BAB III PERALATAN PROTEKSI TERHADAP TEGANGAN LEBIH

23
BAB III
PERALATAN PROTEKSI TERHADAP
TEGANGAN LEBIH
3 .1
Pendahuluan
Gangguan tegangan lebih yang mungkin terjadi pada Gardu Induk dapat
disebabkan oleh beberapa sumber gangguan tegangan lebih. Perlindunga terhadap
gangguan tegangan lebih akibat sambaran petir pada sistem tenaga listrik
mencakup perlindungan Gardu Induk serta perlindungan hantaran udara.
Pemasangan peralatan perlindungan yang dipasang pada saluran udara
dimaksud untuk mencegah atau membatasi besarnya gelombang berjalan yang
memasuki Gardu Induk. Peralatan proteksi ini berfungsi untuk melindungi
peralatan tenaga listrik dengan cara membatasi surja tegangan lebih yang datang
dan mengalirkannya ke tanah. Berhubung dengan fungsinya tersebut, maka
peralatan proteksi harus dapat menahan tegangan sistem 50 Hz untuk waktu yang
tak terbatas dan harus dapat melewatkan surja arus ke tanah dengan tidak
merusaknya. Selain itu, sebuah alat pelindung yang baik harus memiliki suatu
rasio yang tinggi, dalam pengertian perbandingan antara tegangan surja
maksimum yang diperbolehkan pada waktu pelepasan dan tegangan sistem 50 Hz
maksimal yang dapat ditahan sesudah pelepasan terjadi.
Peralatan – peralatan proteksi untuk melindungi peralatan Gardu Induk
dari tegangan lebih adalah : sela batang (Rod Gap), sela sekring (fuse Gap), sela
control (control Gap), arrester jenis ekspulsi (Type Lightning Arrester), dan
arrester jenis katup (Valve Type Lightning Arrester).
24
3 .2
Sela Batang
Sela batang merupakan alat pelindung surja yang paling sederhana tetapi
paling kuat dan kokoh. Sela batang ini jarang digunakan pada rangkaian yang
penting karena tidak dapat memutuskan arus susulan. Artinya, jika terjadi
percikan karena tegangan lebih, api (arc) timbul terus meskipun tegangan
lebihnya sudah tidak ada. Oleh sebab itu, rangakaian harus diputuskan terlebih
dahulu untuk menghentikan percikan api tersebut. Karena hal tersebut, maka sela
batang ini digunakan sebagai pelindung cadangan dalam hal arrester dilepaskan
dari saluran karena kerusakan atau karena sebab lain.
Gambar 3.1 Sela Batang.
Sela batang ini biasanya dipasang pada :
•
Bushing isolator dari trafo
•
Pada isolator hantaran udara, berupa tanduk api (arcing horn)
•
Pemutus daya (circuit breaker)
Meskipun sela batang sangat murah dan sederhana, sela ini mempunyai
batasan – batasan dalam penggunaannya :
•
Sela batang tidak berfungsi jika gelombang datang mempunyai
tegangan yang curam.
•
Sela batang tidak bisa memutuskan arus susulan.
•
Sela batang bias meleleh akibat energi panas dengan temperatur tinggi
yang dilepas melalui bunga api.
25
3 .3
Sela Sekring
Sela sekring adalah sela batang yang dihubungkan secara seri dengan
sekring yang digunakan untuk menginterupsikan arus susulan (power follow
current) sehingga sirkuit breaker tidak prlu membuka. Sela sekring ini
mempunyai karakteristik tembus yang sama dengan sela batang. Meskipun sela
sekring ini menghindarkan adanya pemutusan rangakaian sebagai akibat percikan,
sela sekring tetap memerlukan penggantian dan perawatan sekring yang telah
dipakai.
3 .4
Sela Kontrol
Sela kontrol terdiri dari dua buah sela yang diatur sedemikian rupa
sehingga karakteristiknya lebih baik dari sela batang. Sela control ini dapat
dipakai sebagai perlindungan cadangan atau sekunder.
3 .5
Arrester
Arrester adalah alat perlindungan bagi sistem peralatan tenaga listrik
terhadap surja petir. Arrester ini berfungsi sebagai jalan pintas ( by pass ) disekitar
isolasi. Arrester membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat sehingga
tidak timbul tegangan lebih pada peralatan. Jalan pintas tersebut harus didesain
sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran sistem. Pada kerja normal
arrester ini bekerja sebagai isolator dan bila timbul surja, arrester berfungsi
sebagai konduktor. Setelah surja hilang, arrester haru dengan cepat menjadi
isolator, sehingga pemutus daya tidak sempat membuka. Arrester ini dapat
memutuskan arus susulan tanpa menimbulkan gangguan.
Arrester terdiri dari dua jenis :
3.5.1 Arrester Jenis Ekspulsi atau Tabung Pelindung
Arrester jenis ini pada prinsipnya terdiri dari :
a) Dinding tabung yang terbuat dari bahan yang mudah menghasilkan gas
jika dialiri listrik.
