Rancang Bangun Scaled-Down Model Sistem Distribusi Tenaga Listrik
Herris Yamashika 1 , Mahyessie Kamil 2
Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Sumatera Barat 1,2 email: herrisyamashika@umsb.ac.id 1 , mahyessiekamil@umsb.ac.id 2
DOI: http://dx.doi.org/10.31869/rtj.v5i1.3069
Abstrak: Artikel ini membahas rancang bangun perangkat keras scaled down model sistim distribusii tenaga listrik. Sistim distribusi sistim tenaga yang dimodelkan adalah tipikal saluran udara tegangan mengengah (SUTM) 20 kV PLN. Penentuan nilai impedansi scaled-down model menggunakan metode per  unit.  Jaringan  distribusi  yang  menggunakan  penghantar  AAAC  240  mm 2 memiliki  kapasitas hantar  arus  525  ampere,  dan  penghantar  AAAC  150  mm 2 memiliki  kapasitas  hantar  arus  400  A diskalakan dengan kapasitas 0,1 ampere. Tegangan operasi 20 kV akan diskalakan menjadi tegangan 3 V. Impedansi saluran disesuaikan dengan SPLN 64:1985, dimana impedansi urutan positif SUTM adalah  0,2162  + j0,3305 ohm/km  untuk  penghantar 150  mm 2 dan  0,1344  + j0,3158  ohm/km  untuk penghantar  240  mm 2 ,  sementara  impedansi  urutan  nol  adalah  0,3631  +  j1,6180  ohm/km  untuk penghantar 150 mm 2 dan 0,2824 + j1,6034 ohm/km untuk penghantar 240 mm 2 . Hasil perhitungan scaled-down model penghantar 150 mm 2 diperoleh impedansi urutan positif sebesar 0,2471 + j0,3778 ohm/km, dan impedansi urutan nol adalah 0,4151 + j1,8496 ohm/km. Sedangkan hasil perhitungan scaled-down  model  penghantar  240  mm 2 diperoleh  impedansi  urutan  positif  sebesar  0,1833  +  j 0,4307  ohm/km,  dan  impedansi  urutan  nol  adalah  0,3852  +  j2,187  ohm/km.  Sebelum  dilakukan pengerjaan perangkat keras, dilakukan simulasi gangguan hubung singkat pada scaled-down model sistem  menggunakan  ATPDraw  untuk  memastikan  bahwa  arus  gangguan  yang  terjadi  saat  kondisi peralihan bisa diakomodir oleh komponen yang akan digunakan. Hasil simulasi menunjukan bahwa arus tertinggi yang terjadi adalah 1,12 ampere pada gangguan 3 fasa.
Keywords: scaled-down model, model sistem tenaga listrik, sistim tenaga listrik

