## ANALISIS ARUS NETRAL AKIBAT KETIDAKSEIMBANGAN BEBAN PADA JARINGAN DISTRIBUSI TEGANGAN RENDAH
(PT. PLN Cabang Pekanbaru Rayon Kota Barat)

## Yolnasdi
Teknik Elektro, Sekolah Tinggi Teknologi Pekanbaru, Jl. Dirgantara no 4, Arengka Raya Pekanbaru
E-mail : yol_sttp@ymail.com

## Abstrak
Sistem distribusi  tenaga  listrik  tiga  fasa  empat  kawat  tegangan  rendah  380  Volt/220  Volt  umumnya dipergunakan  untuk  memasok  kelompok  beban  perumahan, gedung  perkantoran, kawasan industri  dan lainnya.Pada kondisi  operasi  normal,  sistem  distribusi  tenaga  listrik  mempunyai arus  beban  yang  relatif seimbang  dengan arus  netral  sistem  sangat  kecil,  yakni  tidak  melebihi  15%  dari  arus  normal. Namun 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  penghantar  netral, dan  arus  yang  mengalir dipenghantar netral ini disebut dengan  arus netral. Arus netral ini menyebabkan terjadinya losses (rugi- rugi)  pada  penghantar  netral  tersebut.  Untuk  studi  kasus  ini diambil  data  pengukuran  arus  pada  sebuah jaringan tegangan rendah trafo distribusi 380 V/220 V dengan kapasitas daya 160 kVA. Setelah dianalisa setiap tiangnya, diperoleh bahwa bila terjadi ketidakseimbangan beban yang besar (50,04%), maka arus netral yang muncul juga besar (79,5A), dan losses akibat arus netral yang timbul pada penghantar netral semakin besar pula (0,2 kW).
Kata kunci: ketidakseimbangan beban, arus netral, losses.

## 1. Pendahuluan
Dengan semakin berkembangnya teknologi yang menggunakan  tenaga  listrik  maka  secara  tidak langsung  manusia  sudah  tergantung  terhadap tenaga  listrik  baik  untuk  rumah  tangga  maupun industri.  Dalam  hal  ini  PT  PLN  Persero  dalam kapasitas  nya  sebagai  Badan  Usaha  Milik Negara (BUMN) yang bertujuan untuk memberikan  pelayanan  terbaik  bagi  konsumen listrik  tidak  mampu  menjalankan  fungsi  bisnis sebagaimana  semestinya  yang  disebabkan  oleh beberapa  faktor  yang  berdampak  terhadap berkurang  pendapatan  dari  penjualan  energi listrik  ini. Sehingga  satu-satunya  jalan  untuk menyelamatkan  pendapatan  PT  PLN  Persero adalah mengurangi semaksimal mungkin potensi yang dapat menyebabkan berkurangnya pendapatan  dari  penjualan  listrik  dan  hal  itu adalah  menekan  susut/losses. Losses sendiri
sederhananya  dapat  diartikan listrik  (KWH) yang tidak menjadi rupiah.
Ada banyak hal yang dapat menyebabkan timbul losses, salah satu diantara nya adalah Akibat dari Ketidakseimbangan  beban  pada  transformator distribusi  yang  menyebabkan  arus    mengalir pada penghantar netral dan menyebabkan losses, tentu  saja  keseimbangan  sempurna tidak  dapat dilakukan,  karena  tentu tidak  memungkinkan pengguna  listrik  menghidupkan  peralatan  yang sama dan dalam waktu bersamaan. Yang bisa di lakukan  adalah  membuat  kondisi  pemerataan yang maksimal.
Permasalahan  ini  muncul  acap  kali  disebabkan kurangnya  pengawasan  terhadap  pihak  ketiga mengenai  pemasangan  beban,  sehingga  yang terjadi  adalah  kondisi  dimana  salah  satu  fasa dibebankan jauh melebihi fasa yang lain dan hal inilah  yang  menyebabkan  arus  yang  mengalir
pada  penghantar  netral  semakin  besar. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk :
Menghitung  persen  ketidakseimbangan  data pengukuran  dan  melakukan  analisis  terhadap pengaruh arus netral dan losses yang ditimbulkan  dengan    program MATLAB    7. Kemudian  membandingkan  kondisi  b2ban dengan ketidakseimbangan >15% dan kondisi ≤ 15%  dengan  kondisi  beban  seimbang  (ideal). Selanjutnya menghitung  perkiraan kerugian  PT. PLN (Persero), pada kondisi ketidakseimbangan beban  >15%  dan  membandingkannya  dengan kondisi  beban  ketidakseimbangan  beban ≤ 15% dalam kWh dan rupiah.
Tulisan ini mengkaji  tentang analisis  pengaruh arus  netral  akibat  ketidakseimbangan  beban terhadap losses yg  terjadi  pada  trafo  distribusi tegangan  rendah,  dan  membuat  program simulasi  operasi  trafo  jaringan  tegangan  rendah pada beberapa kondisi dengan program MATLAB 2007.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1 Penyaluran dan Susut Daya

