Distribusi tenaga listrik adalah tahap akhir dalam penyalurantenaga listrik. Tahap ini membawa listrik dari sistem transmisi ke konsumen individual. Gardu distribusi terhubung ke sistem transmisi dan menurunkan tegangan transmisi ke tegangan menengah antara 2 kV dan 35 kV dengan menggunakan transformator.[1] Kabel distribusi primer lalu membawa listrik bertegangan menengah tersebut ke transformator distribusi yang terletak di dekat lokasi konsumen. Transformator distribusi kemudian menurunkan tegangan ke tegangan utilisasi yang digunakan oleh lampu, peralatan industri, dan perabot rumah. Biasanya sejumlah konsumen dipasok oleh satu transformator melalui kabel distribusi sekunder. Konsumen komersial dan residensial biasanya terhubung ke kabel distribusi sekunder melalui sambungan listrik rumah. Konsumen yang membutuhkan listrik dalam jumlah yang lebih besar biasanya langsung terhubung ke kabel distribusi primer atau gardu listrik.[2]
Tata letak umum sistem tenaga listrik. Tegangan yang ditampilkan merupakan tegangan yang biasa digunakan di Eropa.
Transisi dari transmisi ke distribusi terjadi di gardu listrik sebagai berikut:[2]
Transformator menurunkan tegangan transmisi, 35 kV atau lebih, ke tegangan distribusi primer, biasanya 600–35.000 V.[1]
Dari transformator, listrik menuju ke busbar yang dapat membagi listrik ke beberapa kabel distribusi.
Distribusi listrik di perkotaan biasanya dilakukan melalui bawah tanah, terkadang melalui terowongan utilitas, sementara distribusi listrik di pedesaan biasanya dilakukan dengan tiang utilitas, sedangkan distribusi listrik di suburban biasanya dilakukan melalui bawah tanah maupun dengan tiang utilitas.[1]
Makin dekat ke lokasi konsumen, transformator distribusi menurunkan tegangan listrik ke tegangan distribusi sekunder, biasanya 120/240 V di Amerika Serikat untuk konsumen residensial. Listrik lalu menuju ke lokasi konsumen melalui sambungan listrik rumah dan meteran listrik. Panjang kabel distribusi sekunder di perkotaan dapat hanya kurang dari 15 meter (50 ft), tetapi dapat lebih dari 91 meter (300 ft) di pedesaan.[1]
Pada akhir dekade 1870-an dan awal dekade 1880-an, lampu busur diperkenalkan untuk digunakan di luar ruangan maupun di dalam ruangan, seperti sistem Brush Electric Company ini yang dipasang pada tahun 1880 di New York City.
Distribusi tenaga listrik baru dibutuhkan pada dekade 1880-an saat listrik mulai dibangkitkan di pembangkit listrik. Sebelum itu, listrik biasanya dibangkitkan di dekat lokasi konsumen. Sistem distribusi tenaga listrik yang dibangun di Eropa dan Amerika Serikat awalnya digunakan untuk menyalakan lampu, seperti lampu busur yang menggunakan tegangan sangat tinggi (sekitar 3000 volt) arus bolak-balik atau arus searah, dan bohlam yang menggunakan tegangan rendah (100 volt) arus searah.[3] Keduanya menggantikan sistem lampu gas, dengan lampu busur biasa digunakan sebagai lampu penerangan jalan, dan bohlam biasa digunakan sebagai lampu di rumah.
Karena tegangan tinggi yang digunakan oleh lampu busur, sebuah pembangkit listrik dapat memasok barisan lampu di jalan sepanjang hingga 7-mil (11 km).[4] Jika tegangan listrik dinaikkan dua kali lipat, kabel berukuran sama dapat menghantarkan listrik empat kali lebih jauh. Listrik untuk sistem bohlam arus searah di dalam ruangan buatan Edison, seperti yang dipasang di Pearl Street Station pada tahun 1882, sulit untuk dipasok ke lokasi yang berjarak lebih dari satu mil dari pembangkit listrik, karena tegangan yang digunakan pada sistem tersebut hanya 110 volt, dari pembangkit listrik hingga ke lokasi konsumen. Sistem tersebut membutuhkan kabel tembaga tebal, dan pembangkit listrik tidak boleh berjarak lebih dari 1,5 mil (2,4 km) dari konsumen terjauh untuk menghindari kebutuhan akan konduktor yang besar dan mahal.
Pengenalan transformator
Mentransmisikan listrik dalam jarak jauh pada tegangan tinggi dan kemudian menurunkannya ke tegangan rendah awalnya masih menjadi tantangan. Pada pertengahan dekade 1880-an, diluncurkan transformator yang memungkinkan tegangan arus bolak-balik untuk dinaikkan ke tegangan transmisi yang lebih tinggi dan kemudian diturunkan ke tegangan konsumen yang lebih rendah. Dengan biaya transmisi yang lebih murah dan keekonomian skala yang lebih besar, karena satu pembangkit listrik dapat memasok listrik ke seantero kota, penggunaan arus bolak-balik pun meningkat pesat.
