Tugas Teknik Tegangan Tinggi

Transmisi Tegangan Tinggi DC (HVDC)

High Voltage Direct Current atau biasa disingkat dengan HVDC merupakan salah satu metoda untuk menyalurkan energi listrik dengan menggunakan listrik DC (Direct Current) berteangan tinggi. Listrik DC didapatkan dari mengubah listrik ac (Alternating Current) menggunakan penyearah (rectifier), atau pun sebaliknya dimana listrik ac dapat diubah dari listrik DC menggunakan inverter. Untuk aplikasi penyaluran arus yang besar dan level tegangan tinggi, semikonduktor jenis thyristor yang biasa digunakan pada rectifier dan inverter.

Sistem transmisi HVDC terdiri dari tiga bagian dasar: 1) Stasiun konverter untuk mengkonversi AC ke DC 2), saluran transmisi DC, dan 3) Stasiun konverter kedua untuk mengkonversi kembali AC (Lihat gambar di atas). Ketiga bagian dasar ini digunakan untuk mengakomodasi sistem kelistrikan yang sudah ada sekarang yang adalah sistem transmisi HVAC.

Arus bolak-balik (AC) menjadi sangat akrab bagi industri dan pembangkitan energi listrik, tetapi untuk jalur transmisi yang panjang, AC memiliki beberapa kekurangan. Kekurangan pada transmisi jarak jauh inilah yang membuat pengembangan sistem transmisi HVDC diperlukan. Batasan arus dan tegangan insulasi adalah dua faktor penting saluran transmisi tegangan tinggi.

Pemakaian High Voltage Direct Current transmission (HVDC) atau dalam istilah Bahasa Indonesia dikenal sebagai transmisi daya arus searah (TDAS) sebenarnya sudah dimulai sejak awal pertama kali listrik dikembangkan. Thomas Alva Edison berhasil membuat jaringan listrik berkapasitas 6 x 100kW untuk menyalakan 1200 bohlam lampu menggunakan arus searah pada tahun 1882. Walaupun pada perkembangannya, sistem dc yang dikembangkan Edison ternyata ‘kalah’ bersaing dengan sistem ac yang diusulkan oleh Westinghouse dan Tesla namun sistem dc ini telah menandai dimulainya era baru, era listrik. Lebih dari 70 tahun kemudian, sistem transmisi dc mulai dipakai kembali setelah ditemukannya tabung mercury-arc di akhir tahun 1920-an. Proyek HVDC komersil pertama kali berhasil dibangun tahun 1950 menggunakan kabel laut untuk menghubungkan Swedia dengan P. Gotland dengan kapasitas 20MW pada tegangan 100kV.

Pada tulisan ini akan dipaparkan secara ringkas teknologi, konfigurasi, dan aplikasi dari transmisi daya arus searah (HVDC).

HVDC mulai dipakai kembali karena teknologi tabung/mercury-arc sudah mulai mapan sehingga konverter daya ac/dc atau dc/ac bisa dibuat, suatu hal yang tidak bisa dilakukan pada tahun 1880-an yang mengakibatkan sistem arus searah Edison kalah dari sistem arus bolak-balik Westinghouse. Teknologi tabung mercury-arc sendiri hanya bertahan sekitar 20 tahun sampai ditemukannya thyristor pada sekitar tahun 1970. Thyristor ini yang menjadi dasar perkembangan pesat dari teknologi HVDC karena bisa dibuat untuk keperluan daya besar, dibandingkan transistor/IGBT yang dengan teknologi saat ini memiliki kapasitas daya lebih kecil daripada thyristor. Satu dekade terakhir, perkembangan teknologi IGBT memungkinkan konverter untuk HVDC dibuat dengan menggunakan IGBT, walaupun kapasitas dayanya masih lebih kecil daripada sistem HVDC yang menggunakan konverter thyristor.

Dimulai dari 20MW di Swedia, sekarang ini sudah lebih dari 100 jalur transmisi HVDC yang aktif di dunia dengan total kapasitas mencapai lebih dari 80GW (Gambar 2) tersebar mulai dari Amerika Utara, Skandinavia, Jepang, China, India, Brazil, dsb. Dimulai dari tegangan 100 kV hingga sekarang mencapai 500kV, dan 800kV sedang dalam tahap pembangunan. Beberapa proyek HVDC yang cukup terkenal diantaranya Gotland HVDC di Swedia selain HVDC pertama juga merupakan HVDC yang menggunakan thyristor pertama kali; Itaipu HVDC di Brazil (2 x 3150MW, +/- 500kV, 800 km) yang merupakan sistem HVDC terbesar saat ini, Kii-Channel HVDC di Jepang (1400MV, +/- 250kV) yang menggunakan thyristor light-triggered 8kV – 3500A.