## Keadaan Arus Tak Seimbang
Daya  merupakan  banyaknya  perubahan  tenaga terhadap  waktu  dalam  besaran tegangan  dan arus. Satuan daya adalah watt. Daya dalam watt yang  diserap  oleh  suatu  beban  pada  setiap  saat adalah  hasil  kali  jatuh  tegangan  sesaat diantara beban  dalam  volt  dengan  arus  sesaat  yang mengalir dalam beban tersebut dalam ampere. Daya Aktif
P = V. I . cos φ (Watt) Daya Reaktif Q = V. I . sin φ (VAR) Daya Semu S = V. I (V A)
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  (1)
Dimana :
P : Daya pada ujung kirim (Watt) V : Tegangan fasa – netral pada ujung kirim (V)
cos  : 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:
rata R I I a  (2)
rata S I I b  (3)
rata T I I c  (4)
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  (5)
Apabila persamaan-persamaan di atas
menyatakan  daya  yang  besarnya  sama,  maka dari  kedua  persamaan  itu  dapat  diperoleh persyaratan untuk Koefisien a, b, dan c yaitu :
a + b + c  =  3 (6) dimana pada keadaan seimbang, nilai : a = b = c = 1. (7)
Dengan  anggapan  yang  sama,  arus  yang mengalir  dipenghantar  netral  dapat  dinyatakan sebagai :
IN = IR + Is + IT = [I] { a + b cos (-120) + j.b sin (-120)+ c cos (120) + j.c sin (120)} = [I] {a-(a+b) / 2 + j. (c – b ) ( √ 3 ) / 2 (8)
Susut  daya  saluran  adalah  jumlah  susut  daya pada  penghantar fasa  dan  penghantar  netral, adalah :
P  =  {[IR] + [Is]² + [IT]² }. R + (IN)² . RN =   (a² + b² + c²) [I]² . R + (a² + b² + c² - ab – ac – bc) (IN)² . RN (9)
Susut daya untuk saluran fasa adalah sebesar:   L T S R R I I I P 2 2 2     (10)
Susut daya pada saluran netral sebesar:
N N R I P 2   (11) Arus rata-rata :
3 T S R rata I I I
I    (12)
Dengan demikian, rata-rata ketidak seimbangan beban (dalam %) adalah:
  % 100 3 1 1 1 % x c b a Kts       (13)
Losses Energi (kWh) = P total . t Losses Energi (Rp) = Losses (kWh) x Rp/kWh
(14)

## Beban Tak Seimbang Terhubung Y
Pada  sistem  ini  masing-masing  fasa akan mengalirkan  arus  yang  tak  seimbang  menuju netral (pada sistem empat kawat). Sehingga arus netral  merupakan  penjumlahan  secara  vektor arus yang mengalir dari masing-masing fasa. Pada sistem dengan empat kawat, akan berlaku :
R RN R Z V I  (15) S SN S Z V I  (16) T TN T Z V I  (17) T S R N I I I
I    (18)

## Gambar 1. Beban tak seimbang terhubung bintang empat kawat
Diagram fasor untuk beban tak seimbang dengan tiga  kawat, salah  satu contohnya  adalah  sebagai berikut :
keadaan tidak seimbang adalah keadaan di mana salah  satu  atau  kedua  syarat  keadaan  seimbang tidak  terpenuhi.  Kemungkinan  keadaan  tidak seimbang ada 3 yaitu :
a. Ketiga  vektor  sama  besar  tetapi  tidak membentuk sudut 120 o satu sama lain.
b. Ketiga  vektor  tidak  sama  besar  tetapi membentuk sudut 120 o satu sama lain.
c. Ketiga  vektor  tidak  sama  besar  dan  tidak membentuk sudut 120 o satu sama lain.

