Sistem Transmisi Daya Listrik Bawah Laut Sistem Tenaga Listrik Komponen utama sistem tenaga listrik terdiri dari pembangkit, transmisi dan distribusi. Sistem transmisi berfungsi menyalurkan mengirimkan tenaga listrik dari pusat pembangkit ke pusat beban dengan menggunakan tegangan tinggi dan tegangan menengah (melalui saluran transmisi tegangan tinggi dan saluran transmisi tegangan menengah), karena ada kalanya pembangkit tenaga listrik dibangun di tempat yang jauh dari pusat-pusat beban (load centers). Sedangkan, sistem distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem distribusi ini berguna untuk menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik dari gardu distribusi sampai ke konsumen dengan menggunakan saluran distribusi tegangan rendah. Sistem tenaga listrik adalah beberapa unsur perangkat peralatan yang terdiri dari pembangkitan, penyaluran atau transmisi, distribusi dan pelanggan yang satu dengan yang lainnya berhubungan dan saling bekerja sama sehingga menghasilkan tenaga listrik. Transmisi dan distribusi sistem tenaga listrik dapat digambarkan seperti bagan: pembangkit; transmisi; distribusi; pelanggan. Dari keterangan di atas dapat dijelaskan bahwa prinsip kerja dalam sistem tenaga listrik dimulai dari bagian pembangkitan kemudian disalurkan melalui sistem jaringan transmisi kepada gardu induk dan dari gardu induk ini disalurkan serta dibagi-bagi kepada pelanggan melalui saluran distribusi. Tegangan generator pada umumnya rendah antara 6 kV sampai 24 kV, maka tegangan ini biasanya dinaikkan dengan pertolongan trafo step-up 30 kV sampai 500 kV (di beberapa Negara maju bahkan sudah sampai 1000 kV). Tingkat tegangan yang lebih tinggi ini, selain untuk memperbesar daya hantar dari saluran yang berbanding lurus dengan kuadrat tegangan, juga memperkecil rugi-rugi daya dan jatuh tegangan pada saluran. Penurunan tegangan dari tingkat tegangan transmisi pertama-tama dilakukan pada gardu induk (GI), dimana tegangan diturunkan ke tegangan yang lebih rendah dengan pertolongan trafo stepdown, misalnya dari 500 kV ke 150 kV atau dari 150 kV ke 70 kV. Kemudian penurunan kedua dilakukan pada gardu induk distribusi dari 150 kV ke 20 kV atau dari 70 kV ke 20 kV. Tegangan 20 kV ini disebut tegangan distribusi primer. Ada dua kategori saluran transmisi yaitu: Saluran udara (overhead lines) Yaitu menyalurkan tenaga listrik melalui isolator-isolator. Kelebihan dari penyaluran ini adalah lebih murah dan perbaikannya lebih mudah bila ada gangguan. Namun kekurangannya adalah
penyaluran ini mudah terpengaruh oleh cuaca buruk dan kurang estetis karena mengganggu pandangan. Saluran kabel tanah (underground cable) Yaitu menyalurkan tenaga listrik melalui kabel-kabel yang ditanam di bawah permukaan tanah. Kelebihan dari penyaluran ini adalah tidak terpengaruh oleh cuaca buruk, topan, hujan, angin dan bahaya petir. Lagi pula salurah bawah tanah lebih estetis karena tidak mengganggu pandangan. Karena itu saluran bawah tanah banyak digunakan di kota-kota besar. Namun biaya pembangunannya cukup mahal dibandingkan dengan saluran udara, dan perbaikannya lebih sukar bila terjadi gangguan hubungan singkat. Sistem listrik 3 fase Ada beberapa pertanyaan mengenai sistem 3 fase yang diaplikasikan pada sistem kelistrikan PLN dan mengapa kabel listrik yang disambung ke instalasi listrik rumah terdiri dari kabel fase dan kabel netral? Mengapa kabel fase bertegangan dan kabel netral tidak bertegangan? Dan mengapa ada arus netral yang datang dari jaringan listrik PLN? Sistem listrik 3 fase dan 1 fase Hampir seluruh perusahaan penyedia tenaga listrik menggunakan sistem listrik 3 fase ini. Sistem ini diperkenalkan dan dipatenkan oleh Nikola Tesla pada tahun 1887 dan 1888. Sistem ini secara umum lebih ekonomis dalam penghantaran daya listrik, disbanding dengan sistem 2 fase atau 1 fase, dengan ukuran penghantar yang sama. Karena sistem 3 fase dapat menghantarkan daya listrik yang lebih besar. Dan juga peralatan listrik yang besar, seperti motor-motor listrik, lebih power full dengan sistem ini. PLN mengaplikasikan sistem 3 fase dalam keseluruhan sistem kelistrikannya, mulai dari pembangkitan, transmisi daya hingga sistem distribusi. Sistem kelistrikan PLN secara umum dibagi dalam 3 bagian besar: Sistem pembangkitan tenaga listrik Terdiri dari pembangkit-pembangkit listrik yang tersebar di berbagai tempat, dengan jenisjenisnya antara lain yang cukup banyak adalah PLTA (menggunakan sumber tenaga air), PLTU (menggunakan sumber batu bara), PLTG (menggunakan sumber dari gas alam) dan PLTGU (menggunakan kombinasi antara gas alam dan uap). Pembangkit-pembangkit tersebut mengubah sumber-sumber alam tadi menjadi energy listrik. Sistem transmisi daya Energy yang dihasilkan dari berbagai pembangkit tadi harus langsung disalurkan. Karena energi listrik sebesar itu tidak bisa disimpan dalam baterai. Karena akan butuh kapasitas besar untuk menyimpan energi sebesar itu dan menjadi sangat tidak ekonomis. Sebagai gambaran, accu 12 Vdc dengan kapasitas 50 Ah akan menyimpan energi listrik maksimal kira-kira 600 watt untuk
