ENERGY

MEKANIK

2009-03-25T07:12:00.003+07:00

mekanikal komponen pada Microhidro

BUKU PANDUAN (VERSI 1)
APLIKASI DAN KARAKTERISTIK TURBIN

DAFTAR ISI
BUKU PANDUAN (VERSI 1) 1
APLIKASI DAN KARAKTERISTIK TURBIN 1
DAFTAR ISI 2
1 Tipe TURBIN 4
1.1. KINCIR AIR 4
1.2. turbin 8
1.2.1. Umum 8
1.2.2. Tipe Turbin 9
1.3. BATAS APLIKASI UNTUK TIPE TURBIN YANG BERBEDA 17
1.3.1. Turbin cross flow 18
1.3.2. Turbin Pelton 19
1.3.3. Turbin propeller open flume 20
1.3.4. Pompa yang digunakan sebagai turbin (PAT) 21
2 pemilihan turbin 23
2.1. PENGARUH DARI LAYOUT TURBIN TERHADAP PEMBANGKIT 23
2.2. DATA AWAL DALAM PEMILIHAN TURBIN 23
3 TATA LETAK TURBIN DI LOKASI MHP 27
3.1. UMUM 27
3.2. DASAR PENGATURAN TURBIN YANG DIHUBUNGKAN LANGSUNG 27
3.3. TURBIN YANG DIHUBUNGKAN SECARA TIDAK LANGSUNG 32
4 KESEIMBANGAN ENERGI UNTUK LOKASI MHP 38
4.1. PERSAMAAN BERNOULLI: KESEIMBANGAN ENERGI DAN ALIRAN ENERGI 38
4.2. PRESENTASI GRAFIS DARI KESEIMBANGAN ENERGI 41
4.3. ALIRAN ENERGI DAN EFISIENSI 41
5 PRINSIP KERJA TURBIN 49
5.1. DIAGRAM-DIAGRAM VEKTOR KECEPATAN 49
5.2. PERSAMAAN EULER UNTUK PERPINDAHAN ENERGI 50
6 KARAKTERISTIK TURBIN 52
6.1. UMUM 52
6.2. HUKUM GAYA GABUNG (AFINITAS) 53
Gbr. 39: Turbin yang beroperasi pada dua head yang berbeda 53
6.3. KONSEP DARI UNIT MESIN 55
6.3.1. Umum 55
6.3.2. NILAI-NILAI UNIT: 56
6.3.3. Kecepatan spesifik 58
6.3.4. Hill Charts 63
6.4. TURBIN CROSS FLOW 68
6.4.1. Definisi: Turbin Cross Flow: 68
6.4.2. NILAI-NILAI UNIT: 68
6.4.3. Hill chart 69
6.4.4. diagram kecepatan 69
6.5. TURBIN PELTON 74
6.5.1. Teori dasar turbin Pelton 74
6.5.2. Pengukuran 80
6.5.3. Karakteristik nozzle: 82
6.5.4. Contoh-contoh dan petunjuk disain 85
Gbr. A57: Petunjuk nozzle di dalam pipa 86
Gbr. A58: Nozzle tanpa petunjuk di dalam pipa 86

1 TIPE TURBIN
1.1. KINCIR AIR
Kincir air banyak digunakan sejak ribuan tahun yang lalu. Seluruh penjuru dunia masih menggunakan kincir air untuk penggilingan atau menggerakkan generator kecil. Terdapat tiga tipe disain kincir air yang dikenal.
Dalam konstruksi mesin yang klasik, kincir air ditandai oleh poros horizontal. Pada dasarnya kita dapat membedakan kincir air menjadi 3 tipe.

Kincir air tipe undershot
Tipe ini adalah yang tertua. Vitruv membuat tipe kincir air ini pada abad pertama sebelum masehi. Kincir air ini dapat digunakan di sungai dengan aliran yang cepat. Efisiensinya sekitar 25%. Pada abad ke-19, tipe kincir ini menjadi lebih berkembang. Terutama yang didisain oleh Poncelet yang mencapai efisiensi sebesar 70%.

Kincir air tipe overshot
Kincir air tipe overshot sudah digunakan sejak abad ke-14. Jika kincir ini dibuat dengan baik dan ketinggian reservoir air bagian atas memperbolehkan diameter kincir yang besar, efisiensinya mencapai 75% atau bahkan kadang-kadang mencapai 80%.

Kincir ini adalah tipe kincir yang paling terbaru, yang dikembangkan pada abad ke-16. Kincir ini adalah gabungan antara dua buah konstruksi dasar. Versi terdahulunya dapat mencapai efisiensi sebesar 45%, tipe-tipe modern dapat mencapai efisiensi sebesar 75%.
Gbr. 1: Tipe-tipe kincir air

Gbr. 2: Kincir air tipe overshot

Gbr. 3: Kincir air tipe undershot tradisional untuk irigasi di Sumatera

Gbr. 4: Kincir air tradisional untuk produksi listrik di Sumatera

Gbr. 5: Kincir air tipe overshot yang telah direnovasi dengan efisiensi tinggi

Gbr. 6: Contoh penggilingan tradisional di Tibet

1.2. TURBIN
1.2.1. Umum

Untuk memanfaatkan potensi sungai dari sumbernya sampai ke ujungnya memerlukan tipe turbin yang berbeda untuk setiap level sungai karena head dan debitnya yang berubah-ubah.

Gbr. 7: MHP sepanjang sungai (Potongan sungai Rhein, Jerman)

Pertanyaan-pertanyaan muncul ketika melihat interkoneksi antara turbin dan MHP yang dengan jelas menunjukkan kebutuhan spesifikasi turbin yang benar. Rincian berikut ini harus diketahui untuk penentuan layout pembangkit.
• tipe turbin yang tersedia
• peralatan untuk pemilihan tipe turbin yang sesuai
• efisiensi turbin pada saat debit puncak dan debit sebagian
• dimensi runner dan turbin
• kecepatan turbin
• kinerja turbin pada saat kondisi beban sebagian, beban berlebih dan runaway

1.2.2. Tipe Turbin
Terdapat disain turbin yang berbeda-beda yang tersedia di pasaran. Untuk instalasi MHP biasanya digunakan lima disain dasar yang berbeda.
Turbin Impuls:
(Hanya energi kinetik, yang berarti impuls dari pancaran air, dikonversikan di runner)
Turbin Pelton
Turbin Turgo
Turbin Cross flow

Gbr. 8: Turbin Impuls
Turbin Reaksi
(energi kinetik dan tekanan dikonversi di runner)
Turbin Francis (rumah spiral, saluran terbuka/open flume)
Turbin Deriaz (turbin diagonal - jarang digunakan)
Turbin Kaplan (turbin tubular, turbin tipe S, open flume, rumah spiral)

Gbr. 9: Turbin Reaksi

Terdapat banyak alasan teknis untuk variasi disain yang seperti ini:
• material yang tersedia (kekuatan untuk menahan tekanan, erosi akibat kavitasi, aus)
• kavitasi (diperlukan ketinggian pembangkit dari permukaan laut/altitude)
• dimensi dan kecepatan turbin (kincir air yang efisien dengan diameter 8 m dapat digantikan dengan turbin cross flow dengan diameter 0.5 m)
• kapasitas pabrikasi

Gbr. 10: Contoh turbin Cross flow

Gbr. 11: Contoh turbin Pelton

Gbr. 1 : Contoh turbin Impuls Turbo

Gbr. 2 : Contoh turbin Francis rumah spiral

Gbr. 3 : Contoh Francis open flume

Gbr. 4 : Contoh turbin Kaplan open flume

Gbr. 5 : Contoh turbin Kaplan spiral housing

Gbr. 6 : Contoh turbin Propeller tubular
1.3. BATAS APLIKASI UNTUK TIPE TURBIN YANG BERBEDA
Setiap turbin memiliki aplikasi dengan batas spesifiknya masing-masing. Adalah mungkin, bahwa tipe turbin yang berbeda tersebut layak untuk sebuah pembangkit. Penawaran dari pabrikan yang berbeda harus dibandingkan dahulu. Dalam banyak kasus, pertimbangan ekonomi cukup menentukan dalam pemilihan turbin. Penentuannya tidak selalu jelas dan mudah dan memerlukan pengetahuan mengenai karakteristik spesifik turbin.
Terdapat sumber-sumber diagram dan rekomendasi aplikasi yang berbeda untuk memilih tipe turbin yang sesuai. Pabrikan turbin besar dan kecil menyajikan program pabrikasi turbin mereka pada diagram pemilihan. Lebih banyak tentang diagram pemilihan spesifik turbin akan diberikan di bab “Kecepatan Spesifik”.

Gbr. 7 : Aplikasi untuk batasan umum dari tipe-tipe turbin air yang berbeda
(Sumber: MHPG Publication Volume 11)

CONTOH :
Tinggi jatuh air/Head perkiraan awal (Hr) = 40 m
Debit perkiraan awal (Qr) = 250 l/dtk
Dimungkinkan untuk menggunakan turbin cross flow komersial dan lokal, juga turbin Pelton (Turgo) atau turbin Francis.

Untuk aplikasi dengan output kurang dari 100 kW terdapat empat macam turbin berbiaya rendah yang biasanya digunakan dan diproduksi di Indonesia:

1.3.1. Turbin cross flow
Turbin ini mudah untuk dipabrikasi dan ditawarkan oleh banyak pabrikan (misalnya Ossberger dan Volk di Jerman). SKAT dan BYS (Nepal) mengembangkan disain berbiaya rendah dan mempublikasikannya (MHPG Publication Volume 3 dan 4) sekitar tahun 1980. Beberapa turbin telah dibuat di Nepal dan di Indonesia. Pada tahun 1990 disain turbin yang disempurnakan dan lebih efisien yaitu Model T14/T15 dikembangkan dan sekarang digunakan.

Gbr. 8 : Batas aplikasi Turbin Cross Flow T15 dengan diameter 300 (sumber: ENTEC)

CONTOH:
Head perkiraan awal (Hr) = 31 m
Debit perkiraan awal (Qr) = 497 l/dtk
Output P = 105 kW
Kecepatan putaran (n) = 750 1/min
Turbin ini dapat dihubungkan secara langsung ke generator sinkron dengan 8 kutub (n = 750 1/min)

1.3.2. Turbin Pelton
Permasalahan dalam produksi turbin Pelton adalah bentuk runner yang kompleks. Rumah turbin dan nozzlenya mudah untuk dipabrikasi.
Buku Panduan SKAT/MHPG Vol. 9 menjelaskan disain turbin Pelton kecil yang menggunakan bucket standard hasil pabrikasi. Gbr. 20 menunjukkan batasan aplikasi untuk turbin Pelton mikro tersebut hingga 50 kW.

Gbr. 9 : Batasan aplikasi dari turbin Pelton mikro (Sumber: Buku panduan SKAT/MHPG Vol. 9)

CONTOH:
Hr = 96 m
Qr = 20 l/s
Output pada efisiensi 60% P = 10 kW

1.3.3. Turbin propeller open flume
Pengembangan turbin terbaru untuk head rendah di Indonesia telah dimungkinkan untuk memproduksi turbin propeller open flume untuk head rendah (di bawah 6 - 7 m)

Gbr. 10 : Turbin propeller open flume di Indonesia tahun 2006

Head (m) D= 125 mm D= 200 mm D= 300 mm D= 430 mm
2 m 26 l/s
290 W 67 l/s
700 W 150 l/s 1680 W 300 l/s 3400 W
3 m 36 l/s
600 W 92 l/s 1500 W 207 l/s 3450 W 425 l/s 7150 W
4 m 45 l/s
1000 W 117 l/s 2600 W 260 l/s 5850 W 535 l/s 12000 W
5 m 140 l/s 3850 W 310 l/s 8700 W 640 l/s 17500 W
6 m 160 l/s 5400 W 360 l/s 1200 W 740 l/s 24500 W

Gbr. 11 : Batasan aplikasi turbin propeller open flume di Indonesia tahun 2006

1.3.4. Pompa yang digunakan sebagai turbin (PAT)
Pompa dapat dioperasikan seperti turbin dengan efisiensi yang bagus jika tidak diperlukan adanya peraturan mengenai debit. Buku Panduan MHPG Volume 11 menjelaskan teknologi ini dan pemilihan pompa yang sesuai. Gambar di bawah ini menampilkan batasan aplikasi dari tipe pompa berbeda yang digunakan sebagai turbin.
Kekurangan dari solusi berbiaya rendah ini adalah bahwa debit tidak dapat diatur dan tidak mungkin beroperasi dengan beban sebagian misalnya pada saat musim kemarau (Lihat MHPG series Vol. 11 Pumps as turbines).

Gbr. 12 : Batasan umum dari aplikasi pompa yang digunakan sebagai turbin sumber MHPG Publication Volume 11)

CONTOH:
Hr = 40 m
Qr = 50 l/s

Pompa dengan aliran radial tahap tunggal dapat dijadikan solusi. Metode pemilihannya berdasarkan pada spesifikasi pompa dari supplier seperti diuraikan dalam Manual MHP “PAT: Pumps as Turbines (Pompa sebagai Turbin)” pada dasarnya faktor head dan debit menentukan dalam pemilihan pompa yang sesuai dari katalog pabrikan.

2 PEMILIHAN TURBIN
2.1. PENGARUH DARI LAYOUT TURBIN TERHADAP PEMBANGKIT
Gbr. 24 menjelaskan parameter-parameter utama MHP yang dipengaruhi oleh layout turbin.

