PROTEKSI PETIR PADA TRANSISI SALURAN

JETri, Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372
PROTEKSI PETIR PADA TRANSISI SALURAN
UDARA DAN BAWAH TANAH TEGANGAN
MENENGAH 20 kV
Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh
Dosen-Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti Jakarta
Abstract
This paper summarizes the main results of a study aimed at determining the maximum
lightning overvoltages in branchless underground feeder protected by metal-oxide arresters.
The study has two parts. Initially, it is performed assuming an ideal behavior of all
components: the goal is to gain insight into the physical phenomenon. This will be useful to
understand the main results obtained in the second part, where an advanced model is used
for representing arresters.
Keywords: Lightning, Surge Arresters, Underground Cables
1. Pendahuluan
Kerusakan saluran kabel bawah tanah pada umumnya disebabkan
oleh sambaran petir (Abduh, 1998; Abduh, 2000). Oleh karena itu, proteksi
pada saluran ini menjadi bagian yang penting dalam distribusi tenaga listrik.
Untuk mengatasi kerusakan pada kabel, diperlukan cara yang tepat untuk
menjaga tingkat proteksi. Cara ini diperlukan untuk menentukan tegangan
lebih maksimum pada saluran tersebut dengan akurasi yang tepat. Menjaga
tingkat proteksi merupakan bagian yang sulit karena petir memiliki
intensitas yang bermacam-macam. Oleh karena itu, kalkulasi dan simulasi
komputer dalam tingkat proteksi perlu ditingkatkan.
Gambar 1. menunjukkan skema dari transisi saluran udara-bawah tanah.
Sambaran petir mengenai setiap titik pada saluran yang mendekati titik
transisi. Gelombang berjalan yang dihasilkan oleh sambaran petir menyebar
ke saluran bawah tanah.
Tegangan lebih maksimum dan gelombang berjalan yang
dihasilkan oleh sambaran petir akan menjadi penyebab utama kerusakan
pada saluran bawah tanah. Hal ini dapat direduksi apabila terdapat suatu
sistem proteksi yang tepat. Tegangan dalam komponen saluran bawah tanah
dapat dihasilkan dengan menginduksikan tegangan lebih maksimum yang
dihasilkan oleh sambaran petir ke dalam jaringan (Chowdhuri, 1996;
Martinez & Molina, 2000).
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372
LIGHTING
STROKE
OVERHEAD
LINE
RISER POLE
UNDERGROUND CABLE
T1
T2
T3
STROKE
T4
Gambar 1. Transisi Saluran Udara-Bawah Tanah
Beberapa skema dirancang untuk melindungi saluran bawah tanah
(Martinez & Molina, 2000; Lat, 1987) diantaranya dengan menggunakan
arrester berbagai jenis seperti; riser pole only, riser pole, open point, riser
pole, open point, dan mid-point.
Pembahasan mengenai proteksi gelombang saluran bawah tanah
bertujuan untuk menyelidiki tegangan lebih yang diakibatkan oleh
sambaran petir yang terdapat dalam cabang-cabang saluran yang diproteksi
oleh metal-oxide arresters. Selain itu, juga bertujuan untuk menganalisis
komponen-komponen dalam tenaga listrik yang berhubungan dengan
sambaran petir.
Rancangan untuk proteksi saluran bawah tanah ditunjukkan
dalam bentuk skema. Dari rancangan ini, dihasilkan suatu analisis.
Diharapkan munculnya suatu teori yang bisa diaplikasikan dalam bentuk
simulasi dan diperoleh suatu hasil yang akurat untuk arrester dan
selanjutnya dapat disimulasikan secara digital.
2. Pemodelan
Keefektifan skema proteksi pada saluran bawah tanah ditentukan
oleh beberapa komponen:
1. Saluran dan kabel digambarkan dengan gelombang berjalan satu fasa
yang teratur.
2
Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh, Proteksi Petir Pada Transisi Saluran Udara Dan Bawah
2. Transformer bisa digambarkan sebagai kapasitansi ke ground; dalam
analisa ini, transformer digambarkan dalam bentuk open circuit.
3. Sumber arus listrik digunakan untuk menggambarkan sambaran petir.
4. Bentuk ideal dari metal-oxide arrester menunjukkan impedansi tak
berhingga untuk tegangan yang lebih rendah dari discharge voltage dan
menjaga tegangan pada terminal agar tetap konstan dimana discharge
voltage telah dicapai.
