal Teknik Elektro 01/2008; 7(2). DOI: 10.9744/jte.7.2.68-73
Source: OAI
ABSTRACT
Ketidakseimbangan beban pada suatu sistem distribusi tenaga listrik selalu terjadi dan penyebab ketidakseimbangan tersebut adalah pada beban-beban satu fasa pada pelanggan jaringan tegangan rendah.
Akibat ketidakseimbangan beban tersebut muncullah arus di netral trafo. Arus yang mengalir di netral trafo ini menyebabkan terjadinya losses (rugi-rugi), yaitu losses akibat adanya arus netral pada penghantar netral trafo dan losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah.
Setelah dianalisa, diperoleh bahwa bila terjadi ketidakseimbangan beban yang besar (28,67%), maka arus netral yang muncul juga besar (118,6A), dan losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah semakin besar pula (8.62%).

Full-text

Available from: Julius Sentosa, Apr 13, 2016
Jurnal Teknik Elektro Vol. 6, No. 1, Maret 2006: 68 - 73
68
Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses pada
Trafo Distribusi
Julius Sentosa Setiadji
1
, Tabrani Machmudsyah
2
, Yanuar Isnanto
1
1
Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra
Jl. Siwalankerto 121-131, Surabaya
2
PT. PLN(Persero) Distribusi Jawa Timur
Email: julius@petra.ac.id
ABSTRAK
Ketidakseimbangan beban pada suatu sistem distribusi tenaga listrik selalu terjadi dan penyebab ketidakseimbangan tersebut
adalah pada beban-beban satu fasa pada pelanggan jaringan tegangan rendah. Akibat ketidakseimbangan beban tersebut
muncullah arus di netral trafo. Arus yang mengalir di netral trafo ini menyebabkan terjadinya losses (rugi-rugi), yaitu losses
akibat adanya arus netral pada penghantar netral trafo dan losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah. Setelah dianalisa,
diperoleh bahwa bila terjadi ketidakseimbangan beban yang besar (28,67%), maka arus netral yang muncul juga besar
(118,6A), dan losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah semakin besar pula (8.62%).
Kata kunci: ketidakseimbangan beban, arus netral, losses.
ABSTRACT
The unbalanced load in electric power distribution system always happen and it is caused by single phase loads on low
voltage system. The effect of the unbalanced load is appear as a neutral current. These neutral current cause losses, those
are losses caused by neutral current in neutral conductor on distribution transformers and losses caused by neutral current
flows to ground. In conclusion, when high unbalanced load happened (28,67%), then the neutral current that appear is also
high (118,6 A), ultimately the losses that caused by the neutral current flows to ground will be high too (8,62%).
Keywords: unbalanced load, neutral current, losses.
PENDAHULUAN
Dewasa ini Indonesia sedang melaksanakan pem-
bangunan di segala bidang. Seiring dengan laju
pertumbuhan pembangunan maka dituntut adanya
sarana dan prasarana yang mendukungnya seperti
tersedianya tenaga listrik. Saat ini tenaga listrik
merupakan kebutuhan yang utama, baik untuk
kehidupan sehari-hari maupun untuk kebutuhan
industri. Hal ini disebabkan karena tenaga listrik
mudah untuk ditransportasikan dan dikonversikan ke
dalam bentuk tenaga yang lain. Penyediaan tenaga
listrik yang stabil dan kontinyu merupakan syarat
mutlak yang harus dipenuhi dalam memenuhi
kebutuhan tenaga listrik.
Dalam memenuhi kebutuhan tenaga listrik tersebut,
terjadi pembagian beban-beban yang pada awalnya
merata tetapi karena ketidakserempakan waktu
penyalaan beban-beban tersebut maka menimbulkan
ketidakseimbangan beban yang berdampak pada
penyediaan tenaga listrik. Ketidakseimbangan beban
antara tiap-tiap fasa (fasa R, fasa S, dan fasa T) inilah
yang menyebabkan mengalirnya arus di netral trafo.