Gbr. 13 : Pengaruh layout turbin terhadap pembangkit MHP

2.2. DATA AWAL DALAM PEMILIHAN TURBIN
Data-data penting yang diperlukan untuk penentuan tipe turbin adalah:

Rated (or nominal/ net) head Hn = 70 m
Rated (or nominal/ design) flow Qn = 0.120 m³/s

Sebagai tambahan, mungkin disebutkan, kecepatan operasional turbin
Rated (or nominal) speed nn = 1500 1/min

Hal-hal di atas merupakan informasi dasar untuk membicarakannya dengan pabrikan, jika dia akan menawarkan turbin saja untuk pembangkit ini. Bagaimanapun juga, informasi lainnya diperlukan jika penawaran yang lengkap harus dikirimkan. Pabrikan juga perlu menyediakan informasi yang terperinci misalnya seperti daftar berikut ini:
• tinggi permukaan saluran pembawa min/max/normal
• tinggi permukaan saluran pembuang min/max/normal
• tinggi permukaan rumah pembangkit
• kualitas air, polusi, pengendapan
• ketinggian permukaan pembangkit (untuk mencegah kavitasi di turbin-turbin Francis dan propeller/Kaplan)
• sambungan jaringan; operasional mesin (tipe generator, transmisi mekanis)
• metoda yang dibutuhkan. Apakah perlu untuk mengoperasikan turbin dengan debit yang berubah-ubah
• panjang, diameter dan material penstock
• permukaan bak penenang
• kurva aliran air
• sketsa instalasi

Kebanyakan pabrikan menyediakan kuisioner, yang kurang lebih terperinci. Berikut ini contoh kuisioner, yang harus diisi secara lengkap, walaupun beberapa informasi hanya diperlukan jika, misalnya governor, ada dalam penawaran

Gbr. 14 : Form untuk permintaan turbin

3 TATA LETAK TURBIN DI LOKASI MHP
3.1. UMUM
Tata letak turbin secara umum di dalam rumah pembangkit tergantung pada peralatan yang berhubungan dan tinggi permukaan yang dibutuhkan dari poros turbin di atas (atau di bawah) tinggi permukaan saluran pembuang.
• Turbin impuls memerlukan ventilasi di runner dan harus dipasang di atas permukaan air tail. (Selama banjir tinggi permukaan air tail tidak boleh menjangkau poros turbin untuk menghindari banjir didalam rumah pembangkit akibat kebocoran di shaft turbin).
• Turbin reaksi memerlukan tinggi permukaan tertentu di atas atau di bawah permukaan air tail yang tergantung pada disain dan tinggi permukaan instalasi untuk mencegah kavitasi runner.

3.2. DASAR PENGATURAN TURBIN YANG DIHUBUNGKAN LANGSUNG
Pada masa lalu dan di beberapa daerah pedesaan mesin-mesin tersambung langsung dengan turbin tanpa pembangkit listrik. Pada umumnya penggilingan atau pompa air tetap tersambung secara langsung. Cara ini murah dan efisien. Kerugiannya adalah tempat pengolahannya harus dekat dengan turbin.

Gbr. 15 : Mesin yang terhubung langsung dengan turbin

Generator tersedia dengan ng = 3000 rpm/(jumlah pasang kutub), yang berarti untuk generator sinkron 3000 rpm, 1500 rpm, 750 rpm, dll (generator asinkron sedikit lebih cepat akibat slip). Bagaimanapun generator berkecepatan rendah bobotnya berat dan sering didisain secara khusus.

Jika turbin didisain agar beroperasi pada kecepatan generator maka dapat dengan mudah dihubungkan secara langsung ke generator menggunakan kopling. Kadang-kadang runner didisain terutama agar turbin dapat dihubungkan langsung ke shaft generator. Terutama pembangkit-pembangkit dari aliran sungai sering didisain untuk dihubungkan langsung ke generator berkecepatan rendah untuk mencegah biaya generator yang sangat mahal.

Gbr. 16 : Runner turbin dan generator pada satu shaft

Normalnya generator dihubungkan menggunakan kopling fleksibel.

A: Generator dihubungkan langsung menggunakan kopling fleksibel (load controller, sebaiknya flywheel kecil dipasang pada shaft jika motor mulai dengan kapasitas lebih dari 20%)

B: Generator atau turbin dengan flywheel yang dihubungkan dengan kopling fleksibel (kadang-kadang belt drive untuk pengontrol kecepatan/debit)

C: Generator, kopling, flywheel besar bertumpu pada plummer block bearings, kopling ke turbin (kadang-kadang belt drive untuk pengontrol kecepatan/debit)

Gbr. 17 : Generator dihubungkan langsung

Gbr. 18 : Contoh Dewata: Generator yang dihubungkan langsung dengan flywheel pada shaft generator. Kontrol debit elektronik dengan sensor kecepatan dan posisi.

Gbr. 19 : Contoh Tengpoche: Generator yang dihubungkan langsung dengan flywheel pada shaft turbin dan kontrol mekanis yang dihubungkan dengan gearbox.
3.3. TURBIN YANG DIHUBUNGKAN SECARA TIDAK LANGSUNG
Pada disain turbin jika tidak memungkinkan untuk mendapatkan generator untuk dihubungkan langsung maka diperlukan gear box atau belt drive. Parameter utamanya untuk pengukuran adalah rasio transmisi.

I=nturbin / ngenerator

Pada daya yang akan ditransmisikan, dimensi dan gaya dari belt dan layout gearbox diberikan oleh pabrikan atau supplier transmisi. Proyek-proyek elektrifikasi di desa hingga 50 kW hampir selalu dapat menggunakan belt. V-belt lebih mudah untuk proses alignment tetapi memiliki efisiensi yang lebih rendah dan lifetime yang lebih pendek daripada flat belts. Jika daya di atas 20-30 kW maka dianjurkan untuk menggunakan flat belts karena kinerjanya yang lebih baik dan juga karena beberapa V-belts harus digunakan dan diganti dalam satu perangkat. Gearbox hanya dianjurkan jika rasio transmisi atau daya (lebih dari 100 - 200 kW) tidak memungkinkan untuk belt drive. Gearboxes untuk daya tinggi dan transmisi dengan rasio tinggi memerlukan pendinginan ekstra dengan air blower atau dengan heat exchanger.

Gbr. 20 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive pada turbin dan generator

Gbr. 21 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive langsung ke turbin dan bearing tambahan dan kopling fleksibel pada shaft generator

Gbr 22 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive langsung ke turbin dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling pada generator base

Gbr. 23 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive pada turbin dan generator

Gbr. 24 : Generator yang dihubungkan secara tidak langsung menggunakan flat belt drive ke turbin dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling pada rangka generator

Gbr. 25 : Generator dan turbin yang dihubungkan secara tidak langsung menggunakan flat belt drive dengan Plummer block bearing dan kopling

Gbr. 26 : Generator dan turbin yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling
Gearbox:
Untuk output yang lebih besar digunakan gear box.

Gbr. 27 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan gear box

Gbr. 28 : Generator yang tidak langsung dihubungkan dengan gear box
4 KESEIMBANGAN ENERGI UNTUK LOKASI MHP
4.1. PERSAMAAN BERNOULLI: KESEIMBANGAN ENERGI DAN ALIRAN ENERGI
Rumus dasar untuk sistem hidrolis (penstock, mesin hidrolis, dll.) dengan aliran mantap adalah persamaan Bernoulli. Ini menampilkan keseimbangan energi dari partikel fluida kecil yang mengalir melalui sistem:

Gbr. 29 : Keseimbangan energi dalam pembangkit MHP

(1)
(Indeks dalam arah aliran)

dimana P = tekanan dalam N/m2
v = kecepatan dalam m/dtk
z = ketinggian dalam m
 = koefisien losses yang terkait dengan v
g = gaya gravitasi = 9.81 m/dtk2
ρ = berat jenis dalam kg/m3

rumus-rumus energi mekanis / hidrolis yang digunakan adalah sebagai berikut:

energi tekanan
energi kinetic
energi potensial

energi hidrolis spesifik dari mesin yang ideal
losses akibat gesekan di dalam sistem

energi internal:

Apalagi untuk bentuk energi seperti itu, kita juga perlu mempertimbangkan energi internal akibat temperatur fluida untuk menghasilkan keseimbangan energi total. Losses akibat gesekan meningkatkan energi internal, karena temperatur airnya meningkat secara perlahan. Pertimbangan seperti ini terlalu akademis dan tidak relevan untuk tujuan kita.

4.2. PRESENTASI GRAFIS DARI KESEIMBANGAN ENERGI
Ini merupakan kebiasaan yang umum untuk menggambarkan keseimbangan energi dalam gambar (dengan skala) yang menunjukkan layout utama.

Gbr. 30 : Garis energi dasar: Garis energi jika turbin terintegrasi (dengan gesekan)

4.3. ALIRAN ENERGI DAN EFISIENSI
Pada kenyataannya tidak semua energi hidrolis yang dikonversi di dalam turbin menjadi energi yang bermanfaat untuk konsumen. Di dalam konversi energi ini berbagai losses terjadi dan tingkat perubahan energinya dinamakan dengan efisiensi. Efisiensi total untuk pembangkit daya adalah jumlah semua efisiensi dari setiap komponennya.

Gbr. 28b: Aliran energi dalam MHP

Kelompok pertama dari losses adalah losses akibat gesekan di dalam sistem hidrolis (lihat rumus (1)). Mereka tergantung pada layout dan kondisi aktual pembangkit. Perhitungan losses akibat gesekan merupakan hal yang umum dengan anggapan kita telah mengetahuinya.

Kelompok kedua adalah efisiensi-efisiensi dari mesin konversi energi.

1 : efisiensi internal
2 : efisiensi turbin / pompa
3 : efisiensi kelompok total

Gbr. 31 : Aliran energi dan efisiensi di dalam turbin
Efisiensi turbin internal
Efisiensi turbin mekanis
dimana:
Phyd = energi hidrolis teoritis di turbin (biasanya ditentukan di laboratorium sebagai hill chart)
PRU = pada runner turbin energi tersedia
Pt = pada shaft turbin energi tersedia
mt = losses akibat gesekan dalam segel turbin, bearings

efisiensi transmisi daya mekanis:
m = losses akibat gesekan dalam segel turbin, bearings
efisiensi elektrik:
g = efisiensi generator total (mekanis dan elektrik)

efisiensi unit pembangkit total:
(2)

Untuk penaksiran efisiensi turbin yang berbeda-beda pada beban puncak dan beban sebagian ditunjukkan di gbr. 43.

Contoh:
Lokasi MHP harus memiliki data sebagai berikut:
head dasar (head bersih) Hr = 100 m
debit dasar Qr = 20 l/dtk

Pabrikan turbin, flat belt drive dan generator memberikan spesifikasi-spesifikasi sebagai berikut:
efisiensi turbin internal (dikenal dari uji model) it = 0.83
efisiensi turbin mekanis (losses di segel turbin, bearing) mt = 0.97
efisiensi transmisi daya mekanis: (Flat belt drive) m = 0.97
efisiensi generator g = 0.85
Hitung:
t = efisiensi turbin mekanis

total = efisiensi unit pembangkit total (mekanis dan elektrik)

Phyd = energi hidrolis teoritis di turbin

PRU = energi yang tersedia di turbin

Ptotal = energi unit pembangkit total

Menggambar diagram aliran energi (skala 10 cm = 100% dari energi hidrolis) yang tersedia di turbin.

Gbr. 32 : Presentasi grafis aliran energi dasar dan efisiensinya
Contoh:
Melihat keseluruhan pembangkit MHP, sistem efisiensi harus memperhitungkan semua losses. Contoh berikut ini menunjukkan sistem efisiensi pada saat debit disain penuh.

Gbr. 33 : Losses di dalam MHP

Menghitung sistem efisiensi dan menggambar diagram aliran energi (skala 10 cm = 100% dari energi hidrolis yang tersedia)

Gbr. 34 : Aliran energi dasar
5 PRINSIP KERJA TURBIN
5.1. DIAGRAM-DIAGRAM VEKTOR KECEPATAN
Pola aliran aktual yang melalui runner turbin sangat rumit. Ini membutuhkan asumsi-asumsi penyederhanaan untuk menguraikan aliran dengan menggunakan diagram vektor kecepatan. Meskipun demikian, diagram-diagram ini tetap menghasilkan perkiraan aliran aktual yang layak. Ketika mempertimbangkan aliran yang melalui lintasan antara blades dari runner turbin yang berputar, perbedaan harus dibuat antara aliran absolut dan aliran relatif. Aliran absolut dilihat dari rumah turbin sedangkan aliran relatif dilihat dari runner yang berputar.
sistem relatif (1)
aliran yang melewati pengamat yang berputar pada kecepatan w

sistem absolut (2)
runner turbin mendekati pengamat pada kecepatan u
aliran mendekati pengamat yang diam pada kecepatan
c = w + u

Gbr. 35: Aliran absolut dan aliran relatif

5.2. PERSAMAAN EULER UNTUK PERPINDAHAN ENERGI
Mr. Euler menemukannya pada tahun xx sehingga dinamakan dengan “Persamaan Euler”. Ini berdasarkan pada kekekalan momentum pada runner yang berputar di turbin atau pompa.
Sebagai contoh untuk turbin Francis kita mendapatkan diagram debit dan kecepatan sebagai berikut:

Gbr. 36: Gambar potongan dari turbin Francis

Gbr. 37: Diagram-diagram vektor kecepatan untuk turbin Francis

Konsep kekekalan momentum diterapkan pada semua tenaga putaran yang bekerja dalam runner turbin. Gbr. 48 di atas menunjukkan bahwa hanya komponen-komponen tangensial dari kecepatan inlet dan kecepatan outlet (cu2 dan cu1) yang berperan terhadap tingkat perubahan momentum yang mendasari tenaga putaran (T) yang bekerja di dalam shaft turbin. Semua gaya-gaya dan momentum lain (Tekanan, kecepatan komponen radial) berputar di dalam runner dan tidak menghasilkan tenaga putaran. Kita dapat menuliskan:

Tenaga putaran (3)

Persamaan ini dapat kita konversi ke dalam rumus umumnya:
Head Euler (4)
Dalam teori HE*g menunjukkan masa energi yang ditransfer dari fluida ke runner turbin; atau dengan kata lain energi yang dibangkitkan oleh turbin terjadi ketika semua losses diabaikan. Efisiensi hidrolis diperkenalkan pada mesin-mesin riil untuk memperhatikan losses yang tak dapat dihindarkan oleh mesin:

Efisiensi hidrolis untuk turbin (5)
6 KARAKTERISTIK TURBIN
6.1. UMUM
Spesifikasi disain berikut ini harus diketahui untuk mendapatkan ukuran turbin yang akurat untuk instalasi:

• efisiensi turbin pada debit puncak dan debit sebagian
• kecepatan turbin
• kinerja turbin pada kondisi beban sebagian, overload dan runaway
• ukuran dimensi runner dan turbin

Spesifikasi-spesifikasi ini dikembangkan dari pengukuran di laboratorium dengan cara model turbin disambungkan ke brake dan throttled stepwise mulai dari kecepatan run-away sampai berhenti. Headnya tetap konstan. Semua parameter (debit, tenaga putaran dan daya) diukur untuk setiap titik dan dihitung efisiensinya. Prosedur yang sama diulangi untuk bukaan guide vane yang berbeda untuk mendapatkan karakteristik turbin yang lengkap.

