Langkah 8 Proses Desain Penerangan Jalan

8.   Langkah Desaian 8 adalah Menghitung Drop Tegangan

        Untuk menentukan perlengkapan dan komponen listrik yang sesuai dengan rencana, perhitungan drop tegangan harus dilakukan. Perhitungan drop tegangan  menunjukkan jumlah tegangan yang akan mengalir pada luminer yang terjauh pada rangkaian cabang sistem penerangan. Drop tegangan menjadi perhatian dalam rangka untuk memastikan bahwa tegangan pada semua luminer cukup untuk mengoperasikan luminer lampu dengan baik, dan juga untuk menghindari operasi yang tidak efisien dari sistem penerangan karena besarnya jumlah kerugian tegangan dan daya dalam sistem distribusi listrik (kabel penghantar).

     Kabel penghantar yang mengalirkan arus ke luminer dalam sistem penerangan memiliki sejumlah kecil hambatan (resistansi). Resistansi kawat penghantar tergantung pada ukuran (deameter) kawat, bahan kawat, dan panjang kawat pengahantar tersebut. Ketika arus mengalir melalui kabel dalam perjalanan ke lampu, tegangan sebanding dengan resistansi di sepanjang kawat dan tegangan ini mengurangi besar tegangan pada sumber listrik, sehingga tegangan yang sampai pada luminer terjauh menjadi lebih rendah. Jika resistansi kawat adalah terlalu tinggi untuk sejumlah arus yang mengalir melalui kawat tersebut, maka drop tegangan sepanjang kawat juga akan tinggi, sehingga tidak mungkin memperoleh tegangan yang cukup pada luminer. Menurut National Electrical Code mensyaratkan nilai maksmial drop tegangan adalah 3 % dari tegangan nominal merupakan batas yang wajar dari besarnya drop tegangan pada rangkaian cabang sistem penerangan. Tegangan sepanjang kawat dikalikan dengan arus yang mengalir melalui kawat menghasilkan kerugian daya dalam kawat. Semakin tinggi hambatan dari kawat, semakin tinggi pula drop tegangan sepanjang kawat, dan semakin besar daya yang digunakan dalam sistem kabel. Perhitungan drop tegangan menentukan ukuran (deameter) kawat dari bahan tertentu yang diperlukan untuk membawa arus sejauh jarak yang diperlukan tanpa menimbulkan terlalu besar kerugian tegangan dalam kawat.

          Persamaan berikut, yang dikenal sebagai Hukum Ohm, biasanya digunakan untuk menentukan drop tegangan pada rangkaian cabang sistem penerangan :

Er = I x R

Dimana,

Er = drop tegangan di sepanjang segmen kawat

I = arus yang mengalir di sepanjang kawat yang sama

R = resistansi di sepanjang kawat

   Penjelasan mengenai penggunaan hukum Ohm tersebut di atas adalah sebagai berikut:

-   Persamaan ini hanya benar-benar akurat untuk sistem arus searah (DC)., dengan batas arus dalam rangkaian cabang sebesar 20 ampere pada pemutus rangkaian (circuit breaker), dan frekuensi listrik pada 50 Hz. Persamaan juga cukup akurat untuk rangkaian cabang sistem penerangan dengan sistem arus bolak-balik (AC).

-   E adalah nilai yang belum diketahui, yang akan dicari atau dihitung.

-  I untuk setiap segmen kawat dihitung dengan menjumlahkan arus tiap luminer pada segmen kawat dengan feeder yang sama (yaitu semua luminer lampu hilir pada kawat itu).

-  R untuk segmen kawat tertentu dihitung dengan mengalikan panjang kawat (dalam ribuan meter) di segmen itu dengan tahanan jenis kawat (tergantung dari bahan kawat) per ukuran (luas penampang) kawat sepanjang 1000 meter tersebut. Dalam bentuk rumus ditulis : 

R = (l x p) / q.

Dimana: 
l = panjang kawat penghantar dalam meter
p = tahanan jenis kawat (tembaga = 0,0175)
q = luas penampang kawat penhantar  dalam mm²

-  Total drop tegangan pada luminer terjauh dihitung dengan menjumlahkan drop tegangan setiap segmen kawat dari kabinet (PHB) yang melayani luminer tersebut.

-    Arus untuk luminer tunggal dari berbagai jenis dan nilai-nilai hambatan untuk beberapa jenis kawat dirangkum seperti dalam tabel di bawah ini.