pemakaian penuh selama 1 jam. Sedangkan total pemakaian daya listrik untuk Jawa-Bali bisa melebihi 15.000 MW. Jadi… berapa besar baterai untuk menyimpannya? Untuk itulah supai energi listrik bersifat harus sesuai dengan permintaan saat itu juga, tidak ada penyimpanan. Karena itu sistem transmisi daya listrik dibangun untuk menghubungkan pembangkit-pembangkit lsitrik yang tersebar tadi dan menyalurkan listriknya langsung saat itu juga ke pembangkit-pembangkit listrik yang tersebar tadi dan menyalurkan listriknya langsung saat itu juga ke pelanggan-pelanggan listrik. Saluran penghantarannya dikenal dengan nama SUTT (Saluran Udara Tegangan Tinggi), SUTET (Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi) dll. Di Jawa-Bali, sistem transmisi daya listrik ini diatur oleh P3B (Penyalur dan Pusat Pengaturan Beban) Jawa-Bali yang berlokasi di daerah Gandul, Cinere, Bogor. Sistem Distribusi Daya Listrik Dari sistem transmisi daya tadi, listrik akan sampai ke pelanggan-pelanggannya (terutama perumahan) dengan terlebih dahulu melalui Gardu Induk dan kemudian Gardu Distribusi. Gardu Induk mengambil daya listrik dari sistem transmisi dan menyalurkan ke gardu-gardu distribusi yang tersebar ke berbagai daerah perumahan. Dan di dalam gardu distribusi, terdapat trafo distribusi yang menyalurkan listrik langsung ke rumah-rumah dengan melewati JTR (Jaringan Tegangan Rendah), yang biasanya ditopang oleh tiang listrik. Listrik 3 fase adalah listrik AC (alternating current) yang menggunakan 3 penghantar yang mempunyai tegangan sama tetapi berbeda dalam sudut fase sebesar 120 degree. Ada 2 macam hubungan dalam koneksi 3 penghantar tadi: hubungan bintang/star (Y) dan hubungan delta. Sesuai bentuknya, yang satu seperti huruf Y dan satu lagi seperti simbol delta. Tetapi untuk bahasan ini kita akan lebih banyak membicarakan mengenai hubungan bintang saja. Gambar disamping adalah contoh sistem 3 fase yang dihubung bintang. Titik pertemuan dari masing-masing fase disebut dengan titik netral. Titik netral ini merupakan common dan tidak bertegangan. Ada 2 macam tegangan listrik yang dikenal dalam sistem 3 fase ini: tegangan antar fase (Vpp: voltage fase to fase atau ada juga yang menggunakan istilah voltage line to line) dan tegangan fase ke netral (Vpn: voltage to netral atau voltage line to netral). Sistem tegangan yang dipakai pada gambar di bawah adalah yang digunakan PLN pada trafo distribusi JTR (380/220 V), dengan titik netral ditanahkan. Pada istilah umum di Indonesia, sistem 3 fase ini lebih familiar dengan nama R-S-T. RST untuk tiap penghantar fasenya serta simbol N untuk penghantar netral. Kita langsung saja pada sistem yang dipakai PLN. Sepeti pada gambar tersebut, di dalam sistem JTR yang langsung ke perumahan, PLN menggunakan tegangan antar fase 380 V dan tegangan fase ke netral sebesar 220 V. Rumusnya seperti ini:
Instalasi listrik rumah akan disambungkan dengan salah satu kabel fase dan netral, maka pelanggan menerima tegangan listrik 220V. Perhatikan pada gambar di bawah ini: Contoh 3 fase hubungan delta bisa dilihat di sisi primer dari trafo di atas (sebelah kiri). Sedangkan sisi sekunder (sebelah kiri) terhubung bintang. Hubungan delta pada umumnya tidak mempunyai netral. Arus netral pada sistem 3 fase Salah satu karakteristik sistem 3 fase adalah bila sistem 3 fase tersebut mempunyai beban yang seimbang, maka besaran arus fase di penghantar RST akan sama sehingga In (arus netral) = 0 ampere. Contohnya pada gambar di atas: missal ketiga rumah tersebut mempunyai beban yang identik seimbang. Maka arus netral sebagai penjumlahan dari ketiga arus fase tersebut akan menjadi: Kok hasilnya bisa nol? Karena sistem penjumlahannya adalah secara penjumlahan vector, bukan dengan penjumlahan matematika biasa. Pada prakteknya, beban seimbang dari ketiga fase tadi hampir mustahil dicapai. Karena beban listrik setiap rumah belum tentu identic. Bila terjadi ketidakseimbangan beban, maka besar arus listrik setiap fase tidak sama. Akibatnya arus netral tidak lagi sebesar 0 ampere. Semakin tidak seimbang bebannya, maka arus netral akan semakin besar. Karena sifat arus listrik adalah loop tertutup agar bisa mengalir, maka arus netral tadi akan mengalir ke instalasi listrik miliki pelanggan dan melewati grounding sistem untuk masuk ke tanah, yang akhirnya mengalir balik ke titik grounding trafo kemudian kembali masuk ke instalasi rumah, demikian seterusnya. Walaupun pelanggan listrik tersebut mematikan daya listrik yang masuk ke rumah, dengan MCB di kWh meter pada posisi off, arus netral tetap akan mengalir. Transmisi listrik jarak jauh Pusat pembangkit listrik biasanya terletak jauh dari pemukiman atau pelanggan. Sehingga listrik yang dihasilkan pusat pembangkit listrik yang dihasilkan pusat pembangkit listrik perlu ditransmisikan dengan jarak yang cukup jauh. Transmisi energi listrik jarak jauh dilakukan dengan menggunakan tegangan tinggi, dengan alasan sebagai berikut: bila tegangan dibuat tinggi maka arus listriknya menjadi kecil; dengan arus listrik yang kecil maka energi yang hilang pada kawat transmisi (energi disipasi) juga kecil; juga dengan arus kecil cukup digunakan kawat berpenampang relatif lebih kecil, sehingga lebih ekonomis. Energi listrik atau daya listrik yang hilang pada kawat transmisi jarak jauh dapat dihitung dengan persamaan energi dan daya listrik sebagai berikut Transmisi energi listrik jarak jauh menggunakan tegangan tinggi akan mengurangi kerugian kehilangan energi listrik selama transmisi oleh disipasi.