Catatan: Diskusi untuk makalah ini diterima sebelum tanggal 1 Desember
2007. Diskusi yang layak muat akan diterbitkan pada Jurnal Teknik Elektro
volume 8, nomor 1, Maret 2008.
TEORI TRANSFORMATOR
Transformator merupakan suatu alat listrik yang
mengubah tegangan arus bolak-balik dari satu tingkat
ke tingkat yang lain melalui suatu gandengan magnet
dan berdasarkan prinsip-prinsip induksi-elektromag-
net. Transformator terdiri atas sebuah inti, yang
terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan,
yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder.
Penggunaan transformator yang sederhana dan handal
memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan
ekonomis untuk tiap-tiap keperluan serta merupakan
salah satu sebab penting bahwa arus bolak-balik
sangat banyak dipergunakan untuk pembangkitan dan
penyaluran tenaga listrik.
Prinsip kerja transformator adalah berdasarkan
hukum Ampere dan hukum Faraday, yaitu: arus
listrik dapat menimbulkan medan magnet dan
sebaliknya medan magnet dapat menimbulkan arus
listrik. Jika pada salah satu kumparan pada trans-
formator diberi arus bolak-balik maka jumlah garis
gaya magnet berubah-ubah. Akibatnya pada sisi
primer terjadi induksi. Sisi sekunder menerima garis
gaya magnet dari sisi primer yang jumlahnya
berubah-ubah pula. Maka di sisi sekunder juga timbul
induksi, akibatnya antara dua ujung terdapat beda
tegangan.
Page 1
Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses pada Trafo Distribusi
[Julius Sentosa Setiadji, et al]
69
PERHITUNGAN ARUS BEBAN PENUH
TRANSFORMATOR
Daya transformator bila ditinjau dari sisi tegangan
tinggi (primer) dapat dirumuskan sebagai berikut:
S
= 3 . V . I (1)
dimana:
S
= daya transformator (kVA)
V = tegangan sisi primer transformator (kV)
I = arus jala-jala (A)
Sehingga untuk menghitung arus beban penuh (full
load) dapat menggunakan rumus :
I
FL
V . 3
S
=
(2)
dimana:
I
FL
= arus beban penuh (A)
S
= daya transformator (kVA)
V = tegangan sisi sekunder transformator (kV)
Losses (rugi-rugi) Akibat Adanya Arus Netral
pada Penghantar Netral Transformator.
Sebagai akibat dari ketidakseimbangan beban antara
tiap-tiap fasa pada sisi sekunder trafo (fasa R, fasa S,
fasa T) mengalirlah arus di netral trafo. Arus yang
mengalir pada penghantar netral trafo ini menyebab-
kan losses (rugi-rugi). Losses pada penghantar netral
trafo ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
P
N
= I
N
2
.R
N
(3)
dimana:
P
N
= losses pada penghantar netral trafo (watt)
I
N
= arus yang mengalir pada netral trafo (A)
R
N
= tahanan penghantar netral trafo ()
Sedangkan losses yang diakibatkan karena arus netral
yang mengalir ke tanah (ground) dapat dihitung
dengan perumusan sebagai berikut :
P
G
= I
G
2
. R
G
(4)
dimana:
P
G
= losses akibat arus netral yang mengalir ke
tanah (watt)
I
G
= arus netral yang mengalir ke tanah (A)
R
G
= tahanan pembumian netral trafo ()
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 mem-
bentuk sudut 120º satu sama lain.
120
o
120
o
120
o
I
S
I
R
I
T
(a)
`
120
o
135
o
105
o
`
I
R
I
N
I
S
I
T
I
R
+ I
T
(b)
Gambar 1. Vektor Diagram Arus
Gambar 1(a) menunjukkan vektor diagram arus
dalam keadaan seimbang. Di sini terlihat bahwa
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 ber-
gantung dari seberapa besar faktor ketidakseim-
bangannya.
