tests magister - Institut Teknologi Bandung

KOORDINASI PROTEKSI ARESTER ,-CATUDAYA
TEGANGAN RENDAH DENGAN ELEMEN
DEKOPLING BERINTI UDARA, FERIT DAN BEST
TESTS MAGISTER
Oleh:
WIJONO
NIM :23298067
BIDANG KHUSUS TEKNIK TEGANGAN TINGGI
PROGRAM STUDI TEKNIK ENERGI ELEKTRIK
I NSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2001
ABSTRAK
Piranti proteksi untuk catu daya tegangan rendah bisa berups
arester varistor atau suatu kaskada arester varistor dengan arester
spark gap. Kaskada arester dibutuhkan jika arester varistor tidak
mampu lagi dilalui arus surja yang melebihi kapasitasnya. Untuk
itu diperlukan arester dengan kemampuan arus yang lebih tinggi
untuk dikoordinasikan di dalam suatu kaskada arester. Oleh karena
biasanya arester spark gap mempunyai karakteristik tegangan
potong yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan potong
arester varistor, suatu impedansi yang dihubungkan seri dengan
arester varistor diperlukan untuk mendapatkan tegangan jatuh yang
cukup agar arester spark gap bekerja. lmpedansi ini dikenal sebagai
elemen dekophng atau juga impedansi seri.
Jenis elemen dekopling induktif banyak dipakai dalam
kaskada karena bisa menghasilkan tegangan jatuh yang cukup
tinggi pada saat dilalui anus impuls namun memberikan tegangan
jatuh yang rendah pads saat dilalui anus daya. Untuk meningkatkan
induktansi elemen, sebuah inti dengan permeabilitas yang tinggi
dapat diberikan, misalnya ferit atau besi.
Perbedaan perilaku inti, udara, ferit dan besi diteliti di dalam
tesis ini, demikian juga perilaku arester varistor dan arester spark
gap. Perbedaan perilaku elemen dekopling dengan adanya
perbedaan sifat intinya memberikan perbedaan perilaku koordinasi
proteksi.
Dengan mengacu pada karaketristik arester varistor yang
dibutuhkan untuk memberi proteksi suatu sisten catu daya.
koordinasi proteksi kaskada arester bisa dirancang. Dan dengan
demikian, jenis dan konstruksi elemen dekopling bisa ditentukan.
DAFTAR ISI
ABSTRAK
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR GRAFIK
DAFTAR TABEL
BABIPENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
1.2. Permasalalian
1.3. Tujuan Penelitian
1.4. Pembatasan Masalah
1.5. Manfaat Penelitian
1.6. Ruang Lingkup
1.7. Metodologi Penelitian
1.8. Studi Kepustakaan
1.9 Sistematika Penulisan
BAB 11 SISTEM PROTEKSI TEGANGAN-LEBIH,
ARESTER DAN KASKADA ARESTER
2.1. Proteksi Tegangan-lebih
2.2. Arester-arester Tegangan Rendah
2.3. Rangkaian Arester
2.4. Kaskada Arester Catu Daya
2.4.1. Arester spark gap (sela udara)
2.4.2. Varistor
2.4.3. Eletnen dekopling
BAB III KOORDINASI PROTEKSI ARESTER CATU
3.1. Kaskada Arester Catu Daya
3.2. Koordinasi Proteksi
3.3. Arester Spark Gap
3.4. Arester Varistor
3.5. Elemen Dekopling
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS
4.1. Rangkaian Pengujian
4.2. Langkah-langkah Pengujian
4.3. Hasil Pengujian dan Analisis
iv
i
ii
iv
vi
viii
ix
-
1
2
2
2
3
3
3
4
5
6
8
13
13
14
15
23
31
31
33
34
35
39
40
40
DAFTAR GAMBAR
Gambar. 2. l.
Gambar 2.2.
Gambar 2.3.
Gambar 2.4.
Gambar 2.5.
Gambar 2.6.
Gambar 2.7.
Gambar 2.8.
Gambar 2.9.
Gambar 2.10
Gambar 3.1.
Gambar 3.2.
Gambar 4.1.
Gambar 4.2.
Gambar 4.3.
Gambar 4.4.
Gambar 4.5.
Gambar 4.6.
Gambar 4.7.
Berbagai bentuk arester gas dan simbolnya
Contoh Bentuk Arester Varistor dan
Simbolnya
Dioda Avalance (Zener) dan Simbolnya
Dioda Supressor
Bentuk Gelombang Potong Arester Spark
Gap dan Simbolnya
.
Kurva Karakteristik Simetris Varistor
Strukturmikro Varistor
Rangkaian Ekivalen Varistor
Kurva Magnetisasi
Rangkaian Pengganti Elemen Dekopling.
Gelombang Arus Impuls 8/20 gs
Kaskada Arester Catu Daya
Bentuk Gelombang Potong Arester Spark
Gap Hasil Pengujian
Bentuk Gelombang Potong Arester Varistor
Hasil Pengujian.
Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus
Hasil Pengujian L05 dengan V 2KV
Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus
Kaskada dengan Elemen Dekopling LO 1
Inti Udara saat Arester Spark Gap Belum
Bekerja
Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus
Kaskada dengan Elemen Dekopling LO 1
Inti Ferit saat Arester Spark Gap Belum
Bekerja
Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus
Kaskada dengan Elemen Dekopling LO I
Inti Besi saat Arester Spark Gap Belum
Bekerja
Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus
vi
9
11
12
12
14
15
16
17
23
37
36
37
42
47
57
67
68
69
71
BAB
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Sistem kelisirikan catu daya tegangan rendah smigat sering
mengalami gangguan tegangan-lebih transien, karena lokasi
instalasinya yang pada umumnya bersentuhatt langsung dengan
sumber gangguan. Selain itu, gangguan bisa juga ditimbulkan di
dalam siste n itu yang sendiri berupa gangguan internal. Untuk
mengatasi ini dibutuhkan suatu sistem proteksi tegangan-lebib
transien.
Sistern proteksi catu days tegmmgan rendah, misalnya catu
daya tegangao 220 V, membutuhkan piranti proteksi dengan
kapasitas arus yang tidak terlalu besar dart piranti pemotong
tegangan yang tidak terlalu halus. Pada sistem catu daya tegangan
yang lebih tinggi diperlukan sistem proteksi dengan kapasitas arus
yang besar, sedangkan pada sistem peralatan elektronika
diperlukan sistem proteksi dengan kapasitas anus kecil dan
pemotongan tegangan yang sangat halus.
Arester yang dibutuhkan untuk sistem proteksi catu daya
tegangan rendah bisa berupa jenis gas. varistor ataupun spark gap.
Setiap jenis ini akan memberikan karakteristik proteksi yang
berbeda-beda. Gas dan sparkgap akan memberikan pemotongan
tegangan yang tajam, sedangkan varistor memberikan pemotongan
mendatar pada level tegangan tertentu. Spark gap mempunyai
kapasitas arus yang besar, sedangkan gas lebih rendah, dan juga
varistor. Namun varistor memberikani keuntungan karena respon
yang sangat cepat. Jika arus gangguan rendah, proteksi dengan
varistor sudah mencukupi. Jika ants gangguan cukup besar, lebih
besar dari kemanpuan varistor, maka pirmiti proteksi dengan
kemanipuan arcs yang lebih besar diperlukan. Kenyataannya~
piratiti proteksi dengan kemampuan arus yang besar memberikan
tegangan potong yang tinggi. Dari kelebihan dan kekurangan
Wijono 23298067
Tesis Maoister
2
kedua jenis piranti proteksi ini dapat dibuat suatu kombinasi
proteksi. Kedua piranti proteksi dikoordinasikan dalam suatu
sistem kaskada untuk memberikan karakteristik proteksi yang
diinginkan. Sistem kaskada ini memerlukan piranti tambalian
berupa suatu elemen dekopling, sehingga koordinasi proteksi
antara arester yang satu dengan yang lain bisa dicapai den-au baik.
Daii dua jenis elemen dekopling, resistif dan induktif elernen
dekopling jenis induktif akan diteliti di dalarn tesis ini.
Perilaku suatu induktor antara lain sangat dipengarubi oleb
jenis intinya. Perilaku tersebut meliputi perilaku induktansi,
kapasitansi, dan resistansi induktor. Jika inti induktor diganti dari
udara (tanpa inti) menjadi feat maupun besi, maka ketiga
parameter tersebut berubah sangat signifikan. Dengan
memanfaatkan perubahan ini, dan perubaban lain berkenaan
dengan perlaku inti, maka akan dapat dirancang suatu elemen
dekopling yang mempunyai perilaku kbusus sesuai dengan yang
dibutuhkan.
1.2. Permasalahan
Penmasalaban di dalarn penelitian tesis in.i adalah bagaimana
perbedaan perilaku koordinasi proteksi yang melibatkan elemen
dekopling yang berbeda inti kumparannya, yaitu inti udara. ferit
dan besi.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian di dalam tesis ini adalah untuk
mendapatkan karakteristik koordinasi proteksi kaskada arester catu
daya tegangan rendah dengan elemen dekopling bennti ud.m:L ferit
dan besi.
1.4. Pembatasan Masalah
Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pembatasan
masalah sebagai berikut.
• Jenis arester yang digunakan adalah arester spark gap dan jenis
varistor yang digunakan untuk catu daya tegangan rendah
220%.
Wiiorro 2329606
Tesis Magister
•
•
•
•
Bentuk elemen dekopling berupa kumparan solenoida berinti
udara (tanpa inti), ferit dan besi. Inti ferit dan besi berdimensi
sama.
Pengujian dilakukan tanpa beban dan tanpa catu daya.
Pengujian menggunakan generator impuls hibrid tegangan
1.2/50 ps dan arcs 8/20 ps, secara langsung (tanpa kopling).
Analisis dilakukan untuk menggambarkan perilaku koordinasi
proteksi kaskada arester untuk ketiga jenis inti tersebut di atas.