Sebelum disalurkan kepada pelanggan, trafo-trafo lokal akan menurunkan tegangan listrik menjadi 220V. Tahap akhir dari transformator tegangan ini, menjadi 220V untuk digunakan oleh sekelompok pemakai, dapat dilakukan oleh sebuah trafo yang dipasang pada tiang-tiang listrik. Transformator memainkan peranan vital dalam proses distribusi daya. Trafo hanya dapat bekerja dengan listrik AC. Hal ini merupakan salah satu alasan mengapa daya listrik PLN dipasok dalam bentuk arus bolak-balik. Sejarah sistem ketenagalistrikan Tujuan dari tulisan ini adalah memberikan gambaran umum mengenai sistem ketenagalistrikan yang dimulai dari pemaparan sejarah awal perkembangan sistem tenaga listrik dan evolusinya hingga masa kini. Penggunaan listrik secara komersial dimulai pada akhir 1870 saat lampu-lampu digunakan untuk penerangan jalan. Perancangan sistem tenaga listrik yang lengkap pertama kali dibuat oleh Thomas Edison di Pearl Street Stasion kota New York, yang mulai beroperasi pada 4 September 1882. Sistem ini menggunakan transmisi dc yang menggunakan generator dc bertenaga uap dan melayani beban berupa lampu sebanyak 400 buah pada 85 konsumen dalam area seluas radius sekitar 1,5 km. beban yang seluruhnya berupa lampu ini disuplai pada tegangan 110 V melalui jaringan sistem kabel bawah tanah. Dalam beberapa tahun berikutnya, sistem-sistem tenaga listrik serupa mulai beroperasi di kota-kota besar di dunia. Dengan berkembangnya penggunaan motor listrik yang dipelopori oleh Frank Square pada tahun 1884, beban-beban berupa motor mulai ditambahkan ke dalam sistem tenaga listrik. Inilah permulaan dari apa yang nantinya akan menjadi permulaan dari apa yang nantinya akan menjadi salah satu industry terbesar di permukaan bumi ini. Meskipun pada awalnya penggunaan sistem transmisi dc meluas, namun dalam perkembangan ke depannya, hampir semua sistem ini diganti menjadi sistem transmisi ac. Pada tahun 1886, keterbatasan sistem dc mulai terlihat jelas. Daya hanya bisa dikirim dari generator dalam jarak pendek. Untuk menjaga agar rugi-rugi/losses daya dan drop tegangan pada transmisi daya jarak jauh tidak melebihi ambang batas yang ditentukan, nilai tegangan harus tinggi. Nilai tegangan yang tinggi ini tidak diinginkan baik pada pembangkitan maupun pada konsumsi daya listrik, oleh karena itu kemampuan untuk dapat mentransformasikan nilai tegangan menjadi suatu keharusan. Sistem tenaga listrik ac berawal dari perkembangan transformator/trafo dan sistem transmisi ac yang dilakukan L. gaulard dan J.D. Gibbs di Paris, Perancis. Kemudian George Westinghouse membeli hak paten untuk dapat mengembangkannya di Amerika Serikat. Selanjutnya pada tanggal 20 Maret 1886, William Stanley, rekan dari Westinghouse, mengembangkan dan menguji coba sistem transmisi ac lengkap untuk pertama kalinya yang mampu melayani beban berupa 150 buah lampu di Great Barrington, Massachuttes. Generator yang digunakan berkapasitas 25 HP (sekitar 18 kW), berpenggerak dari turbin bertenaga air dan menghasilkan keluaran tegangan 500V dan arus 12A.
kemudian nilai tegangan ini dinaikkan oleh trafo untuk transmisi menjadi 3000V dan kemudian diturunkan kembali menjadi 100V untuk keperluan konsumen. Dengan dikembangkannya sistem multi-fasa oleh Nikola Tesla, sistem ac menjadi semakin menarik. Pada 1888, Tesla telah membuat beberapa paten untuk motor, generator, trafo dan sistem transmisi ac. Westinghouse membeli paten-paten penemuan awal tersebut, dan sekarang paten-paten tersebut menjadi dasar dari sistem ac masa kini. Pada tahun 1890, terjadi kontroversi yang besar dan mendasar apakah sistem dc atau ac yang menjadi standar dalam sistem tenaga listrik. Argumen-argumen dilontarkan oleh Edison, yang memilih dc, dan Westinghouse, yang memilih ac. Seiring pergantian abad, sistem ac akhirnya mengungguli sistem dc karena alasanalasan di bawah ini: Level tegangan dapat dengan mudah ditransformasikan dalam sistem ac, sehingga memberikan fleksibilitas bagi penggunaan nilai tegangan yang berbeda-beda pada pembangkitan, transmisi dan konsumsi. Generator ac jauh lebih sederhana daripada generator ac. Motor ac jauh lebih sederhana dan lebih murah daripada motor dc. Pada periode awal transmisi ac, frekuensi belum distandarkan. Banyak nilai frekuensi yang digunakan pada sistem yang berbeda-beda: 25, 50, 60, 125 dan 135 Hz. Hal ini menjadi permasalahan untuk interkoneksi. Sehingga akhirnya nilai frekuensi di dunia distandarkan menjadi 2 nilai saja, yaitu 60 Hz untuk Amerika Serikat dan 50 Hz pada banyak Negara lain termasuk Indonesia. Nilai frekuensi ini dipilih berdasarkan kompromi dengan pertimbangan agar memiliki nilai yang cukup tinggi untuk mencegah lampu dari berkedip (flickering), tapi cukup rendah untuk dapat mengurangi nilai rugi-rugi