Gbr. 38: Mengukur karakteristik-karakteristik turbin dengan menghentikan turbin dari kecepatan run-away sampai berhenti (posisi guide vane konstan)

Dalam istilah praktis, kecepatan variabel seperti pada grafik di atas hanya akan terjadi pada pembangkit yang berdiri sendiri (tidak tersambung dengan jaringan) tanpa governor, atau turbin pada saat kondisi start-up, shut-down dan run-away (pemutusan hubungan mendadak dari beban). Bagaimanapun, untuk pemilihan turbin yang akurat dan prediksi kinerjanya, penting untuk mengetahui debit dan efisiensi selain daripada kecepatan nominal karena kondisi pembangkit aktual akan sangat sulit bersesuaian sepenuhnya dengan data disain mesin (= nilai dasar).

6.2. HUKUM GAYA GABUNG (AFINITAS)
Turbin digunakan selain dari head nominal:
Nilai-nilai dasar (Q1, H1, P1, n1) dari turbin telah dikenal. Dengan kondisi tersebut maka turbin akan beroperasi dengan efisiensi terbaik. Jika turbin yang sama dioperasikan dengan head yang berbeda (H2), debit dan kecepatannya tidak akan sama lagi untuk mencapai efisiensi terbaik. Hukum gaya gabung (afinitas) digunakan untuk menghitung debit, kecepatan dan output turbin yang baru:

Gbr. 39: Turbin yang beroperasi pada dua head yang berbeda

kecepatan baru (6)

debit baru (7)

tenaga putaran baru (8)

output baru (9)

Contoh:
Turbin T-12 yang dikirimkan untuk kondisi-kondisi lokasi sebagai berikut:
head dasar H1 = 31 m
debit dasar Q1 = 497 l/dtk
kecepatan dasar n1 = 742 rpm
output dasar P1 = 105.8 kW

Turbin dihubungkan ke generator sinkron (ng = 1500 rpm) dengan transmisi flat belt.
kecepatan generator ng = 1500 rpm
rasio perpindahan gigi i = 1500 rpm / 742 rpm = 2.02

Sayang sekali, surveynya tidak akurat dan headnya hanya H2 = 28 m. Apa yang harus dilakukan untuk mencapai efisiensi terbaik dengan head yang baru ini?

Solusi terbaik adalah dengan perubahan rasio perpindahan gigi untuk transmisi flat belt dan membiarkan turbin bekerja dengan kecepatan yang berbeda.

Menghitung rasio perpindahan gigi yang baru, debit yang baru diserap oleh turbin dan output turbin yang baru untuk head yang baru yaitu 28 m.

kecepatan baru

debit baru

output baru

rasio perpindahan gigi baru

Jika transmisi tidak diadaptasikan terhadap head yang baru, efisiensi dan outputnya akan lebih rendah dari yang dihitung.

6.3. KONSEP DARI UNIT MESIN
6.3.1. Umum
Dalam literatur dan pekerjaan riset praktis digunakan sejumlah definisi dan nilai spesifik. Hal ini bisa membingungkan. Ini harus dilihat dari proses historis dan dengan pendekatan ilmiah untuk melihat hal-hal yang berbeda secara individu:

• Literatur terdahulu sering menggunakan nilai-nilai dimensional. Kerugiannya adalah, misalnya sistem SI dan sistem imperial mengakibatkan nilai-nilai yang jauh berbeda untuk hal yang sama. Keuntungannya adalah, bahwa ini dapat dipahami oleh siapapun.
• Nilai-nilai non dimensional lebih abstrak tetapi bebas untuk digunakan sistem unit.
• Setiap tipe turbin memiliki sedikit perbedaan dalam disainnya. Dan juga pada aplikasinya misalnya pompa dan turbin menghasilkan perbedaan dalam definisi parameter.

Turbin-turbin komersil sering diuji di dalam laboratorium hidrolis dengan bentuk geometris yang serupa tetapi dengan model turbin yang lebih kecil. Nilai-nilai (Qm, Pm, Hm, nm) dari model turbin (indeks m) dengan dimensi runner tertentu (Dm dan Bm) diukur di dalam laboratorium. Bagaimanapun, model turbin ini tidak digunakan untuk instalasinya. Untuk skema MHP spesifik, semua dimensi model turbin perlu untuk diperbesar atau dinaikkan dengan menggunakan faktor skala (Dm/Dt = rasio dari diameter runner). Turbin baru ini (indeks t) harus dioperasikan dengan head (Ht) untuk mencapai efisiensi terbaik. Untuk penyederhanaan perhitungan, karakteristik dari mesin hidrolis tidak digunakan untuk model turbin tetapi untuk mesin “unit” teoritis. Mesin unit digambarkan seperti mesin dengan diameter (D11) = 1 m dan head (H11) = 1 m. Untuk bentuk mesin unit, disain turbin dapat dibandingkan dengan tipe dan disain turbin lainnya.

Gbr. 40: Model turbin dan mesin unit memiliki ukuran dan nilai dasar yang berbeda tetapi memiliki dimensi geometris dan karakteristik yang mirip.

6.3.2. NILAI-NILAI UNIT:
Karakteristik model turbin diukur dan dikonversi ke dalam MESIN UNIT yang serupa secara geometris dengan menggunakan hukum afinitas. Mesin unit teoritis ini memiliki diameter D11 = 1 m, dan beroperasi pada head H11 = 1 m.
Konsep dari mesin unit telah digunakan pada peluncuran turbin cross flow T12 sebelumnya.

KECEPATAN UNIT (10)

DEBIT UNIT (11)

TENAGA PUTARAN UNIT (12)

DAYA UNIT (13)

dimana index* = nilai numerik tanpa dimensi (valid untuk satuan SI!); nilai-nilai numerik tanpa dimensi berasal dari divisi untuk nilai-nilai dasar model turbin dengan nilai-nilai yang bersesuaian dengan mesin unit, yang semuanya merupakan satu kesatuan (diameter runner, lebar runner dan head = 1 m).

Contoh:
Tes model turbin propeller:
Model turbin propeller diuji di dalam hidrolab dan tahap berikutnya diukur pada titik terbaik operasi.

diameter propeller Dm = 320 mm
head Hm = 7 m
Debit Qm = l/dtk
Efisiensi terbaik eta1 = 89%

Menghitung daya shaft turbin:

Daya shaft Pm = 20.8 kW

Menghitung nilai-nilai unit:

Kecepatan unit n11 = 131 1/min

Debit unit q11 = 1.12 m^3/s

Aplikasi
Turbin harus dihubungkan langsung ke generator pada head (Ht) = 13.2 m. Berapakah diameter, debit dan output turbin?

Diameter turbin optimal

Debit turbin optimal

Daya shaft turbin optimal

Di bawah ini sistem yang umumnya digunakan untuk turbin Cross Flow dan turbin Pelton.

6.3.3. Kecepatan spesifik
Ini umum untuk menentukan nilai spesifik dengan menjelaskan kinerja runner pada titik terbaik operasi. Banyak lagi definisi dimensional dan non dimensional yang digunakan. Pengetahuan kecepatan turbin yang sesuai diperlukan untuk disain kasar untuk unit pembangkit MHP. Pengaturan transmisi yang diperlukan (dihubungkan langsung, belt atau gear box) dan generator diperlukan untuk penaksiran harga dan layout rumah pembangkit.
Kecepatan turbin di pembangkit tertentu tergantung pada penggunaan disain turbin. Dengan batasan tertentu turbin dapat didisain dengan cara seperti itu maka generator atau mesin lainnya boleh dihubungkan langsung atau paling tidak rasio transmisinya diperkecil. Ini dapat meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya transmisi (belts atau gearbox). Untuk menaksir kecepatan digunakan kecepatan spesifik turbin. Kecepatan spesifik menandai bentuk hidrolis runner turbin dan bukan ukurannya.
Definisi yang sangat luas dan yang biasanya digunakan adalah kecepatan spesifik (nq). Kecepatan spesifik ini (nq) hanya merupakan kecepatan dari turbin imajiner, dengan ukuran seperti itu, yaitu pada head 1 m terjadi debit 1 m3/dtk (pada titik efisiensi terbaik). Kecepatan ini dihitung dari head dasar, debit lokasi dan kecepatan yang diinginkan turbin:
(14)
dimana
Qr* = nilai untuk Qr dalam m3/dtk
Hr* = nilai untuk Hr dalam m
nr = kecepatan turbin dalam rpm

Gbr. 52 menggambarkan dampak kecepatan spesifik dimensi runner Francis untuk lokasi tertentu. Itu jelas, bahwa turbin dengan kecepatan spesifik tinggi bentuknya lebih kecil (dan lebih efisien) daripada turbin dengan kecepatan spesifik rendah. Sayangnya aplikasi turbin dengan kecepatan spesifik tinggi yang mungkin secara teknis terbatas akibat dari tegangan material dan kavitasi yang berlebihan. Batasan ini diberikan pada gbr. 54.

Gbr. 41 : Dampak dari kecepatan spesifik pada dimensi runner Francis untuk lokasi tertentu (sumber Voith)

Gbr. 42 : Turbin Pelton dengan kecepatan spesifik yang berbeda

Gbr. 43 : Batasan aplikasi dari tipe turbin yang berbeda versus kecepatan spesifik (head maksimum). Sumber: Voith, Ossberger

Jika head dan debit untuk lokasi diketahui, kecepatan turbin yang diinginkan dapat ditaksir dan kecepatan spesifiknya dapat dihitung.

CONTOH: head dasar Hr = 50 m
debit dasar Qr = 100 l/dtk
a.) kecepatan turbin yang diinginkan nr1 = 1500 1/min
nq = 25 1/min (dihitung)
 turbin dipilih dari gbr. 55 Turbin Cross Flow atau Francis

b.) kecepatan turbin yang diinginkan nr1 = 750 1/min
nq = 12.6 1/min (dihitung)
 turbin dipilih dari gbr. 55 Turbin Pelton (multi jet)

Berdasarkan pada metode ini nomogram pada gbr. 56 telah dikembangkan untuk penggunaan praktis. Ini memberikan penaksiran yang cepat untuk tipe dan kecepatan turbin.

Gbr. 44 : Contoh untuk penaksiran yang cepat untuk tipe dan kecepatan turbin yang sesuai, dalam fungsi head dan debit.

Gbr. 45: Nomogram untuk penaksiran yang cepat dari tipe dan kecepatan turbin yang sesuai dalam fungsi head dan debit (sumber MHPG manual Volume 10)
6.3.4. Hill Charts
Ini memungkinkan untuk menggabungkan efisiensi dan debit versus kurva kecepatan dalam satu grafik. Yaitu hill chart turbin. Ini menunjukkan karakteristik kecepatan debit dan kurva untuk efisiensi yang sama dari mesin unit.
Hill chart berlaku untuk semua turbin yang sama secara geometris. Ini berarti bahwa turbin yang diukur adalah didisain sama persis tetapi dengan skala yang berbeda. Skalanya merupakan rasio antara diameter runner. Karakteristik turbin yang menyeluruh ditampilkan dalam hill chart, yaitu menggambarkan kinerja turbin secara lengkap.

Gbr. 46: Contoh Hill chart untuk turbin propeller

1. Untuk penggunaan praktis hill chart memberikan semua informasi yang diperlukan pengukuran turbin untuk operasi dasar.

CONTOH:
Debit unit optimum Q1opt = 1.12 m3/dtk
Kecepatan unit optimum n1opt = 131 rpm

Kecepatan spesifik nq= SQR(q1opt*)*n1opt =138rpm

Turbin akan didisain untuk beroperasi dengan head (Hr) = 12.2 m pada kecepatan (nr) = 1000 rpm.

Hitung debit, daya dan diameter turbin ini
diameter runner

Debit

Daya

1. Apa yang terjadi jika melihat head atau kecepatan turbin yang tidak benar atau jika turbin beroperasi dengan beban sebagian misalnya pada musim hujan.

Contoh: Turbin beroperasi pada14.7m dan1000rpm. Tentukan titik operasi hill chart dengan posisi guide vane operasional (60°).

Kecepatan spesifik:

Debit spesifik: 1.05 (dari diagram)

Berapa debit, efisiensi dan daya pada posisi guide vane operasional

Efisiensi ηr = 0.85 (dari diagram)

Debit

Daya

2. Satu informasi penting dari hill chart adalah efisiensi beban sebagian pada kecepatan dasar.

Turbin sering tidak beroperasi dengan debit dasar sebagai contoh selama musim kemarau dikarenakan tidak terdapatnya cukup air atau konsumen tidak memerlukan daya puncak selama waktu tertentu. Gambar di bawah ini menunjukkan efisiensi beban sebagian dari berbagai disain turbin.

Gbr. 47 : Efisiensi beban sebagian untuk turbin

Ukuran turbin juga memiliki pengaruh pada efisiensi. Gambar di bawah ini memberikan penaksiran kasar untuk turbin di bawah 100 kW.

Gbr. 48 : Efisiensi puncak untuk turbin di bawah 100 kW

Masalah berikut ini mungkin dapat merusak runner selama pengoperasian turbin:
1. kavitasi
2. erosi
3. korosi

Kavitasi
Untuk turbin-turbin Francis, Kaplan dan propeller (seperti halnya untuk pompa sentrifugal) kavitasi merupakan suatu masalah dan menentukan tinggi air yang diperlukan antara runner dan air di saluran pembuang. Nilai yang diperlukan untuk melakukannya adalah dengan Thoma Nr yang merupakan turbin spesifik dan harus disediakan dari pabrikan. Penaksiran kasar diberikan dalam literatur (siegloch halaman 127). Pada umumnya dapat dikatakan bahwa ketinggian akan mengurangi tekanan ambien dan tekanan evaporasi temperatur air. Kedua efek tersebut akan mengurangi head pengisapan geodetik yang diizinkan. Misalnya turbin propeller beroperasi dengan temperatur air 14°C pada ketinggian 400 m dapat menghasilkan head pengisapan yang lebih besar (sekitar 1 m) seperti turbin yang sama dan beroperasi pada temperatur 25°C dan head 1400 m. Runner turbin pada turbin yang besar harus sering berada di bawah tinggi tail water. Ini akan menambah biaya untuk bangunan sipil.

Gbr. 49: Head pengisapan yang diizinkan

Erosi akibat sedimentasi yang banyak dapat menghentikan daya mesin runner, runnernya akan melemah dan dapat menyebabkan kerusakan yang serius.

