transmisi daya listrik

Sudah terbukti, bahwa kehidupan manuia di era moderen tidak dapat lepas dari daya listrik, dari listrik teganggan tinggi sampai listrik teganggan rendah yang terdapat di ponsel, kalkulator, jam, dll

listrik teganggan tinggi (maksudnya tidak terlalu tinggi) 220 Vac -380 Vac, banyak dipergunakan di rumah, kantor, gedung, jalan, dll
listrik teganggan tinggi dipergunakan sebagai sumber energi bagi peralatan-peralatan pendukung kemudahan hidup bagi manusia, seperti lampu, almari es, pemasak nasi / magic com, dispenser air,  pompa air, televisi, fan, AC, water heater, computer / laptop,  bor tangan, gerinda, mesin bubut, mesin gergaji, mesin las, motor penggerak industri, dll

pernah merasakan saat listrik PLN rumah padam? berapa banyak kegiatan yang terhenti karenanya??
saya merasa seperti pengangguran kronis yang gak tau mau mengerjakan apa....

produksi daya listrik oleh PLN atau swasta tentunya berada di daerah-daerah yang memiliki sumber daya energi yang akan dirubah menjadi daya listrik
PLTA akan berada di daerah bendungan yang memiliki cadangan air banyak
PLTU akan berada didaearah pantai, untuk mempermudah distribusi batu bara yang biasanya dikirim melelui laut (karena kapal/ponton dapat mengangkut batu bara dengan jumlah sangat banyak untuk sekali jalan)
PLTG akan berada di daerah penghasil gas alam
PLTPanas Bumi berada didaerah penghasil panas bumi
PLTN akan berada didaerah yang memiliki efek gempa dan pergeseran bumi terendah
kecuali PLTD, ditempatkan mendekati permukiman dan industri didaerah perintis (baru dibuka)

bagi daerah yang tidak memiliki sumber energi dasar, pasti akan kesulitan untuk membangun pembangkit listrik sendiri. oleh sebab itu kebutuhan daya listrik akan dipenuhi oleh pembangkit-pembangkit yang jaraknya sangat jauh, bisa ribuan km.

permasalahan pada pengiriman daya listrik melalui kawat/kabel jarak jauh adalah kehilangan daya listrik karena restansi/hambatan internal kawat (Ohm). hilangnya daya listrik ini karena resistansi kawat akan merubah daya listrik menjadi panas dan dibuang ke udara

untuk mengatasi permasalahan ini, maka transmisi (hubungan pemindahan) daya listrik dilakukan dengan menaikan teganggan listrik sampai ratusan ribuan volt.
teganggan tinggi dapat memindahkan daya listrik dalam jumlah besar mengunakan kawat berukuran kecil.

ilustrasi :
- daya yang ditransmisikan 30 MW (30.000.000 Watt)
- kawat penghantar aluminium (diameter : 20 mm), penghantar 1 x 3 Phase
- Jarak transmisi 2000 km

contoh-1 :
- Tegangan transmisi 220 V
- Arus yang mengalir = 78,730 kA (kilo ampere)
- Tegangan hilang =  220 Volt
- Tegangan yang tersisa =  0 Volt

tegangan tersisa adalah 0 Volt, artinya, semua daya listrik habis menjadi panas di kawat dan tidak pernah sampai di daerah yang dituju, dan kemungkinan besar kawat transmisi putus karena meleleh

contoh-2 :
- Tegangan transmisi 150.000 V
- Arus yang mengalir = 115,47 A (ampere)
- Tegangan hilang = 21,97 kV ( 14,6 % )
- Tegangan yang tersisa = 128,03 kV
- Daya hilang = 4,394 MW

daya listrik sampai di daerah yang dituju dengan penurunan

contoh-3 :
- Tegangan transmisi 400.000 V
- Arus yang mengalir = 43,301 A (ampere)
- Tegangan hilang = 8,239 kV ( 2,06 % )
- Tegangan yang tersisa = 391,761 kV
- Daya hilang = 617,921 kW

daya listrik sampai di daerah yang dituju dengan penurunan

perhatikan contoh-1, contoh-2, contoh-3, ke tiga contoh mempergunakan ukuran kawat yang sama, tetapi kehilangan daya contoh 1 sangat besar dan contoh ke 3 paling kecil.

hal ini dikarenakan nilai tegangan contoh-1 paling kecil, daya hilang paling besar, nilai tegangan contoh-3 paling tinggi, daya hilang paling rendah

mengapa tidak membesarkan ukuran kawat? hal ini berhubungan dengan kekuatan topang menara kawat transmsi (menara sutet) dan biaya

penggunaan kawat berukuran besar, mengharuskan pembuatan menara sutet dengan daya topang besar (dengan material logam yang lebih banyak),  dan harga kawat yang lebih mahal, terlebih lagi, kesulitan dalam instalasi kawat ke menara

mengapa dari contoh-3, daya yang hilang masih besar?

