Studi Pemodelan Karakteristik Gelombang Surja Pada

This PDF is Created by Simpo PDF Creator unregistered version - http://www.simpopdf.com
Studi Pemodelan Karakteristik Gelombang Surja Pada Konduktor Pentanahan
Horisontal Dengan Diagram Lattice
Muhammad Atiqurrohman– 2204100093
Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111
Abstrak: Surja adalah penyuntikan energi secara tiba-tiba
pada kawat. Surja dapat berupa surja petir yang disebabkan
oleh sambaran petir atau surja hubung yang disebabkan oleh
operasi switching.
Tanggapan sistem pentanahan terhadap surja sangat
berpengaruh terhadap tegangan lebih sistem penyaluran tenaga
listrik. Konduktor pentanahan merupakan komponen
pendukung sistem pentanahan. Panjang efektif konduktor
pentanahan perlu ditentukan untuk mendapatkan suatu jalur
arus surja ke tanah secara cepat dan efektif. Gelombang surja
mempengaruhi penentuan panjang konduktor pentanahan.
Pada tugas akhir ini, konduktor pentanahan
horisontal dan karakteristik gelombang surja pada konduktor
pantanahan horisontal dimodelkan dengan menggunakan
rumusan diagram lattice. Pemodelan ini bertujuan untuk
mendapatkan panjang efektif konduktor pentanahan
horisontal. Diagram lattice menggunakan persamaan
matematika dalam domain waktu sehingga metode dan
pendekatan yang digunakan sederhana dan mudah untuk
diaplikasikan. Analisis dan simulasi menggunakan software
MatLab.
Kata kunci : Konduktor Pentanahan, Karakteristik Surja,
Panjang Effektif, Diagram Lattice.
1. PENDAHULUAN
Surja merupakan sumber gelombang berjalan dan dapat
menimbulkan gangguan pada sistem tenaga listrik. Dari
sudut energi, surja pada kawat adalah penyuntikan energi
secara tiba-tiba pada kawat. Surja dapat dibedakan menjadi
surja petir dan surja hubung. Surja petir disebabkan oleh
sambaran petir dan memiliki impuls standard 1.2/50 µs.
Sedangkan surja hubung disebabkan oleh operasi switching
dan memiliki impuls standard 250/2500 µs. Jika tegangan
surja melebihi BIL (Basic Insulation Level) atau BSL (Basic
Switching Insulation
Level),
maka surja dapat
mengakibatkan kerusakan pada peralatan isolasi tersebut.
Sekarang ini, peralatan-peralatan elektronik (komputer,
PABX, instrumentasi, sistem alarm, CCTV, dsb)
menggunakan teknologi canggih yang sangat sensitif
terhadap perubahan tegangan tinggi, induksi dan kopling
kapasitif gelombang elektromagnetik. Surja dapat
mengakibatkan perubahan tersebut. Dengan demikian, surja
merupakan ancaman serius bagi sistem komputerisasi,
komunikasi dan alarm.
Karena surja merupakan sumber gelombang berjalan,
pantulan berulang dari gelombang berjalan perlu
diperhatikan. Untuk dapat mengikuti jejak gelombang dari
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
surja, metode diagram lattice atau diagram waktu-ruang
dapat digunakan. Dengan metode diagram lattice, posisi dan
arah gerak dari tiap-tiap gelombang datang, gelombang
pantulan dan gelombang terusan pada sistem transmisi
tenaga listrik dapat diamati. Metode diagram lattice
menggunakan persamaan matematika dalam domain waktu
sehingga metode dan pendekatan yang digunakan sederhana
dan mudah untuk diaplikasikan.
Sistem pentanahan adalah hubungan konduksi antara
jaringan atau peralatan listrik dengan bumi. Hubungan ini
dapat dilakukan dengan menanamkan konduktor pentanahan
ke bumi. Tujuan sistem pentanahan adalah untuk membatasi
tegangan pada jaringan atau bagian-bagian peralatan yang
tidak dialiri arus dan antara jaringan atau bagian-bagian
tersebut dengan tanah, hingga tercapai suatu nilai yang aman
untuk semua kondisi operasi, baik kondisi normal maupun
saat terjadi gangguan. Sistem pentanahan harus mempunyai
impedansi rendah untuk menyalurkan arus surja secara aman.
Konduktor pentanahan dengan panjang tertentu digunakan
dalam sistem pentanahan, karena konduktor pentanahan
dengan panjang tertentu menghasilkan nilai resistansi yang
rendah.
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Surja
Surja merupakan energi merambat pada kawat.
Surja terdiri atas surja arus dan surja tegangan. Dari sudut
energi, surja pada kawat disebabkan oleh penyuntikan energi
secara tiba-tiba pada kawat. Kecepatan merambat gelombang
berjalan tergantung dari konstanta-konstanta kawat. Pada
kawat di udara, kecepatan merambat gelombang berjalan
kira-kira 3.108 m/s. Pada kabel tanah, kecepatan merambat
gelombang berjalan kira-kira 1,5.107 m/s. Bila gelombang
mencapai titik peralihan atau diskontinuitas, gelombang akan
mengalami perubahan terhadap gelombang asal.
