ILMU LISTRIK (ELECTRICAL SCIENCE)

Pembangkit listrik (PL) Germasolar seharga GBP 260 juta (Rp3,6 triliun) resmi dibuka. PL ini dirancang mampu bekerja saat malam hari dan mampu menyimpan panas untuk menyalakan turbin selama 15 jam tanpa paparan sinar matahari.
PL berupa menara ‘bohlam’ menyala yang dikelilingi 2.600 cermin ini berada dekat Seville, salah satu tempat terpanas di dataran utama Eropa. PL ini merupakan PLTS heliostatik yang menggunakan cermin untuk mengkonsentrasikan panas intens dalam dua tanki garam.
Panas 900C melelehkan garam dan mendidihkan air di sekitarnya untuk menyalakan turbin. Teknologi ‘terbarukan’ seperti turbin angin sering kali terkendala karena manusia bukanlah ahli elemen. Jika angin berhenti seperti dilaporkan DM, listik pun akan mati.
Berbeda, penyimpan panas dari tanki Germasolar mampu mengatasi masalah ini.
“Garam disimpan di tanki panas, panas yang tersimpan akan digunakan saat radiasi surya rendah. Garam mentransfer panas yang tersimpan dan terus menghasilkan listrik saat malam,” papar perusahaan pembuat solusi ini, Torresol.
Teknisi Torresol Enqrique Sendagorta mengatakan, kami ingin menjadi perusahaan global yang mengembangkan penggunaan tenaga surya yang terkonsentrasi.
Energi panas ini kemudian digunakan untuk memanaskan tangki yang berisi garam cair, sehingga tercipta uap yang mampu menggerakkan turbin senilai 260 juta Poundsterling.
Panas yang tersimpan di tangki ini akan dilepaskan secara berkala. Sehingga dapat digunakan pada saat malam hari, saat matahari tidak bersinar (lebih kurang 15 jam).
Mengandalkan intensitas sinar matahari rata-rata di selatan spanyol, pembangkit listrik tenaga matahari ini dijamin dapat memasok energi minimal 270 hari per tahun. Angka ini lebih banyak 3x lipat bila dibandingkan dengan penggunaan energi terbarukan lainnya.
Dengan biaya 260 juta poundsterling dan waktu pengerjaan 2 tahun, proyek pembangkit listrik ini selesai dikerjakan secara patungan oleh perusahaan energi asal Abu Dhabi bernama Masdar dan firma teknik Sener Spanyol bernama Terresol Energy.
Diperkirakan pembangkit ini mampu memproduksi listrik sebesar 110 GWh/ tahun (Giga Watt per Hour) dan dapat digunakan untuk menerangi 25 ribu rumah di wilayah Andalucia.
‘Saat ini, Sener adalah satu-satunya perusahaan di dunia yang telah mengembangkan dan membangun sebuah pembangkit listrik komersial yang sudah beroperasi penuh yang menggunakan teknologi menara sentral berisi garam cair”, klaim Miguel Domingo, juru bicara Sener
Ditambahkan oleh Enrique Sedagorta, eksekutif Terresol Energy:  ‘Standarisasi teknologi baru ini mampu mengurangi biaya investasi untuk pembangkit listrik tenaga surya secara signifikan.’
Dengan adanya proyek pembangkit listrik ini, diharapkan mampu merangsang pembangunan proyek lainnya yang serupa, sebab teknologi receiver garam cair ini menurut Sedagorta, adalah sebuah sistem yang mampu mengefisienkan tenaga listrik yang dihasilkan dari sumber energi terbarukan seperti sinar matahari.
Biasanya pembangkit listrik tenaga surya hanya dapat beroperasi di siang hari karena adanya cahaya matahari. Tapi, berbeda dengan tenaga surya di sepanjang jalan Seville danCordoba, Spanyol. Tenaga penghasil listrik di Negeri Matador ini, yang dinamai “The Power Plant Gemasolar” dapat beroperasi pada siang dan malam hari.