contoh diatas transmisi daya dihitung hanya menggunakan 1 x 3 kawat (3 phase), aplikasi dilapangan, transmisi tegangan tinggi biasanya menggunakan 2 x 3 kawat (3 phase)

contoh-4 :
- Penghantar 2 x 3 phase
- Tegangan transmisi 400.000 V
- Arus yang mengalir = 43,301 A (ampere) : 2 = 21,6505 A (ampere)
- Tegangan hilang = 4,12 kV ( 1,03 % )
- Tegangan yang tersisa = 395,88 kV
- Daya hilang = 154,5 kW *2 = 309,0 kW

dari pembuktian diatas ( contoh 1-3 ), kawat penghantar dengan ukuran yang sama, akan memiliki kehilangan daya yang berbeda dengan penerapan tegangan yang berbeda pula, semakin tinggi tegangan, akan semakin kecil arus (ampere) yang mengalir, semakin kecil pula kehilangan daya pada kawat penghantar.

catatan :
penerapan hukum ohm, diaplikasikan dalam perhitungan ini

cara kerja travo power supply switching

Disini tidak membahas sekema rangkaian power supply switching, karena sudah banyak blog / web yang membahasnya

Power supply switching juga d kenal dengan adaptor switching, gacun, dsb...disadari atau tidak, power supply ini banyak dipakai di dalam kehidupan sehari-hari seperti adaptor charger HP, adaptor charger laptop, adaptor charger battery kamera, adaptor charger battery HT,  adaptor printer, adaptor speedy, inverter dc to ac, mesin las inverter dsb

bila kita membuka kemasan power supply switching, sudah tidak terdapat travo step down konvensional berukuran besar
travo yang dipergunakan oleh power supply switching terbilang kecil di banding travo konvensional dengan output ampere yang sama

bandingkan adaptor charger nokia jadul dengan yang terbaru... ukurannya jauh lebih kecil dan lebih ringan, hal ini dikarenakan charger nokia jadul menggunakan travo konvensional, sedangkan yang terbaru menggunakan travo switching.

bila diperhatikan, travo switching mempergunakan inti ferrit ( serbuk besi dipadatkan ) sedangkan travo konvensonal mempergunakan susunan plat besi.
jumlah lilitan kawat tembaga travo switching jauh lebih sedikit dibandng travo konvensional

Kesalahan :
banyak sumber-sumber dari blog maupun web mengatakan, penggunaan lilitan kawat tembaga yang lebih sedikit tidak menimbulkan panas yang tinggi, karena pemberian arus pada lilitan tembaga dilakukan dalam waktu yang singkat, sehingga menekan timbulnya panas yang mengakibatkan tembaga melebur/putus

bila benar demikian, mengapa MCB meteran listrik tidak trip/turun, bukankah nilai resistansi lilitan menjadi sangat rendah bila lilitan dibuat lebih sedikit ??? (nilai resistansi rendah, arus yang mengalir menjadi lebih besar)

Penjelasan :
prinsip kerja travo adalah nilai induksi dari lilitanya, dikenal dengan satuan Herry
kita tidak dapat mengukur nilai resistansi travo secara langsung, misal menggunakan AVO meter, karena akan menunjukan nilai mendekati 0 Ohm karena yang di ukur adalah resistansi kawat tembaganya

induktor / lilitan travo memiliki nilai resistansi tertentu saat mendapatkan arus dalam bentuk gelombang atau pulsa (frekuensi) yang dikenal dengan reaktansi (resistansi yang disebabkan reaksi arus)

induktor akan memiliki nilai resistansi terendah pada arus dengan frekuensi  rendah, dan memiliki nilai resistansi tertinggi pada arus dengan frekuensi tinggi

misal :
travo step down konvensional :
- Arus Sekunder : 500 mA
- Voltase  Sekunder : 12V
- Daya  Sekunder : 6W
- Voltase Primer : 220 Vac
- Frekuensi kerja : 50 Hz

dianggap eff travo = 100% maka :
- Arus Primer : 27.273 mA

didapat :
Resistansi Primer = 8,067 kOhm
Resistansi Sekunder = 24 Ohm

disini, panjang kawat tembaga untuk lilitan travo bukan di ukur berdasar nilai resistansi kawatnya, bila yang diukur resistansi kawat tembaga, akan membutuhkan kawat dengan panjang ber kilo-kilo meter untuk medapatkan resistansi 8,067 kOhm

misal :
- kawat tembaga yang dipergunakan awg 30 dengan resistansi kawat 338,53 Ohm / km
- untuk 8,067 kOhm diperlukan kawat tembaga sepanjang 23,83 km
- untuk 24 Ohm diperlukan kawat tembaga sepanjang 70 m