## Gambar 2. Diagram Fasor Beban seimbang dan beban tak Seimbang
Gambar  2(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  2(b) menunjukkan  vektor  diagram  arus  yang  tidak seimbang.  Disini  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. Hasil Dan Pembahasan
Dalam analisa berikut ini ,akan dibandingkan  perhitungan losses pada  trafo distribusi  jaringan  tegangan  rendah  (JTR) dengan  kondisi  beban  yang  tidak  seimbang dengan  kemiringan  > 15%  dengan  kondisi  trafo pada  kondisi  beban  ideal  serta  kondisi pembebanan  trafo  kondisi  beban  yang  tidak seimbang  dengan  kemiringan ﻛ 15%  dan pengukuran hanya dilakukan pada beban puncak atau jam 19.30.
3.1 Perhitungan Losses Beban Tidak Seimbang pada  Kemiringan    >15%
dan ﻛ 15% dengan Program Matlab.
Hasil pengukuran untuk beban ideal dapat dicari dengan  menjumlahkan  rata-rata  ketiga  arus  fasa dibagi  dengan  3  (tiga).  Serta  akan  didapatkan harga  arus  netral  untuk  masing-masing  tiang adalah 0 (nol).Dengan menggunakan persamaan diatas maka  didapatkan  hasilnya  seperti  pada tabel berikut :