Teknologi HVDC

Terdapat 2 jenis teknologi konverter ac/dc/ac yang digunakan pada sistem HVDC saat ini. HVDC yang menggunakan Current source converter (CSC) komutasi jala-jala menggunakan thyristor dan HVDC yang menggunakan Voltage source converter (VSC) yang menggunakan IGBT.

Teknologi CSC-HVDC sudah sangat mapan untuk konverter berdaya sangat besar. Untuk keperluan diatas 1000MW teknologi ini menjadi satu-satunya pilihan saat ini. Itaipu HVDC adalah sistem HVDC terbesar saat ini yang beroperasi secara komersil menggunakan CSC-HVDC. Proyek CSC-HVDC terbesar yang sedang dibangun saat ini adalah Xiangjiaba – Shanghai HVDC yang mentransmisikan daya 6400MW pada 800kV sejauh 2071 km.

Komutasi jala-jala merupakan salah satu kelemahan yang ada pada CSC-HVDC, akibatnya pada HVDC yang menggunakan CSC diperlukan jaringan arus bolak-balik yang kuat di sisi kirim maupun sisi terima. Gambar 3 menunjukkan HVDC yang menggunakan CSC.

VSC-HVDC merupakan perkembangan terbaru dari teknologi HVDC. Hampir sejak satu dekade terakhir, beberapa proyek VSC-HVDC berhasil dibangun dan mencapai tahap komersil. Keunggulan VSC-HVDC dibanding CSC-HVDC adalah kemampuannya untuk komutasi tanpa bergantung kondisi jala-jala, pengaturan daya aktif dan reaktif yang independen, serta kemampuan untuk black-start. Keunggulan tersebut membuat VSC-HVDC menarik untuk aplikasi penyaluran daya ke beban berjarak jauh yang tidak memiliki sumber jala-jala lokal, seperti pada anjungan lepas pantai, dsb.

Kelemahan VSC-HVDC adalah teknologi IGBT sekarang belum mampu untuk melayani transmisi daya berkapasitas besar seperti halnya CSC-HVDC. Proyek VSC-HVDC terbesar saat ini adalah Ciprivi Line HVDC di Namibia yang berkapasitas 300MW pada 350kV sejauh 970 km. Gambar 4 menunjukkan HVDC yang menggunakan VSC.

Konfigurasi HVDC

Pemilihan konfigurasi sangat bergantung pada kondisi lokal, tujuan, dan faktor ekonomi. Baik VSC ataupun CSC-HVDC dapat menggunakan konfigurasi yang sama, modifikasi dapat dilakukan bergantung kondisi lokal masing-masing.

Back-to-back

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 5. Pada konfigurasi ini gardu induk konverter berada pada lokasi yang sama dan tidak menggunakan saluran arus searah jarak jauh. Umumnya konfigurasi ini berfungsi sebagai interkoneksi frekuensi antara dua sistem arus bolak-balik yang berdekatan, walaupun konfigurasi ini juga bisa dipakai pada interkoneksi dua sistem arus bolak-balik yang memiliki frekuensi yang sama.

Monopolar

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 6. Pada konfigurasi ini dua gardu induk konverter dipisahkan menggunakan satu saluran arus searah berjarak jauh, berbeda dengan konfigurasi back-to-back yang hanya membutuhkan satu lokasi saja. Saluran arus searah yang dipakai hanya memiliki 1 kutub tegangan, bisa positif saja atau negatif saja, sehingga tanah diperlukan sebagai saluran balik arus.

Bipolar

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 7. Pada konfigurasi ini dua gardu induk konverter dipisahkan menggunakan dua saluran arus bolak-balik yang berbeda kutub tegangan, satu positif dan satu lagi negatif. Relatif terhadap tanah, konfigurasi bipolar merupakan dua buah konfigurasi monopolar yang berbeda kutub tegangan, sehingga masing-masing monopolar dapat dioperasikan secara independen. Pada keadaan normal arus yang mengalir melalui tanah akan bernilai nol akibat dua kutub monopolar yang berbeda. Keunggulan konfigurasi ini adalah salah satu kutub tegangan tetap dapat beroperasi ketika kutub tegangan yang lainnya tidak beroperasi akibat gangguan atau alasan lain. Reliabilitas konfigurasi ini lebih baik daripada konfigurasi monopolar.

Multiterminal

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 8. Konfigurasi ini adalah perluasan dari konfigurasi bipolar dengan menempatkan gardu konverter baru di tengah-tengah saluran bipolar. Jumlah saluran masuk di tengah-tengah konfigurasi bipolar tidak dibatasi hanya satu, melainkan bisa banyak sesuai dengan keperluan.