perhitungan resistansi kawat tembaga travo  adalah reaktansi yang dipengaruhi jumlah lilitan berdasar frekuensi arus, permeabilitas bahan inti/core travo dan luas + tinggi inti/core travo

misal :
untuk mempermudah perhitungan  di ilustrasikan permeabilitas relatif inti travo = 1000 (untuk perhitungan sebenarnya cek nilai inti yang dipergunakan)
- core berbentuk bulat dengan diameter : 2cm, tinggi 3cm
- Induksi pada reaktansi 8,067 kOhm @ 50 Hz = 25,678 H (Herry)
- jumlah lilitan tembaga yang dibutuhkan = 1397 lilitan
- panjang kawat tembaga primer yang dibutuhkan = 87,77 m

- Induksi pada reaktansi 24 Ohm @ 50 Hz = 76,394 mH (mili Herry)
- jumlah lilitan tembaga yang dibutuhkan = 76 lilitan
- panjang kawat tembaga sekunder yang dibutuhkan = 4,77 m

bandingka panjang kawat tembaga yang dihitung berdasar resistansi dan reaktansi, sangat jauh berbeda



kembali ke power supply  switching !!!
power supply switching tidak mempergunakan frekuensi jala-jala listrik, tetapi membangkitkan frekuensi arusnya sendiri.
frekuensi power supply switching berkisar 125 kHz (125.000 Hz) bisa kurang atau lebih tergantung disain travo yang akan dipergunakan

mengapa jumlah lilitan kawat tembaga travo switching lebih sedikit dibanding travo konvebsional ???

misal :
untuk mempermudah perhitungan  di ilustrasikan permeabilitas relatif inti travo = 1000 (untuk perhitungan sebenarnya cek nilai inti yang dipergunakan )
- core berbentuk bulat dengan diameter : 2cm, tinggi 3cm
- Induksi pada reaktansi 8,067 kOhm @ 125 kHz = 10,271 mH (mili Herry)
- jumlah lilitan tembaga yang dibutuhkan = 28 lilitan
- panjang kawat tembaga primer yang dibutuhkan = 1,76 m

- Induksi pada reaktansi 24 Ohm @ 125 kHz = 30,558 uH (micro Herry)
- jumlah lilitan tembaga yang dibutuhkan = 1,5 lilitan
- panjang kawat tembaga sekunder yang dibutuhkan = 9,4 cm

perhatikan nilai reaktansi pada travo konvensional dan travo switching.... bernilai sama pada masing-masing lilitan primer dan sekunder, tetapi kebutuhan panjang dan lilitan kawat tembaga  travo switchng jauh lebih sedikit

jadi penggunaan jumlah kawat tembaga yang sedikit pada travo power supply switching tidak akan menyebabkan MCB meteran listrik trip/turun, karena arus yang diserap travo switching sama dengan arus yang diserap oleh travo konvensional dan bukan merupakan kerja ekstrim bagi lilitan tembaganya

pada ukuran travo yang sama dan jumlah lilitan kawat tembaga yang sama, power supply switching mampu memberikan arus (ampere) yang jauh lebih besar, dan tentu menyerap daya listrik PLN / sumber listrik yang banyak pula.

untuk melakukan pembuatan power supply switching, hal-hal yang perlu diperhatikan :

- bahan inti / core travo, untuk frekuensi tinggi core besi tidak dapat dipergunakan, diperlukan core ferrit karena waktu simpan induksi magnet singkat, sehingga respon terhadap frekuensi tinggi lebih baik
- ukuran /diameter kawat tembaga, pilih ukuran sesuai ampere yang bekerja di kawat tembaga
- ukuran /diameter kawat tembaga mempengaruhi karakteristik frekuensi kerja, semakin besar kawat tembaga, respon frekuensi semakin rendah, sehingga pemilihann ukuran kawat tembaga harus disesuaikan dengan frekuensi kerjanya (baca datasheet kawat tembaga)
- pertimbangkan efisiensi travo (daya hilang), jadi daya yang dibangkitkan oleh lilitan primer harus lebih besar dari rencana daya lilitan sekunder (eff travo berkisar 65%-80%)

Catatan :
Cara mengulung travo sangat beragam, cara diatas bukanlah baku, dan ditulis hanya untuk pembuktian mengapa travo switching memiliki lilitan kawat tembaga lebih sedikit dibanding travo konvensional bukan memberikan cara mengulung travo.
walaupun cara ini sudah berhasil dicoba untuk melakukan voltase step up untuk menghasilkan loncatan listrik (spark) berdaya besar yang mampu membakar kayu, melelehkan kaca dan membakar kabut minyak solar