26
b) Sela batang (external series gap) yang biasanya diletakan pada isolator
porselin, untuk mencgah arus mengalir dan membakar fiber pada
tegangan jala – jala setelah gangguan diatasi.
c) Sela pemutus bunga api yang diletakan di dalam tabung, salah satu
elektroda dihubungkan ke tanah.
Gambar 3.2 Arrester Jenis Ekspulsi.
Pada waktu tegangan surja melewati sela batang dan sela bunga api, maka
impedansi tabung akan menjadi rendah sehingga arus surja akan mengalir ke
tanah. Arus yang mengalir akan membakar fiber dan menghasilkan gas yang
bergerak cepat ke arah lubang pembuangan di bagian bawah arrester. Tekanan gas
ini akan mematikan bunga api pada saat arus melalui titik nol pertamanya. Waktu
pemadaman busur api ini hanya 1/2 atau 1 cycle sehingga RRV (Rate of
Recovering Voltage) lebih lambat dari rate of rise kekutan dielektrit dari isolasi.
Beda waktu ini cukup pendek untuk dibaca oleh rele pelindung. Sehingga Circuit
Breaker tetap bekerja (tertutup) dan pelayanan daya tidak terganggu. Setelah api
padam, sistem kembali ke keadaan normal.
27
Kerugian dari arrester jenis ekspulsi adalah :
•
Arus yang sangat besar akan menyebabkan fiber habis terbakar dan
arus yang terlalu kecil tidak cukup untuk menghasilkan gas pada
tabung untuk mematikan bunga api.
•
Setiap arrester bekerja, permukaan tabung akan rusak karena
terbakar.
3.5.2 Arrester Jenis Katup
Pada dasarnya arrester ini terdiri dari dua unsur, yaitu : sela api (spark
gap) dan tahanan tak linear atau tahanan kran (valve resistor) yang keduanya
dihubungkan secara seri (Gambar 3.3). Batas atas dan batas bawah dari tegangan
percikan ditentukan oleh tegangan sistem maksimum dan oleh tingkat isolasi
peralatan yang dilindungi. Sebenarnya arrester ini terdiri dari tiga unsur, yaitu sela
api, tahanan non linear dan sistem pengaturan atau pembagi tegangan (Grading
system).
Gambar 3.3 Arrester Jenis Katup
Tahanan non linier mempunyai sifat khusus bahwa tahanannya kecil sekali
bila tegangan dan arusnya besar. Proses pengecilan tahanan berlangsung cepat
sekali yaitu selama tegangan lebih mencapai harga puncaknya. Dalam hal ini
tegangan lebih mengakibatkan penurunan drastis dari pada tahanan sehungga
jatuh tegangannya dibatasi meskipun arusnya besar. Bila tahanan dari sebuah
28
arrester mempunyai nilai yang tetap, maka jatuh tegangannya menjadi besar sekali
sehingga maksud untuk memotong tegangan lebih tidak terlaksana.
Bila tegangan lebih telah habis dan yang ada hanya tegangan normal,
tahanannya naik lagi. Arus susulan ini akhirnya dimatikan oleh sela api pada
waktu tegangan sistemnya mencapai titik nol yang pertama, sehingga alat ini
bekerja sebagai sebuah kran yang menutup arus. Arus susulan tidak selalu terjadi
setiap kali arrester bekerja, ada atau tidaknya tergantung pada saat terjadinya
tegangan lebih. Karakteristik arus tegangan dari tahanan kran terlihat pada gambar
3 .4 .
Gambar 3.4 Krakteristik Arus Tegangan dari Tahanan Katup
Kerugian dari arrester jenis katup adalah :
Tidak bereaksi cukup cepat dalam mendeteksi gelombang datang dengan
muka yang sangat curam yang menuju ke Gardu.
Arrester katup ini dibagi ke dalam tiga jenis :
1. Arrester katup jenis gardu
•
Umumnya dipakai untuk melindungi alat – alat yang mahal pada
rangakaian – rangkaian dari 2.400 V sampai 287 kV dan lebih tinggi.
•
Kapasitas arus pelepasannya tinggi (tidak kurang dari 100 kA, dengan
gelombang 5 x 10 µs)
•
Dipakai untuk melindungi gardu dan trafo tenaga.
29
2. Arrester katup jenis saluran transmisi (line type)
•
Dipakai untuk melindungi trafo distribusi.
•
Dipakai pada sistem dengan tegangan 15 kV sampai 69 kV.
•
Dapat menahan kapasitas arus 65.000 A dengan gelombang 5 x 10 us
3. Arrester jenis ditribusi (distribution type)
•
Dipakai untuk melindungi trafo distribusi yang dipasang pada tiang.
•
Dipakai pada peralatan dengan sistem tegangan 120 V sampai 750 V.
•
Dapat menahan kapasitas arus 65.000 A dengan gelombang 5 x 10 us.