## PENDAHULUAN
Capaian  pendidikan  sarjana  teknik  atau sesuai  KKNI  level  6  adalah  kemampuan mengidentifikasi, memformulasi, dan memecahkan  masalah-masalah  teknis.  Salah satu  metode  pembelajaran  sarjana  teknik elektro  adalah  laboratorium,  oleh  karena  itu laboratorium  menjadi  bagian  penting  dalam proses  pembelajaran.  Saat  ini  telah  banyak dikembangkan metode pembelajaran di laboratorium  dengan  tujuan  menyediakan pemahaman  teoritis  dan  pengalaman  praktis. Beberapa  dekade  lalu,  laboratorium  teknik elektro, terdiri dari peralatan-peralatan tegangan  tinggi  [1]  dan  digunakan  untuk pengajaran keahlian praktikal. Namun, membangun sistim aktual di dalam laboratorium  membutuhkan  biaya  besar  dan instalasi  yang  kompleks.  Pilihan  lain  adalah menggunakan simulasi komputer, yang merupakan  pilihan  yang  saat  ini  banyak digunakan  [2-4].  Di  lain  sisi,  kekurangan  dari simulasi komputer adalah kurangnya pemahaman terhadap fenomena, serta sedikitnya  pengalaman  yang  diperoleh  [5]. Mengatasi  kelemahan  tersebut,  simulasi  yang
menggabungkan  platform  fisik  dan  digital dikembangkan untuk memberikan pengalaman dan  memperlihat  fenomena  fisik  peralatan tertentu  [6].  Pengujian  karateristik  operasi relay untuk meningkatkan pemahaman terhadap  kinerja  relay  proteksi  dilakukan  oleh [7]  melalui  pengujian  karateristik  relay proteksi  dilaboratorium.  Meskipun  metode tersebut  menggunakan  relay  proteksi  aktual, namum sinyal parameter berasal dari simulator komputer.  Pengamatan  fenomena  pada  sistim tenaga, dapat dilakukan menggunakan perangkat  keras scaled-down model  di laboratorium [8-9].
Scaled-down model  sistim  tenaga  tidak membutuhkan  instalasi  yang  kompleks,  dan biaya lebih rendah. Beberapa produk komersial scaled-down model telah dikembangkan oleh beberapa pabrikan produsen  peralatan  laboratorium,  diantaranya Terco  [10],  De  Lorenzo  [11],  dan  Lucas Nuelle  [12].  Produk  komersial  tersebut membutuhkan daya yang cukup besar (puluhan  sampai  ratusan  kVA),  dan  rating tegangan  yang  digunakan  120  V  –  1000  V. Peralatan  tersebut  membutuhkan  biaya  yang
cukup besar bagi beberapa institusi pendidikan tinggi. Dalam pelaksanaan percobaan, diperlukan rangkaian kabel-kabel untuk menghubungkan  masing-masing  komponen. Proses  seperti  ini  membutuhkan  waktu  dan kadang  membosankan,  serta  berisiko  terhadap keselamatan.  Kekurangan  lain  dari  produk komersial tersebut adalah kurangnya
pemahaman  terhadap  prinsip  kerja  dan karateristik masing komponen karena komponen tersebut terdapat di dalam peralatan, sehingga tidak terlihat oleh mahasiswa.
Penelitian  ini  akan  merancang  dan membangun  sebuah  perangkat  keras  scaled- down  model  sistim  distribusi  tenaga  listrik yang  terdiri  dari  sumber  jala-jala,  model saluran,  simulator  gangguan  hubung  singkat, model  beban,  peralatan  pensaklaran,  dan  alat ukur.  Model  ini  akan  digunakan  untuk mengamati fenomena gangguan hubung singkat,  diantaranya  gangguan  satu  fasa ketanah,  gangguan  fasa-fasa,    gangguan  tiga fasa,  dan  gangguan  tiga  fasa  ke  tanah.    Agar fenomena  aktual  bisa  diwakili  oleh  model  ini, maka  impedansi  saluran  dimodelkan  sebagai impedansi  urutan  positif,  urutan  negatif,  dan urutan nol.

## TINJAUAN PUSTAKA
Rangkaian model saluran distribusi tenaga listrik  terlihat  seperti  pada  gambar  1. Perangkat keras scaled-down model dirancang dan  dibangun  sesuai  rangkaian  ini,  dimana parameter  impedansi  terdiri  dari  impedansi urutan  positif,  negatif  dan  nol.  Jika  panjang saluran  distribusi  adalah l ,  maka  nilai  dari masing  parameter  impedansi  tersebut  dapat dihitung sesuai [13] R 1 = R 2 = R 3 = r + .l L 1 = L 2 = L 3 = L + .l C 1 = C 2 = C 3 = C 5 = C 6 = C 7 = C + l/2 R 4 = (r 0 – r + ) l / 3 L 4 =(L 0 – L + ) l / 3 C4 = C8 = 1,5 C + C 0 l/(C + – C 0 )
dimana, r + = tahanan urutan positif L + = Induktansi urutan positif C + = Kapasitansi urutan positif R 0 = Tahanan urutan nol L 0 = Induktansi urutan nol C 0 = Kapasitansi urutan nol