Page 2
Jurnal Teknik Elektro Vol. 7, No. 2, September 2007: 68 - 73
70
Penyaluran dan Susut Daya
Misalnya daya sebesar P disalurkan melalui suatu
saluran dengan penghantar netral. Apabila pada
penyaluran daya ini arus-arus fasa dalam keadaan
seimbang, maka besarnya daya dapat dinyatakan
sebagai berikut:
P = 3 . [V] . [I] . cos ϕ (5)
dengan:
P = daya pada ujung kirim
V = tegangan pada ujung kirim
cos ϕ = faktor daya
Daya yang sampai ujung terima akan lebih kecil dari
P karena terjadi penyusutan dalam saluran.
Jika [I] adalah besaran arus fasa dalam penyaluran
daya sebesar P pada keadaan seimbang, maka pada
penyaluran daya yang sama tetapi dengan keadaan tak
seimbang besarnya arus-arus fasa dapat dinyatakan
dengan koefisien a, b dan c sebagai berikut :
[] []
[] []
[] []
=
=
=
IcI
IbI
IaI
T
S
R
(6)
dengan I
R
, I
S
dan I
T
berturut-turut adalah arus di fasa
R, S dan T.
Bila faktor daya di ketiga fasa dianggap sama
walaupun besarnya arus berbeda, besarnya daya yang
disalurkan dapat dinyatakan sebagai :
P = (a + b + c) . [V] . [I] . cos ϕ (7)
Apabila persamaan (7) dan persamaan (5) menyata-
kan daya yang besarnya sama, maka dari kedua
persamaan itu dapat diperoleh persyaratan untuk
koefisien a, b, dan c yaitu :
a + b + c = 3 (8)
dimana pada keadaan seimbang, nilai a = b = c = 1
Pengumpulan Data:
Spesifikasi Trafo Tiang adalah sebagai berikut:
Buatan Pabrik : TRAFINDO
Tipe : Outdoor
Daya : 200 kVA
Tegangan Kerja : 21/20,5/20/19,5/19 kV // 400 V
Arus : 6,8 – 359 A
Hubungan : Dyn5
Impedansi : 4%
Trafo : 1 x 3 phasa
Gambar 2. Trafo Distribusi 200 kVA
200 kVA
20 kV
Dyn 5
LA
380 V
3 fasa
Jurusan 1 Jurusan 3Jurusan 2
NH FuseNH Fuse
NH Fuse
NH Fuse
Fuse CO
20 kV
Gambar 3. Single Line Trafo Distribusi 200 kVA
Page 3
Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses pada Trafo Distribusi
[Julius Sentosa Setiadji, et al]
71
Tabel 1. Hasil Pengukuran Trafo Distribusi 200 kVA
Fasa S
(kVA)
Vp-n
(V)
I
(A)
Cos ϕ
Pengukuran pada siang hari
R 50,42 226 223,1 0,95
S 37,34 226 165,0 0,94
T 20,56 227 90,6 0,95
I
N
118,6 A
I
G
62,1 A
R
G
3,8
Pengukuran pada malam hari
R 68,22 225 303,6 0,91
S 42,42 226 187,7 0,92
T 37,38 226 165,4 0,94
I
N
131,7 A
I
G
58,9 A
R
G
3,8
Ukuran kawat untuk penghantar netral trafo adalah 50
mm
2
dengan R = 0,6842 / km, sedangkan untuk
kawat penghantar fasanya adalah 70 mm
2
dengan R =
0, 5049 / km.
I
R
= 223,1 A
I
S
= 165,0 A
I
T
= 90,6 A
.
I
G
= 62,1 A
R
G
= 3,8 ohm
I
N
= 118,6 A
Gambar 4. Skema Aliran Arus di Sisi Sekunder Trafo
pada Siang Hari.
I
R
= 303,6 A
I
S
= 187,7 A
I
T
= 165,4 A
.
I
G
= 58,9 A
R
G
= 3,8 ohm
I
N
= 131,7 A
Gambar 5. Skema Aliran Arus di Sisi Sekunder Trafo
pada Malam Hari.