reaktif. Dengan bertambahnya kebutuhan untuk transmisi daya yang lebih besar dan pada jarak yang lebih jauh, maka hal ini menyebabkan nilai tegangan yang harus digunakan dalam transmisi menjadi lebih tinggi pula. Banyak nilai tegangan yang berbeda-beda digunakan pada awalnya, seperti 12, 44 dan 60 kV (rms fasa ke fasa). Lalu meningkat lagi menjadi 165 kV pada 1922, 220 kV pada 1923, 287 kV pada 1935, 330 kV pada 1953, dan 500 kV pada 1965. Hingga kemudian perusahaan Hydro Quebec di Canada mengoperasikan nilai tegangan 735 kV pertama kalinya untuk transmisi pada tahun 1966 dan selanjutnya Amerika memperkenalkan nilai tegangan 765 kV pada tahun 1969. Untuk menghindari semakin banyak dan tidak terbatasnya nilai tegangan yang berbeda-beda, maka industri tenaga listrik telah menstandarkan nilai tegangan. Standar tersebut adalah 115, 138, 161, dan 230 kV untuk kelas tegangan tinggi (HV dan TT), dan 345, 500 dan 765 untuk kelas tegangan ekstra tinggi (EHV atau TET). Lebih lanjut mengenai nilai tegangan dalam sistem tenaga listrik ini akan dibahas pada bagian selanjutnya dari tulisan ini mengenai struktrur sistem ketenagalistrikan. Dengan berkembangnya mercury arc valves sebagai penyearah pada awal tahun 1950-an, transmisi tegangan tinggi dc (HVDC) mulai dapat terlihat lebih ekonomis untuk situasi-situasi tertentu. Transmisi HVDC ditujukan untuk mentransmisikan daya yang besar melalui jarak yang sangat jauh. Titik temu dimana HVDC dapat bersaing kompetitif secara ekonomis dengan
transmisi ac adalah sekitar diatas 500 km untuk saluran udara dan 50 km untuk kabel bawah tanah atau kabel bawah laut. Transmisi HVDC juga memungkinkan dilakukannya interkoneksi pada dua sistem yang memiliki nilai frekuensi nominal sistem yang berbeda. Aplikasi modern dan komersial transmisi HVDC pertama kali pada tahun 1954 saat dilakukannya interkoneksi antara daratan Swedia dengan pulau Gotland melalui kabel bawah laut sepanjang 96 km. Dengan munculnya converter thyristor, transmisi HVDC menjadi semakin menarik. Aplikasi pertama HVDC menggunakan thyristor dilakukan pada interkoneksi asinkron secara back-to-back antara sistem Quebec dengan New Brunswick di Kanada. Dengan mengecilnya biaya dan ukuran peralatan serta semakin besarnya tingkat keandalan, penggunaan HVDC semakin meningkat pula. Lalu sebenarnya untuk apakah dilakukan interkoneksi? Interkoneksi antara jaringan utilitas yang berdekatan umumnya dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan keamanan, kehandalan, dan operasi sistem secara ekonomis. Peningkatan keamanan sistem diperoleh dari penggabungan unit pembangkitan dan penggunaan jaringan bersama pada kedua sistem tersebut. Sedangkan peningakatan operasi ekonomis diperoleh dari berkurangnya nilai kapasitas pembangkitan cadangan di masing-masing sistem. Sebagai tambahan pula, interkoneksi juga memungkinkan dilakukannya transfer energi listrik berbasis pertimbangan ekonomi sehingga dapat diperoleh sumber energi yang paling ekonomis dalam operasinya. Keuntungan-keuntungan interkoneksi tersebut telah disadari dari awal berkembangnya sistem ketenagalistrikan, dan hingga saat ini interkoneksi terus berkembang. Hampir seluruh jaringan ketenagalistrikan di Kanada dan Amerika Serikat saat ini telah tergabung dalam satu sistem yang terinterkoneksi. Di Indonesia sendiri, jaringan sistem Jawa, Madur, dan Bali (Jamali) telah terinterkoneksi, interkoneksi antara sistem Sumatera bagian Utara dengan Sumatera bagian Tengah dan Selatan juga saat ini tengah dilaksanakan, dan kedepannya sistem Jamali akan diinterkoneksikan pula dengan sistem Sumatera, sehingga targetnya sebagian besar Asia Tenggara akan tergabung dalam sistem interkoneksi. Hasil dari interkoneksi ini tentunya adalah sistem yang sangat besar dengan kompleksitas yang luar biasa. Perancangan sistem tersebut dan jaminan keamanan operasinya sudah barang tentu merupakan tantangan bagi kita semua, calon insinyur dan ahli bidang ketenagalistrikan. DC: Sistem Kelistrikan Masa Depan Secara umum, sistem kelistrikan bisa dibagi atas sistem arus searah atau DC (Direct Current) dan sistem arus bolak-balik atau AC (Alternating Current). Walaupun sistem kelistrikan pertama kali diciptakan dan dikembangkan dalam bentuk DC, pada saat ini hampir semua energi listrik dibangkitkan, ditransmisikan, dan didistribusikan dalam bentuk AC. Sistem AC mengalahkan sistem DC karena konstruksi generator dan motor AC jauh lebih sederhana dan efisien disbanding jenis DC. Kunci kemenangan lain dari sistem AC adalah ditemukannya trafo, tegangan listrik bisa dinaikkan menjadi ekstra tinggi agar energi listrik bisa ditransmisikan melalui jarak yang jauh secara efisien. Di sisi konsumen, tegangan listrik perlu diturunkan agar energi listrik bisa digunakan secara umum.