Tabel 3. Besarnya arus untuk luminer sodium tekanan tinggi (HPS) dalam Ampere

Tabel 4. Besarnya arus untuk luminer metal halide dalam Ampere

Tabel 5. Besarnya resistansi kawat penghantar dalam Ohm per 1000 meter(feet)

          Drop tegangan harus dihitung untuk kawat fasa (kawat yang tidak di-ground-kan) dan kawat netral (kawat yang di-ground-kan). Dan drop tegangan masing-masing kawat tersebut harus dijumlahkan, sehingga akan didapatkanl drop tegangan total. Dalam rangkaian dua kawat, arus yang mengalir dalam kawat fasa akan kembali ke dalam kawat netral, sehingga arus yang mengalir dalam kawat netral adalah sama besarnya dengan arus yang mengalir dalam kawat fasa. Oleh karena itu total drop tegangan rangkaian dua kawat  dapat dicari dengan menghitung drop tegangan hanya pada kawat fasa dan selanjutnya mengalikan besarnya drop tegangan yang didapat tersebut dengan angka 2 (dua)..

          Sebagian besar rangkaian cabangpenerangan dalam sistem penerangan yang dirancang oleh suatu kota/negara menggunakan rangkaian 1 fasa 3 kawat. Sebuah rangkaian 3 kawat terdiri dari 2 kawat fasa dan 1 kawat netral, bukan 1 kawat fase dan 1 kawat netral seperti dalam rangkaian 2 kawat. Dalam rangkaian 3 kawat, kawat netralnya di sekitar nol volt dengan dihubungan ke tanah (ground), sedangkan 2 kawat fasanya berbagi netral yang sama dan pada tegangan yang berlawanan dengan dihubungkan ke kawat netral. Sebagai contoh, jika pada beberapa waktu tertentu tegangan dalam 1 kawat fasa adalah 240 volt dengan dhubungan ke kawat netral, maka tegangan pada kawat fase lainnya pada waktu yang sama akan menjadi 240 volt dengan dihubungan ke kawat netral. Pentingnya pengaturan tegangan ini adalah bahwa arus yang kembali ke kawat netral dari salah satu kawat fase akan membatalkan arus yang kembali ke kawat netral dari kawat fasa yang lain. Jadi, jika beban pada 2 kawat fasa persis seimbang, maka tidak akan ada arus di kawat netral, dan tidak ada drop tegangan di kawat netral. Dalam hal ini, total drop tegangan pada luminer terjauh hanya sama dengan total drop tegangan pada kawat fase, dan drop tegangan pada kawat netral dapat diabaikan.

          Dua contoh perhitungan drop tegangan yang ditunjukkan di bawah ini, salah satu contoh adalah untuk luminer tunggal yang dialirkan ke salah satu kawat fase seperti yang biasanya dilakukan. Contoh kedua adalah untuk tiang luminer ganda/kembar yang mungkin ditemukan pada pembatas tengah (median) jalan. Dua tegangan berbeda yang digunakan dalam contoh adalah untuk menggambarkan penerapan drop tegangan pada tegangan yang berbeda.

Contoh 1 : Drop tegangan  untuk Luminer tunggal

          Sistem penerangan dalam contoh 1 ini terdiria dari perlengkapan dan komponen  sebagai berikut :

-   Luminer dengan lampu sodium tekanan tinggi (HPS) 250 W

-  Jarak antar tiang adalah 130 meter

-   Kabel dalam sistem saluran pipa (conduit) jenis kawat tunggal ukuran 4 mm

-   Sistem tegangan lampu 120/240 volt.

-   Pada rangkaian cabang penerangan terdapat sejumlah 9 lampu, yang dialirkan ke salah satu kawat fase. Rangkaian seperti ini biasanya ditemukan pada sistem penerangan jalan pusat kota.

-   Sebuah diagram pengawatan untuk rangkaian cabang penerangan ini ditunjukan seperti di bawah ini, label segmen kawat dan jarak antar lampu juga ditunjukan pada diagram tersebut.

Gambar 7. Diagram rangkaian penerangan jalan dengan sistem 120/240 V

     Berikut ini adalah perhitungan untuk memecahkan masalah pada contoh 1 :

-     Dari tabel arus (tabel 3), arus yang tepat untuk luminer sodium tekanan tinggi (HPS) 250 Watt pada tegangan 120 volt adalah 2,9 ampere.

-   Dari tabel resistenasi (tabel 5), hambatan untuk kawat tembaga tunggal ukuran 4 mm adalah 0.259 ohm per 1000 meter.