## Tabel 1. Hasil Pengukuran
Jurusan 1 No Tiang Panjang Jaringan ( m ) R ( A ) S ( A ) T ( A ) N ( A )
1 2 3 4 5 45 40 50 45 40 74.3 41.2 25.7 19.4 11.7 104.3 60.2 53.5 32.9 5.2 141.2 96 66.7 54.3 25.9 68.2 51.8 41.1 29.3 17 Jurusan 2 6 7 8 9 40 45 50 50 53.2 32.1 17.8 13.3 74.6 47.3 30.6 23.2 19.2 15.4 11.5 8.6 57.2 34.1 22.8 17.6 Jurusan 3 10 11 12 13 14 15 45 50 45 40 50 45 121.2
64.9 45.1 29.6 24.4
11.3
41.1 30.2 15.4 12.1 9.9 5.2 45.4 23.7 19.2 13.6 12.4 6.9 79.5 41.6 29.8 21.2 17.1 8.8
Ukuran  tahanan  setiap  kabel  sesuai  dengan ketetapan SPLN:
Ukuran  kabel  fasa  NFA  2X70  mm = 0,44
Ohm/km Ukuran  kabel  netral  NFA2X50  mm = 0,69
Ohm/km Kapasitas tarafo 0028 = 160 kVA Tegangan Primer = 20 kV Tegangan Sekunder = 400 Volt Cos  = 0.8 Jam nyala (t) / bulan = 200 jam/bulan Rp/kWh = Rp 790/kW
Tabel 2. Hasil perhitungan losses beban tidak seimbang dengan kemiringan  > 15% dan kondisi beban ideal
============================================================================= No  Panjang   Arus rata   Persen Ketidak Losses Beban Tak Seimbang Losses Seimbang (ideal) Jrgn (m) (Amp) Sbg (%) Phasa(KW)  N(KW)  Tot(KW) Phasa(KW)  N(KW) Total(KW) ============================================================================= 1     45.00        106.60       21.64 0.72 0.14       0.87            0.68 0 0.68 2     40.00        65.80         30.60                 0.26           0.07       0.33 0.23 0 0.23 3     50.00        48.63         31.44                 0.18           0.06       0.23 0.16 0 0.16 4     45.00        35.53         35.21                 0.09           0.03       0.11 0.08 0 0.08 5     40.00        17.60         31.44                 0.02           0.01       0.03 0.02 0 0.02 6     40.00        49.00         40.54                 0.16           0.09       0.25 0.13 0 0.13 7     45.00        31.60         34.18                 0.07           0.04       0.11 0.06 0 0.06 8     50.00        19.97         35.50                 0.03           0.02       0.05 0.03 0 0.03 9     50.00        15.03         36.22                 0.02           0.01       0.03 0.02 0 0.02 10     45.00        69.23 50.04 0.37 0.20 0.56 0.29 0 0.29 11     50.00        36.70         42.64                0.12           0.06       0.18 0.09 0 0.09 12     45.00        26.57         46.51                0.05           0.03       0.08 0.04 0 0.04 13     40.00        18.43         40.39                0.02           0.01 0.03 0.02 0 0.02 14     50.00        15.57         37.83                0.02           0.01       0.03 0.02 0 0.02 15     45.00         7.80          29.91 0.00           0.00       0.01 0.00 0 0.00 ============================================================================= 0.78 2.89 1.84
Tabel 3. Hasil Simulasi Persen Ketidakseimbangan Beban ﻛ 15%  dan Kondisi Beban Ideal ============================================================================= No  Panjang    Arus rata   Persen Ketidak Losses Beban Tak Seimbang Losses Seimbang (ideal) Jrgn (m) (Amp) Sbg (%) Phasa(KW)  N(KW)  Tot(KW)     Phasa(KW)  N(KW)  Tot(KW) ============================================================================= 1 45.00        106.60 4.77 0.675 0.002 0.677 0.680 0 0.680 2 40.00         65.80 10.10 0.230 0.006 0.236 0.230 0 0.230 3 50.00         48.63 8.48 0.160 0.001 0.161 0.157 0 0.157 4 45.00         35.53 5.51 0.076 0.001 0.076 0.076 0 0.076 5 40.00         17.60 4.99 0.016 0.000 0.016 0.016 0 0.016 6 40.00         49.00 9.00 0.131 0.002 0.133 0.128 0 0.128 7 45.00         31.60 8.07 0.060 0.001 0.061 0.060 0 0.060 8 50.00         19.97 8.98 0.025 0.001 0.026 0.026 0 0.026 9 50.00         15.03 7.10 0.014 0.000 0.015 0.015 0 0.015 10 45.00 69.23 6.08 0.290 0.001 0.291 0.287 0 0.287 11 50.00 36.70 5.31 0.088 0.000 0.089 0.090 0 0.090 12 45.00 26.57 1.56 0.043 0.000 0.043 0.042 0 0.042 13 40.00 18.43 7.60 0.019 0.000 0.019 0.018 0 0.018 14 50.00 15.57 9.19 0.015 0.000 0.016 0.016 0 0.016 15 45.00 7.80 4.92 0.004 0.000 0.004 0.004 0 0.004 ============================================================================= 0.015 1.862 1.844
Dari Tabel  2.  terlihat  dengan  ketidakseimbangan > 15% losses yang terjadi di penghantar fasa dan netral  cukup  besar, dimana losses penghantar netral yang paling besar  yaitu pada jurusan 3 atau tiang  10  dengan  persen  ketidak  seimbangannya cukup besar yaitu 50,04% yang berakibat terhadap arus  yang  muncul  pada  penghantar  netral  juga cukup  besar  dibanding  tiang  yang  lainnya sehingga  menghasil  kan losses di  penghantar netral  itu  sendiri  cukup  besar  yaitu  0,2  kW. Sedangkan losses yang  paling  besar  terjadi  di penghantar fasa yaitu pada jurusan 1 atau tiang 1, hal ini disebabkan  oleh faktor arus fasanya, yang menghasilkan arus rata-rata sebesar 106,6 A yang mengakibatkan losses yang  timbul  juga  paling besar  yaitu  0,72  kW  , hal  ini  disebabkan  tiang  1 adalah tiang awal setelah  trafo maka arusnya juga paling besar dibanding tiang-tiang lainnya. Untuk kondisi beban seimbang (ideal) memang kita lihat losses yang  terjadi  di  penghantar  netral  adalah  0 (nol)  karena  arus  netralnya  juga  0  (nol), tetapi losses yang  timbul  pada  penghanatar  fasa  sama sekali  tidak  bisa  dihindari  karena  pengaruh  nilai
Tahanan  (R)  dari  penghantar  itu  sendiri. Sedangkan  Tabel  3  adalah hasil  pemeratan  beban dengan  simulasi  matlab  dimana  harga  arus  setiap fasa dimasukan secara acak.
Dari tabel  terlihat  dengan  ketidakseimbangan ﻛ 15% losses yang terjadi di penghantar netral kecil sekali  bahkan  mendekati losses yang  timbul  di penghantar  netral  pada  kondisi  beban  seimbang (ideal), dengan  kondisi  setelah  pemerataan  beban dengan  simulasi  matlab  ini, losses penghantar netral  yang  paling  tinggi  timbul  pada  jurusan  1 tiang 2 dengan persen ketidak seimbangan sebesar 10,1%. dimana  nilai  ini  masih  dibawah  standar yang diizinkan PLN yaitu sebesar 15%.