1.5. Manfast Penelitian
Hasil penelitian tentang perilaku elemen dan perilaku
koordinasi proteksi sangat bennanfaat untuk perancaugan elemen
dekopling dan perancangan kaskada arester. Di samping itu_
dengan membuat variasi penlaku eleven dekopling akan terlihat
i nteraksi setiap eleven penyusun kaskada. Interaksi ini akan
bermanfaat untuk memperbaiki analisis perilaku kaskada arester
terbadap surja.
1.6. Ruang Lingkup
Hal-hal yang terlingkup di dahun penelitian ini adalab
fenomena transien - kbususnya surge, arester - khususnya untuk
untuk catu days, yaitu arester spark gap tanpa gas, arester varistor
(metal oxide), eleven dekopling, peilaku inti besi, ferit dan udara.
dan pengujian laboratorium
1.7. Metodologi Penelitian
Pada penelitian ini disusun metodologi sebagai berikut.
• Perancangan elemen dekopling, berupa 5 kumparan tembaga
dengan inti udara, ferit dan besi, kemudian mengukur
resistansi, induktansi dan kapasitansi setiap kumparan tersebut.
Bentuk elemen dekopling adalah silinder.
• Pengujian arester spark gap dan varistor, menggunakan
generator bibnd hingga tegangan 6 kV, 3 kA
• Pengujian elemen dekopling, untuk mengetahui bentuk
gelombang tegangan (tegangan iatuh) dan bentuk gelombang
arus.
wjono 23298061
Tesis Magister
4
•
•
•
Pengujian rangkaian arester kaskada, untuk mengetahui
perilaku gelombang tegatgan dan anus pada terminal-terminal
arester yang menunjukkai perilaku koordinasi proteksinya.
Melakukan analisis hasil pengujian untuk mengliasilkan
gambaran koordinasi proteksi kaskada arester.
Membuat suatu kesimpulan.
1.8. Studi Kepustakaan
Dua jenis pengujian arester untuk catudaya tegangan rendah,
yaitu normal mode - surja diberikan antara line dan netral, dan
common mode - surja diberikan antara line dan ground. Pada
penelitian tesis ini meuggunakan commond mode. Karakteristik
tegangan clamping varistor hampir mendatar dan magnituda
tegangan clampingnya pada dasarnya sama jika polaritasnya
dibalikt' 1.
Kaskada arester dapat dilakukan dengan menggunakan
elernen dekopling berupa saluran (wiring). Gwianya wiring ini
adalah untuk membuat jatuh tegangan. Pada saat surja energi
tinggi, arester varistor terhindar dari surja karena arester spark gap
bekei ja, pada level anis rendah arester varistor akan inenyerap
seluruh energi suria dan melepas ke tanah karena arester spark gap
tidak bekerja
lnduktor dapat dutnodelkan sebagai rangkain RLC
terdistribusi dan terkurnpul. Pengukuran dengai RLC meter 10
kHz dapat dipakai hingga beberapa pulub kH-7.Namun nilai
parameter ini berubah mendadak pada scat frekuensi beberapa
ratus kHz. lnduktansi dan resistansi kumparan nilainya naik
dengan pertainbaban jumlah flitan, sedangkan nilai kapasitansinya
rnenurun.~'rt. Hasil ini dapat diterapkan untuk pemodelan elemen
dekopling. Nilai induktansi dan resitansi induktor dapat dihitungan
persamaan matenatis, sedangkan nilai kapasitansi dihithrng
berdasarkan frekuensi resonansi induktor, yakni dengan
rnenberikan suwp frekuensi hingga diperoleh titik resosnansinya.
Untuk induktor kecil, pengaruh kapasitansi dapat dibe iikan untuk
kawasan frekuensi hingga beberapa kilohertz. Pada frekuensi
Wjonv 23296067
Tesis Magister
5
beberapa megahertz, untuk induktor tersebut, nilai kapasitans
mendadak menjadi dorninan. (51
1.9. Sistcmatika Penulisan
Sistematika penulisan tesis ini adalah sebagai berikut
Bab I : Pendahuluan, berisi tentang latar belakang, permasalahan,
pembata-san masalah, manfaat penelitian, ruang lingkup,
metodologi penelitian, studi kepustakaan dan sistematika
penulisan.
Bab II: Proteksi Tegangan Lebih, Arester dan Kaskada
Arester Cato Daya, berisi tentang prinsip-prinsip proteksi
peralatan, jenis jenis arester untuk tegangan rendah dan kaskada
arester catu daya.
Bab III: Koordinasi Proteksi Arester Catu Daya, berisi tentang
tinjauan teori koordinasi proteksi yang dipakai pada sistem catu
daya tegangan rendah (220 volt) dan dasar-dasar analisis
koordinasi.
Bab IV: Hasil Pengujian Dan Analisis. berisi tentang rangkaian
pengujian, cars pengujian, hasil pengujian, dan analisis pengujian.
Bab `': Kesimpulan, berisi tentang kesimpulan seluruh analisis.
Wjono 23298061
Tesis Magister