Kelemahan dari sistem AC adalah semua pembangkit harus menghasilkan tegangan listrik pada frekuensi yang sama dan berputar secara serempak (sinkron). Keharusan untuk berputar secara sinkron menjadikan pengaturan sistem tenaga listrik menjadi sangat sulit jika jumlah pembangkit yang tergabung dalam sistem mencapai ratusan atau ribuan. Gangguan pada salah satu pembangkit akan dirasakan oleh semua pembangkit yang terhubung ke dalam sistem. Inilah salah satu alasan mengapa sering sekali adanya pemadaman total dalam suatu sistem tenaga listrik. Keharusan berputar pada kecepatan sinkron juga menyebabkan pembangkit dengan frekuensi berbeda tidak bisa disatukan. Kita tahu bahwa di Indonesia, PT. PLN menggunakan frekuensi 50 Hz pada semua pembangkitnya. Akan tetapi, banyak industri (terutama industri minyak) menggunakan frekuensi 60 Hz. Tidak mungkinnya penyatuan pembangkit ini menyebabkan banyak industri terpaksa bekerja dengan pembangkit listrik yang tidak efisien dan mahal. Sebaliknya, PT. PLN tidak bisa memanfaatkan kelebihan kapasitas pembangkit industri untuk memenuhi kebutuhan beban puncaknya. Kelemahan lain dari sistem AC adalah rendahnya efisiensi penyaluran daya. Akibatnya, daya listrik AC tidak bisa disalurkan melalui jarak yang sangat jauh, terutama jka melalui kabel bawah tanah atau kabel laut. Padahal, banyak sumber energi terbarukan lokasinya jauh dari tempat yang membutuhkan listrik. Banyak lokasi tambang batu bara ada di pulau Kalimantan sedangkan kebutuhan listrik terbesar ada di pulau Jawa. Pada saat ini, terpaksa batu bara dikirim dengan menggunakan kapal laut dari Kalimantan menuju pulau Jawa. Pembangkit listrik berbasis batu bara terpaksa dibangun di pulau Jawa yang padat penduduk dan sudah banyak polusi. Banyak kepulauan terpaksa menggunakan pembangkit listrik tenaga diesel karena tidak mungkin menarik kabel AC melalui kabel laut pada jarak yang panjang. Perkembangan Sistem DC Walaupun sistem AC telah mendominasi hampir seluruh sistem kelistrikan, para insinyur listrik pendukung sistem DC tidak pernah menyerah. Bermacam teknologi diciptakan untuk mengembangkan sistem transmisi daya DC yang efisien. Walaupun sistem DC telah lama dikembangkan dan pertama kali dipasang secara komersial pada tahun 1950-an, perkembangan pesat terjadi setelah dikembangkannya saklar semikonduktor daya berbasi thyristor pada tahun 1960-an. Berkat teknologi thyristor, berbagai transmisi daya DC telah dipasang dan dioperasikan di berbagai belahan dunia. Transmisi daya DC yang dianggap fenomenal di dunia adalah saluran transmisi DC yang dipakai untuk menyalurkan energi listrik yang dibangkitkan oleh PLTA Itaipu, Brasil, berkapasitas 18 GW. Saluran transmisi ini panjangnya lebih dari 1500 km dan bekerja pada tegangan 600 kV. Yang terakhir selesai dibangun adalah transmisi daya DC di Cina yang panjangnya lebih dari 1500 km dengan tegangan 800 kV. Saluran transmisi ini dipakai untuk menyalurkan keluaran PLTA yang kapasitas dayanya 24 GW. Sebagai pembanding, seluruh pembangkit di pulau Jawa jika dijumlahkan kapasitasnya hanya mencapai 27 GW. PT. PLN berencana untuk membangun transmisi daya DC untuk mengirimkan energi listrik yang dihasilkan PLTU mulut tambang di Sumatera Selatan menuju Bogor, Jawa Barat. Karena jaraknya panjang dan harus melalui laut, transmisi daya Dc menjadi satu-satunya pilihan.
Disbanding dengan sistem AC, sistem DC mempunyai keuntungan berikut: Pembangkit yang dihubungkan tidak harus mempunyai frekuensi yang sama. Sehingga semua pembangkit yang ada di Indonesia bisa disambungkan untuk mendapatkan sistem kelistrikan yang efisien. Perusahaan minyak tidak harus memiliki dan mengoperasikan pembangkit listrik yang mahal dan tidak efisien. Biaya operasi berbagai industri bisa diturunkan jika mereka tidak lagi mengoperasikan pembangkitnya sendiri-sendiri. Konstruksi saluran transmisi DC jauh lebih sederhana disbanding sistem AC. Jumlah konduktor minimum dari sistem AC adalah tiga sedangkan pada sistem DC hanya satu. Jika suatu saluran AC diubah menjadi saluran DC maka kapasitasnya suatu saluran AC diubah menjadi saluran DC maka kapasitasnya bisa naik tiga kali lipat. Akibatnya, pembangunan saluran transmisi baru bisa ditunda. Aliran daya di transmisi DC bisa diatur dengan cepat dan akurat. Kemampuan ini penting untuk meningkatkan stabilitas sistem dan penting jika rencana jual beli energi listrik dengan Negara tetangga jadi dilakukan. Penyaluran daya lewat kabel DC bawah laut lebih sederhana dan murah disbanding kabel AC. Dengan menggunakan kabel DC, akan semakin banyak pulau yang bisa mendapatkan listrik dengan menggunakan pembangkit yang lebih efisien. Sungguh penghematan yang sangat besar jika semua PLTD di pulau-pulau kecil bisa digantikan dengan pembangkit besar yang efisien dan ramah lingkungan. Energi Terbarukan Selain sangat cocok untuk menyalurkan energi listrik melalui jarak yang jauh, sistem DC juga cocok dengan keinginan untuk memanfaatkan berbagai sumber energi terbarukan seperti halnya energi matahari, angina, ombak, mikrohidro dan masih banyak lagi. Walaupun ramah lingkungan, sumber energi terbarukan biasanya tidak bisa diandalkan keberadaanya. Jika kapasitas pembangkit berbasis energi terbarukan ini besar, daya yang berubah-ubah dengan cepat akan mengganggu sistem kelistrik dimana pembangkit ini terpasang. Untuk mengatasi masalah ini, cara terbaik adalah menggunakan sistem DC untuk menghubungkan semua pembangkit listrik energi terbarukan. Dengan sistem DC, pembangkit-pembangkit tersebut tidak harus menghasilkan frekuensi yang sama. Dengan sistem DC, kabel yang dipakai untuk menghubungkan berbagai pembangkit juga jadi lebih murah. Di Eropa dan Amerika Serikat, banyak pembangkit tenaga angina yang dibangun di lepas pantai dihubungkan dengan transmisi DC menuju daratan. Selain itu, pembangkit listrik berbasi sel surya, yang jumlahnya di Indonesia meningkat dengan cepat, memang membangkitkan energi listrik dalam bentuk DC. Dengan menggunakan sistem DC, semua potensi sumber energi terbarukan bisa digunakan secara maksimal sehingga lebih mendukung sistem energi yang berkelanjutan. Hemat Energi