Pemanfaatan HVDC

Penggunaan sistem transmisi arus bolak-balik yang sudah menyeluruh memang memberikan keuntungan harga yang lebih kompetitif karena pasar dan produsen sudah sama-sama mapan, dibandingkan dengan transmisi HVDC yang masih relatif lebih sedikit pemakainya. Namun sistem HVDC akan dipandang lebih menguntungkan dibandingkan sistem ac pada beberapa aplikasi tertentu.

Transmisi jarak jauh

Pada transmisi daya besar dengan jarak yang jauh, HVDC memberikan alternatif yang kompetitif secara ekonomi terhadap sistem transmisi arus bolak-balik Terlepas dari adanya tambahan rugi-rugi akibat penggunaan konverter dibandingkan pada sistem arus bolak-balik, rugi-rugi saluran pada transmisi HVDC bisa lebih kecil 30%-50% dari ekuivalen saluran arus bolak-balik pada jarak yang sama. Pada jarak yang sangat jauh, sistem transmisi arus bolak-balik membutuhkan gardu induk di tengah saluran dan juga kompensasi reaktif. Dibandingkan dengan transmisi arus searah yang tidak memerlukan gardu induk intermediet. Jarak tipikal yang dianggap pemakaian sistem HVDC akan menguntungkan secara ekonomis daripada transmisi arus searah adalah sekitar 500 km keatas.

Penggunaan kabel

Pada kasus jika penggunaan kabel diperlukan, seperti pada transmisi yang melewati laut, atau transmisi yang dirancang bawah tanah, penggunaan HVDC memberikan keuntungan lebih secara ekonomis daripada penggunaan kabel arus bolak-balik. Permasalahan lain pada penggunaan kabel dengan sistem arus bolak-balik adalah penurunan kapasitas daya kabel karena jarak yang jauh akibat daya reaktif yang cukup tinggi. Ini dikarenakan karakteristik kabel yang memiliki kapasitansi yang lebih besar dan induktansi yang lebih kecil daripada ekuivalen konduktor udara.

Interkoneksi frekuensi

Interkoneksi antara 2 area yang berbeda frekuensi hanya bisa dilakukan dengan menggunakan HVDC untuk menjamin kelangsungan operasi yang handal. Contohnya adalah gardu induk Shin-Shinano 600 MW yang menghubungkan Jepang bagian barat yang berfrekuensi 60 Hz dengan Jepang bagian timur yang berfrekuensi 50 Hz. Tidak hanya pada kasus seperti Shin-Shinano yang beda frekuensi operasi diantara dua terminalnya, beberapa kasus lain menggunakan konverter frekuensi HVDC untuk menghubungkan antara dua perusahaan listrik yang berbeda. Selain untuk pengaturan aliran daya, hal ini dimaksudkan untuk melindungi area perusahaan satu dari fluktuasi frekuensi di perusahaan tetangga disamping juga untuk mencegah menjalarnya gangguan akibat dari perusahaan tetangga.

Penggunaan HVDC

Walaupun mayoritas transmisi kelistrikan di seluruh dunia menggunakan sistem HVAC karena fleksibilitasnya, pada beberapa kasus terdapat keuntungan untuk mengaplikasikan transmisi HVDC, terutama pada kondisi:

Dibutuhkan penyaluran daya yang besar (>500MW) dengan jarak amat jauh (>500km), dimana jalur transmisi HVAC rentan terhadap ketidakstabilan karena faktor impedansi jalur yang panjang
contoh sistem :
Proyek Sungai Nelson ke Winnipeg, Kanada – kapasitas 1.800MW jarak 930 km;
Bendungan Three Gorges ke Shanghai, China – kapasitas 3.000MW jarak 1.000km;
Celilo Converter Station ke Los Angeles, US -kapasitas 3.100MW jarak 1361km
Dibutuhkan penyaluran daya listrik melintasi perairan yang luas
contoh sistem :
Moyle interconnector, Irlandia Utara – Skotlandia dengan jarak 64km
Dimana sambungan HVAC tidak memiliki kemampuan yang cukup untuk menahan electrical swing yang dapat muncul antara dua sistem
contoh sistem:
sambungan dari Hydro Quebec ke US
Sambungan pada dua sistem elektrik yang beroperasi pada frekuensi yang berbeda, biasa disebut dengan istilah sambungan back-to-back
contoh sistem:
HVDC antara Inggris dan Prancis dan antara Jepang bagian utara dan bagian selatan
Memberikan isolasi dari kontribusi arus hubung singkat (short circuit) dari sistem yang dekat, karena DC tidak menyalurkan arus hubung singkat dari sistem yang satu ke sistem yang lain.