“The Power Plant Gemasolar” tersebut berbentuk cermin heliostats yang simetris melingkar. Adapun cerminnya memiliki fokus 95 persen dari radiasi matahari ke penerima raksasa di pusat tanaman.
Pembangkit tersebut terdiri dari 2.650 panel yang luar biasa dan tersebar di 185 hektare tanah di pedesaan. Alhasil pembangkit itu terlihat seperti sebuah proyek seni raksasa.
Cara kerjanya hampir sama dengan tenaga surya pada umumnya, yakni panel menyerap cahaya matahari kemudian diproses di dalamnya. Namun Gemasolar ini dapat menyimpan energi yang tersimpan sepanjang malam, meski tanpa sinar matahari. Lebih hebatnya lagi, panel ini dapat mentransmisi energi 1.000 kali lebih tinggi dari sinar matahari yang mencapai bumi.
Panas yang terkumpul hingga 900 derajat Celcius di dalamnya, digunakan untuk menghangatkan tangki garam cair, yang kemudian menciptakan uap untuk menyalakan stasiun turbin raksasa. Dari perolehan energi ini, diharapkan dapat menghasilkan 110 GWh/ tahun, cukup untuk menyuplai 25.000 rumah di wilayah Andalucia selama 270 hari per tahun.
“Pembangkit ini adalah stasiun pertama di dunia yang dapat beroperasi siang dan malam,” kata Santago Arias, Direktur Teknis Torresol Energi, yang menjalankan stasiun pembangkit surya itu seperti dikutip AFP.
The Power Plant Gemasolar merupakan proyek gabungan antara perusahaan energi Dhabu Masdar dan Perusahaan Sener Torresol Energi. Stasiun pembangkit ini dibangun selama dua tahun dengan biaya sebesar � 260 juta, atau Rp. 320 triliun.
Gambar ini memperlihatkan Gemasolar Power Plant, sebuah pembangkit listrik tenaga surya yangterletak di Fuentes de Andalucía (Seville, Spanyol), dengan koordinat 37°33’38.29″N, 5°19’53.45″W, menempati area seluas 185 hektar di daerah pedesaan. Gemasolar merupakan pembangkit skala komersial pertama yang menggunakan ‘baterai’ inovatif yang menyimpan energi sebagai garam cair (molten salts)

Tampak pola simetris melingkar dari cermin panel, yang konon kabarnya merupakan yang pertama di dunia, sebagai stasiun surya yang menghasilkan listrik pada malam hari. Penampakannya dari atas (angkasa) seperti bola mata manusia berukuran raksasa. Jika diamati lebih dekat, di tengah-tengah mata ini terlihat sebuah menara yang menjulang tinggi, rupanya itu adalah menara surya beton setinggi 40 lantai.

Menara tersebut dikelilingi oleh 2,650 cermin (disebut heliostat) yang mengumpulkan sinar matahari (scorching rays) dan memantulkannya ke bagian atas menara, yang menyimpan panas dan mengubahnya menjadi energi. Dalam “power tower“, potassium dan sodium nitrate kalium dipanaskan sampai 565 ° C dan kemudian melewati penukar panas di mana mereka mengubah air menjadi uap untuk menggerakkan turbin di pembangkit 19,9 MW. Ketika ada lebih banyak panas yang dibutuhkan untuk menggerakkan turbin, beberapa larutan garam panas disimpan dalam tangki. Baterai ini memungkinkan listrik yang akan dihasilkan hingga 15 jam, ketika  tidak ada sinar matahari .
Di musim dingin, sinar matahari harian tidak mencukupi pembangkit untuk beroperasi pada daya penuh sepanjang malam. Torresol Energy dapat mengoperasikan plant sampai baterai habis, atau dapat memodulasi kekuatan turbin selama kegelapan sehingga berada pada maksimum antara 11 dan 11:30, ketika  permintaan  listrik tinggi. Dengan cara ini Gemasolar harus dapat menghasilkan listrik untuk 6500 jam per tahun.
Ketika selesai pada 2013 nanti, power plant ini diharapkan akan memberikan cukup energi untuk kota Seville.

Artikel kali ini lebih saya tujukan kepada orang awam yang ingin mengenal dan mempelajari teknik listrik ataupun bagi mereka yang sudah berkecimpung di dalam teknik elektro untuk sekedar mengingat kembali teori-teori dasar listrik.

1. Arus Listrik

adalah mengalirnya elektron secara terus menerus dan berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. satuan arus listrik adalah Ampere.

Arus listrik bergerak dari terminal positif (+) ke terminal negatif (-), sedangkan aliran listrik dalam kawat logam terdiri dari aliran elektron yang bergerak dari terminal negatif (-) ke terminal positif(+), arah arus listrik dianggap berlawanan dengan arah gerakan elektron.