2.2. Diagram Lattice
Diagram lattice digunakan untuk melihat posisi dan
arah gerak dari tiap-tiap gelombang datang, gelombang
pantulan dan gelombang terusan pada sistem setiap saat.
Pengaruh redaman dan distorsi dapat diketahui dengan
diagram lattice.
1
This PDF is Created by Simpo PDF Creator unregistered version - http://www.simpopdf.com
3.
PEMODELAN KARAKTERISTIK SURJA PADA
KONDUKTOR PENTANAHAN HORISONTAL
Salah satu fungsi sistem pentanahan adalah mengurangi
kerusakan pada peralatan atau isolasi akibat surja. Konduktor
pentanahan merupakan komponen pendukung sistem
pentanahan. Konduktor pentanahan dengan panjang tertentu
digunakan dalam sistem pentanahan, karena konduktor
pentanahan dengan panjang tertentu menghasilkan nilai
resistansi yang rendah. Dengan demikian jalur arus surja
mengalir secara cepat and efektif ke tanah didapatkan.
Skema surja pada menara transmisi hingga
konduktor pentanahan dapat digambarkan sebagai berikut :
di mana :
R = (GΔx)-1
A = koefisien terusan dari k ke k+1
B = koefisien pantulan dari k ke k+1
A’ = koefisien terusan dari k+1 ke k
Z0 = impedansi surja
Δx = panjang dasar
Diagram lattice dapat diaplikasikan pada konduktor
pentanahan horisontal. Diagram lattice pada konduktor
pentanahan horisontal dapat digambarkan sebagai berikut :
(a)
Gambar 2 Skema surja pada menara transmisi
di mana :
= impedansi transmisi
Zs
Zt
= impedansi menara
= tahanan kaki menara
Rtf
asr
= koefisien pantulan pada sistem transmisi
ast
= koefisien terusan pada sistem transmisi
= koefisien terusan pada menara transmisi
att
= koefisien pantulan pada menara transmisi
atr
agt
= koefisien terusan pada konduktor pentanahan
agr
=koefisien pantulan pada konduktor pentanahan
Dengan demikian karakteristik surja pada
konduktor pentanahan horisontal dapat dimodelkan dengan
menggunakan rumusan diagram lattice. Rangkaian ekivalen
untuk konduktor pentanahan horisontal dapat digambarkan
sebagai berikut :
(b)
Gambar 4. (a)Konduktor pentanahan horisontal dengan
pengujian tegangan dc (b)Diagram lattice sepanjang
konduktor pentanahan horizontal
di mana:
Gambar 3. Rangkaian ekivalen konduktor pentanahan
E0
Ps
horisontal
Qs
Koefisien A, B, dan A’ dapat dirumuskan sebagai berikut :
v
2
= tegangan sumber
= koefisien terusan dari konduktor pentanahan ke
sumber
= koefisien pantulan dari konduktor pentanahan ke
sumber
= kecepatan cahaya pada saluran tanpa rugi-rugi
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
This PDF is Created by Simpo PDF Creator unregistered version - http://www.simpopdf.com
4.
SIMULASI DAN ANALISIS
4.1 Simulasi karakteristik surja dan panjang efektif
konduktor pentanahan horisontal.
jenis tanah adalah langkah pertama yang dilakukan dalam
merencanakan pengetanahan. Dalam perhitungan parameter
rangkaian ekivalen konduktor pentanahan horisontal
dilakukan pada lima macam jenis tanah, sehingga memakai
lima macam nilai resistivitas
Konduktor pentanahan horisontal dapat dimodelkan
menjadi rangkaian П-Ekivalen tanpa rugi.
Gambar 5. Rangkaian П-Ekivalen konduktor
pentanahan horizontal
Karakteristik surja pada konduktor pentanahan
horisontal menggunakan rumusan diagram lattice. Rumusan
diagram lattice dibatasi hingga orde ke-3. Rumusan-rumusan
yang digunakan, yaitu :
(1)
(2)
(3)
di mana A adalah koefisien terusan, dan B adalah koefisien
pantulan.
(4)
Tabel 1. Tahanan jenis tanah
Jenis Tanah
Resistansi(Ω.m)
Tanah Ladang
Tanah Liat
Tanah pasir dan berkerikil
Tanah pasir dan berbatu
Pegunungan (biasa)
Pegunungan Batu
Tanah Berbatu
5 – 50
8 – 50
60 – 100
10 – 500
20 – 200
200 – 500
200 - 10.000
Pemilihan bahan konduktor
Batang konduktor pentanahan horisontal biasanya
dari batang tembaga yang keras dan memiliki konduktivitas
tinggi, terbuat dari kabel tembaga yang dipilin (bare
stranded copper) dengan luas penampang 150 mm2 dan
mempunyai kemampuan arus hubung tanah sebesar 25 kA
selama 1 detik.
3. Perhitungan parameter rangkaian П-ekivalen
konduktor pentanahan horisontal.
