Ilmu Listrik (Electrical Science): Pemahaman Cara Mengukur Energi Listrik

Pemahaman Cara Mengukur Energi Listrik

Dalam beberapa tahun terakhir ini, tarif listrik terus naik secara bertahap. Berapa besar kita harus membayar listrik ditentukan oleh seberapa besar kita mengkonsumsi energi listrik setiap bulannya. Besarnya energi listrik diukur dengan menggunakan alat ukur energi listrik yang disebut kWh-meter. Sebagai alat untuk jual beli, kWh-meter harus bisa mengukur energi listrik secara akurat atau teliti. Selain harus akurat, energi listrik harus diukur dengan cara yang adil, adil bagi konsumen dan juga bagi PLN. Pada kesempatanini, penulis akan membahas permasalahan teknik pengukuran energi listrik yang saat ini digunakan hampir di seluruh dunia termasuk di Indonesia.

Energi listrik didefinisikan dan diukur sebagai daya dikalikan waktu. Besarnya daya sendiri didapatkan sebagai tegangan dikalikan arus. Hubungan ini secara matematis dituliskan sebagai berikut:

E = P x T (1)

yang mana T menyatakan waktu dengan satuan detik atau jam (h) sedangkan Pmenyatakan daya aktif rata-rata dengan satuan watt (W) atau kilowatt (kW). Daya aktif rata-rata didapatkan sebagai nilai rata-rata perkalian antara tegangan dan arus yang bisa dituliskan sebagai berikut:

P = rata-rata{v x i} (2)

yang mana v dan i masing-masing menyatakan nilai sesaat tegangan dan arus dengan satuan volt (V) dan ampere (A). Hubungan atau persamaan (1) dan (2) inilah yang selama lebih dari satu abad digunakan untuk mengukur energi dan digunakan sebagai dasar jual beli energi listrik. Alat ukur energi listrik, kWh meter mengukur energi listrik berdasarkan persamaan (1) dan (2). Secara teoritis persamaan (1) dan (2) tidak salah tetapi bisa dibuktikan bahwa pengukuran yang dihasilkan bisa menjadi tidak adil.

Energi listrik dibangkitkan, ditransmisikan, dan didistribusikan dalam bentuk tegangan listrik bolak-balik tiga-fasa. Dalam sistim ini, idealnya tegangan dan arus yang mengalir di sistem tenaga listrik mempunyai bentuk sinusoidal dengan besar dan frekuensi yang tetap. Di Indonesia, frekuensi yang digunakan adalah 50 Hz dan tegangan rendahnya adalah 220 V. Selain harus sinusoidal, idealnya tegangan dan arus di setiap fasa setimbang. Dalam dua puluh tahun terakhir ini, penggunaan peralatan elektronika dan komputer meningkat dengan pesat dan meluas. Berbeda dengan peralatan listrik konvensional (contoh : lampu pijar, pemanas, dan motor listrik), peralatan elektronika biasanya bersifat nonlinier (hubungan antara tegangan dan arus tidak linier) . Inilah alasan mengapa dalam teknik energi listrik, peralatan elektronika dikategorikan sebagai beban nonlinier. Pada beban yang linier, bentuk gelombang arus akan mengikuti bentuk gelombang tegangannya. Kalau bentuk gelombang tegangan sumbernya sinusoidal maka gelombang arus yang mengalir juga akan sinusoidal. Pada beban yang nonlinier, arus listrik yang mengalir mempunyai bentuk nonsinusoidal walaupun tegangannya sinusoidal. Gelombang arus yang nonsinusoidal semacam ini disebut mengandung harmonisa. Pengukuran energi listrik pada kondisi nonsinusoidal ini terbukti banyak menimbulkan banyak masalah.

Gambar 1 memperlihatkan skema sistem listrik satu-fasa sederhana. Pada sistem A,bebannya diasumsikan linier dan bersifat resistif (misal lampu pijar). Pada sistem B, adanya dioda menyebabkan beban bersifat nonlinier. Diasumsikan bahwa dua macam beban ini menghasilkan daya keluaran yang sama, yaitu 2200 Watt. Tegangan sumber diasumsikan sama besar yaitu 220 Volt. Resistansi kabel yang digunakan untuk memasok beban diasumsikan sama yaitu 0,25 Ohm. Karena daya keluarannya sama, maka kedua konsumen akan membayar tagihan yang sama jika energi listrik diukur dengan kWh meter yang bekerja berdasarkan persamaan (1) dan (2). Untuk daya keluaran yang sama, arus yang ditarik pada sistem B lebih besar dibanding sistem A. Arus pada sistem A adalah 10 A sedangkan pada sistem B arusnya 14,14 A. Akibatnya, susut daya yang terjadi di kabel jauh berbeda. Pada sistem A, susut dayanya hanya 25 W sedangkan pada sistem B susut dayanya 50 W. Dalam hal ini, PLN rugi jika kWh meter yang bekerja berdasarkan persamaan (1) dan (2) digunakan untuk mengukur energi yang dikonsumsi oleh konsumen penghasil harmonisa seperti di sistem B. Susut daya yang besar juga menyebabkan trafo dan kabel PLN mengalami pemanasan lebih sehingga cepat menua dan rusak.