Keuntungan HVDC

Berikut ini beberapa kelebihan yang dimiliki HVDC bila dibandingkan dengan HVAC:

Kabel awah laut dengan kapasitansi tinggi menyebabkan rugi-rugi (losses) tambahan pada sistem AC
Penyaluran daya listrik antara titik tanpa tap tegangan perantara (intermediate tap)
Menambah kapasitas jaringan listrik eksisting pada situasi dimana kabel/konduktor tambahan sulit atau mahal untuk dipasang
Saluran transmisi antar dua sistem distribusi AC yang tak sinkron
Mengurangi ukuran pengkabelan -karena untuk ukuran konduktor yang sama kapasitas untuk HVDC lebih besar dari HVAC
Penyambungan pembangkit yang memiliki jarak jauh dari jaringan
Mengurangi rugi-rugi akibat korona (corona losses) bila dibandingan dengan HVAC untuk kapasitas yang sama
Mengurangi biaya kabel/konduktor jaringan

Secara khusus transmisi HVDC memiliki keuntungan pada transmisi listrik kabel bawah laut, karena jenis transmisi tersebut memiliki nilai kapasitansi yang tinggi.

Kelebihan Sistem Transmisi HVDC

Pertama, jumlah kabel/ konduktor yang digunakan. Pada sistem transmisi DC, jumlah konduktor yang digunakan adalah 2 buah (untuk tegangan positif dan tegangan negatif/ ground). Pada sistem transmisi AC, jumlah konduktor yang digunakan adalah 3 buah. Dengan jumlah konduktor yang lebih sedikit, berarti biaya pengadaan untuk konduktor untuk transmisi DC adalah 2/3 transmisi AC. Apalagi dengan desain arus dan tegangan tinggi, perbedaan 1/3 biaya pengadaan konduktor ini akan sangat besar menghemat biaya.

Kedua, hambatan konduktor AC lebih tinggi dari resistansi DC karena adanya skin effect. Skin effect merupakan fenomena pada saluran transmisi yang disebabkan karena tidak meratanya distribusi arus pada penampang konduktor di sepanjang saluran transmisi jarak jauh. Fenomena ini muncul sesuai dengan peningkatan panjang efektif konduktor saluran trasmisi sehingga skin effect pada saluran transmisi pendek jarang ditemui. Pada saluran transmisi sistem tegangan arus searah (DC-Direct Current), distribusi arus pada penampang di sepanjang saluran penghantar merata, sehingga hampir tidak pernah ditemukan skin effect pada sistem saluran transmisi Tegangan DC. Lain halnya dengan saluran transmisi tegangan AC, pada saluran transmisi ini terjadi fenomena di mana aliran arus cenderung mengalir dengan kepadatan tinggi melalui permukaan konduktor (yaitu kulit konduktor), meninggalkan inti konduktor, bahkan kadang kala muncul suatu kondisi ketika benar-benar tidak ada arus mengalir melalui inti, dan berkonsentrasi seluruhnya pada daerah permukaan. Fenomena ini dapat mengakibatkan peningkatan nilai resistansi efektif konduktor sehingga mengakibatkan kehilangan/ losses yang lebih tinggi untuk transmisi AC.

Selain itu, itu lonjakan arus saat terjadi gangguan pada transmisi HVAC mencapai dua atau tiga kali tegangan puncak yang normal, sedangkan untuk transmisi HVDC itu adalah 1,7 kali tegangan normal. Hal ini berimplikasi pada desain sistem proteksi transmisi (relay dan sensor) yang membutuhkan kapasitas desain yang lebih besar untuk transmisi HVDC dibandingkan HVAC.

Beberapa hal ini yang harusnya menjadi bahan pemikiran kita untuk mengembangkan transmisi HVDC untuk menyalurkan energi listrik dalam jumlah besar dan jarak yang jauh, sangat cocok untuk dikembangkan di Indonesia, khususnya untuk menyambungkan sistem kelistrikan besar seperti Jawa-Sumatera-Bali-dan Kalimantan.