5. Arrester yang terdapat dalam pole digambarkan dalam bentuk parameter
reaktansi.
Ketelitian penempatan arrester dalam proteksi petir ditentukan oleh
performa sistem dengan mempertimbangkan pengaruh gelombang depan
dari impuls yang terjadi (Sakshaug, 1979). Beberapa model (Matinez &
Molina, 2000) telah digunakan, dan hasilnya menunjukkan adanya
peningkatan arus sebagai fungsi waktu gelombang ekor.
Berdasarkan diskusi diatas, dapat diasumsikan bahwa arus listrik
yang melewati arrester dapat diabaikan untuk tegangan yang rendah
dibanding dengan tegangan percikan (discharge voltage) dan jika jumlah
maksimum gelombang yang muncul di arrester lebih besar daripada
discharge voltage, atau pun jumlah gelombang maksimum yang disebarkan
lebih banyak, maka akan terjadi pembatasan pada discharge voltage. Efek
dari jumlah gelombang maksimum yang disebarkan dapat dianalisis dengan
asumsi bahwa gelombang impuls yang terjadi tidak mengalami
penyimpangan, tetapi pada gelombang lain, terutama yang berbentuk relief,
dapat membangkitkan arus petir yang besar (Baker, 1990).
Bila suatu kali tegangan arrester digabungkan dengan jumlah dari
discharge voltage, tegangan ini tidak berubah sedikitpun meskipun
jumlahnya menurun dibawah tegangan discharge. Selama terjadinya proses
transisi yang dibentuk oleh sambaran petir, gelombang yang dipantulkan
akan muncul pada posisi arrester, dan tentunya analisis gelombang ini
dapat dilakukan dengan anggapan bahwa point ini di short-circuit.
3. Analisis
Analisis dapat dilakukan apabila tidak terjadi gangguan di saluran
udara dalam jarak yang tak berhingga. Beberapa faktor kecuraman
gelombang udara pada arus listrik yang ditimbulkan oleh sambaran petir,
jarak arrester, sistem tegangan dapat mempengaruhi kelebihan tegangan
3
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372
maksimum pada kabel. Cara untuk membedakan efek dari setiap faktorfaktor diatas dapat dianalisis dengan asumsi berikut:
1. Jarak dari kawat yang menghubungkan arrester dengan line dan ground,
maupun dengan pengaruh sistem tegangan, diabaikan.
2. Arrester yang terdapat pada riser pole dimasukkan ke dalam
perhintungan.
3. Pengaruh dari sistem tegangan dimasukkan.
Selanjutnya, untuk memudahkan analisis, maka dilakukan perbedaan pada
sistem jalur ganda dan bentuk gelombang.
4. Jalur Ganda
4.1. Arrester utama dan sistem tegangan diabaikan
Ketika sambaran petir mengenai konduktor, 2 gelombang berjalan akan
terbentuk. Bila salah satu gelombang berjalan pada saluran menuju arrester,
refleksi serta refraksi gelombang dimulai. Refraksi gelombang yang
berjalan menuju open terminal kemudian direfleksikan dimana tidak terjadi
perubahan sinyal dan kembali ke titik transisi. Gelombang baru yang
direfleksikan serta direfraksikan akan terbentuk.
4.2. Pengaruh arrester
Arus listrik yang ditimbulkan petir dikeluarkan melewati saluran-saluran
arrester dan menghasilkan sebuah tegangan dimana tegangan tersebut dapat
menjadi bagian dari tegangan arrester. Standar yang tepat digunakan untuk
menghitung tegangan tersebut secara terbatas menggambarkan saluran
sebagai induktor dan menganggap bahwa gelombang discharge arus
dihasilkan dari arus yang berasal dari sambaran petir.
Penjelasan diatas dapat diasumsikan bahwa jika kabel lebih panjang dari
jarak kritis, maka tegangan maksimum pada titik transisi akan menjadi:
Vdis + Ldi/dt
(1)
Berdasarkan skema proteksi, tegangan lebih maksimum yang
dihasilkan oleh saluran akan menjadi berbeda.
a. Dengan sebuah arrester pada riser pole, tegangan maksimum dibentuk
oleh open point dan nilai tegangan maksimum akan menjadi 2 kali
berdasarkan perhitungan.
b. Jika arrester kedua dipindahkan ke open point, analisis sesuai dengan
penjelasan di atas. Tegangan maksimum akan terbentuk dari suatu titik
ke titik tengah.