Pada saat ini, lebih dari 10 persen energi listrik dikonsumsi dalam bentuk Dc. Semua peralatan elektronik, computer, lampu hemat energi, lampu LED, inverter, kereta listrik, dan peralatan telekomunikasi mengkonsumsi daya dalam bentuk DC. Di masa yang akan datang, diperkirakan presentasi energi yang dikonsumsi dalam bentuk DC akan lebih tinggi lagi. Peningkatan akan terjadi terutama dengan datangnya era mobil listrik maupun hybrid. Jika hampir semua energi listrik dikonsumsi dalam bentuk DC, mengapa kita harus bertahan menggunakan sistem AC? Hasil studi menunjukkan bahwa jika jaringan distribusi tegangan rendah AC 220 volt diganti dengan sistem DC 300 volt maka susut dayanya bisa berkurang lebih dari 30 persen. Uji coba penggunaan sistem DC dalam suatu pusat telekomunikasi, pusat data, dan bangunan modern sedang diuji coba di banyak Negara. Jika kita bisa mengurangi susut daya di jaringan distribusi sampai lebih dari 30 persen, ada berapa banyak pembangkit yang pembangunannya bisa kita tunda? Jaringan Listrik Cerdas Sistem DC juga menjadi kunci direalisasikannya mimpi hampir semua insinyur elektro, yaitu jaringan listrik cerdas (smart grid). Jaringan listrik cerdas adalah sistem kelistrikan yang mana baik perusahaan listrik maupun konsumen bisa ikut aktif berperan dalam menciptakan sistem kelistrikan yang andal, berkualitas, dan efisien. Konsumen yang atap rumahnya dilengkapi sel surya bisa memilih antara mengkonsumsi sendiri listriknya atau menjualnya ke perusahaan listrik. Perusahaan listrik bisa meminjam sementara energi yang tersimpan di batere mobil listrik untuk dipakai memenuhi kebutuhan beban puncak. Konsumen bisa memilih membeli energi listrik yang dihasilkan oleh pembangkit ramah lingkungan. Berbeda dengan transmisi daya AC yang relatif sudah teratur dan jelas standarnya, sistem distribusi daya listrik dalam bentuk DC masih dalam tahap pengembangan. Walaupun demikian, semua insinyur yakin bahwa presentase penggunaan sistem DC akan meningkat dengan pesat. Sistem DC menjanjikan sistem kelistrikan yang efisien, berkualitas, dan ramah lingkungan. Prospek Penggunaan Transmisi HVDC dengan Kabel Laut di Indonesia Pendahuluan Pusat-pusat pembangkit tenaga listrik terutama yang menggunakan tenaga air, biasanya terletak jauh dari pusat-pusat beban. Dengan demikian, tenaga listrik yang telah dibangkitkan harus disalurkan melalui saluran-saluran transmisi. Saluran-saluran ini membawa tenaga listrik dari pusat pembangkit ke pusat-pusat beban baik langsung maupun melalui gardu-gardu induk dan gardu-gardu rele. Saluran transmisi yang dapat digunakan adalah saluran udara atau saluran bawah tanah. Menurut jenis arus yang dapat dibangkitkan yaitu sistem arus bolak balik (AC atau alternating current) dan sistem arus searah (DC atau direct current). Dengan memperhatikan kondisi Negara Indonesia, luas wilayahnya sebagian besar adalah lautan. Lautan ini bukanlah suatu pemisah antara pulau yang satu dengan pulau lainnya, melainkan pulau dipandang sebagai penghubung antar pulau. Bertitik tolak dari uraian tersebut, maka
seyogyanya para ahli perencannan penyediaan tenaga listrik di Negara ini turut menyikapi akan penyatuan sistem ketenagalistrikan, dengan menerapkan transmisi dengan menggunakan kabel bawa laut. Penyaluran tenaga listrik dengan sistem arus searah baru dianggap ekonomis bila panjang saluran udara lebih dari 640 km atau saluran bawah tanah lebih panjang dari 50 km. Kabel Tenaga dan Sistem Transmisi HVDC Untuk penyaluran tenaga listrik di bawah laut digunakan kabel tenaga (power cable). Jenis kabel tenaga dapat diklasifikasikan atas: kelompok menurut kulit pelindungnya (armor); kelompok menurut konstruksinya; kelompok menurut penggunaan, misalnya kabel saluran, kabel laut (submarine), kabel corong utama, kabel udara, dan kabel taruh. Kabel taruh yang dimaksuda adalah cara menaruh kabel yang meliputi: cara menaruh langsung (direct laying); sistem pita (duct line); sistem terusan tertutup. Saluran transmisi dapat dikategorikan atas saluran udara (overhead line) dan saluran bawah tanah (underground). Saluran Udara Sebagaimana telah disebutkan bahwa pusat pembangkit umumnya jauh dari pusat-pusat beban. Apabila dimisalkan dibangun tidak persis di tepi pantai, yang mungkin di tengah hutan atau di kaki gunung dimana sumber energi itu berada, maka dengan demikian tetap dibutuhkan saluran udara yang selanjutnya dihubungkan dengan kabel laut. Adapun sifat-sifat kawat logam adalah: Kawat tembaga tarik yang dipakai pada saluran transmisi karena konduktivitasnya tinggi, meskipun kuat tariknya tidak cukup untuk instalasi tertentu. Dibandingkan dengan kawat tembaga tarik, konduktivitas kawat Aluminium Cable Steel Reinforced (ACSR) lebih rendah, meskipun kekuatan mekanisnya lebih tinggi. Kawat tembaga campuran (alloy), konduktivitasnya lebih rendah dari kawat tembaga tarik, tetapi mempunyai kekuatan tarik yang lebih tinggi. Kawat alumunium campuran (alloy), mempunyai kekuatan mekanis yang lebih tinggi dari aluminium murni sehingga dipakai untuk gawang (span) yang lebih besar. Kawat baja berlapis tembaga mempunyai kekuatan mekanis yang besar, dan biasanya dipakai untuk gawang yang besar atau sebagai kawat tanah. Kawat baja berlapis alumunium mempunyai kekuatan mekanis yang besar, tetapi konduktivitasnya lebih kecil disbanding dengan yang berlapis tembaga meskipun ia lebih ringan. Saluran Bawah Laut Kabel yang digunakan untuk transmisi HVDC pada umumnya mempunyai sifat yang sama dengan kabel tanah, namun dengan konstruksi yang berbeda. Sebagai penghantar biasanya digunakan kawat tembaga berlilit (annealed stranded), dan sebagai kulit pelindung digunakan pita baja yang dapat ditaruh di dasar laut.