Di Amerika Serikat, kompetisi antara arus searah dan arus bolak-balik makin meningkat pada akhir dekade 1880-an menjadi "perang arus" saat Thomas Edison mulai menyerang George Westinghouse yang mengembangkan sistem transformator arus bolak-balik pertama di Amerika Serikat, dengan menunjukkan semua kematian yang disebabkan oleh sistem arus bolak-balik bertegangan tinggi dan mengklaim bahwa sistem arus bolak-balik pada dasarnya berbahaya.[5] Upaya propaganda Edison tersebut tidak berumur panjang, dengan perusahaannya akhirnya beralih ke arus bolak-balik pada tahun 1892.
Arus bolak-balik lalu menjadi bentuk transmisi listrik dominan dengan adanya inovasi desain motor elektrik dan pengembangan sistem universal di Eropa dan Amerika Serikat yang memungkinkan banyak sistem terdahulu untuk dihubungkan ke sistem arus bolak-balik.[6][7]
Pada paruh pertama abad ke-20, di sejumlah tempat, industri tenaga listrikterintegrasi secara vertikal, dengan satu perusahaan melakukan pembangkitan, transmisi, distribusi, pengukuran, dan penagihan listrik sekaligus. Pada dekade 1970-an dan 1980-an, sejumlah negara memulai proses deregulasi dan privatisasi, sehingga mengarah ke pasar listrik. Sistem distribusi listrik tetap diatur secara ketat, tetapi pembangkitan, pemasaran, dan terkadang transmisi listrik ditransformasi menjadi pasar yang kompetitif.
Listrik dibangkitkan di pembangkit listrik, di mana tegangannya dapat mencapai 33.000 volt. Listrik yang dibangkitkan biasanya berarus bolak-balik. Pengguna arus searah dalam jumlah besar, seperti sejumlah sistem elektrifikasi perkeretaapian, sentral telepon, dan industri pemrosesan, seperti peleburan aluminium, menggunakan penyearah untuk menghasilkan arus searah dari pasokan arus bolak-balik, atau juga memiliki sistem pembangkitan listriknya sendiri. Arus searah bertegangan tinggi dapat digunakan untuk mengisolasi sistem arus bolak-balik atau mengendalikan jumlah listrik yang ditransmisikan. Contohnya, Hydro-Québec memiliki kabel arus searah dari James Bay ke Boston.[8]
Dari pembangkit listrik, listrik dialirkan ke gardu induk di dekat pembangkit listrik yang dilengkapi dengan transformator step-up untuk menaikkan tegangan dari listrik tersebut agar sesuai dengan kebutuhan transmisi, yakni antara 44 kV hingga 765 kV. Di dalam sistem transmisi, listrik tersebut digabungkan dengan listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik lain. Listrik kemudian dialirkan secepat mungkin ke konsumen, dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.
Distribusi primer
Tegangan distribusi primer bervariasi dari 4 kV hingga 35 kV fasa-ke-fasa (2,4 kV hingga 20 kV fasa-ke-netral)[9] Hanya konsumen besar yang dipasok langsung dengan tegangan distribusi. Sebagian besar konsumen dihubungkan ke sebuah transformator, yang menurunkan tegangan distribusi ke "tegangan utilisasi", "tegangan pasokan" atau "tegangan utama" yang digunakan oleh sistem kabel di dalam rumah.
Jaringan distribusi dibagi menjadi dua tipe, yakni radial dan jaringan.[10] Sistem radial disusun seperti pohon dengan tiap konsumen dipasok dari satu sumber pasokan, sementara tiap konsumen di sistem jaringan dipasok oleh lebih dari satu sumber pasokan yang beroperasi secara paralel. Sistem jaringan biasanya digunakan di kawasan yang lokasi konsumennya berdekatan, sementara sistem radial biasanya digunakan di kawasan rural atau suburban.
Sistem radial biasanya dilengkapi dengan penyulang darurat, sehingga sistem dapat direkonfigurasi jika terjadi masalah atau perawatan rutin. Rekonfigurasi tersebut dapat dilakukan dengan membuka atau menutup saklar untuk mengisolasi bagian tertentu dari sistem.