## 3.2.  Perbandingan Losses Untuk  Ketiga Kondisi Beban
Dari  hasil  perhitungan dapat  dibuat  tabel perbedaan losses untuk  ketiga  kondisi  sebagai berikut:

## Tabel 4. Losses untuk Ketiga Kondisi Beban.
Kemiringan beban Kondisi beban Total Losses per bulan Selisih Losses (dibanding kondisi ideal) (kWH) (Rp) (kWh) ( Rp ) 0 % Ideal 368 290.720 - - ﻛ 15% Sesuai standar 372,4 294.196,- 4,4 3.476,- > 15 % Melebihi Standar 578 456.620,- 210 165.900,-
Dari  tabel  diatas, besar losses yang  diakibatkan oleh beban yang tidak seimbang diatas  15% pada trafo 0028 dengan kapasitas 160 kVA Rayon kota barat  mengkibatkan  pihak  PLN  mengalami kerugian lebih kurang 210 kWh per bulannya atau 2520  kWh  per  tahunnya.  Apabila  dihitung  dalam Rupiah  maka  PLN  akan  mengalami  kerugian sebesar  Rp  165.900,- per  bulannya  atau  Rp 1.990.800,- per tahunnya.
Dan  selisih  beban  ideal  dengan  beban ﻛ 15% adalah : 1.862 Watt – 1.844 Watt = 18 Watt  atau 0,018 kW.

## 4 . Kesimpulan
Dari hasil perhitungan dan analisa yang telah dilakukan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
a. Semakin  tidak  seimbang  beban  antar  fasa, semakin  besar  pula  arus  yang  mengalir  di penghantar netral.
b. Losses pada penghantar netral yang diakibatkan  oleh  arus  netral  tertinggi  timbul pada  tiang  10  yaitu  sebesar    0,2  kW  dengan ketidakseimbangan beban 50,04%.
c. Losses pada  penghantar  fasa  yang  tertinggi timbul  pada  tiang  1  yaitu  sebesar  0,72  kW dengan ketidakseimbangan beban 21,64%.
d. Losses pada  penghantar  fasa  yang  tidak  bisa dihindari  karena  adanya  arus  mengalir  pada penghantar  fasa  tersebut  atau  pada  kondisi beban ideal sekalipun akan tetap menimbulkan losses dengan  total 1,84 kW.

## Daftar Acuan
[1] Basri,  Hasan, Sistem  Distribusi  Daya
Listrik,Jakarta : Press,1997.
[2] James J.Burke, Power Distribution Engineering Fundamentals And  Applications,  New  York: Marcel Dekker Inc., 1994. [3] Machmudsyah.T, Setiadji, Isnanto.Y, Pengaruh Ketidakseimbangan Beban Terhadap Arus  Netral  dan Losses pada Trafo Distribusi, Surabaya,Jurnal teknik Elektro,Vol 6, No.1,Maret,2006:68-73.
[4]  Marsudi,Djiteng, Operasi  Sistem  Tenaga Listrik,Graha IlmuYogyakarta,2006.
[5]    Kadir.  A.,, Distribusi  dan Utilisasi  Tenaga Listrik, Jakarta: UI - Press,2006.
[6]    V.K,  Mehta and  Rohit  Mehta, Principles  of Power System,  New Delhi, 2000.
[7] Zuhal, Dasar  Tenaga  Listrik,  Bandung: ITB, 1991.
[8]  Okasasmita, Penekanan Losses Dengan Pemerataan Beban pada Trafo Distribusi, Staff PLN Gresik,2008.
[9]  Desmet,,Jan  J.  M, Analysis  of  the  Neutral Conductor  Current    in    a  Three-Phase Supplied  Network  With  Nonlinear  Single- Phase Loads IEEE  transactions  on industry  applications,  vol.  39,  no.  3, may/june 2003