6.4. TURBIN CROSS FLOW
6.4.1. Definisi: Turbin Cross Flow:
Untuk turbin cross flow lebar runner (Bt) mungkin pula berbeda dengan lebar modelnya. Nilai-nilai (Qm, Pm, Hm, nm) dari model turbin (index m) dengan dimensi runner tertentu (Dm dan Bm) diukur di dalam laboratorium. Hubungan antara diameter dan lebar runner memiliki pengaruh yang kecil terhadap efisiensi dalam batas 0% - 3% dan lebih praktisnya diabaikan. (untuk turbin-turbin besar efisiensinya naik)

Gbr. 50: Gambar runner (model turbin, turbin unit dan turbin biasa)

6.4.2. NILAI-NILAI UNIT:
Karakteristik dari model turbin yang terukur dikonversi ke dalam MESIN UNIT yang sama secara geometris dengan menggunakan hukum afinitas. Turbin cross flow unit teoritis memiliki diameter D11 = 1 m, lebar runner B11 = 1 m dan beroperasi pada head H11 = 1 m.
Rumusnya dimodifikasi sebagai berikut:
KECEPATAN UNIT (A15)

DEBIT UNIT (A16)

TENAGA PUTARAN UNIT (A17)

DAYA UNIT (A18)

dimana index* = nilai numerik tanpa dimensi (berlaku untuk satuan SI: m dan m3/dtk);

6.4.3. Hill chart
Saat ini runner cross flow yang digunakan di Indonesia terutama adalah model T14/T15. Hill chart diukur di dalam laboratorium di Stuttgart dengan runner 300 mm tanpa shaft di tengahnya. Ke dua garis untuk shaft 30 mm dan 60 mm menandai bahwa crossing jet akan menyentuh shaft dan hill chart di atas garis tersebut tidak berlaku.

Gbr. 51: Contoh Hill chart untuk turbin Cross flow (T14 tanpa shaft memotong runner)

6.4.4. diagram kecepatan
Runner cross flow dilintasi oleh debit. Pada langkah pertama sekitar 70% energi ditransfer ke blade. Kemudian pancaran air bebas memotong runner dan jika air meninggalkan runner maka 30% energi lagi ditransfer ke runner. Rincian dari teori ini ada di dalam SKAT Hydraulic engineering manual.

Gbr. 52: Diagram kecepatan dalam turbin cross flow

Gbr. berikut ini menunjukkan pola aliran di dalam turbin cross flow ketika diuji di hidrolab dengan beban yang berbeda. Dapat dilihat bahwa shaft di dalam runner akan mengganggu pola aliran pada debit yang tinggi. Kecepatan dan debit dari turbin cross flow harus dipilih menurut hasil dari pengujian laboratorium ini.

Gbr. 53: Pola aliran dalam turbin cross flow dengan beban yang berbeda. (tanpa shaft di tengah)

Pengukuran turbin:
Data dasar utama dari turbin T14 adalah:

Nr11 = 38 rpm/min
Qr11 = 0.8 m3/dtk
Etar11 = 76 - 80%

Rumus di atas dimodifikasi sebagai berikut:
kecepatan turbin (A19)

debit turbin (A20)

Contoh Dewata:
diameter runner Dr = 0.3 m
debit Qr = 0.3 m3/dtk
head Hr = 62.5 m

Bo = 158 mm
nr = 1001 rpm
Pr = Rho*g*Hr*qr*etar = 141 kW

Hnet = 60m
Q = 600l/s
Dt = 300mm

Lebar Runner :

Kecepatan :

Kecepatan Runaway

Daya :

Debit jika Lebar Runner 320 :

Daya :

6.5. TURBIN PELTON
6.5.1. Teori dasar turbin Pelton
Turbin Pelton adalah turbin impuls. Pada dasarnya pancaran air bebas membentur runner yang menghasilkan gaya reaksi untuk menggerakkan turbin. Pada keadaan yang ideal kecepatan dari pancaran ini dihitung menurut Toricelli:

(A21)

Pertama kita mempelajari gaya pancaran air pada pelat tetap (tidak bergerak) dengan bentuk yang berbeda:

A: Pelat datar:

(22)

B: bucket sempurna:

(23)
C: bucket riil:
Pada kenyataannya pancaran air akan membentur bucket berikutnya dan keluar dari bucket dengan sudut . Hal ini akan mengurangi gaya dan juga kemungkinan efisiensinya.

(24)

.

D: bucket riil yang bergerak:
Pada runner yang berputar bucket bergerak dengan arah yang sama seperti pancaran air dengan kecepatan sekeliling u.

Hasilnya adalah, bahwa pancaran air membentur bucket dengan kecepatan relatif w
(25)
Gaya yang dihasilkan pada bucket Pelton yang ideal “berputar” dengan kecepatan u akan menjadi:
(26)
E: bucket ideal yang berputar:
Dengan melihat runner turbin yang ideal kita mengetahui, bahwa gaya pancaran air yang bekerja di runner pada pitch circle diameter (PCD). Gaya reaksi membentuk tenaga putaran pada shaft turbin yang berputar menggerakan generator.

Tenaga putaran pada shaft runner: (27)
Daya pada shaft runner: (28)

dengan kecepatan sudut omega: (29)
(n = kecepatan turbin dalam rpm)
dan kecepatan sekeliling pada PCD: (30)

Kita dapat menemukan output daya teoritis yang ideal dari turbin Pelton sebagai fungsi dari debit, kecepatan pancaran air = head dan kecepatan turbin = u

Daya di shaft runner (Persamaan Euler): (31)

Efisiensi teoritis:
(32)
Spreadsheet sederhana dengan menggunakan rumus dasar yang memberikan pemahaman dasar terhadap karakteristik turbin Pelton:

Kecepatan segitiga juga penting untuk dipahami:

A: Kecepatan terlalu tinggi. Pancaran air jika keluar dari runner dengan kecepatan tinggi dalam arah putaran.

B: Kecepatan ideal. Pancaran air jika keluar dari runner dengan kecepatan minimum dalam arah aksial.

C: Kecepatan terlalu rendah. Pancaran air jika keluar dari runner dengan kecepatan tinggi dalam arah berlawanan dengan putaran

Gbr. 54: Pola aliran di dalam turbin pelton dengan beban yang berbeda

6.5.2. Pengukuran
Pengukuran di laboratorium dilaksanakan dari pemuatan generator dengan penambahan beban untuk setiap pembukaan nozzle secara konstan. Dalam pengujian output turbin tidak dapat diukur dan ditaksir secara langsung dengan mengasumsikan efisiensi generator. Generator diukur dengan pengujian yang terpisah, sehingga hasilnya dapat dipercaya dalam batas-batas akurasi pengukuran (+/-5% - 10%).
Hasil yang didapatkan disebut sebagai hill chart yang menandai turbin.

Uraian Nama Satuan
Output generator Pout
Output turbin Pt
Faktor daya Cos phi
Tekanan pada potongan 1 p´1 Bar
Panjang gerak nozzle s m
Kecepatan nt Rpm
Efisiensi generator EtaG
Efisiensi turbin EtaT

Ketika mengukur head dengan manometer di penstock, head bersih yang benar dihitung sebagai berikut:

Gbr. A55: Uraian dari pengukuran turbin Pelton

kecepatan di Penstock (A33)

head bersih (A34)

Output daya turbin (A35)

Efisiensi turbin (A36)
6.5.3. Karakteristik nozzle:
Karakteristik nozzle tergantung pada geometrinya. Diameter nozzle lebih besar dari diameter pancaran minimum (disebut juga vena contracta). Diameter pancaran riil juga berbeda dari diameter teoritis akibat distribusi kecepatan dan gesekan di dalam nozzle.

Gbr. A56: Pancaran air di dalam nozzle sederhana

Kecepatan di vena contracta (A37)

Kontraksi pancaran air (A38)

Debit nozzle (A39)

Koefisien debit (A40)
Dengan : Cv = koefisien kecepatan (biasanya antara 0.95 dan 0.99 – 0.97 dapat dicapai dengan nozzle Peltric yang bagus)
Cc = koefisien kontraksi

Koefisien kontraksi (Cc)
Penentuan yang tepat untuk koefisien kontraksi tidaklah mudah ini tergantung pada geometri nozzle. Literatur memberikan contoh dan rumus yang berbeda untuk nozzle sederhana dan nozzle dengan spear. Di bawah ini akan diberikan contoh-contoh sebagai panduan dalam mendisain:

Contoh nozzle 1 tanpa spear (sumber: Jeremy Thake)

Contoh nozzle 3 dengan spear (sumber: Jeremy Thake)

Sudut nozzle n 60° 80
Sudut spear s tanpa 55
Koefisien debit dasar CDr 0.8-0.83 .62
Langkah spear operasional
Sr/Dn no .52
Diameter spear maksimum Ds/Dn no 1.36
Diameter tekukan nozzle Dp/Dn 2.2 2.6

Dari pengukuran Peltric data berikut ini telah diukur:

Dengan mengetahui koefisien debit, dengan mudah diameter nozzle dapat dihitung sebagai berikut:
Diameter nozzle (A41)

6.5.4. Contoh-contoh dan petunjuk disain
Di dalam literatur sejumlah peraturan yang berbeda akan diberikan. Bahkan pabrikan komersial membuat disain yang berbeda untuk aplikasi yang serupa. Untuk aturan disain peltric untuk turbin yang lebih besar tidak bisa diikuti dengan sempurna karena terdapat kehilangan efisiensi sebesar sekitar 4% - 5% yang bukan merupakan bencana untuk pembangkit 100 MW.
Sebagai cek kira-kira maka aturan-aturan berikut ini perlu diperhatikan:

Lebar dalam bucket B2  3 Djet
Panjang dalam bucket  0.9 B2
Jumlah bucket  16
Jarak terkecil dari bucket ke housing runner side  1.5 B2
radial  2.5 B2

Sudut bucket
Djet  10% - 12% PCD (atau PCD  8 Djet dan  20 Djet)

Contoh untuk disain nozzle yang baik (kemungkinan untuk ukuran yang lebih besar daripada Peltric) diberikan oleh Jeremy Thake (Micro Hydro Pelton Turbine Manual).

Gbr. A57: Petunjuk nozzle di dalam pipa

Gbr. A58: Nozzle tanpa petunjuk di dalam pipa

Koefisien debit dari ke empat unit adalah sebagai berikut:

2009-03-23T07:26:00.001+07:00

KOMPONEN ELEKTRIKAL DAN MEKANIKAL

TABLE OF CONTENT

DISAIN SISTEM ELEKTRIKAL 1
3 DESIGN SISTEM ELEKTRIKAL 3
3.1 Umum 3
3.2 AC atau DC? 4
3.3 Generator AC 6
3.3.1 Umum 6
3.3.2 Generator Sinkron 6
3.3.2.1 Prinsip kerja (type brushless) 6
3.3.3 Generator Asinkron (induksi) 8
3.3.3.1 Prinsip kerja 9
3.3.3.2 Output satu fasa dari generator tiga fasa (C2C Connection) 12
3.3.3.3 Syarat Mesin Induksi Sebagai Generator 13
3.3.4 Perbandingan Generator Sinkron dan Asinkron 14
3.3.5 Pemilihan jenis generator dan power output 16
3.3.6 Kecepatan dan jumlah kutub generator 17
3.4 Sistem Kontrol 19
3.4.1 Flow control 19
3.4.2 Load Control 21
3.4.2.1 Electronic Load Controller (ELC) 22
3.4.2.2 Induction Generator Controller (IGC) 24
3.5 Sistem Transmisi dan Distribusi 26
3.5.1 Umum 26
3.5.2 Underground atau overhead 27
3.5.3 Tegangan tinggi atau tegangan rendah 27
3.5.4 Pemilihan rute transmisi dan distribusi 27
3.5.5 Konduktor 28
3.5.5.1 Menentukan ukuran konduktor 29
3.5.5.2 Kelendutan konduktor (sag) 31
3.5.5.3 Ruang bebas penghantar 32
3.5.5.4 Jarak antara konduktor (spacing) 33
3.5.6 Tiang Listrik (poles) 34
3.5.6.1 Jenis material 34
3.5.6.2 Tinggi tiang listrik 35
3.5.6.3 Jarak bentang tiang (span) 36
3.5.6.4 Penyangga tiang (guy wire) 36
3.5.7 Transformator 37
3.5.7.1 Tipe transfomator 37
3.5.7.2 Kapasitas dan pemilihan transformer 38
3.5.8 Instalasi konsumen 40
3.5.8.1 Service Connection 40
3.5.8.2 Instalasi rumah 41

BAB I
DESIGN SISTEM ELEKTRIKAL
3.1 Umum
hampir semua PLTMH yang dibangun diperuntukan untuk menghasilkan energi listrik, walaupun ada sebagian kasus dimana turbin PLTMH digunakan langsung untuk menggerakan mesin, seperti mesin penggilingan, maupun pompa air (water supply system). Oleh karena itu perencanaan untuk aspek kelistrikan berperan sangat penting dalam sebuah proyek PLTMH. Selain itu survey lapangan ke penduduk (konsumen) perlu dilakukan dengan akurat terutama mengenai peruntukan penggunaan listrik. Untuk keperluan produktif dimana akan digunakan motor listrik (beban induktif) misalnya, dibutuhkan generator dengan kemampuan menahan starting current yang besar. Topografi dan penyebaran penduduk berperan penting dalam menetukan panjangnya jaringan transmisi.
Penguasaan dasar-dasar kelistrikan, instalasi dan peraturan keselamatan merupakan hal pokok yang harus dimiliki oleh seorang perencana dan teknisi yang terlibat dalam implementasi sebuah proyek mikro hidro
Komponen dan sistem elektrikal pada sebuah MHP merupakan bagian yang dianggap paling sensitif. Pada dasarnya komponen pada sistem elektrikal pembangkit mikro hidro dapat dikelompokan menjadi sebagai berikut;
a. Generating and Control Unit
1. Generator (sinkron atau Asinkron)
2. Sistem kontrol dan aksesorisnya
1. Flow control
• Hydraulic unit : cylinder, actuator (counter weight), servo motor, sensor, dll
• Cubicle : module controller, system proteksi, meter dll
• Metering unit (CTs, VTs, kWh, fuses, dll)
2. Load control (ELC atau IGC)
• Cubicle (meter, control, proteksi)
• Ballast load
3. Kabel daya dan aksesori
1. Kabel daya : Generator – Panel – Ballast
2. Grounding system : elektroda, konduktor
3. Penangkal petir dan aksesori

b. Transmisi dan Distribusi
1. Transformator (jika dipakai) dan aksesorinya
2. Gardu induk (switchboard)
3. Transmisi dan distribusi
1. Tiang = pole bracket, suspension, strain clamp
2. System pentanahan (grounding)
3. Penangkal petir

c. Instalasi Pelanggan (service connection)
1. kabel penyalur dan aksesorinya (strain clamp, konektor,dll)
2. kWh Meter, MCB, dan sekring
3. Instalasi rumah
- kabel instalasi, isolator, klem/pralon kabel, T-dos
- stop kontak, saklar (ganda/tunggal)
- fitting lampu (duduk/gantung), kayu roset

Pembangkitan daya yang optimum dan kinerja pembangkit tergantung desain yang benar dari komponen pendukung, salah satunya desain sistem elektrik yang harus direncanakan dengan teliti dan hati-hati.
3.2 AC atau DC?
Tujuan pemakaian dan kondisi lapangan merupakan aspek penting yang harus diperhatikan dalam memilih jenis generator yang akan digunakan untuk sebuah PLTMH. pembangkit dengan generator DC sebagian besar digunakan untuk sistem battery charging, energy disimpan dalam battery dan diisi (charge) secara berkala dimana setiap rumah memiliki batere penyimpan. Hal-hal yang menjadi pertimbangan aplikasi mikro hidro dengan sistem DC diantaranya adalah:
• Potensi air yang tersedia kecil <2 kW sehingga sistem DC dianggap lebih ekonomis. Generator dapat menggunakan dinamo mobil biasa serta tidak dibutuhkan peralatan kontrol listrik seperti untuk generator AC. Untuk potensi yang >2 kW generator DC harus dipesan khusus dan bisa lebih mahal dari generator/motor AC.
• Lokasi rumah penduduk berdekatan sehingga transportasi batere untuk di charge bisa lebih efektif.
• Listrik yang akan digunakan hanya untuk keperluan terbatas seperti penerangan dan radio dengan daya kecil. Sedangkan untuk motor listrik atau peralatan listrik berdaya besar harus menggunakan inverter dan batere yang besar dimana harganya cukup mahal.