## Gambar 1. Model Saluran Distribusi

## METODE PENELITIAN
Parameter  jaringan  distribusi  yang  akan dibuatkan scaled-down model adalah penghantar  AAAC  ( All  Aluminum  Alloy Conductor) 240  mm 2 untuk  penyulang incoming ,  dan  AAAC  150  mm 2 untuk penyulang outgoing .  Sesuai  SPLN  64:1985 Data impedansi jaringan terdiri dari impedansi urutan positif, dan impedansi urutan nol dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel  1.  Impedansi  Penghantar  AAAC  20  kV sesuai SPLN 64:1985
A (mm 2 ) Z+/- (Ohm / km) Z0 (Ohm / km) 150 0,2162 + j0,3305 0,3631 + j 1,6180 240 0,1344 + j0,3158 0,2824 + j1,6034
Konfigurasi sistem  yang  akan  dimodelkan terdiri  dari  satu  penyulang incoming dan  dua penyulang outgoing ,  dan  masing-masing sepanjang  30  km.  Impedansi  masing-masing penyulang  dimodelkan  setiap  10  km,  seperti yang ditunjukan pada gambar 2.

## Gambar 2. Konfigurasi Jaringan

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penentuan  nilai  impedansi  scaled-down model menggunakan metode per unit. Jaringan distribusi  yang  menggunakan  penghantar AAAC  240  mm2  memiliki  kemapuan  hantar arus 525 ampere, dan akan diskalakan dengan kapasitas  arus  0,1  Ampere.  Sementara  itu, untuk  pengahantar  AAAC 150  mm2  memiliki kapasitas  hantar  arus  400  A  akan  diskalakan dengan  kapasitas  0,1  ampere.  Tegangan
operasi  20  kV  akan  diskalakan  menjadi tegangan  3  V.  Hasil  perhitungan  impedansi untuk scaled-down model  dapat  dilihat  pada tabel 2.
Tabel  2.  Hasil  perhitungan  parameter  scaled- down model
A (mm 2 ) Z+/- (Ohm / km) Z0 (Ohm / km) 150 0,2162 + j0,3305 0,3631 + j 1,6180 240 0,1344 + j0,3158 0,2824 + j1,6034
Berdasarkan  nilai  parameter  impedansi scaled down model pada tabel 2, maka tahapan selanjutnya  dilanjutkan  dengan  pengerjaan perangkat  keras  Sistem  Distribusi  Tenaga Listrik.  Sesuai  dengan  uraian  sebelumnya, impedani saluran distribusi dimodelkan per 10 km panjang saluran.
Gambar
3 memperlihatkan  konfigurasi  sistem scaled- down model.
0,67 ohm 21,92 mH 0,67 ohm 21,92 mH 0,67 ohm 21,92 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 1,83 ohm 13,71 mH 0,56 ohm 18,24 mH 0,56 ohm 18,24 mH 0,56 ohm 18,24 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 0,56 ohm 18,24 mH 0,56 ohm 18,24 mH 0,56 ohm 18,24 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH 2,47 ohm 12,03 mH R S T G
Gambar 3. Konfigurasi Jaringan Sistem Scaled Down Model
Tahanan dimodelkan menggunakan resistor  yang  terdiri  dari  satu  resistor  atau beberapa resistor yang dirangkai seri, sehingga diperoleh  nilai  yang  diinginkan.  Reaktansi induktif  dimodelkan  oleh  induktor  tunggal yang  dibuat  menggunakan  kawar  enamel  dan dililit  pada  ferrit  core  toroid.  Tabel  3 menyajikan perbandingan nilai target resistansi dengan nilai resistansi yang diperoleh berdasarkan ketersediaan komponen di pasaran.  Sedangkan  Tabel  4  memberikan perbandingan nilai target induktor dengan nilai induktor yang dibuat.
Tabel 3. Perbandingan Nilai Target Resistor Terhadap Nilai Aktual
No Target (ohm) Aktual (ohm) Deviasi (%) Rangkaian 1 2,47 2,53 2,37 2,2 + 0,33 2 1,83 1,8 1,81 1,8 3 0,67 0,68 1,05 0,67 4 0,56 0,56 0 0,56 Tabel 4. Perbandingan Nilai Target Induktor Terhadap Nilai Aktual No Target (mH) Aktual (mH) Deviasi (%) 1 13,71 14,6 6,49 2 21,92 20,2 7.85 3 12,03 12.8 6.4 4 18,24 18,6 1.97
Rangkaian  komponen  impedansi  yang selesai  dirakit  pada  peraga  yang  terbuat  dari bahan  aklirik.  Peraga  ini  juga  dilengkapi dengan  rele  proteksi  numerik  dan  simulator gangguan hubung singkat yang dapat mensimulasikan gangguan hubung singkat tiga fasa  dan  fasa  tanah.  Gambar  4  menunjukan bentuk peraga sistim Distribusi Tenaga Listrik.
Gambar 4. Peraga Sistem Distribusi Tenaga