Di jaringan listrik milik PLN, satu penyulang atau penghantar digunakan untuk melayani beberapa pelanggan sekaligus. Jika satu atau beberapa pelanggan merupakan beban nonlinier maka tegangan yang dirasakan oleh semua pelanggan yang dipasok dengan penyulang yang sama akan menjadi nonsinusoidal. Sebagian harmonisa yang dihasilkan oleh pelanggan nonlinier akan mengalir ke pelanggan-pelanggan lainnya. Pelanggan linier yang tidak menghasilkan harmonisa akan merasakan akibat buruk harmonisa yang dihasilkan pelanggan lainnya. Peralatan milik pelanggan linier menjadi tidak efisien dan cepat rusak dengan adanya harmonisa. Jika energi listrik yang dikonsumsi oleh pelanggan linier diukur dengan kWh meter yang bekerja berdasarkan persamaan (1) dan (2) maka pelanggan linier dirugikan karena harus membayar lebih dari yang seharusnya. Pelanggan linier tidak pernah tahu bahwa sumber masalahnya adalah pelanggan nonlinier yang terhubung ke penyulang yang sama.

Sekarang coba kita bahas kasus beban tak setimbang. Gambar 2 memperlihatkan skema jaringan tiga-fasa yang memasok dua macam pelanggan. Resistansi kabel fasa dan netral diasumsikan sama sebesar Rs. Pelanggan A merupakan beban resistif yang setimbang sedangkan pelanggan B tidak setimbang. Jika kita asumsikan bahwa daya keluaran beban adalah sama maka arus yang mengalir menuju pelanggan B adalah tiga kali arus pelanggan A. Akibatnya, susut daya

di penyulang yang memasok pelanggan B menjadi jauh lebih besar (enam kali lebih besar) dibanding pelanggan A. Akan tetapi karena daya bebannya sama maka dua pelanggan ini akan membayar biaya listrik yang sama. Dari sisi PLN, jelas bahwa pelanggan B merugikan. Beban tak setimbang juga menyebabkan trafo yang dimiliki PLN cepat panas dan menua.

Adanya beban tak setimbang mengakibatkan tegangan yang dirasakan oleh konsumen lain yang terhubung ke penyulang yang sama menjadi tak setimbang. Banyak peralatan listrik menjadi tidak efisien dan cepat menua jika bekerja pada tegangan yang tak setimbang. Pelanggan yang bebannya setimbang akan merasakan akibat buruk yang dihasilkan oleh pelanggan tak setimbang. Karena energi listrik diukur dengan menggunakan persamaan (1) dan (2) maka pelanggan setimbang menjadi harus membayar listrik lebih mahal dari yang seharusnya. Energi yang terukur di pelanggan setimbang naik karena adanya energi tambahan yang muncul sebagai efek ketidaksetimbangan tegangan dan arus yang dihasilkan oleh pelanggan lain. Pelanggan yang setimbang tidak pernah tahu bahwa yang menyebabkan naiknya konsumsi energi, motor cepat panas, dan peralatan bekerja tak normal adalah konsumen lain yang bebannya tak setimbang.

Seperti telah dijelaskan di depan bahwa pengukuran energi listrik berdasarkan persamaan (1) dan (2) digunakan oleh hampir semua kWh meter di dunia ini. Persamaan (1) dan (2) hanya bisa memberikan hasil yang adil jika bentuk gelombang tegangan dan arusnya sinusoidal serta setimbang. Sebagai alat untuk jual-beli, kWh meter harus akurat dan adil. Bermacam cara untuk mengatasi permasalahan ini telah banyak diusulkan oleh para ahli tetapi belum ada yang diterima secara luas. PLN seharusnya menyadari adanya permasalahan ini dan berusaha mencari cara untuk mengatasinya. Dengan berlakunya undang-undang perlindungan konsumen, konsumen akan berani menuntut haknya. Oleh sebab itu, adanya kWh meter yang bisa mengukur energi listrik dengan akurat dan adil sangat diperlukan. Hasil pengukuran sementara di lapangan, terutama di Jakarta, menunjukkan bahwa arus yang mengalir di jaringan listrik mengandung banyak harmonisa serta tidak setimbang. Kandungan harmonisa arus diperkirakan akan terus meningkat dengan semakin banyaknya penggunaan peralatan elektronika dan komputer. Kondisi tak setimbang terutama ditemui di jaringan yang memasok perumahan dan bangunan komersial.