Gambar 3.1. Battery charging system dengan inverter untuk mensuplai beban AC
Hampir semua pembangkit listrik PLN menggunakan generator AC dan listrik didistribusikan ke pemakai dalam bentuk AC, oleh karena itu sebagian besar peralatan listrik dan elektronik industri maupun rumah tangga yang tersedia dipasaran menggunakan sistem AC. Inilah salah satu alasan pokok dimana sistem AC lebih banyak dipilih dan digunakan dalam pembangkit mikro hidro. Selain itu mengkonversikan arus searah (DC) menjadi arus bolak balik (AC) membutuhkan peralatan tambahan inverter yang cukup mahal dimana ada kerugian (losses) yang pada akhirnya efisiensi sistem menjadi lebih kecil.

Terlepas dari hal itu, melihat dari segi teknis maupun ekonomis masing – masing pilihan memiliki kelebihan dan kekurangan yang dapat dijadikan sebagai pertimbangan dalam merencanakan sebuah PLTMH. Sebagai contoh adalah sistem battery charging, walaupun secara teknis memungkinkan, sistem ini sangat jarang sekali aplikasinya mengingat keterbatasan dan kenyamanan manusia dalam pemakaiannya.
Gambar 3.2 .PLTMH untuk Battery charging system

Sistem AC Sistem DC
Kelebihan
1. sebagian besar peralatan listrik dan elektronik menggunakan sistem AC dan tersedia melimpah dipasaran dengan harga yang murah.
2. generator AC (sinkron dan asinkron) diproduksi secara masal dan mudah ditemukan dengan harga murah dengan kapasitas daya beberapa ratus watt sampai mega watt
3. transportasi dan transformasi listrik mudah untuk dilakukan dengan konduktor dan transformator
4. tidak diperlukan peralatan penyimpan energi (battery/accumulator)
5. listrik bisa langsung digunakan tanpa menggunakan peralatan tambahan (inverter)
6. pengaturan dan pengukuran listrik AC mudah dilakukan dengan ketersediaan berbagai peralatan dipasaran seperti MCB dan kWh meter

Kekurangan
1. diperlukan alat pengontrol untuk menjaga tegangan dan frequensi tetap konstan yang pada akhirnya menambah komponen biaya
2. energi listrik tidak dapat disimpan seperti pada sistem DC
Kelebihan
1. energy listrik dapat disimpan dalam battery sehingga kapasitas pembangkit (load factor) dapat dioptimalkan
2. energi dapat dipindahkan/dibawa langsung ke pemakai melalui battery tanpa harus menggunakan penghantar
3. generator DC lebih simple dan dilengkapi dengan Automatic Voltage Regulator (AVR) sehingga tidak diperlukan kontroler, yang pada akhirnya dapat lebih murah.
4. generator dapat menggunakan generator mobil atau truk untuk kapasitas kecil yang harganya murah dan mudah didapat
5. kebanyakan peralatan sistem (turbin dan generator) dalam ukuran kecil sehingga lebih mudah dipindahkan jika diperlukan.
6. umumnya digunakan untuk kapasitas kecil <5 kW, sehingga daerah yang tidak memiliki potensi air yang cukup besar dapat mengaplikasikannya.
Kekurangan
1. hanya untuk beban tertentu saja, tidak dapat digunakan untuk kegiatan produktif (productive and use)
2. batere cukup mahal dan memiliki usia pakai yang pendek jika tidak dirawat dengan baik
3. kurang praktis, dimana batere harus diisi ulang tiap kali habis.
4. peralatan listrik DC khususnya peralatan rumah tangga masih jarang diproduksi

Penjelasan lebih lanjut akan lebih menitikberatkan pada sistem AC dimana digunakan lebih luas dengan aplikasi yang lebih banyak.
3.3 Generator AC
3.3.1 Umum
Generator adalah alat yang digunakan untuk mengubah daya poros turbin (putaran) menjadi daya listrik. Untuk aplikasi mikro hidro dengan sistem AC ada dua tipe generator yang biasa digunakan yaitu generator sinkron dan asinkron (induksi) 1 fase maupun 3 fase.

Gambar 3.3 jenis generator yang biasa digunakan untuk aplikasi mikrohidro
3.3.2 Generator Sinkron
Generator sinkron banyak digunakan pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik besar. Secara teknis, designnya telah mengalami penyempurnaan yang meningkatkan bertujuan untuk meningkatkan performansi, efisiensi dan perwatannya.
3.3.2.1 Prinsip kerja (type brushless)
Arus Searah (DC) yang mengalir pada kumparan rotor (bagian yang berputar) akan menciptakan medan magnet homogen, apabila rotor yang dihubungkan dengan as generator itu diputar dengan kecepatan konstan, maka pada kumparan stator (bagian yang tidak berputar) akan dibangkitkan tegangan AC.
Pada generator dengan eksitasi sendiri, arus DC untuk mensuplai rotor dibangkitkan melalui AVR (Automatic Voltage Regulator) dan exciter. Exciter sendiri pada dasarnya merupakan generator kecil yang menyatu dengan generator utama. Pada saat start, dimana stator generator utama belum bertegangan, arus DC dihasilkan oleh tegangan residu/sisa di AVR. Apabila rotor generator utama diputar, pada rotor generator exciter yang terletak satu poros dengan rotor generator utama akan berputar juga dan membangkitkan tegangan AC 3 Fasa. Tegangan AC 3 fasa ini disearahkan oleh jembatan diode sehingga menghasilkan arus searah untuk mensuplai rotor generator utama. Tegangan yang dibangkitkan pada stator generator sebanding dengan arus pada rotor generator utama.
Pada stator generator utama yang dihubungkan ke beban, tegangan akan berubah sesuai dengan besarnya beban. Untuk menjaga agar tegangan selalu konstan, AVR akan mengatur besar kecilnya arus yang harus di suplai ke rotor generator utama sesuai dengan perubahan beban yang terjadi.

Gambar 3.4. Wiring diagram brushless exciter

Gambar 3.5 Mekanisme kerja AVR dan exciter

Pada generator dengan sikat arang (brushes type) mengunakan metode exsitasi dengan thyristor, dimana arus DC disuplai melalui slip ring dari thyristor dengan trafo exsitasi. Karena pengunaan, konstruksi dan perawatannya yang rumit generator tipe ini jarang digunakan pada aplikasi mikrohidro.

Gambar 3.6 wiring diagram brush type exciter
3.3.3 Generator Asinkron (induksi)
Mesin induksi merupakan mesin arus bolak-balik (AC) yang paling luas digunakan. Penamaannya berdasarkan pada kenyataan bahwa arus motor rotor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, melainkan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relative antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.
Generator asinkron (induksi) merupakan mesin induksi (motor) yang digunakan sebagai generator dengan bantuan eksitasi dari luar, baik dengan menggunakan kapasitor (isolated system) maupun terhubung dengan jala-jala PLN. Dari karakteristik kopel kecepatan, mesin induksi dapat dijadikan sebagai generator jika berada pada daerah rem sinkron lebih dan daerah rem arus lawan (nr>ns) dimana slip bernilai negative.
Gambar 3.7 Daerah operasi mesin Induksi
3.3.3.1 Prinsip kerja
Untuk memahami prinsip kerja generator asinkron, dapat dimulai dengan mengerti prinsip operasi mesin induksi sebagai motor.

Operasi sebagai Motor
Belitan stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa, akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (ns= 120f / p). medan magnet putar pada stator ini akan memotong batang konduktor pada rotor yang akan menginduksikan tegangan dan arus yang pada akhirnya akan menghasilkan torsi. Sesuai dengan hokum Lentz, rotor akan berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan kecepatan putaran rotor dengan kecepatan medan putar stator ini disebut slip.

Dimana ns = kecepatan sinkron (kecepatan medan putar stator)
nr = kecepatan rotor

mesin induksi (motor) tanpa beban slip-nya akan sangat kecil, lebih kecil dari 0.01 (1%). Untuk sebuah mesin dengan daya 1 kW. Slip beban penuh akan berkisar antara 0.05 (5%). Jadi bila beban bertambah, arus induksi pada rotor akan semakin besar, putaran rotor akan cenderung menurun sehingga slip akan semakin besar. Pada umumnya semakin besar mesin maka slipnya semakin kecil.

Rotor harus selalu berputar di bawah atau diatas kecepatan sinkronnya, jika tidak maka tak ada torsi yang dihasilkan. Kecepatan rotor dibawah kecepatan sinkronnya maka mesin beroperasi sebagai motor dan jika putaran rotor lebih besar dari kecepatan sinkronnya (nr>ns) slip akan bernilai negative dan mesin beroperasi sebagai generator.

Generator Induksi Tersambung dengan Jaringan (PLN)
Jika kumparan stator tersambung dengan jaringan tiga fasa, tetapi rotor diputar oleh penggerak dari luar (misal turbin air) diatas kecepatan sinkronnya (nr>ns) maka slip akan bernilai negative. Torsi akan disuplai ke rotor bukannya dari rotor (operasi sebagai motor) dan mesin akan beraksi sebagai generator dan mensuplai daya ke jaringan. Bagaimanapun, mesin masih mengambil arus magnetisasi dari jaringan untuk menghasilkan medan putar (daya reaktif). daya keluaran penuh yang dibangkitkan (full load power) dicapai pada slip yang sama dengan slip beban penuh sebagai motor tetapi dengan nilai negative.

Gambar 3.8 skematik diagram generator induksi tersambung dengan jaringan

Generator Induksi Beroperasi Sendiri (stand alone)
Prinsip kerjanya sama dengan generator tersambung dengan jaringan, tetapi dalam hal ini untuk keadaan dimana generator induksi beroperasi sendiri, maka arus magnetisasi diambil dari kapasitor. Oleh karena itu untuk mendapatkan tegangan operasi yang dikehendaki pada frekuensi yang diinginkan, jumlah kapasitor yang dipasang harus dipilih dengan hati-hati.

Untuk membangkitkan tegangan pada generator, harus ada remanensi magnet pada rotor. Remanensi magnet adalah magnetisasi awal yang ada pada besi rotor yang pada umumnya cukup untuk menghasilkan tegangan kecil, < 5 volt pada kecepatan sinkron tanpa tersambung pada kapasitor. Mungkin remanensi magnet tidak cukup, yang dapat disebabkan karena mesin digunakan untuk mensuplai daya resistif yang besar (mesin kolaps). Remanensi magnet tegantung pada jenis material (baja) yang digunakan pada rotor. Baja dengan bahan campuran cenderung memiliki tingkatan remanensi magnet yang rendah.

Jika tidak ada remanensi magnet yang cukup untuk mengeksitasi generator, tambah kecepatan generator, karena pada frekuensi yang lebih besar magnetisasi yang diperlukan untuk mengeksitasi akan lebih kecil. Pada kebanyakan kasus cara ini akan cukup untuk mengeksitasi generator. Bagaimanpun jika hal ini gagal, remanensi magnet dapat ditingkatkan dengan menyambungkan sebuah supla daya DC selama beberapa detik melalui dua terminal generator, sebelum menjalankan mesin sampai kecepatan yang dikehendaki. Suplai daya DC dapat berupa bateri mobil (aki) atau bateri kering biasa yang dihubung seri.