Survey Jalur dan Penetapan Panjang Kabel Survey ini bertujuan untuk mendapatkan data-data kondisi laut dan jalur kabel yang sesuai. Lintasan yang dilalui kabel diusahakan yang pendek dan lurus, dasar laut tanpa lembah dan laut yang tidak terlalu dalam. Survey jalur kabel meliputi: karakteristik permukaan dasar laut; kedalaman laut; pergerakan arus; arus pasang surut; pergeseran pasir dasar laut; data pendukung. Perbedaan antara panjang actual dan panjang yang direncanakan disebut “panjang kabel slack”. Perbandingan Kapasitas Transmisi Daya pada Tegangan Tinggi DC dan AC Apabila ada dua saluran transmisi yang dapat dibandingkan, satu adalah saluran transmisi ac dan yang lainnya adalah saluran transmisi dc. Dianggap bahwa isolator-isolator ac dan dc menahan tegangan puncak ke tanah yang sama sehingga tegangan Vd sama dengan 2 kali tegangan rms ac. Karena itu, serta data teknik lainnya sama. Misteri Arus Listrik Dasar Laut Kabel listrik terbuat dari bakteri telah ditemukan di dasar laut. Mikroba multi selular itu memiliki panjang satu sentimeter dan seratur kali lebih tipis dari rambut manusia. Masing-masing berfungsi sebagai kabel listrik dengan kawat terisolasi – mirip dengan kabel yang membawa daya ke lampu dan peralatan listrik. Para ilmuwan percaya bahwa mereka adalah sumber arus listrik misterius di dasar laut yang diidentifikasi untuk proses melepaskan energi dari sulfur dalam lumpur di dasar laut. Puluhan ribu kilometer bakteri kabel dapat hidup dalam lokasi satu meter persegi di dasar laut, kata para peneliti, dalam laporan di jurnal Nature. Mereka tampaknya terdiri dari sel tunggal dan menghasilkan energi dengan menghubungkan reservoir oksigen di permukaan lumpur dengan hydrogen sulfide jauh di bawahnya. Penelitian itu dipimpin oleh Dr Nils Risgaard-Petersen, dari Aarhus University di Denmark. “Ide luar biasa bahwa bakteri ini adalah kabel listrik benar-benar terbukti ketika di dalam bakteri, kami melihat tali seperti kawat tertutup oleh membran,” ujarnya. Kabel itu dapat meregang sepanjang sekitar satu sentimeter, menghubungkan bakteri terdalam yang hidup dengan kondisi oksigen rendah dengan bakteri yang berada di lokasi dengan kadar oksigen tinggi. Satu sentimeter kubuk sedimen dapat berisi hingga satu kilometer kabel. Koloni bakteri itu memonopoli oksida sulfide dalam tanah, mencegah mikroba lain untuk menggunakan sumber daya itu. Penemuan ini bisa mengarah pada penciptaan perangkat medis yang meniru transmisi elektron itu, dan menggunakan bakteri untuk membersihkan daerah yang terkontaminasi. “Kabel listrik
hidup menambah dimensi baru untuk memahami interaksi di alam dan mungkin berguna dalam pengembangan teknologi,” kata Dr Risgaard-Petersen. Professor Gemma Reguera, mikrobiolog di Michigan State University, meninjau riset itu untuk penulisan di jurnal. “Beberapa tahun yang lalu, setiap pendapat bahwa mikroba bisa berfungsi sebagai kabel listrik untuk mengirimkan arus listrik melintasi jarak sentimeter akan ditanggapi dengan skeptis,” ujarnya. Dia mengatakan laporan tersebut menambah bukti yang menyoroti peran penting transfer elektron mikroba dalam proses geokimia global dan fungsi ekosistem. “Ini sangat menyenangkan bagi mikrobiolog, dan karya ini mengingatkan kita bahwa begitu banyak penemuan menanti.” Sistem Arus Searah untuk Kelistrikan Nasional Interkoneksi sistem kelistrikan merupakan syarat didapatkannya sistem kelistrikan yang andal dan murah. Sistem kelistrikan di Amerika Utara dan Eropa merupakan contoh dari kelistrikan yang merupakan hasil interkoneksi ribuan pembangkit dengan jutaan konsumen yang tersebar di area yang sangat luas. Dengan interkoneksi semacam ini, kekurangan pembangkit di suatu daerah bisa diatasi oleh pembangkit di daerah lain. Pembangkit murah dan ramah lingkungan seperti halnya tenaga air (PLTA), panas bumi (PLTPB), bayu (PLTB), dan surya (PLTS) yang lokasinya jauh bisa dimanfaatkan oleh daerah lain yang membutuhkan. Pembangkit energi terbarukan yang ketersediaannya tidak menentu bisa disambungkan ke sistem kelistrikan tanpa banyak mengganggu operasional sistem secara keseluruhan. Sistem kelistrikan di Eropa dan Amerika Utara bisa dengan mudah disatukan karena semuanya ada dalam satu daratan. Kondisi geografis Indonesia sangat unik dan tidak ditemui di Negara lain manapun. Akibatnya sistem yang sukses di Negara lain belum tentu bisa diterapkan di Indonesia. Rakyat Indonesia harus menciptakan sendiri sistem kelistrikan yang cocok untuk Indonesia. Walaupun sistem kelistrikan