2.
Perhitungan akan dilakukan dengan menggunakan
persamaan yang berdasarkan teori pada bab III.
Parameter-parameter konduktor pentanahan horisontal adalah
:
(5)
(6)
di mana :
(7)
(8)
di mana :
Vb’ =
Vb’’ =
Va
=
V
=
vo
=
tegangan pantulan orde I
tegangan pantulan orde II
tegangan pantulan pada ujung akhir konduktor
tegangan surja pada konduktor
0.33 kecepatan cahaya (m/s)
4.1.1. Penentuan parameter rangkaian
konduktor pentanahan horizontal
ρ
εr
d
r
=
=
=
=
resistivitas tanah
permitivitas relative tanah
kedalaman konduktor pentanahan horizontal
jari-jari konduktor pentanahan horizontal
Impedansi surja dan kecepatan pada saluran tanpa rugi-rugi
dapat dirumuskan sbb :
ekivalen
1. Penentuan nilai tahanan jenis tanah
Setelah diperoleh nilai tahanan jenis tanah, maka
berdasarkan nilai tahanan jenis tanah tersebut dibuat
perencanaan pengetanahan. Jadi Pengukuran nilai tahanan
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
3
This PDF is Created by Simpo PDF Creator unregistered version - http://www.simpopdf.com
-9
2.5
Karakteristik kapasitansi konduktor pentanahan horisontal
x 10
Tabel 4.2. Data-data perhitungan parameter konduktor
pentanahan horisontal
DATA-DATA PERHITUNGAN
NILAI
Panjang batang konduktor (m)
100
Jari – jari batang konduktor (m)
0,0005
Permitivitas ruang hampa (F/m)
8,854 x 10-12
9
Permitivitas relatif (F/m)
Permeabilitas ruang hampa (H/m)
4π x 10-7
Kedalaman penanaman (m)
1
Karena data panjang batang konduktor 100 m, pengamatan
dilakukan s.d. panjang 10 m dan 20 m. Perhitungan
parameter rangkaian ekivalen konduktor pentanahan
horisontal menggunakan tahanan jenis tanah 10 Ωm atau
jenis tanah liat
4.2. Hasil simulasi perhitungan parameter-parameter
konduktor pentanahan horisontal
-6
9
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Panjang batang konduktor (m)
8
9
10
Gambar 7. Karakteristik kapasitansi konduktor
pentanahan horisontal dengan batas pengamatan 10 m
Pada gambar 7 karakteristik kapasitansi konduktor
pentanahan horisontal adalah eksponensial naik. Semakin
panjang konduktor pentanahan, semakin besar nilai
kapasitansi konduktor pentanahan hingga mencapai besaran
yang tetap. Untuk panjang konduktor 5 m, nilai kapasitansi
konduktor pentanahan adalah 1,8 nF. Nilai kapasitansi
terbesar untuk konduktor pentanahan horisontal sepanjang 10
m adalah 2,2 nF
Karakteristik konduktansi konduktor pentanahan horisontal
1.5
Konduktansi (ohm)
di mana : v0 = adalah laju kecepatan cahaya
Dalam tugas akhir ini, jari-jari (r) konduktor pentanahan
menggunakan 5 mm, sedangkan kedalaman pentanahan (d)
menggunakan 1 m.
Berikut ini merupakan data-data yang diperlukan untuk
proses perhitungan pada persamaan (1)
Kapasitansi (F)
2
1
0.5
Karakteristik induktansi konduktor pentanahan horisontal
x 10
8
0
7
Induktansi (H)
6
0
1
2
3
4
5
6
7
Panjang batang konduktor (m)
8
9
10
Gambar 8. Karakteristik konduktansi konduktor
pentanahan horisontal dengan batas pengamatan 10 m
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Panjang batang konduktor (m)
8
9
10
Gambar 6. Karakteristik induktansi konduktor pentanahan
horisontal dengan batas pengamatan 10 m
Karakteristik induktansi konduktor pentanahan horisontal
adalah kurva naik atau linier. Semakin panjang konduktor
pentanahan, nilai induktansi semakin besar. Untuk panjang 5
m, nilai induktansi konduktor pentanahan adalah 3,6.10-6 H.
Nilai induktansi paling besar untuk konduktor pentanahan
horisontal sepanjang 10 m adalah 8,5.10-6 H.
Pada gambar 8. Karakteristik konduktansi konduktor
pentanahan horisontal turun dengan cepat kemudian naik
secara linier. Untuk panjang lebih dari 0,2 m, nilai
konduktansi bertambah seiring dengan pertambahan panjang
konduktansi pentanahan. Untuk panjang konduktor 5 m, nilai
konduktansi adalah 0,4 Ω. Nilai konduktansi terbesar untuk
konduktor pentanahan horisontal sepanjang 10 m adalah 1,5
Ω.
4.3. Simulasi karakteristik surja pada konduktor
pentanahan horisontal
Gambar 9. Pengujian tegangan dc terhadap konduktor
pentanahan horisontal
4
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS