Sistem Kelistrikan Pembangkit Tenaga Listrik

Sebuah pabrik pembangkit tenaga listrik beroperasi dengan tujuan untuk memproduksi energi listrik yang selanjutnya didistribusikan ke berbagai konsumen. Sebagai sumber energi potensial dapat digunakan bahan bakar fosil seperti solar (HSD), batubara, energi potensial dari air, angin, panas bumi, atau juga reaksi nuklir.

Pembakaran bahan bakar fosil atau nuklir bertujuan untuk merubah energi potensial yang terkandung di dalamnya menjadi energi panas di dalam uap air, yang selanjutnya digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap sehingga menghasilkan energi mekanik. Pada turbin jet, tidak digunakan media uap air sehingga pembakaran fuel oil-nya yang menghasilkan energi panas langsung digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap dan menghasilkan energi putar. Sedangkan pada pembangkit listrik yang menggunakan sumber energi potensial lain seperti angin, air terjun, dan panas bumi, memiliki prinsip-prinsip yang tidak jauh berbeda satu dengan yang lainnya. Selanjutnya, energi mekanik yang dapat berasal dari berbagai sumber energi di atas dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan generator listrik.

Pada pembangkit energi listrik selain ia memproduksi listrik yang digunakan oleh berbagai konsumen, ia juga menggunakan energi listrik yang dihasilkan untuk berbagai keperluannya sendiri. Sistem-sistem tersebut antara lain Draft System, Feedwater system, sistem bahan bakar, dan masih banyak yang lainnya.

Sebelum saya menggambarkan sistem-sistem kelistrikan yang ada pada pembangkit tenaga listrik, perlu kita ulas beberapa teori dasar kelistrikan yang akan menjadi pendukung dalam pembahasan selanjutnya.

Hukum Ohm

Satu teori yang menjadi dasar dari semua hukum kelistrikan adalah Hukum Ohm. Hukum Ohm secara sederhana menyebutkan bahwa besar arus (Ampere) yang mengalir pada suatu rangkaian listrik sama dengan rasio antara gaya elektromotif (Volt) yang mengalir, terhadap hambatan (Ohm) dari rangkaian tersebut.

    I = E / R

Dimana:

    I = Arus listrik dalam ampere
    E = Gaya elektromotif dalam volt
    R = Hambatan dalam ohm

Hukum Kirchhoff

Hukum Kirchhoff menjelaskan bahwa jumlah aljabar dari semua arus listrik yang mengalir masuk dan keluar pada satu titik tertentu di sebuah rangkaian listrik, haruslah berjumlah sama dengan nol. Hal ini secara prinsip selaras dengan hukum kekekalan massa. Pada sisi voltase, hukum ini menjelaskan bahwa jumlah dari semua gaya elektromotif pada sebuah rangkaian listrik dengan beda potensial (penurunan voltase) juga sama dengan nol. Hal ini juga identik dengan prinsip kekekalan energi.

Daya (Power)

Daya adalah tingkatan dalam melakukan kerja. Dalam dunia elektrik, daya adalah hasil kali antara tegangan dengan arus listrik, dan dapat ditunjukkan dengan beberapa persamaan:

    P = E x I
    P = I2 x R
    P = E2 / R

Dimana,

    P = Daya dalam watt
    I = Arus listrik dalam ampere
    E = Gaya elektromotif dalam volt
    R = Hambatan dalam ohm

Listrik di pembangkit tenaga listrik menggunakan mode tiga fase. Tegangan dan arus pada masing-masing fase membentuk sudut 120o. Sehingga rumus perhitungan daya di tiap-tiap fase menjadi:

    P = Cos 120° x E x I x cos Ø
    P = (1/3)(31/2)> x E x I x cos Ø

Sehingga nilai daya total dari semua fase adalah:

    P = (31/2)> x E x I x cos Ø

Dimana

    cos Ø yang disebut power factor, adalah cosinus sudut antara gelombang voltase dengan gelombang arus pada fase tunggal.

Hubungan yang terjadi antara komponen-komponen persamaan di atas, ditunjukkan oleh diagram di bawah ini.

Diagram Daya Listrik AC

20111210-083118 AM.jpg

Sisi miring pada segitiga di atas di sebut daya total atau volt-amps, sisi tegaknya dinamakan daya reaktif/VARS, yang merupakan singkatan dari volt-amps-reactive, dan untuk sisi horisontalnya merupakan daya aktif (watt).

Pada sebuah sistem kelistrikan AC yang sederhana tersusun atas sumber dan beban listrik berupa arus dan tegangan yang sinusoidal. Beban listrik dapat bersifat resistif, induktif, dan kapasitif. Pada beban yang murni resistif, polaritas dari sumber dan beban listrik saling membalik pada waktu yang sama. Pada setiap waktu, hasil perkalian antara arus dan tegangan selalu positif, yang mengindikasikan bahwa tidak ada aliran energi yang dikembalikan. Pada kasus ini, hanya terdapat daya nyata yang bekerja.

Pada beban listrik yang murni reaktif, antara tegangan dan arus memiliki jarak fase 90°. Dimana beban kapasitif nilai arus berada 90° di belakang tegangan, sedangkan beban induktif nilai arus berada 90° di depan tegangan. Setengah dari setiap siklus beban reaktif, hasil perkalian antara tegangan dan arus adalah positif, dan yang setengahnya lagi bernilai negatif, hal ini mengindikasikan bahwa rata-rata energi yang mengalir menuju beban nilainya sama persis dengan yang berbalik. Pada kasus ini hanya ada energi reaktif yang mengalir, dan tidak ada energi total yang mengalir ke beban.

Reaktif Kapasitif

20111212-100246 AM.jpg

Reaktif Induktif

20111212-100414 AM.jpg

Pada aktualnya, beban listrik merupakan gabungan antara beban resistif, konduktif, dan kapasitif, sehingga daya reaktif dan daya aktif mengalir bersama menuju beban nyata. Di sini ditentukan bahwa daya total (apparent power) merupakan hasil penjumlahan vektor antara daya aktif dan daya reaktif. Apparent power ini sangat diperhatikan di pembangkitan listrik, hal ini karena sifat dari daya reaktif yang tidak bekerja secara langsung terhadap beban, ia justru menimbulkan panas di saluran kabel, dan merugikan. Untuk itu diperlukan penanganan khusus dengan menggunakan kapasitor besar, trafo, dan sistem di generator untuk mengkompensasi daya reaktif tersebut.

Free e-book:
1. Accountability and Evaluation of Aggregate Effects of Through Faults On Power Transformers
2. Power Plant Electrical Distribution Systems

(Bersambung ke: Sistem Kelistrikan Pembangkit Tenaga Listrik 2)