pertama kali ditemukan dan diterapkan dalam bentuk arus searah (DC), saat ini hampir semua energi listrik dibangkitkan, ditansmisikan dan didistribusikan dalam bentuk arus bolak-balik (AC). Dengan menggunakan sistem AC, tegangan bisa dinaikkan dan diturunkan dengan mudah sehingga energi listrik bisa disalurkan melalui saluran transmisi secara efisien dan didistribusikan ke pelanggan secara aman. Konstruksi generator AC yang lebih sederhana disbanding generator DC memungkinkan dibuatnya pembangkit listrik berdaya ratusan MW yang efisien dan murah. Konstruksi motor AC yang jauh sederhana dan kokok disbanding motor DC menyebabkan motor AC bisa dipakai untuk bermacam penerapan termasuk penerapan di daerah ekslosif. Saat ini, sistem kelistrikan DC hanya dipakai untuk tujuan-tujuan khusus. Pada saat ini, hanya sistem Jawa-Madur-Bali yang telah menjadi satu kesatuan sistem kelistrikan. Sistem kelistrikan Sumatera bagian Utara dan Selatan masih terpisah. Sistem kelistrikan di Kalimantan, Sulawesi, Papua dan pulau-pulau lainnya juga masih terpisah. Akibatnya, kita masih banyak menggunakan pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD) yang mahal biaya operasinya dan
banyak memerlukan pemeliharaan. Pembangkit skala besar tidak bisa dibangun di luar Jawa dan Sumatera karena belum ada sistem interkoneksi. Memang sistem AC jauh menguntungkan disbanding sistem DC karena tegangan bisa dinaikkan dan diturunkan dengan mudah. Akan tetapi dengan sistem AC, semua generator pembangkit yang terhubung ke sistem harus berputar secara serempak. Adanya perubahan beban atau perubahan daya keluaran pembangkit skala besar akan menyebabkan tegangan dan frekuensi sistem berubah. Akibatnya, kegagalan di suatu daerah bisa merembet ke daerah lain. Inilah yang menyebabkan terjadinya beberapa kali pemadaman total di Amerika Utara, Eropa, Jepang, dan juga Indonesia. Karena Indonesia terdiri atas banyak pulau, interkoneksi sulit dilakukan karena memerlukan kabel bawah laut yang mahal. Berbeda dengan sistem AC, interkoneksi sistem DC tidak mensyaratkan frekuensi yang sama pada semua generator. Transmisi daya sistem DC juga lebih murah disbanding dengan sistem AC. Sebagai gambaran sederhana, transmisi daya AC memerlukan paling tidak tiga konduktor sedangkan sistem DC hanya diperlukan satu konduktor. Kabel sistem DC juga lebih sederhana dan murah disbanding sistem AC. Dengan sistem DC, kegagalan di suatu daerah tidak akan merembet ke daerah lain sehingga pemadaman total bisa dihindari. Dengan sistem DC, pembangkit berbasis sel surya serta sel hydrogen yang memang menghasilkan listrik DC bisa langsung dihubungkan ke jaringan listrik tanpa menggunakan peralatan antara yang mahal. Pembangkit berbasis tenaga angin, mikrohidro, ombak laut, dan pasang surut air laut bisa disambungkan ke jaringan dengan mudah jika sistemnya DC. Karena penghantarnya murah, pembangkit panas bumi dan tenaga air skala besar yang letaknya jauh dari konsumen menjadi layak untuk dibangun. Dengan sistem DC, pulau-pulau kecil bisa mendapatkan listrik tanpa membangun PLTD yang boros dan memerlukan banyak pemeliharaan. Semua potensi energi yang ada di suatu daerah bisa dimanfaatkan dengan baik jika interkoneksi tersedia. Artinya, ketergantungan suatu daerah terhadap sumber energi yang berasal dari daerah lain menjadi berkurang jika tersedia sarana interkoneksi. Selain itu, transmisi DC tegangan tinggi mempunyai konstruksi yang lebih sederhana dan kurang berbahaya disbanding transmisi AC. Oleh sebab itu, demo-demo anti SUTET yang sering terjadi diharapkan akan berkurang jika kita menggunakan sistem DC. Walaupun interkoneksi dengan sistem DC jauh lebih menguntungkan disbanding sistem AC, generator pembangkit skala besar tetap lebih murah jika menggunakan generator AC. Di sisi konsumen, motor AC juga tetap lebih efisien disbanding motor DC. Oleh sebab itu, pembangkit dan konsumen akan tetap lebih efisien jika menggunakan sistem AC. Hanya interkoneksi dan kabel transmisi akan lebih murah jika menggunakan sistem DC. Artinya, kita memerlukan penyearah di sisi pembangkit dan memerlukan inverter di sisi konsumen. Karena penyearah dan inverter ini cukup mahal, ada jarak minimum yang menentukan kapan sistem DC lebih ekonomis disbanding sistem AC. Dari banyak studi, transmisi DC dengan hantaran udara akan lebih ekonomis dari sistem AC jika jaraknya lebih dari 400 km. Jika menggunakan kabel bawah tanah atau bawah laut, siste DC lebih ekonomis dari sistem AC jika jaraknya lebih dari 400 km.