-   Tabel berikut (tabel 6) adalah cara menghitung drop tegangan kawat fase untuk setiap segmen kawat dan akan menghasilkan total drop tegangan. Penjelasan mengenai penggunaan tabel 6 adalah sebagai berikut :

Tabel 6. Drop Tegangan pada Luminer HPS 250 W, Sistem 120/240 V 

-    Jarak (distance) adalah dihasilkan dari tata letak sistem.

-   Hambatan (resistance) dihitung dengan mengalikan jarak dalam ribuan meter (feet) dengan hambatan per 1000 meter (feet).

-   Arus (current) dihitung dengan mengalikan jumlah luminer yang teraliri oleh masing-masing segmen kawat yaitu sebesar 2,9 ampere per luminer.

-  Kerugian tegangan (drop voltage)  di setiap segmen kawat dihitung dengan mengalikan arus dalam setiap segmen kawat dengan resistensi setiap segmen kawat.

-  Total drop tegangan dihitung dengan menjumlahkan drop tegangan pada seluruh segmen kawat.

-   Arus dalam kawat netral diabaikan untuk perhitungan ini. Berdasarkan pada sistem tata letak, drop tegangan pada kawat netral dapat menambah atau mengurangi total drop tegangan yang dihitung. Tetapi kontribusi drop tegangan pada kawat netral sangat kecil bila dibandingkan dengan drop tegangan pada kawat fasa jika beban sistem cukup seimbang, sehingga dapat diabaikan.

-   Bila 3 persen dari 120 volt adalah 3,6 volt, maka nilai ini dapat diterima sebagai drop tegangan yang wajar sesuai dengan ketentuan, dan kabel  tunggal ukuran 4 mm dapat digunakan.

-   Jika menggunakan kabel tunggal ukuran 6 mm, maka resistensi akan menjadi  0,410 ohm per 1000 meter (feet) dan drop tegangan akan menjadi 4,2805 volt. Hal ini melebihi 3 persen dari 120 volt, jadi kabel ukuran 6 mm kurang kecil.

-  Perhitungan akan sama jika 4 kabel penghantar lapis baja ukuran 4 mm yang digunakan sebagai pengganti kabel penghantar tunggal ukuran 4 mm.

Contoh 2 : Drop tegangan untuk Luminer Ganda/Kembar

          Sistem penerangan dalam contoh 2 ini terdiri dari perlengkapan dan komponen sebagai berikut :

- Luminer sodium tekanan tinggi (HPS) 250 Watt

- Tinggi tiang 240 meter dengan 2 luminer pada setiap tiang

- Sistem kabel dalam pipa saluran (conduit) dengan penghantar kawat tunggal ukuran 4 mm.

- Sistem tegangan lampu 240/480 volt.

- Pada rangkaian cabang penerangan terdapat sejumlah 16 lampu, yang setiap lampu dalirkan ke masing-masing kawat fasa pada masing-masing tiang. Rangkaian penerngan seperti ini biasanya ditemukan pada pembatas tengah (median) jalan bebas hambatan.

- Sebuah diagram pengawatan untuk rangkaian cabang penerangan ini ditunjukan seperti di bawah ini, label segmen kawat dan jarak antar lampu juga ditunjukan pada diagram.

Gambar 8. Diagram rangkaian penerangan jalan dengan sistem 240/480 V

Berikut ini adalah perhitungan untuk memecahkan masalah pada contoh 2 :

- Dari tabel arus (tabel 3), arus yang sesuai untuk luminer sodium tekanan tinggi (HPS) 250 Watt pada tegangan 240 volt adalah 1,4 ampere.

- Dari tabel resistansi (tabel 5), hambatan untuk kawat tembaga tunggal ukuran 4 mm adalah 0.259 ohm per 1000 meter (feet).

- Tabel berikut (tabel 7) adalah menghitung drop tegangan kawat fase untuk setiap segmen kawat dan menghasilkan total drop tegangan. Drop tegangan di setiap segmen kawat dihitung dengan cara yang sama seperti pada Contoh 1.

Tabel 7. Drop Tegangan pada Luminer HPS 250 W, Sistem 240/480 V

- Arus dalam kawat netral diabaikan untuk perhitungan ini, jika tiang luminer pada rangkaian cabang hanya menggunakan lengan ganda/kembar, beban persis seimbang pada semua titik dalam rangkaian, tidak ada arus di mana saja pada kawat netral, dan drop tegangan dihitung dengan benar.

- Bila 3 persen dari 240 volt adalah 7,2 volt, maka nilai ini dapat diterima sebagai drop tegangan yang wajar sesuai ketentuan, dan kabel penghantar tunggal ukuran 4 mm dapat digunakan.