Rekonfigurasi, dengan mengganti hubungan fungsional antar elemen di dalam sistem, merupakan salah satu tindakan paling penting untuk meningkatkan performa operasional dari sebuah sistem distribusi. Sejak tahun 1975, saat Merlin dan Back[11] memperkenalkan ide rekonfigurasi sistem distribusi untuk mengurangi susut daya aktif, hingga saat ini, banyak peneliti telah mengajukan berbagai macam metode dan algoritma untuk memecahkan masalah rekonfigurasi sebagai sebuah masalah objektif tunggal. Sejumlah peneliti mengajukan pendekatan optimalisasi berbasis Pareto (termasuk susut daya aktif dan indeks reliabilitas sebagai tujuan). Untuk itu, sejumlah metode berbasis kecerdasan buatan pun telah digunakan, yakni mikrogenetik,[12] pertukaran cabang,[13] optimisasi particle swarm,[14] dan algoritma genetika pengurutan non-dominasi.[15]
Sistem elektrifikasi pedesaan cenderung menggunakan tegangan distribusi yang lebih tinggi, karena jauhnya jarak yang harus dicapai oleh kabel distribusi. Tegangan distribusi pedesaan yang biasanya digunakan di Amerika Serikat adalah 7,2, 12,47, 25, dan 34,5 kV, sementara di Britania Raya biasanya adalah 11 kV dan 33 kV.[16]
Layanan pedesaan biasanya berupaya untuk meminimalkan jumlah kabel dan tiang. Layanan pedesaan menggunakan tegangan yang lebih tinggi (daripada layanan perkotaan), sehingga memungkinkan penggunaan kabel baja galvanisir, yang memungkinkan tiang diletakkan dalam jarak yang lebih jauh. Di kawasan pedesaan, sebuah transformator dapat hanya melayani satu konsumen. Di Selandia Baru, Australia, Saskatchewan, Kanada, dan Afrika Selatan, sistem single-wire earth return (SWER) digunakan untuk mengalirkan listrik ke kawasan pedesaan.
Listrik tiga fasa digunakan untuk menyalakan fasilitas pertanian besar, fasilitas SPBU, fasilitas pengolahan air, dsb.
Di Amerika Utara, tiang listrik biasanya berupa empat kabel tiga fasa dengan sebuah konduktor netral. Sistem distribusi pedesaan juga dapat memiliki konduktor satu fasa dan netral yang panjang.[17]
Di kawasan pedesaan terpencil, kabel netral dihubungkan ke tanah untuk digunakan kabel return (single-wire earth return).
Listrik dihantarkan ke konsumen dengan frekuensi sebesar 50 atau 60 Hz, tergantung pada wilayahnya, sebagai tenaga listrik satu fasa. Di sejumlah negara di Eropa, listrik tiga fasa juga dapat dihantarkan untuk konsumen besar. Jika dilihat dengan osiloskop, listrik di Amerika Utara akan terlihat seperti gelombang sinus, yang berosilasi antara −170 volt dan 170 volt, sehingga tegangan efektifnya adalah 120 volt RMS.[18]Tenaga listrik tiga fasa lebih efisien dalam hal jumlah listrik yang dapat dihantarkan per jumlah kabel, dan lebih cocok untuk menyalakan motor elektrik besar. Sejumlah perabot besar di Eropa juga dapat dinyalakan dengan listrik tiga fasa, seperti kompor listrik dan pengering pakaian.
Sebuah kabel bumi biasanya disediakan di sistem milik konsumen serta di peralatan yang dimiliki oleh perusahaan ketenagalistrikan. Tujuan menghubungkan sistem milik konsumen ke bumi adalah untuk membatasi tegangan yang dapat timbul jika konduktor bertegangan tinggi jatuh ke konduktor bertegangan lebih rendah yang biasanya diletakkan lebih rendah, atau jika terjadi kegagalan di transformator distribusi. Sistem pembumian dapat berupa TT, TN-S, TN-C-S, atau TN-C.
^Parke Hughes, Thomas (1993). Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930. JHU Press. hlm. 120–121.
^Garud, Raghu; Kumaraswamy, Arun; Langlois, Richard (2009). Managing in the Modular Age: Architectures, Networks, and Organizations. John Wiley & Sons. hlm. 249.
^Csanyi, Edvard (10 August 2012). "Primary Distribution Voltage Levels". electrical-engineering-portal.com. EEP – Electrical Engineering Portal. Diakses tanggal 9 March 2017.
^Abdelhay A. Sallam and Om P. Malik (May 2011). Electric Distribution Systems. IEEE Computer Society Press. hlm. 21. ISBN9780470276822.
^Merlin, A.; Back, H. Search for a Minimal-Loss Operating Spanning Tree Configuration in an Urban Power Distribution System. In Proceedings of the 1975 Fifth Power Systems Computer Conference (PSCC), Cambridge, UK, 1–5 September 1975; pp. 1–18.
^Mendoza, J.E.; Lopez, M.E.; Coello, C.A.; Lopez, E.A. Microgenetic multiobjective reconfiguration algorithm considering power losses and reliability indices for medium voltage distribution network. IET Gener. Transm. Distrib. 2009, 3, 825–840.
^Amanulla, B.; Chakrabarti, S.; Singh, S.N. Reconfiguration of power distribution systems considering reliability and power loss. IEEE Trans. Power Deliv. 2012, 27, 918–926.
^Tomoiagă, Bogdan; Chindriş, Mircea; Sumper, Andreas; Sudria-Andreu, Antoni; Villafafila-Robles, Roberto (2013). "Pareto Optimal Reconfiguration of Power Distribution Systems Using a Genetic Algorithm Based on NSGA-II". Energies. 6 (3): 1439–1455. doi:10.3390/en6031439.