4
Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh, Proteksi Petir Pada Transisi Saluran Udara Dan Bawah
c. Bila arrester pengganti dipindahkan ke titik tengah, maka gelombang
akan menyebar ke bagian yang lain.
Untuk masalah yang lebih umum, analisis yang dilakukan tidak sederhana.
Beberapa aspek yang harus dipertimbangkan:
a. Jika jarak kabel lebih pendek dari jarak kritis, gelombang yang
dipantulkan akan mencapai transition point ketika tegangan yang
melewati arrester lebih rendah dari discharge voltage.
b. Jika kabel sedikit lebih pendek dari jarak kritis, gelombang yang
dipantulkan mungkin akan mencapai transition point sebelum tegangan
pada point ini diturunkan ke discharge voltage.
c. Sekalipun jarak kabel lebih panjang dari jarak kritis, tegangan puncak
pada transition point bisa lebih tinggi dari perhitungan.
d. Jika kabel diproteksi oleh tiga arrester dan second section lebih pendek
dari jarak kritis, tegangan maksimum pada first section akan memiliki
nilai puncak yang lebih tinggi dari perhitungan.
4.3. Sistem Tegangan dimasukkan ke dalam perhitungan
Dengan menganggap bahwa arus postif dari petir menyambar saluran
udara pada saat dimana sitem tegangan negatif. Arrester tidak akan berubah
menjadi konduktor sebelum tegangan yang ditimbulkan oleh sambaran petir
diganti oleh sistem tegangan negatif. Kemudian gelombang yang menyebar
dari titik transisi menjadi lebih tinggi dari tegangan puncak (pada titik ini).
Ternyata, hal buruk terjadi ketika petir menyambar pada saat dimana sistem
tegangan berada pada puncak negatif.
Analisis perhitungan dalam bentuk sederhana terjadi jika jarak
kabel lebih panjang dari jarak kritis. Nilai puncak pada titik transisi selalu
(Vdis + Ldi/dt), saat nilai puncak dari gelombang positif yang menyebar
dari titik transisi dapat dihitung dengan (Vsys + Vdi s +L di/dt), menjadi
Vsys sistem tegangan pada saat tersebut ketika petir menyambar saluran.
Berdasarkan skema diatas maka dapat dirumuskan:
1. Jika tidak terdapat arrester pada open point, tegangan puncak menjadi
ganda; bagaimanapun, bila sistem tegangan negatif, tegangan puncak
pada open point menjadi:
2(Vsys + Vdi s +L di/dt) – Vsys
(2)
2. Jika arrester terdapat pada open point, tegangan puncak pada point ini
akan berubah menjadi discharge voltage, dan puncak maksimum akan
5
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372
dimulai di certain point, tidak perlu sama jauhnya dari kedua terminal,
mencapai sebuah perhitungan.
1.5(Vsys + Vdi s) + L di/dt – Vsys
(3)
3. Jika arrester lain terdapat pada mid-point, tegangan pada kedua midpoint dan open point, arrester akan menjadi discharge voltage,
bagaimanapun, tegangan puncak pada setiap bagian akan berbeda:
(Vsys + Vdi s) + L di/dt – Vsys
pada first section 1.5 Vdi s pada second section
5. Bentuk Gelombang
Bentuk gelombang dengan jalur ganda tidak menampilkan bentuk
yang akurat untuk arus yang ditimbulkan oleh sambaran petir. Meskipun
tidak terdapat bentuk gelombang pada saat keadaan transien, kemampuan
program emtp-like dapat digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang
yang lebih jelas. Critical length dapat digunakan sebagai konsep yang
berguna, bagaimanapun nilai ini harus dihitung dari nilai maksimum.
Dengan mengasumsikan bahwa jarak kabel lebih panjang dari jarak kritis,
maka didapat suatu penyelesaian yang sama dengan perhitungan pada jalur
ganda:
1. Tegangan puncak pada titik transisi dapat diperkirakan (Vsys + Vdi s +L
di/dt).
2. Tegangan puncak ganda yang terdapat pada kabel diproteksi oleh sebuah
arrester pada riser pole.
3. Ketika arrester kedua ditempatkan pada open point, tegangan
maksimum dapat dihitung dengan persamaan (2), meskipun tegangan ini
tidak akan selalu dimulai dari tengah kabel.