Gambar 3.9 konstruksi mesin induksi

Gambar 3.10 Bagian-bagian mesin induksi
3.3.3.2 Output satu fasa dari generator tiga fasa (C2C Connection)
Motor induksi satu fasa dapat digunakan sebagai generator, tetapi berdasarkan pengalaman masalah terjadi untuk mencapai eksitasi dan dalam menentukan ukuran dan penyambungan kapasitor yang dikehendaki. Apalagi, motor induksi satu fasa lebih mahal dari pada yang tiga fasa dan hanya tersedia dalam ukuran daya kecil. Untungya ada cara dimana mesin induksi tiga fasa dapat digunakan sebagai generator satu fasa yaitu dengan menggunakan sambungan C2C.
• Gunakan mesin induksi 3 fasa biasa (220/380 V) dan sambungkan dalam hubungan Delta
• Hitung kapsitansi per phasa (kapasitor yang dibutuhkan)
• Sebagai ganti menyambungkan “C” pada tiap pasa; tetapi sambungkan 2xC pada salah satu fasa, C pada fasa yang lain dan fasa ketiga tanpa kapasitor (C2C)

Gambar 3.11 C2C connection
3.3.3.3 Syarat Mesin Induksi Sebagai Generator
Ada beberapa hal yang perlu dipenuhi untuk dapat menggunakan mesin induksi sebagai generator, diantaranya adalah;
1. adanya daya input dari luar untuk memutar rotor.
Daya input ini dapat berupa apa saja, baik turbin air maupun motor bakar.
2. kecepatan putar rotor lebih besar dari kecepatan medan putar stator/kecepatan sinkronnya (nr>ns)
3. adanya sumber daya reaktif dari luar.
Untuk menjaga keberadaan medan magnet stator dibutuhkan sumber daya reaktif dari luar. Dapat berupa kapasitor maupun diambil dari jaringan (PLN).
4. adanya remanensi magnet.
Contoh
Sebuah motor induksi 7.5 kW, 50 Hz, 230/400 V, full load speed 1450 rpm, 4 kutub. Tentukan;
a. full load slip
b. pada kecepatan berapa mesin beroperasi sebagai generator
Jawab;
a. full load speed motor nr =1450 rpm
kecepatan sinkron
= 1500 rpm

= 0.033

b. karena slip full load pada saat beroperasi sebagi generator adalah sama dengan nilai slip motor tetapi negative, maka s = 0.033
dengan meyusun persamaan diatas didapatkan :
maka
nr = 1500 (1 – { -0.033})
nr = 1550 rpm
3.3.4 Perbandingan Generator Sinkron dan Asinkron
Terlepas dari karakterisitik teknis dan non teknis, masing-masing generator memiliki kelebihan dan kekurangan dalam aplikasinya sebagai mesin konversi energi. Berikut perbandingan kelebihan dan kekurangan dari mesin –mesin tersebut

Item Generator Sinkron Generator Asinkron
Ketersediaan Biasanya perlu dipesan khusus dan untuk daya kecil sulit ditemukan dipasaran Mudah didapat pada hampir semua kategori daya
Konstruksi Cukup rumit, kadang dilengkapi dengan slip rings, diode dan rangkaian external Kompak dan simple.
Harga Untuk daya kecil <50 kW harganya lebih mahal dibanding daya yang sama untuk generator asinkron Harga relative murah tetapi kapasitor harus diganti setelah waktu tertentu (±2 tahun)
Perawatan Perawatan dilakukan pada field winding dan sikat arang/brush (jika ada) Perawatan dilakukan pada stator, pendinginan, tetapi tidak diperlukan untuk rotor type squirrel cage
Sinkronisasi Diperlukan synchronizer untuk parallel ke jaringan Tidak dibutuhkan alat sinkronisasi

Independensi Operasi Operasi independent memungkinkan operasi independent tidak memungkinkan, karena dibutuhkan exsitasi dari luar (jaringan atau kapasitor)

Penyesuaian Power Factor Operasi pada power factor yang dikehendaki memungkinkan disesuaikan dengan respon load factor Power factor ditentukan oleh output generator dan tidak dapat disesuaikan
Arus exsitasi Menggunakan exsitasi DC Diambil dari jaringan atau menggunakan kapasitor
Motor start (inductive load) Tahan terhadap arus start up motor Tidak tahan untuk arus starting yang besar (bisa kolaps dan kehilangan remanensi magnet )
Overspeed Tidak tahan terhadap overspeed (belitan bisa terbakar) jika terjadi lebih dari waktu tertentu 100 % kecepatan nominalnya masih tahan
Penyesuaian tegangan dan frekuensi Memungkinkan Tidak memungkinkan. Ditentukan oleh tegangan dan frekuensi suplai (kapasitor atau jaringan)
Efisiensi Efisiensi pada part maupun full load bagus >85% Efisiensi rendah <70%

Generator Sinkron Generator Asinkron
Gambar 3.12 Karakteristik tegangan Vs Arus beban Generator

Gambar 3.13 Analisa biaya generator sinkron dan asinkron+kapasitor
3.3.5 Pemilihan jenis generator dan power output
Tabel berikut dapat dijadikan sebagai acuan pemilihan generator untuk lokasi yang dipilih sesuai dengan spesfikasi teknik nya:

Daya terpasang s.d 10 kW 10 – 30 kW >30 kW
Tipe generator dan fasa Sinkron atau asinkron
1 atau 3 fasa Sinkron atau asinkron
3 fasa Sinkron

3 fasa

Untuk aplikasi mikrohidro dengan generator sinkron disarankan untuk digunakan tipe brushless, hal ini dimaksudkan untuk mengurangi perawatan dan kompleksitas dari generator dengan brush.
Selain itu, ada beberapa factor yang mempengaruhi ukuran daya generator, diantaranya adalah temperature, ketinggian, factor koreksi dari electronic kontroler, dan power factor beban. Koefisien untuk faktor-faktor tersebut diberikan pada tabel dibawah;

Max. ambient temperature in oC 20 25 30 35 40 45 50 55
A Temperature Factor 1.10 1.08 1.06 1.03 1.00 0.96 0.92 0.88

Altitude 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
B Altitude Factor 1.00 0.96 0.93 0.90 0.86 0.83 0.80 0.77

C ELC Correction Factor 0.83*

D Power Factor When load is light bulbs only 1.0
When load includes tube light and other inductive loads 0.8

Table 1. Generator rating factor

Perhitungan untuk menentukan ukuran generator dilakukan berdasarkan rumusan berikut :
Power Output in kW
Generator KVA = ----------------------------- (generator sinkron)
A x B x C x D

Power Output in kW
Generator KVA = -----------------------------(generator Asinkron)
A x B

Setelah didapatkan nilai kVA generator, disarankan untuk ditambah safety factor 30% yang bertujuan untuk;

• Memungkinkan jika output turbin lebih besar dari yang direncanakan
• Jika motor besar (>10% daya generator) disuplai dari pembangkit, maka generator harus mampu menahan arus start.
• Ketika menggunakan ELC generator selalu beroperasi full load.
3.3.6 Kecepatan dan jumlah kutub generator
Kecepatan generator ditentukan dengan rumusan berikut;

Untuk generator sinkron

Dimana:
ns = kecepatan generator (rpm)
f = frekuensi (Hz)
p = jumlah kutub

Untuk generator Asinkron

Dimana :
• ns = kecepatan sinkron (kecepatan medan putar stator)

• nr = kecepatan rotor (sebagai generator)
• s = slip

Catatan : nr yang digunakan dalam perhitungan slip adalah kecepatan rotor pada saat full load sebagai motor (diberikan supplier/pabrik). Lihat contoh perhitungan pada bagian Syarat Mesin Induksi Sebagai Generator diatas.

Untuk generator sinkron, kecepatan ditentukan oleh jumlah kutub dan frekuensi Semakin tinggi kecepatannya ukuran menjadi semakin kecil dan harganya juga lebih murah. Tabel berikut merupakan kecepatan standard untuk generator sinkron:

Kutub Putaran (rpm)
50 Hz 60 Hz
4 1,500 1,800
6 1,000 1,200
8 750 900
10 600 720
12 500 600
14 429 514
16 375 450
18 333 400
20 300 360
24 250 300

Table 2. kecepatan standar generator sinkron

Table 3. motor performance data yang biasa diberikan oleh pabrikan
3.4 Sistem Kontrol
sistem kontrol berfungsi untuk menyeimbangkan energi input dan energi output dengan cara mengatur input (flow) atau mengatur output (listrik), sehingga sistem akan seimbang. Dengan berubahnya beban terhadap waktu, peran sistem kontrol sangat penting untuk menjaga stabilitas sistem, terutama kualitas listrik yang dihasilkan oleh pembangkit (tegangan dan frekuensi).
3.4.1 Flow control
Flow control dapat diartikan sebagai pengaturan besarnya daya hidrolik (debit air) yang masuk ke turbin dengan mengatur bukaan katup turbin (guide vane).

Gambar 3.14 Typical sistem flow control pada system MHP (cross flow turbine)

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan flow control untuk sistem mikrohidro;
• Mengingat flow control cukup rumit dan mahal untuk aplikasi mikro hidro dengan daya kecil<100 kW, oleh karena itu penggunaan flow control umumnya dipakai pada pembangkit besar >100 kW.
• Perubahan beban konsumen relative kecil (stabil). Reaksi flow control terhadap perubahan beban relatif lambat sehingga akan terjadi shock pada generator ketika beban yang besar tiba tiba disambungkan, akibatnya putaran generator menurun sehingga tegangan dan frekuensi juga turun selama beberapa saat (<1 menit) sampai flow control bereaksi dan guide vane membuka sesuai dengan besarnya beban yang dipasang.
• Penstock memiliki ketahanan terhadap water hammer. Jika sebagian besar beban lepas atau semua beban lepas sama sekali maka actuator akan menutup guide vane turbine sehingga aliran tertahan dan membalik, tekanan air pada penstock akan meningkat secara dramastis (water hammer) sehingga sangat beresiko terhadap ketahanan penstock. Dalam hal ini perlu perhitungan yang sangat teliti dalam menetukan setting closing time flow control dan kekuatan penstock. Perlu diingat bahwa untuk turbin pelton dimana penghentian putaran turbin dilakukan dengan jet deflector yang mengalihkan/membelokan aliran untuk tidak menumbuk bucket runner (tidak menghentikan) maka dalam hal ini tidak ada efek water hammer pada penstock.
• Generator memiliki ketahanan terhadap runaway speed.
Jika beban lepas dan guide vane belum menutup penuh aliran air yang masuk, turbine pada keadaan full power dan putaran generator menjadi sangat cepat (runaway speed) keadaan ini sangat berbahaya bagi generator. Overspeed dengan kecepatan (n x Rated speed) selama waktu tertentu dan melebihi ketentuan dari manufacturer generator akan mengakibatkan belitan generator terbakar.
Generator jenis ini biasanya harus dipesan khusus atau menggunakan generator yang dikhususkan untuk aplikasi tenaga air. Generator untuk aplikasi system tenaga lain (diesel, uap dan gas) biasanya memiliki ketahanan rendah terhadap overspeed, karena mereka didesain untuk beroperasi pada kecepatan yang konstan.

Merupakan suatu kontradiksi untuk membuat closing time guide vane turbine (cross flow) antara cepat atau lambat, berikut diberikan gambaran mengenai dampak dari closing time cepat dan lambat;

Closing time Generator Penstock
Cepat Sangat dikehendaki untuk menghindari overspeed yang cukup lama Tidak dikehendaki sehubungan dengan efek watter hammer jika aliran pada penstock dihentikan seketika
Lambat Tidak dikehendaki,
Semakin lama guide vane menutup maka overspeed pada generator menjadi berbahaya Dikehendaki,
Mengurangi efek water hammer yang berlebihan

Berdasarkan kenyataan tersebut maka system flow control murni memerlukan perhitungan dan perencanaan yang sangat teliti untuk mentoleransi kondisi tersebut diatas. Adapun beberapa hal yang dapat dilakukan untuk mengatasi dan mengurangi akibat tersebut diatas adalah dengan;
1. menggunakan flywheel, sehingga pada saat beban bertambah dengan signifikan putaran akan reltif stabil. Disamping itu ketika beban tiba-tiba lepas putaran generator akan relative teredam dengan daya dari flywheel sehingga kondisi overspeed dapat diminimalisasi
2. sistem kombinasi antara flow control dengan load control
system ini utamanya bertujuan untuk menghindari keadaan overspeed generator pada saat terjadi pelepasan beban (load rejection) dan efek water hammer pada penstock akibat penutupan guide vane secara tiba-tiba. Pada saat terjadi pelepasan beban guide vane akan ditutup secara perlahan-lahan sehingga efek water hammer dapat diminimalisasi pada saat yang sama daya yang dihasilkan generator akan dipindahkan pada beban tiruan (ballast load) sehingga kecepatan generator akan stabil sampai turbin dan generator pada kondisi aman (berhenti)
3. menggunakan generator yang tahan terhadap overspeed maksimum yang dapat terjadi

Gambar 3.15 Blok diagram flow control (entec DTC-14)
3.4.2 Load Control
Ketika terjadi perubahan beban pada konsumen, misalnya pada malam hari (lebih dari jam 10 malam) dimana beban pembangkit berkurang secara signifikan maka keadaan seperti berikut ini akan terjadi (tanpa flow control);
a. Putaran generator akan naik karena daya hidrolik yang masuk tetap sama (jika pembangkit tidak menggunakan flow control)
b. Dengan naiknya putaran generator maka frekuensi dan tegangan juga akan naik (khususnya generator tanpa AVR). Keadaan ini dapat membahayakan peralatan listrik dan elektronik (lampu putus, peralatan elektronik terbakar)

Untuk mengatasi hal Ini selain dengan digunakannya flow control maka dapat juga digunakan load control. Load control pada dasarnya adalah suatu alat yang menyeimbangkan antara beban konsumen dengan daya input hidrolik, dimana digunakan ballast load sebagai kompensator sehingga frekuensi dan tegangan generator stabil tanpa merubah aliran yang masuk keturbin.

Daya Input = Daya konsumen + Daya ballast load

Perlu diingat bahwa load control (ballast) tidak dapat menambah output daya pembangkit!
3.4.2.1 Electronic Load Controller (ELC)
Pada generator sinkron biasanya telah dilengkapi dengan AVR (automatic Voltage Regulator) untuk menstabilkan tegangan generator pada saat beban berubah. ELC digunakan untuk mengontrol frekuensi generator sinkron pada range yang diharapkan, dengan cara membuat beban generator konstan, yaitu dengan membaginya antara beban dikonsumen dan beban di ballast load.
Gambar 3.16 Distribusi power pada ELC dengan thyristor sebagai electronic switch

ELC mengatur arus yang mengalir ke ballast load dengan menyesuaikan sudut fasa (phase angle) pada saat konduksi dimulai pada tiap siklus. Pada saat beban dikonsumen berkurang thyristor memotong gelombang tegangan dan mendistribusikannya ke ballast load, akibatnya gelombang tegangan mengalami distorsi sesuai dengan beban yang didistribusikan ke ballast load. Untuk peralatan elektronik yang sensitive terhadap distorsi tegangan, hal ini merupakan kondisi yang tidak diharapkan. Distorsi ini tidak dapat dihindari (belum ditemukan cara) tetapi dapat diminimalisasi dengan dua step ballast load dimana distorsi dapat di perkecil.