## Listrik

## PENUTUP
Nilai  parameter  scaled-down  model  pada penelitian  ini  dihitung  menggunakan  metode faktor  skala.  Parameter  aktual  diambil  dari SUTM yang menggunakan penghantar AAAC 150  mm 2 dan  240  mm 2 .  Nilai  yang  diperoleh akan  diimplementasikan  membuat scaled- down model sistim distribusi tenaga listrik.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Karady, G.G. Roll of laboratory education in  electrical  power  engineering  education. In  Proceedings  of  the  IEEE  Power  and Energy Society General Meeting, Pittsburgh, PA, USA, 20–24 July 2008.
2. Strasser,  T.;  Stifter,  M.;  Andren,  F.; Palensky, P. Co-simulation training platform  for  smart  grids. IEEE  Trans.
Power Syst. 2014, 29 , 1989–1997.
3. Georgilakis, P.S.; Orfanos, G.A.; Hatziargyriou,  N.D.  Computer-assisted interactive learning for teaching transmission  pricing  methodologies. IEEE Trans. Power Syst. 2014, 29 , 1972–1980.
4. Donadel,  C.B.;  Fardin,  J.F.;  Encarnacao, L.F.  Educational  tool  for  radial  electrical distribution networks analysis and optimization  studies  involving  distributed generation  units. Int.  J.  Elec.  Eng.  Educ. 2018, 55 , 3–13.
5. Fehr,  R.E.  A  model  curriculum  for  power engineering.  In  Proceedings  of  the  IEEE Power  and  Energy  Society  General Meeting, Pittsburgh, PA, USA, 20–24 July
2008.
6. Mao, C.X.; Leng, F.; Li, J.L.; Zhang, S.T.; Zhang,  L.D.;  Mo,  R.; Wang,  D.;  Zeng,  J.; Chen,  X.;  An,  R.R.;  et  al.  A  400-V/50- kVA  digital-physical  hybrid  real-time simulation  platform  for  power  systems. IEEE  Trans.  Ind.  Electron. 2018, 65 ,
3666–3676.
7. Pires,  V.F.;  Martins,  L.S.;  Amaral,  T.G.; Marçal,  R.;  Rodrigues,  R.;  Crisóstomo, M.M.  Distance-learning  power-system protection  based  on  testing  protective relays. IEEE  Trans.  Ind.  Electron. 2008, 55 , 2433–2438.
8. Jose,  M.M.;  Manuel,  B.V.;  Francisco, P.G.;  Juan,  J.;  Juan,  M.M.;  Lazaro,  A.B.; Antonio,  G.E.  A  multi-platform  lab  for teaching and research in active distribution networks. IEEE  Trans.  Power  Syst. 2017, 32 , 4861–4870.
9. Coleman, N.S.; Ogawa, K.L.; Hill, J.; Miu, K.N. Reconfigurable
distribution
automation  and  control  laboratory:  Solar microgrid  experiments. IEEE  Trans. Power Syst. 2018, 33 , 6379–6386.
10. Transmission Line, Transformer & Protective Relays. Available online: https://www.tercosweden.com/products/el ectrical-power-systems/transmissions-line/ (diakses pada 15 Oktober 2019). 11. De  Lorenzo  Group  Power  Transmission and Distribution. Available online: https://www.delorenzoglobal.com/electric
al-power/distribution/  (diakses  pada  15 Oktober 2019). 12. Lucas  Nülle-EDP  Protection  for  Busbars Systems. Available online: http://www.lucas- nuelle.us/2768/apg/8506/EDP-Protection-
for-Busbars-systems.htm  (diakses  pada  15 Oktober 2019).
13. Ghassan,  B.;  Pablo,  G.;  Reynaldo,  S.; Juan,  M.V.  Electromagnetic  transient studies of large distribution systems using frequency  domain  modeling  methods  and network  reduction  techniques. Int.  J. Electr. Power 2019, 110 , 11–20.