Gambar 1. Arah arus listrik dan arah gerakan elektron.

“1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 624x10^16 (6,24151 × 10^18) atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang konduktor”
Formula arus listrik adalah:

I = Q/t (ampere)

Dimana:
I = besarnya arus listrik yang mengalir, ampere
Q = Besarnya muatan listrik, coulomb
t = waktu, detik

2. Kuat Arus Listrik

Adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu.

Definisi : “Ampere adalah satuan kuat arus listrik yang dapat memisahkan 1,118 milligram perak dari nitrat perak murni dalam satu detik”.

Rumus – rumus untuk menghitung banyaknya muatan listrik, kuat arus dan waktu:

Q = I x t
I = Q/t
t = Q/I

Dimana :
Q = Banyaknya muatan listrik dalam satuan coulomb
I = Kuat Arus dalam satuan Amper.
t = waktu dalam satuan detik.

“Kuat arus listrik biasa juga disebut dengan arus listrik”

“muatan listrik memiliki muatan positip dan muatan negatif. Muatan positip dibawa oleh proton, dan muatan negatif dibawa oleh elektro. Satuan muatan ”coulomb (C)”, muatan proton +1,6 x 10^-19C, sedangkan muatan elektron -1,6x 10^-19C. Muatan yang bertanda sama saling tolak menolak, muatan bertanda berbeda saling tarik menarik”
3. Rapat Arus

Difinisi :
“rapat arus ialah besarnya arus listrik tiap-tiap mm² luas penampang kawat”.



Gambar 2. Kerapatan arus listrik.

Arus listrik mengalir dalam kawat penghantar secara merata menurut luas penampangnya. Arus listrik 12 A mengalir dalam kawat berpenampang 4mm², maka kerapatan arusnya 3A/mm² (12A/4 mm²), ketika penampang penghantar mengecil 1,5mm², maka kerapatan arusnya menjadi 8A/mm² (12A/1,5 mm²).

Kerapatan arus berpengaruh pada kenaikan temperatur. Suhu penghantar dipertahankan sekitar 300°C, dimana kemampuan hantar arus kabel sudah ditetapkan dalam tabel Kemampuan Hantar Arus (KHA).



Tabel 1. Kemampuan Hantar Arus (KHA)

Berdasarkan tabel KHA kabel pada tabel diatas, kabel berpenampang 4 mm², 2 inti kabel memiliki KHA 30A, memiliki kerapatan arus 8,5A/mm². Kerapatan arus berbanding terbalik dengan penampang penghantar, semakin besar penampang penghantar kerapatan arusnya mengecil.

Rumus-rumus dibawah ini untuk menghitung besarnya rapat arus, kuat arus dan penampang kawat:

J = I/A
I = J x A
A = I/J

Dimana:
J = Rapat arus [ A/mm²]
I = Kuat arus [ Amp]
A = luas penampang kawat [ mm²]


4. Tahanan dan Daya Hantar Penghantar

Penghantar dari bahan metal mudah mengalirkan arus listrik, tembaga dan aluminium memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Bahan terdiri dari kumpulan atom, setiap atom terdiri proton dan elektron. Aliran arus listrik merupakan aliran elektron. Elektron bebas yang mengalir ini mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya. Akibatnya terjadi gesekan elektron denganatom dan ini menyebabkan penghantar panas. Tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan.

Tahanan didefinisikan sebagai berikut :

“1 Ω (satu Ohm) adalah tahanan satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0° C"

Daya hantar didefinisikan sebagai berikut:

“Kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik”.

Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar arus:

R = 1/G
G = 1/R

Dimana :
R = Tahanan/resistansi [ Ω/ohm]
G = Daya hantar arus /konduktivitas [Y/mho]



Gambar 3. Resistansi Konduktor

Tahanan penghantar besarnya berbanding terbalik terhadap luas penampangnya dan juga besarnya tahanan konduktor sesuai hukum Ohm.

“Bila suatu penghantar dengan panjang l , dan diameter penampang q serta tahanan jenis ρ (rho), maka tahanan penghantar tersebut adalah” :

R = ρ x l/q

Dimana :
R = tahanan kawat [ Ω/ohm]
l = panjang kawat [meter/m] l
ρ = tahanan jenis kawat [Ωmm²/meter]
q = penampang kawat [mm²]

faktot-faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena tahanan suatu jenis material sangat tergantung pada :
• panjang penghantar.
• luas penampang konduktor.
• jenis konduktor .
• temperatur.

"Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur, ketika temperatur meningkat ikatan atom makin meningkat akibatnya aliran elektron terhambat. Dengan demikian kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan tahanan penghantar"


5. potensial atau Tegangan

potensial listrik adalah fenomena berpindahnya arus listrik akibat lokasi yang berbeda potensialnya. dari hal tersebut, kita mengetahui adanya perbedaan potensial listrik yang sering disebut “potential difference atau perbedaan potensial”. satuan dari potential difference adalah Volt.

“Satu Volt adalah beda potensial antara dua titik saat melakukan usaha satu joule untuk memindahkan muatan listrik satu coulomb”

Formulasi beda potensial atau tegangan adalah:

V = W/Q [volt]

Dimana:
V = beda potensial atau tegangan, dalam volt
W = usaha, dalam newton-meter atau Nm atau joule
Q = muatan listrik, dalam coulomb


RANGKAIAN LISTRIK

Pada suatu rangkaian listrik akan mengalir arus, apabila dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut :
1. Adanya sumber tegangan
2. Adanya alat penghubung
3. Adanya beban



Gambar 4. Rangkaian Listrik.

Pada kondisi sakelar S terbuka maka arus tidak akan mengalir melalui beban . Apabila sakelar S ditutup maka akan mengalir arus ke beban R dan Ampere meter akan menunjuk. Dengan kata lain syarat mengalir arus pada suatu rangkaian harus tertutup.

1. Cara Pemasangan Alat Ukur.
Pemasangan alat ukur Volt meter dipasang paralel dengan sumber tegangan atau beban, karena tahanan dalam dari Volt meter sangat tinggi. Sebaliknya pemasangan alat ukur Ampere meter dipasang seri, hal inidisebabkan tahanan dalam dari Amper meter sangat kecil.

“alat ukur tegangan adalah voltmeter dan alat ukur arus listrik adalah amperemeter”
2. Hukum Ohm
Pada suatu rangkaian tertutup, Besarnya arus I berubah sebanding dengan tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R, atau dinyatakan dengan Rumus :

I = V/R
V = R x I
R = V/I

Dimana;
I = arus listrik, ampere
V = tegangan, volt
R = resistansi atau tahanan, ohm

• Formula untuk menghtung Daya (P), dalam satuan watt adalah:
P = I x V
P = I x I x R
P = I² x R

3. HUKUM KIRCHOFF

Pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus yang bertemu di satu titik adalah nol (ΣI=0).



Gambar 5. loop arus“ KIRChOFF “

Jadi:
I1 + (-I2) + (-I3) + I4 + (-I5 ) = 0
I1 + I4 = I2 + I3 + I5

semoga bermanfaat,

Circuit Breaker CB  adalah alat yang digunakan untuk menghubungkan ( energize) / memutuskan ( de-energize)  aliran listrik baik secara manual ataupun otomatis (de energize).

Seperti diketahui pada artikel lain di Dunia Listrik bahwa CB dibagi menjadi beberapa tipe berdasarkan kemampuannya meng- interupt arcing atau busur api ;

1. ACB  Air Circuit Breaker
        a.Molded Case Circuit Breaker MCCB  ( dengan typical rated current : 15 A – 1200 Ampere)
        b. LVPower CB (1000 – 4000 Ampere)
c. MV Power CB (100 – 4000 Ampere)
2. OCB >> Oil Circuit Breaker
3. VCB >> Vacuum Circuit Breaker

Pada artikel kali ini hanya akan dibahas mengenai ACB.

Berdasarkan mekanisme trippingnya maka ACB dibagi menjadi :
• Elektromekanical/ Thermo-magnetik Trip Unit (Bekerja pada rating 15 – 1200 Amp commonly). >> partially adjustable

CB jenis ini menggunakan Thermo dan Magnetic mekanisme sebagai sensor saat terjadinya overcurrent/arus lebih.
a. Thermo >> Bekerja berdasarkan elemen bimetal yang sangat sensitif  di dalam CB yang mensensing panas yang berkembang  yang muncul karena adanya aliran arus kecil saat terjadi kelebihan beban overcurrent/overload.
b. Magnetik >> Saat terjadi overcurrent maka medan magnetik   akan muncul karena mengalir arus hubung singka/ Short Circuit yang besar nilainya.