Gambar 3.17 Distorsi gelombang tegangan pada ELC
a. Tegangan line tanpa distrosi (sempurna), apabila menggunakan flow control
b. Tegangan line dengan load control satu step ballast
c. Tegangan line dengan load control dua step ballast (dua tahap)

Gambar 3.18 Sebuah ELC dan ballast load udara

Gambar 3.19 Single line diagram PLTMH dengan ELC
3.4.2.2 Induction Generator Controller (IGC)
Pada prinsipnya, IGC mempunyai prinsip kerja yang sama dengan ELC yaitu menyeimbangkan beban pada output generator antara beban konsumen dengan ballast load untuk menjaga output tetap konstan. Hanya saja IGC digunakan untuk Generaotr Asinkron (motor sebagai generator) dengan parameter yang di kontrol adalah Tegangan. Untuk eksitasi dan suplai daya reaktif digunakan rangkaian kapasitor (capasitor bank).
pemilihan ukuran kapasitor harus dilakukan dengan teliti untuk menjaga frekuensi dan tegangan output pada batasan yang di tentukan. Besarnya kapasitor yang disambungkan pada generator asinkron sangat menentukan frekuensi dan tegangan output. Adapun parameter yang diperhitungkan dalam menentukan ukuran kapasitor ddapatkan dari data generator yang diberikan manufacturer, seperti berikut ini:
• Daya motor (Rated Output power)
• Arus beban penuh (Full-load Current)
• Tegangan nominal (Rated Voltage)
• Power factor

Dengan rumus : ---- sehingga

Penyambungan kapasitor terhadap generator dapat dilakukan dengan beberapa kombinasi sebagai berikut;

(a)

(b)
Gambar 3.20 penyambungan kapasitor pada generator asinkron; a). star b). delta

Gambar 3.21 sebuah generator induksi dan IGC dengan rangkaian kapasitor (bagian atas)
3.5 Sistem Transmisi dan Distribusi
3.5.1 Umum
Pada umumnya lokasi power house sebuah MHP terletak cukup jauh dari pusat beban (konsumen). Oleh karena itu kebutuhan akan sistem transmisi dan distriubsi dalam hal ini akan diperlukan. System transmisi perlu direncanakan dengan baik untuk memenuhi kriteria teknis, keamanan dan aspek ekonomi. Adapaun beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam merencanakan system distribusi adalah sebagai berikut;
• Maksimum variasi tegangan yang diijinkan dari tegangan tanpa beban dan dan beban penuh
• Maksimum kehilangan daya yang diijinkan
• Proteksi dari petir dan kerusakan lain
• Stabilitas struktur dalam keadaan angina kencang (atau dalam temperature yang ekstrim; panas, hujan)
• Keamanan untuk manusia dan pekerjaan dekat dengan jaringan

Salah satu tujuan perencanaan sistem transmisi adalah menemukan ukuran konduktor yang sesuai, sehingga didapat kehilangan daya dan perkiraan biaya yang dibutuhkan.

Gambar 3.22 Typical sistem transmisi dan distribusi listrik pada sebuah MHP

3.5.2 Underground atau overhead
Jaringan overhead lebih banyak digunakan, karena dengan menggunakan udara sebagai isolasi kabel, kabel lebih murah serta biaya instalasi lebih sederhana dan mudah. Dibanyak negara berkembang kabel tanpa isolasi lebih banyak tersedia daripada kabel underground (bawah tanah).

Kabel tanpa isolasi lebih beresiko terhadap petir dan pohon yang tumbang. Daerah sepanjang jalur kabel harus bebas dari tumbuhan dan harus diperiksa secara periodik. Tiang listrik mungkin memiliki usia yang terbatas dan harus diganti mungkin sekitar 15 tahun sekali. Selain itu jaringan overhead kurang efisien daripada underground untuk ukuran konduktor yang ditentukan, hal ini karena jarak yang lebar antara konduktor meningkatkan kerugian induktif.

Kabel underground harus disolasi dengan baik dan terlindungi dari pergerakan tanah, penggalian tanah, bangunan baru, dll. Sekali dipasang, seharusnya jaringan harus bekerja tanpa perawatan sampai material isolasi rusak, biasanya lebih lama dari 50 tahun. Perhitungan untuk jaringan overhead dan underground pada dasarnya sama. Tetapi implikasi biaya dan perawatan harus benar-benar diperhatikan. Berdasarkan pengalaman dan beberapa aspek teknis serta ekonomis, untuk di Indonesia lebih baik dipakai jaringan overhead (udara).
3.5.3 Tegangan tinggi atau tegangan rendah
Untuk transmisi tegangan tinggi dimana digunakan trafo untuk menaikan tegangan (step-up) dan trafo untuk menurunkan tegangan (step-down). Dengan tegangan yang lebih besar arus yang mengalir dalam konduktor lebih kecil sehingga dapat digunakan konduktor yang lebih kecil dimana harga akan lebih murah. Harga yang lebih murah untuk konduktor berlawanan dengan harga dua trafo yang dibutuhkan, satu pada awal jalur transmisi dan satu pada akhir jalur transmisi. Biaya dengan sistem tegangan tinggi tidak hanya trafo tapi juga perawatan trafo (pengecekan isolasi dan penggantian oli). Selain itu isolasi yang lebih mahal dibutuhkan untuk penempatan kabel pada penyangga tiang (support poles). Sebaliknya transmisi tegangan rendah tanpa trafo lebih mudah dibuat dan dirawat oleh masyarakat lokal.

Pada umumnya ditemukan bahwa jaringan transmisi tegangan rendah lebih ekonomis dari pada tegangan tinggi untuk jalur transmisi kurang dari 2 km. pada umumnya karena sistem yang jauh lebih sederhana, sistem tegangan rendah (LV) lebih dipilih bahkan untuk jarak yang lebih besar dari 2 km. bahayanya dengan jarak yang panjang adalah tegangan yang rendah pada ujung konduktor (voltage drop) untuk menghindari hal ini biasanya digunakan kabel yang lebih besar.
3.5.4 Pemilihan rute transmisi dan distribusi
Salah satu hal yang perlu diperhatikan dalam sistem transmisi dan distribusi listrik adalah penempatan jalur jaringan. Hal ini sangat penting untuk memastikan operasional secara teknis dan non teknisnya terutama faktor keamanan bagi lingkungan. Adapun beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penempatan jalur transmisi adalah sebagai berikut;
1. jalur transmisi terletak pada lokasi yang mudah untuk diakses sehingga memudahkan dalam pengawasan dan pemeliharaan. Biasanya jalur yang dipilih adalah sepanjang jalan raya dimana mobilitas bisa lebih mudah dilakukan.
2. ditempatkan pada lokasi tanah yang kokoh dan relative stabil. Kondisi tanah yang labil beresiko pada stabilitas tiang penyangga (pole).
3. legalitas dan pembebasan lahan yang digunakan jalur transmisi tidak mengalami masalah. Ada sebagian penduduk yang tanahnya tidak mau dilewati jaringan listrik dengan alasan keamanan dan ekonomi (pertanian, perkebunan, dll), oleh karena itu sebaiknya sosialisasi dan kompensasi harus dilakukan jika terjadi konflik mengenai lahan yang digunakan
4. tempatkan jalur transmisi dengan jarak yang aman dengan gedung dan pohon. Masalah yang cukup banyak terjadi adalah jaringan transmisi yang tertimpa pohon dan kecelakaan yang terjadi pada gedung yang dekat dengan kabel jaringan yang umunya telanjang. Oleh karena itu pengawasan dan antisipasi akan hal ini harus diperhatikan terutama karena menyangkut keselamatan nyawa manusia.
5. pilih jalur yang paling pendek. Hal ini menyangkut alasan ekonomi dan teknis dimana dengan jalur yang panjang akan dibutuhkan kabel yang lebih panjang dan tiang yang lebih banyak. Selain hal itu dengan semakin panjangnya jaringan kehilangan daya dan penurunan tegangan (voltage drop) akan lebih besar.
6. jangan tempatkan tiang listrik pada sisi bukit atau bidang yang miring. Hal ini dilakukan untuk mencegah bahaya longsor yang dapat merusak jaringan transmisi

Gambar 3.23 hindari penempatan tiang listrik dekat dengan bukit atau bidang miring

7. Minimalkan belokan pada jaringan transmisi. Pada kondisi dimana konduktor mengalami perubahan dari lurus menjadi berbelok, maka akan ada gaya menyamping (lateral force) pada tiang yang cenderung akan membuat miring. Oleh karena itu akan dibutuhkan struktur penguat tiang (guy & anchor), yang pada akhirnya menambah biaya dan pekerjaan.
3.5.5 Konduktor
Merupakan suatu fakta bahwa arus akan lebih mudah mengalir pada penampang yang lebih besar, dimana resistansinya lebih kecil.

Gambar 3.24 aliran arus pada penampang konduktor
Untuk keperluan transmisi dan distribusi listrik ada dua material yang umumnya digunakan yaitu; aluminium dan tembaga. Berikut perbandingan antara dua jenis bahan konduktor tersebut.

Item Tembaga Aluminium
Kekuatan Lebih kuat Relative mudah putus, kekuatannya 75% dari konduktor tembaga
Hantaran arus Bagus, resistansi lebih kecil Kurang, untuk nilai resistansi yang sama, ukurannya lebih besar 1.6 kali konduktor tembaga
Berat Lebih berat Ringan, sama dengan 55% berat tembaga untuk ukuran yang sama
Harga Lebih mahal murah

Dalam aplikasi sistem transmisi saat ini banyak digunakan konduktor campuran yaitu Alluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR). Konduktor jenis ini dari segi biaya lebih murah, selain itu daya tariknya lebih kuat dari pada konduktor murni aluminium. Jenis lain konduktor dari bahan aluminium yang juga sering digunakan adalah AAAC (all aluminium alloy conductor) dan AAC (all aluminium conductor) yang mempunyai ketahanan tarikan dan karakterisitik bahan yang berbeda.
3.5.5.1 Menentukan ukuran konduktor
Konduktor dapat merupakan salah satu komponen biaya yang tinggi dalam sistem transmisi energi listrik. Pemilihan ukuran konduktor dilakukan untuk meminimalisaisi biaya yang dibutuhkan dan kehilangan daya yang diakibatkannya. Biaya besar yang seharusnya tidak diperlukan dapat terjadi dengan pemilihan konduktor yang terlalu besar, apalagi dengan konduktor yang lebih besar akan lebih berat dan struktur penyangga juga harus lebih kuat yang pada akhirnya manambah pekerjaan dan biaya.
Dalam menentukan ukuran konduktor harus diperhatikan besarnya daya yang dibawa, perkiraan peningkatan beban, voltage drop, kekuatan mekanik, dan kehilangan daya.

Table 4. spesfikasi dan karakteristik konduktor ACSR (sumber:www.sural.com)

Gambar 3.25 Ukuran kabel (AWG) dan kapasitas arusnya
3.5.5.2 Kelendutan konduktor (sag)
Dalam pemasangan konduktor, harus dinerikan regangan/kelendutan konduktor dengan memperhatikan kekuatan tarikan maksimum bahan konduktor yang diijinkan dan tarikan pada strukutur penyangga, beban angin pada konduktor, dll. Selain itu kelendutan juga bertujuan untuk menjaga jarak yang aman antara konduktor dengan permukaan tanah. Berdasarkan kriteria desain mekanikal maka dapat dihitung;
• Lendutan minimum, yaitu besar lendutan berdasar gaya tarik maksimum, yaitu sebesar 25% kekuatan putus dari masegger (faktor keamanan sebesar 4) pada 20oC ditambah gaya angin maksimum
• Lendutan maksimum, yaitu besar lendutan pada kenaikan suhu 50oC, diperhitungkan dari lendutan pada gaya tarik mula sebesar gaya tarik maksimum pada 20oC ditambah gaya angin maksimum
• Lendutan desain, adalah lendutan yang dilaksanakan dalam pemasangan jaringan, yaitu sebesar lendutan pada suhu 35oC (suhu udara), diperhitungkan dari gaya tarik mula, sebesar gaya tarik maksimum pada 20oC ditambah gaya angin maksimum.

Gambar 3.26 Kelendutan (Sag) dan komponen yang berhubungan

Nilai tarikan maksimum konduktor dapat diperoleh dari pabrikan pembuat kabel berdasarkan material dan diameter kabel yang digunakan, adapun kelendutan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

Dimana:
S = kelendutan (sag) (m)
Wc = berat konduktor tiap unit panjang (kg/m atau N/m)
Ls = span - jarak bentang antara tiang (m)
H = gaya horizontal pada tiang (kg atau N harus sama dengan yang digunakan dalam berat konduktor – ini biasanya equal dengan tegangan pada konduktor)
3.5.5.3 Ruang bebas penghantar
Jarak antara penghantar minimum dengan tanah (public right of way) harus memenuhi kriteria yang disyaratkan untuk menjaga keselamatan manusia dan jaringan itu sendiri. Jarak vertikal antara penghantar dengan tanah pada kondisi kelendutan maksimum pada 35oC untuk jarak bentang (span) kurang dari 100 m adalah ditentukan sebagai berikut:

Lokasi dan persilangan Tegangan
Kawat tarik atau netral dibumikan Jaringan sekunder 230/400 V Jaringan primer 20/11,6 kV
H. telanjang H. berisolasi
Sawah
Kebun
Halaman 3 m 4 m 3 m 5 m
Jalan raya
Negara/prop. 5 m 5 m 5 m 5 m
Jalan raya lainnya
4 m 5 m 4 m 5 m
Lorong/gang
Jalan masuk
Rumah tinggal 3 m 4 m 3 m 5 m
Jalan kereta api
(bukan listrik) 6 m 6 m 6 m 7 m
Diatas bangunan
Tidak bisa dilewati orang
bisa dilewati orang
0, 40 m

1, 25 m
1,25 m

2,50 m
0, 40 m

1, 25 m
2, 50 m

3,00m
Perkawatan pada tiang atau trafo tiang 3 m 4 m 3 m 5 m
Sumber ; SNI 04-1926-1990
Table 5. jarak bebas vertical konduktor dengan permukaan tanah

Persilangan dengan Kawat tarik JTR dan SR
230/400 V SUTM
11,6/20 kV
Kawat atau kabel komunikasi
1,0 m 1,0 m 2,0 m
Kawat tarik JTR/SR
1,0 m 1,0 m 1,25 m
SUTM
Tidak diizinkan Tidak diizinkan 1,25 m

Table 6. jarak-jarak persilangan penghantar dengan jaringan lain

Jarak-jarak horizontal antara

Kawat tarik, JTR, SR dengan bangunan
1, 50 m
SUTM (11,6/20 kV) dengan bangunan
3,00 m
Tiang dengan rel kereta api (sumbu)
3,75 m
SUTR dengan jaringan telekomunikasi
1,00 m
SKTR denga jaringan telekomunikasi
1,00 m
SUTM denga jaringan telekomunikasi
3,00 m
Table 7. Jarak – jarak horizontal penghantar
3.5.5.4 Jarak antara konduktor (spacing)
Ruang bebas vertical antara konduktor 20 kV telanjang dan konduktor LV berisolasi. 0. 8 m
Ruang bebas antara dua fasa konduktorz 20 kV telanjang
0. 8 m
Ruang bebas vertical antara konduktor 20 kV telanjang
1.0 m
Ruang bebas antara konduktor LV tegangan rendah 0.2 m
Table 8. jarak antara konduktor
Untuk aluminium konduktor dengan penyusunan horizontal atau triangular, jarak antara konduktor (spacing) dapat di hitung dengan rumus;