saluran transmisi DC; dalam saluran transmisi DC, daya guna atau efesiensinya tinggi karena mempunyai factor daya = 1, tidak memiliki masalah terhadap stabilitas terhadap system, sehingga dimungkinkan untuk penyaluran jarak jauh dan memiliki isolasi yang lebih sederhana.
Berhubungan dengan keuntungan dan kerugiannya, dewasa ini saluran transmisi di dunia sebagian besar menggunakan saluran transmisi AC. Saluran transmisi DC baru dapat dianggap ekonomis jika jarak saluran udaranya antara 400km sampai 600km, atau untuk saluran bawah tanah dengan panjang 50km. hal itu disebabkan karena biaya peralatan pengubah dari AC ke DC dan sebaliknya (converter & inverter) masih sangat mahal, sehingga dari segi ekonomisnya saluran AC akan tetap menjadi primadona dari saluran transmisi. Berhubungan dengan keuntungan dan kerugiannya, dewasa ini saluran transmisi di dunia sebagian besar menggunakan saluran transmisi AC. Saluran transmisi DC baru dapat dianggap ekonomis jika jarak saluran udaranya antara 400km sampai 600km, atau untuk saluran bawah tanah dengan panjang 50km. hal itu disebabkan karena biaya peralatan pengubah dari AC ke DC dan sebaliknya (converter & inverter) masih sangat mahal, sehingga dari segi ekonomisnya saluran AC akan tetap menjadi primadona dari saluran transmisi.

Sisi lain HVDC

Pada setiap sistem tentunya terdapat kelebihan-kelebihan, namun di sisi lain terdapat kerugian yang dipertimbangkan sebelum mengaplikasikan HVDC. Berikut adalah kekurangan HVDC bila dibandingkan HVAC

Harga yang mahal terutama untuk biaya stasiun konversi dari dan ke jaringan listrik AC
Sistem yang relatif rumit, karena pengontrolan aliran daya yang berbeda dengan sistem AC, dimana harus terdapat feedback dan komunikasi yang kontinu antar terminal – berbeda dengan aliran daya AC yang dapat secara otomatis dipengaruhi karakteristik jaringan
Stasiun konversi dapat menghasilkan arus dan tegangan harmonisa serta mengonsumsi daya reaktif. Oleh karenanya, dibutuhkan pemasangan unit kompensasi untuk filter harmonisa dan daya reaktif yang harganya cukup mahal.
Pada kasus terjadinya gangguan daya (power fault) dan arus hubung singkat pada inverter dan rectifier, jaringan HVDC pun akan terkena dampaknya
Pada beberapa kasus ditemukan bahwa sistem transmisi DC dapat menyebabkan noise pada radio dan jalur komunikasi yang dekat.
Pentanahan (Grounding) transmisi yang kompleks dan cukup sulit untuk diinstall, karena diperlukan pentanahan yang handal (reliable) dan memiliki kontak permanen untuk operasi yang sesuai dan menghilangkan kemungkinan terjadinya “step voltage” yang berbahaya.
Aliran arus yang melewati tanah pada sistem DC monopole dapat menyebabkan korosi elektris (electro-corrosion) pada instalasi metal bawah tanah, terutama pipa bawah tanah.

Beberapa kekurangan HVDC di atas tentunya dapat dieliminasi terutama dengan dikembangkannya teknologi baru. Efek gangguan daya pada HVDC saat terjadinya hubung singkat di sisi AC serta konsumsi daya reaktif dapat dieliminasi atau dikurangi dengan penggunaan turn-off thyristor yang kini banyak dikembangkan untuk kapasitas yang besar. Penyempurnaan sistem pentanahan pun banyak dikembangkan dengan mengurangi akibat korosi elektris, terutama dengan sistem ‘metal return‘ yang mencegah arus mengalir melewati tanah.

KESIMPULAN
1. Terdapat dua keadaan teknis penggunaan
transmisi tegangan tinggi arus searah.

•Untuk koneksi sistem – sistem yang besar melalui link – link berkapasitas kecil.

•Penggunaan kabel –kabel tegangan tinggi diperlukan untuk jarak cukup jauh.

2. Keuntungan penggunaan transmisi DC adalah rugi-rugi yang muncul pada saluran menjadi jauh lebih kecil, biaya investasi pembuatan saluran transmisi lebih rendah, serta masalah stabilitas sistem yang lebih terjamin.
3. Kelemahan -kelemahan dari transmisi DC adalah permasalahan switching yang tidak dapat dilakukan pada transmisi arus searah sehingga harus dilakukan pada arus bolak-balik, mahalnya biaya pembuatan gardu konverter, serta masalah transformasi tegangan.
4. Saluran transmisi tegangan tinggi arus searah diklasifikasikan menjadi; saluran monopolar, saluran bipolar dan saluran homopolar.
5. Bumi dapat digunakan sebagai suatu hantaran balik pada transmisi tegangan tinggi arus searah.

https://www.youtube.com/watch?v=k65QM3eRHm4

Cerita Masa Kuliah

Cari Blog Ini