Kedua fenomena ini digunakan untuk mentrip/open-kan CB untuk memutus aliran arus lebih/overcurrent.

• Electronic/Solid state Trip Unit  (800 – 4000 Amp) >> fully adjustable

Menggunakan bantuan sensor dari trafo Arus/Current Transfromer. Jika terjadi overcurrent baik karena disebabkan oleh overload ataupun shorcircuit ataupun groundfaul, maka CT akan mengirimkan arus melalui sisi sekundernya pada microprosessor untuk dievaluasi berdasarkan karakteristik logic yang telah disetting untuk kemudian mentrip-kan CB untuk mengisolasi titik gangguan.


Fully adjustable menjadi sangat penting artinya ketika kita hendak mencapai sistem proteksi yang terkoordinasi 100 % .


Time Current Curve TCC pada Trip Unit.
Untuk menggambarkan karakteristik besar arus (I ) terhadap waktu (t).



L : Long Time Trip Function
• Pick – Up LTPU ( Dalam Ampere)  / Ir/ Irth / 51 (ANSI CODE) :  Disetting diatas arus beban FLC. Dari contoh gambar switch dibawah range Ir adalah 0.2 – 1 kali In CB. Jika terjadi overload/ beban lebih dan arus yang mengalir melebihi Ir yang telah diset maka berdasarkan LTD CB akan ope/trip.
    Misal : FLC motor =  200 A. In pada CB = 2000 A. Maka Ir misalnya disetting = 1 X In = 2000 A





• Delay LTD ( Dalam Second)/ tr : Fungsi delay digunakan untuk memberikan ruang pada overcurrent yang tidak berbahaya atau normal untuk tetap dapat mengalir. Misalnya arus inrush saat starting motor atau saat energizing transformers tanpa menyebabkakn  ACB trip/open.
Referensi untuk menentukan tr adalah perkalian dengan Ir. Range pada contorh gambar dibawah adalah 2.2 – 27 dalam seconds.





S : Short Time Trip Function
• Pick – Up STPU (Ampere)  / Isd /51(ANSI CODE) :  Digunakan jika terjadi hubung singkat/short circuit yang nilainya kecil. Setting STPU lebih tinggi dibandingkan LTPU. Bekerja berdasarkan funsgi inverse dimana semakin besar arus maka semakin cepat waktu trippingnya. Selain itu untuk menjaga selektivitas sistem proteksi adalah dengan memberikan setelan waktu yang pendek agar memberikan kesempatan pada CB sisi downstream untuk mengisolasi gangguan sehingga tidak mentripkan CB sisi upstream. Ring setting pada contoh switch trip unit dibawah ini adalah antara 1.5 – 10 kali Ir.







• Delay STD ( dalam second) / tsd : Settingan waktu tsd terkait dengan settingan arus pick up STPU diatas untuk menjamin selektivitas koordinasi antara CB.







I : Instantaneous / Ii/ 50 (ANSI CODE) : digunakan untuk mentripkan CB tanpa waktu tunda dengan ring 2 – 40 kali Ir. Interupsi seketika ini terjadi ketika arus lebih short circuit yang sangat besar terjadi, sehingga meminimalisasikan dampak kerusakan pada sistem elektrikal dan peralatan (motor, kabel, CB, Switchgear).




G : Ground Fault/ Ig/ 50/51 N (ANSI CODE):   additional function dari trip unit untuk mendeteksi arus hubung singkat ke tanah yang nilainya lebih kecil dibandingkan short circuit non hubung tanah.






Terminologi lain yang digunakan :

In = Rated Current adalah arus rating kontinyu/arus nominal pada CB.
Icu = Rated Ultimate Breaking Capacity adalah kemampuan CB untuk dapat memutuskan arus hubung singkat maksimum  tanpa menyebabkan kerusakan/meleleh pada contact contacnya.
FLC  Full Load Current : arus kontinyu beban tanpa menyebabkan CB trip.
Misal : Motor dengan FLC 1400 A menggunakan CB dengan rating In 2000 A

Penyusun menyadari bahwa tulisan ini belumlah sempurna dan berharap masukan dari para teman teman  untuk pengembangan dan untuk melengkapi seri berikutnya.

More Power !