Dimana :
Spacing : jarak antara konduktor (m)
d : kelonggaran /sag (m)
V : tegangan (V)
3.5.6 Tiang Listrik (poles)
3.5.6.1 Jenis material
Tiang listrik merupakan salah satu hal yang penting dalam sistem transmisi daya listrik, peranannya sangat penting dalam menyangga konduktor dan aksesorinya untuk tetap tegak diatas permukaan tanah. Pemilihan jenis dan ukuran tiang sangat ditentukan oleh jenis dan berat konduktor, ketegangan konduktor dan keadaan lokasi penempatannya (angin, tanah). Telah dijelaskan pada awal bagian ini, mengenai pemilihan lokasi jalur transmisi dan distribusi yang disarankan.
Tiang kayu
• Lebih ringan, mudah didapatkan dan lebih mudah dalam penanganannya dilapangan.
• Tidak mudah patah pada saat transportasi
• Harganya murah, mudah diganti dan bisa dibuat oleh penduduk lokal
• Digunakan biasanya untuk system transmisi tegangan rendah <1 kV
• Disarankan untuk menggunakan kayu dengan struktur yang kuat dari jenis pohon tertentu (mahoni, jati, meranti, dll)
• Dengan kayu dan perawatan yang bagus umurnya bisa sampai 8 tahun bahkan lebih

Panjang Min. (m) 6.0 7.0 8.0 8.5 9.0
Maximum span (m) 35 35 35 35 35
Panjang dikubur (m) 1.0 1.2 1.5 1.7 2.0
Min. top diameter (mm) 125 140 150 175 175
Min. ground clearance (m) 4.0 4.6 5.5 5.8 6.1

Table 9. Spesifikasi tiang listrik kayu
Tiang Besi / Stell
• Digunakan pada lokasi dimana akses dengan kendaraan berat memungkinkan
• Lebih kuat dan tahan lama
• Biasanya digunakan untuk transmisi tegangan menengah ≤ 20 kV
• Pada kondisi tahan yang bergaram dan berair mudah terkena korosi
• Pada kondisi lingkungan yang stabil, ketahanannya bisa lebih dari 20 tahun
• Harganya cukup mahal

Tiang Beton / concrete
• Strukturnya berat, sehingga hanya cocok digunakan pada lokasi dimana transportasi dan penanganannya dengan kendaraan mudah
• Mudah patah dan retak
• Jarang digunakan dalam aplikasi listrik pedesaan, biasanya digunakan untuk tegangan menengah ≥20 kV
a b c
Gambar 3.27 material tiang listrik /poles (a. kayu, b. besi, c. beton )
3.5.6.2 Tinggi tiang listrik
Tinggi tiang ditentukan oleh persyaratan dan pertimbangan berikut
1. ruang bebas antara konduktor dengan permukaan tanah (ground clearance)
2. kedalaman tiang ditanam dalam tanah untuk memastikan kestabilan struktur
3. kelonggaran (sag) konduktor yang dikehendaki dalam batasan ketegangan yang ditentukan dan range temperature lingkungan.
4. jarak minimum antara konduktor

Gambar 3.28 faktor yang menentukan tinggi tiang

catatan:
• tiang ditanam dalam tanah dengan kedalaman diperhitungkan sebesar 0,6 m + 10% dari panjang tiang
• pada tanah yang berlumpur/tidak stabil ujung tiang yang ditanam harus diperkuat dengan batang tambahan menyilang
• panjang tiang standar yang biasa digunakan tersedia dari ukuran 7 m, 8m, 9 m, dan 10 m atau lebih.
3.5.6.3 Jarak bentang tiang (span)
Jarak bentang antara tiang dipengaruhi oleh batasan maksimum kekuatan tarik kabel (sag) dan batas minimum jarak konduktor dari tanah. Pada umumnya ketentuan berikut berlaku :
Max. 80 m untuk area jauh dari pemukiman, lahan terbuka atau sawah
Max. 50 m untuk daerah pemukiman
Span bisa juga lebih kecil (≈ 30 m) pada kondisi topograpi perbukitan, tanah yang bergelombang dan tebing curam.
3.5.6.4 Penyangga tiang (guy wire)
Guy wire dibutuhkan untuk menstabilkan dan menyeimbangkan tiang dari beban-beban yang menimpanya. Beban tersebut dapat berupa;
a. beban vertikal
beban berat tiang, berat konduktor, beban tegangan kabel, dll
b. beban longitudinal
tekanan angin pada tiang, ketidakseimbangan jarak antara tiang
c. beban lateral
tekanan angin pada kabel, beban pada lintasan yang menyamping/berbelok.

Gambar 3.29 instalasi guy wire pada tiang listrik
3.5.7 Transformator
Jika sistem transmisi tegangan menengah (5 kV atau 20 kV) diharuskan dengan alasan jarak beban yang jauh, kapasitas pembangkit, voltage drop, power losses, dll. Step-up dan step-down transfomator harus dipasang. Ste-up dipasang dekat dengan rumah pembangkit (di dalam atau di luar) dan step down dipasang pada pusat beban. Adapun beberapa kriteria penempatan transformer adalah;
• Mudah diakses, sehingga memudahkan dalam pemasangan, penggantian dan perawatan
• Jarak yang aman dengan pohon dan gedung
• Jika dipasang pada tiang, tempatnya memungkinkan dan mudah dalam instalasi
• Jika dipasang pada tanah tidak ada masalah dengan penggunan lahan

a b
Gambar 3.30 penempatan dan jenis transformator
a. step-up transfomer – dekat power house
b. step-down transformer – dekat pusat beban
3.5.7.1 Tipe transfomator
Trafo yang digunakan harus sesuai dengan klasifikasi yang dikehendaki, adapun beberapa tipe yang biasa digunakan berdasarkan tipe isolasi pendingin adalah;
• Oil immersed transformer : sistem pendingin menggunakan oli, tipe ini umum digunakan dan harganya murah
• Dry transformer : winding diisolasi dengan epoxy (class H), jarang digunakan dan harganya lebih mahal.
Ada beberapa kemungkinan hubungan winding transformer yaitu :
1. Δ to Δ : penggunaan dalam bidang industri
2. Δ to Y : paling banyak digunakan pada bidang komersial dan industri (trafo distribusi)
3. Y to Δ : transmisi tegangan tinggi (step-up)
4. Y to Y : jarang digunakan sehubungan dengan gangguan harmonik dan masalah kesimbangan

a b

Gambar 3.31 konfigurasi belitan transformator; a. Y to Δ dan b. Δ to Y
3.5.7.2 Kapasitas dan pemilihan transformer
Kapasitas transformator minimum adalah 125% dari kapasitas generator yang dipasang. Pembebanan sebesar 100% kapasitas masih memungkinkan tetapi jika berlangsung dalam jangka waktu panjang akan berakibat pada pemanasan pada belitan koil dan menurunkan usia pakai trafo. Pembebanan berlebih (overload) selama waktu yang lama merupakan kondisi berbahaya, temperature trafo akan sangat tinggi dan sistem pendingin tidak mampu mengatasinya, akibatnya kemungkinan trafo meledak menjadi cukup besar.
Kapasitas trafo ukuran kecil yang tersedia dipasaran sesuai dengan standar adalah 5 kVA, 10 kVA, 16 kVA, 25 kVA, 50 kVA, 100 kVA dst. Pemasangan trafo juga harus memperkirakan pertumbuhan beban yang akan terjadi.

Analisa dan ketelitian harus dilakukan sebelum memilih tipe trafo yang akan dibeli. Ada beberapa spesifikasi teknik yang memungkinkan kesalahan dan akhirnya tidak sesuai dengan karakterisitik yang diharapkan, seperti kesesuainnya dengan konfigurasi generator, kontrol sistem, sistem beban, dll) oleh karena itu sebelum memesan transfomator baiknya berkonsultasi dengan ahli yang berpengalaman.

Gambar 3.32 contoh spesifikasi transformator - 450 kVA (sumber : PT. Asata Utama – Starlite)
3.5.8 Instalasi konsumen
3.5.8.1 Service Connection
Service connection terdiri dari dua komponen, yaitu;
• Service drop. Biasanya terdiri dari 2 buah konduktor (fasa dan netral) beserta aksesori penyambungan dan pengambilan kabel dari tiang. Jenis dan ukuran konduktor yang umumnya digunakan adalah kabel pilin berisolasi (twisted insulated cable) Aluminium 2x10 mm2 atau lebih besar.
• Service enterance. Terdiri dari beberapa komponen dan alat yang digunakan untuk mengambil listrik dari service drop sampai instalasi rumah. Meter listrik dan MCB merupakan salah satu komponen pokok service enterance.

Gambar 3.33 komponen dasar pengambilan listrik dari jaringan distribusi menuju pelanggan

Gambar 3.34 detail penyambungan service connection ke konsumen
3.5.8.2 Instalasi rumah
Sesuai dengan standard instalasi dan sambungan rumah/bangunan listrik perdesaan (ISRLP) yang dikeluarkan pemerintah, ada beberapa ketentuan yang harus diperhatikan diantaranya;
3.5.8.2.1 Cara pemasangan:
1. ISRLP dilengkapi dengan gambar garis tunggal (single line diagram) mengenai instalasinya
2. ISRLP dipasang oleh pelaksana/tukang instalasi listrik yang telah mahir dan disyahkan oleh instansi yang bertanggung jawab
3. instalasi dipasang di dalam atau pada permukaan dinding atau bagian bangunan lainnya yang cukup kokoh dan tidak mudah terbakar
4. instalasi dipasang dengan isolasi penuh dari bahaya sentuhan
5. perlengkapan hubung bagi (PHB) yang digunakan harus jenis tertutup dengan kotak dari bahan yang tidak mudah terbakar
6. instalasi harus menggunakan system perlindungan/pengaman terhadap tegangan sentuh
7. sebagai penghantar digunakan kabel tembaga berisolasi ganda dengan penampang inti minimum 1,5 mm2
8. kabel dicabangkan dalam kotak percabangan dengan cara penyambungan yang baik (dipuntir/dipilin dan diisolasi)
3.5.8.2.2 Titik beban
Untuk setiap grup, jumlah titik lampu yang diperkenankan maksimum 5 buah dengan kotak kontak biasa (KKB) dua buah
3.5.8.2.3 Pembumian
1. Pembumian dilaksanakan dengan memasang elektroda pembumian yang dihubungkan secara langsung dengan penghantar netral dan penghantar pengaman pada perlengkapan hubung bagi (PHB)
2. kawat penghubung elektroda terbuat dari bahan tembaga dengan penampang minimum 6 mm2
3. elektroda pembumian terbuat sekurang-kurangnya dari bahan galvanis dengan diameter 25 mm serta panjang yang tertanam sekurang-kurangnya 1,5 meter vertikal
3.5.8.2.4 Sambungan rumah
Rentang sambungan rumah ditentukan berdasarkan ketentuan pada tabel berikut;

Penampang SR SR dari tiang atap ke tiang atap SR dari tiang JTR ketiang atap menyebrang jalan SR dari tiang JTR langsung ke rumah menyebrang* jalan desa
Mm2 a T S
m daN m a T S
m daN m a T S
m daN m

10

16

25

40 38 0,78

35 42 0,84

35 63 0,84
58 38 1,66

47 42 1,49

47 63 1,49
49 38 1,18

40 42 1,11

40 63 1,11

Table 10. rentang sambungan rumah
Dimana : a : panjang rentang
S : kelendutan/sag
T : tarikan
SR : sambungan rumah
JTR : jaringan tegangan rendah

Dengan asumsi
Gaya angin : 40 daN/m2
Kekuatan tiang atap rumah : 75 daN
faktor bentuk kabel terhadap angina : 0,6
suhu ruang : 38oC

* lebar jalan desa 6 m dengan trotoar kiri kanan 1 m
jarak bebas diatas jalan 4 m

syarat-syarat sambungan rumah adalah;
1. sambungan rumah dari kabel berinti dua yang berisolasi dan mempunyai kemampuan untuk direntang atau dipasang dengan kawat perentang
2. bahan isolasi untuk SRLP harus tahan cuaca/sinar matahari daerah tropis
3. cara pemasangan dan gaya tarik penghantar harus baik dan aman
4. panjang rentang SRLP maksimum 45 meter dengan memperhitungkan kekuatan tarik SRLP-nya
5. tinggi sambungan rumah/bangunan listrik perdesaan minimum 3 meter dari permukaan tanah
6. satu sambungan (SRLP) dapat dibebani secara berantai/seri sebagai berikut;
- sambungan rumah disadap dari JTR. Dalam hal ini tegangan jatuh maksimum 2% dari titik penyadapan sampai konsumen paling ujung
- sambungan rumah disadap langsung dari trafo distribusi. Tegangan jatuh maksimum adalah sebesar 12% dari titik penyadapan terminal tegangan rendah trafo sampai konsumen paling ujung.
7. penampang, panjang dan jumlah sambungan yang dilayani SRLP ditentukan seperti table dibawah ini;

Beban tersambung rata-rata konsumen
(VA) Penampang kabel pilin/twisted AAAC
mm2 Jumlah sambungan maksimum

S < 450 10 7
450 < S < 800 16 7

Table 11. sambungan rumah yang disadap dari JTR dengan tegangan jatuh 2%
Beban tersambung rata-rata konsumen
(VA) Penampang kabel pilin/twisted AAAC
mm2 Jumlah sambungan maksimum

S < 450 10 15
450 < S < 850 16 15
850 < S < 1300 25 15

Table 12. sambungan rumah yang disadap dari trafo dengan tegangan jatuh 12%

Gambar 3.35 tipikal instalasi rumah konsumen PLTMH 55/110 VA

renew

2009-03-23T07:13:00.002+07:00

ENERGY

2009-03-11T15:52:00.001+07:00

Listrik merupakan salah satu utilitas utama perumahan yang harus di penuhi di dalam pembangunan suatu perumahan baik perumahan sederhana sehat maupun di dalam pembangunan rumah susun. Permasalahan yang ada pada saat ini adalah terbatasnya suplai tenaga listrik yang mengakibatkan kerisis energi tenaga listrik.