Analisa Pembebanan Trafo
S = 200 kVA
V = 0,4 kV phasa - phasa
I
FL
=
V
S
×3
=
4003
200000
×
= 288,68 Ampere
I
rata siang
=
3
TSR
III
+
+
=
3
6,900,1651,223
+
+
= 159,67 Ampere
I
rata malam
=
3
TSR
III
+
+
=
3
4,1657,1876,303
+
+
= 218,90 Ampere
Persentase pembebanan trafo adalah:
Pada siang hari:
FL
ratasiang
I
I
=
68.288
67.159
= 55.31 %
Pada malam hari:
FL
ratamalam
I
I
=
68.288
90.218
= 75.83 %
Dari perhitungan di atas terlihat bahwa pada saat
malam hari (WBP = Waktu Beban Puncak) persen-
tase pembebanan cukup tinggi yaitu 75.83 %.
Analisa Ketidakseimbangan Beban pada Trafo
Pada Siang Hari :
Dengan menggunakan persamaan (6), koefisien a,
b, dan c dapat diketahui besarnya, dimana besar-
nya arus fasa dalam keadaan seimbang ( I ) sama
dengan besarnya arus rata-rata ( Irata ).
I
R
= a . I maka : a
159,67
223,1
I
I
R
== = 1,40
I
S
= b . I maka : b
159,67
165,0
I
I
S
== = 1,03
I
T
= c . I maka : c
159,67
90,6
I
I
T
== = 0,57
Pada keadaan seimbang, besarnya koefisien a, b
dan c adalah 1.
Dengan demikian, rata-rata ketidakseimbangan
beban (dalam %) adalah:
100%x
3
}1c1b1a{ ++
=
28,67% 100%x
3
}10,5711,0311,40{
=
++
=
Page 4
Jurnal Teknik Elektro Vol. 7, No. 2, September 2007: 68 - 73
72
Pada Malam Hari :
Dengan menggunakan persamaan (6), koefisien a,
b, dan c dapat diketahui besarnya, dimana
besarnya arus fasa dalam keadaan seimbang ( I )
sama dengan besarnya arus rata-rata ( I
rata
).
I
R
= a . I maka : a
218,9
303,6
I
I
R
==
= 1,39
I
S
= b . I maka : b
218,9
187,7
I
I
S
==
= 0,86
I
T
= c . I maka : c
218,9
165,4
I
I
T
==
= 0,75
Pada keadaan seimbang, besarnya koefisien a, b
dan c adalah 1.
Dengan demikian, rata-rata ketidakseimbangan
beban (dalam %) adalah:
%00.62 100%x
3
}10,75186,011,39{
=
++
=
Dari perhitungan di atas terlihat bahwa baik pada
siang hari maupun malam hari, ketidakseimbangan
beban cukup tinggi (> 25%), hal ini disebabkan
karena penggunaan beban yang tidak merata di antara
konsumen.
Analisa Losses Akibat Adanya Arus Netral pada
Penghantar Netral Trafo dan Losses Akibat Arus
Netral yang Mengalir ke Tanah
Pada Siang Hari:
Dari tabel pengukuran, dan dengan menggunakan
persamaan (3), losses akibat adanya arus netral
pada penghantar netral trafo dapat dihitung besar-
nya, yaitu:
P
N
= I
N
2
. R
N
= (118,6)
2
. 0,6842
= 9623,92 Watt 9,62 kW
dimana daya aktif trafo (P):
P = S . cos φ, dimana cos φ yang digunakan ada-
lah 0,85
P = 200 . 0,85 = 170 kW
Sehingga, persentase losses akibat adanya arus
netral pada penghantar netral trafo adalah:
%P
N
% 100 x
P
P
N
=
% 100 x
kW 170
kW 9,62
=
= 5.66 %
Losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah
dapat dihitung besarnya dengan menggunakan
persamaan (4), yaitu:
P
G
= I
G
2
. R
G
= (62,1)
2
. 3,8 = 14654,4 Watt
14,65 kW
Dengan demikian persentase losses-nya adalah:
% P
G
% 100 x
P
P
G
=
% 100 x
kW 170
kW 14,65
=
= 8,62 %
Pada Malam Hari:
Dari tabel pengukuran, dan dengan menggunakan
persamaan (3),
losses akibat adanya arus netral
pada penghantar netral trafo dapat dihitung besar-
nya, yaitu:
P
N
= (131,7)
2
. 0,6842 = 11867.37 Watt
11,87 kW
Sehingga, persentase losses akibat adanya arus
netral pada penghantar netral trafo adalah :
% P
N
% 100 x
kW170
kW 11.87
=
= 6,98 %
Losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah
dapat dihitung besarnya dengan menggunakan
persamaan (4), yaitu:
P
G
= (58,9)
2
. 3,8 = 13183,00 Watt 13,18 kW
Dengan demikian persentase losses akibat arus
netral yang mengalir ke tanah adalah:
% P
G
% 100 x
kW170
kW 13,18
=
= 7,75 %
Tabel 2.