4. Jika arrester ketiga ditempatkan pada mid-point, maka tegangan lebih
maksimum pada first dan second section dapat dihitung berdasarkan
persamaan (2) dan (3).
6. Penggunaan Arrester Terbaru
Karena sifat metal-oxide model arrester terbaru yang non linear,
maka analisis tegangan maksimum dapat dilakukan berdasarkan simulasi
6
Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh, Proteksi Petir Pada Transisi Saluran Udara Dan Bawah
digital. Selanjutnya, secara sederhana dapat dipahami keandalan dari setiap
skema proteksi melalui perhitungan dan analisis lebih cermat lagi.
Tegangan maksimum dapat terjadi pada titik transisi jika jarak
kabel lebih panjang dari jarak kritisnya. Dapat pula diperkirakan nilai (Vdi s
+L di/dt). Nilai ini (Vdis) tidak konstan berdasarkan gelombang arus
discharge yang ditimbulkannya. Tetapi, nilai di/dt yang digunakan terkait
dengan arus maksimum dapat dihitung.
Dengan demikian, dari simulasi digital dapat diketahui beberapa hal:
1. Arus listrik yang ditimbulkan oleh sambaran petir, persentasenya sangat
baik dimana discharge voltage melintasi arrester pada riser pole, ketika
kabel diproteksi oleh lebih dari satu arrester.
2. Arus discharge yang melintasi posisi arrester pada mid-point dan open
point tidak membentuk discharge voltage lebih baik daripada V10, yang
digunakan untuk menunjukkan discharge voltage untuk arus 10 kA, 8/20
s.
3. Sistem tegangan ketika petir menyambar saluran tidak memberikan
pengaruh pada semua titik ketika arrester ditempatkan.
4. Jika kabel diproteksi oleh sebuah arrester pada riser pole, tegangan
lebih maksimum akan menjadi ganda yang dimulai pada riser pole
ditambah sistem tegangan.
5. Ketika arrester ditempatkan pada open point, tegangan lebih maksimum
dimulai dari mid-point.
6. Pada suatu point dimana tegangan lebih maksimum dibentuk, ketika
arrester ketiga menempati mid-point dari kabel, berdasarkan dari
beberapa faktor (nilai V10, bentuk gelombang arus discharge melintasi
riser pole dari arrester, jarak dari tiap section kabel).
7. Kesimpulan
Berdasarkan uraian di atas, maka dapat disimpulkan:
1. Tegangan lebih maksimum dan gelombang berjalan yang dihasilkan
oleh sambaran petir pada titik transisi saluran udara-bawah tanah
merupakan penyebab utama gangguan pada saluran distribusi tegangan
menengah 20 kV bawah tanah.
2. Penempatan arrester secara tepat dalam jumlah tertentu (lebih banyak)
akan menurunkan tegangan lebih di sepanjang salauran (kabel).
3. Jika kabel bawah tanah diproteksi dengan arrester maka gangguan yang
terjadi pada saluran (kabel) akan menurun.
7
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372
Daftar Pustaka
1. Abduh, S. 1998. Partial Discharge Test pada Terminasi Kabel XLPE 3
Inti Tipe Slip-On Tegangan Menengah 12/24 kV. Proceeding Seminar
Nasional dan Workshop Teknik Tegangan Tinggi I, ITB, Bandung.
2. Abduh, S. 2000. Impuls Test pada Jointing Kabel Bawah Tanah XLPE
Tipe Ciut Panas Tegangan Menengah 12/24 kV. Proceeding Proceeding
Seminar Nasional dan Workshop Teknik Tegangan Tinggi III, UI,
Jakarta..
3. Baker, P. 1990. Voltage Quadrupling on a UD Cable. IEEE Trans. On
Power Delivery, Vol. 5 No. 1.
4. Chowdhuri, P. 1996. Electromagnetic Transients in Power System: John
Wiley.
5. Lat, M. 1987. A Simplified Method for Surge Protection on
Underground Distribution system with Metal-Oxide Arrestes. IEEE
Trans. On Power Delivery, Vol. 2, No. 4.
6. Martinez, J. and Molina, G. 2000. Surge Protection of Underground
Distribution Cables. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol.15. No.2.
7. Sakshaug, E. 1979. Influence of Rate-of-Rise on Distribution Arrester
Protective Characteristics. IEEE Trans. On Power Apparatus and
systems, Vol.98, No.2.
8