Losses pada Trafo Distribusi 200 kVA
R
N
( )
Waktu
Ketidak-
seimbangan
Beban ( % )
I
N
( A )
I
G
( A )
P
N
( kW )
P
N
( % )
P
G
( kW )
P
G
( % )
Siang 28,67 118,6 62,1 9,62 5,66 14,65 8,62 0,6842
(50 mm
2
)
Malam 26,00 131,7 58,9 11,87 6,98 13,18 7,75
Siang 28,67 118,6 62,1 7.10 4.18 14,65 8,62 0, 5049
(70 mm
2
)
Malam 26,00 131,7 58,9 8.76 5.15 13,18 7,75
Pada Tabel 2 terlihat bahwa semakin besar arus netral
yang mengalir di penghantar netral trafo (I
N
) maka
semakin besar losses pada penghantar netral trafo
(P
N
). Demikian pula bila semakin besar arus netral
yang mengalir ke tanah (I
G
), maka semakin besar
losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah (P
G
).
Dengan semakin besar arus netral dan losses di trafo
maka effisiensi trafo menjadi turun. Bila ukuran
kawat penghantar netral dibuat sama dengan kawat
penghantar fasanya (70 mm
2
) maka losses arus
netralnya akan turun.
KESIMPULAN
Berdasarkan analisa data di atas, terlihat bahwa pada
siang hari ketidakseimbangan beban pada trafo tiang
semakin besar karena penggunaan beban listrik tidak
merata.
Sesuai Tabel 2, semakin besar ketidakseimbangan
beban pada trafo tiang maka arus netral yang
Page 5
Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus Netral dan Losses pada Trafo Distribusi
[Julius Sentosa Setiadji, et al]
73
mengalir ke tanah (I
G
) dan losses trafo tiang semakin
besar.
Salah satu cara mengatasi losses arus netral adalah
dengan membuat sama ukuran kawat netral dan fasa.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Abdul Kadir, Distribusi dan Utilisasi Tenaga
Listrik
, Jakarta: UI - Press, 2000.
[2]
Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2000 (PUIL
2000)
, Jakarta: Badan Standarisasi Nasional,
2000.
[3] James J
.Burke, Power Distribution Engineering–
Fundamentals And Applications
, New York:
Marcel Dekker Inc., 1994.
[4] Sudaryatno Sudirham, Dr.,
Pengaruh Ketidak-
seimbangan Arus Terhadap Susut Daya pada
Saluran
, Bandung: ITB, Tim Pelaksana Kerja-
sama PLN-ITB, 1991.
[5] Sulasno, Ir.,
Teknik Tenaga Listrik, Semarang :
Satya Wacana, 1991.
[6] Zuhal,
Dasar Tenaga Listrik, Bandung: ITB,
1991.
[7] Abdul Kadir,
Transformator, Jakarta: PT. Elex
Media Komputindo, 1989.
Page 6
This research doesn't cite any other publications.