Gambar 3.5 Hubungan Tegangan Tinggi Di Transformator
3.6.2 Arus Pelepasan Nominal ( Nominal Discharge Current )
Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang
tertentu yang digunakan untuk menentukan kelas dari arrester yang sesuai dengan
kemampuannya melewatkan arus.
Untuk gelombang berjalan yang datang dari saluran, arus pelepasan dalam
arrester ditentukan oleh tegangan maksimum yang diteruskan oleh isolasinya, oleh
impedansi surja dari pada kawat, dan oleh karakteristik dari arrester, dapat
dilukiskan dengan persamaan sebagai sebagai berikut :
30
…………………………………………………..…………..(3.1)
Dimana :
Ia = Arus pelepasan arrester ( kA/µs )
E = Besarnya tegangan surja yang datang ( Kv/µs)
Ea = Tegangan terminal arrester ( Kv )
Z = Impedansi surja (Ω)
Dengan kecuraman gelombangnya :
…………………………………….…………………………………..(3.2)
Menurut IEC, bentuk pelepasan arus gelombang adalah 8 us/ 20 us.
Dengan kelas Arrester :
Kelas arus 10 kA
Untuk perlindungan Gardu Induk yang besar dengan frekuensi sambaran
petir yang cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70 Kv.
Kelas arus 5 kA
Untuk tegangan sistem dibawah 40 kV.
Kelas arus 2,5 kA
Untuk gardu – gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah 22 kV,
dimana pemakaian kelas 5 kA tidak ekonomis lagi.
Kelas arus 1,5 kA
Untuk melindungi trafo – trafo kecil di daerah – daerah pedalaman.
31
3.6.3 Tegangan Frekuesi Jala – Jala (Power Frequensi Spark Over Voltage)
Arrester tidak boleh bekerja pada gangguan tegangan lebih dalam
amplitude yang rendah karena dapat membahayakan sistem. Untuk alasan ini
maka ditentukan tegangan frekuensi jala – jala minimum.
Menurut standar IEC tegangan frekuensi jala – jala minimum adalah :
= 1,5 x tegangan pengenal arrester…………………………………………….(3.3)
3.6.4 Tegangan Percikan Impuls Maksimum (Maximum Impuls Spark Over
Voltage)
Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal
arrester sebelum arrester tersebut bekerja.
Hal ini menunjukan jika tegangan puncak surja petir yang datang
mempunyai harga yang lebih tinggi atau sama dengan tegangan percikan
maksimum dari arrester, maka arrester tersebut akan bekerja memotong surja petir
dan mengalirkannya ke tanah. Tegangan percikan impuls maksimum untuk
masing – masing tegangan sistem dapat dilihat pada lampiran ( table 1).
3.6.5 Tegangan Sisa ( Residual Voltage )
Adalah tegangan yang timbul diantara terminal arrester pada saat arus petir
mengalir ke tanah. Tegangan sisa dari suatu arrester tertentu tergantung pada
kecuraman gelombang arus yang datang (
dalam A/µs) dan amplituda dari arus
32
pelepasan. Untuk harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka tegangan sisa ini
tidak akan naik lebih tinggi lagi. Hal ini disebabkan karena karakteristik tahanan
yang tidak linier dari arrester. Umunya tegangan sisa tidak akan melebihi TID
(Tingkat Isolasi Dasar) atau BIL (Basic Insulation Level) daripada peralatan yang
dilindungi.
3.6.6 Arus Pelepasan Maksimum (Maximum Discharge Current)
Adalah arus surja maksimum yang dapat mengalir melalui arrester
sebelum tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari
arrester.
3 .7
Koordinasi Isolator
Koordinasi isolator didefinisikan sebagai korelasi antara kemampuan
peralatan – peralatan listrik dan rangkain listrik dari satu pihak dan alat – alat
proteksi di lain pihak yang dihubungkan sedemikian rupa sehingga isolasi dari
peralatan – peralatan tersebut terlindung dari bahaya – bahaya tegangan lebih.
Secara keseluruhan isolasi peralatan harus dikoordinasikan sedemikian
rupa sehingga menjamin peralatan tersebut tetap aman ketika terjadi gangguan
tegangan lebih. Koordinasi isolasi yang baik akan menjamin bahwa isolasi
peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan tidak
normal yang mungkin terjadi pada sistem.
Masalah koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut :
1. Penentuan tingkat isolasi dari isolator hantaran.
2. Menentukan Tingkat Isolasi Dasar ( TID ) dari peralatan.
3. Pemilihan arrester.
33
3.7.1 Penentuan Isolasi Hantaran
Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan
terjadinya tegangan lebih petir, tegangan lebih switching dan tegangan lebih
frekuensi jala – jala.
Isolator hantaran udara harus cukup tinggi untuk mencegah terjadinya
kegagalan yang disebabkan oleh tegangan lebih switching dan tegangan lebih
frekuensi jala – jala dengan memperhatikan pengaruh lingkungan atau alam yang
dapat menurunkan tegangan tebus dari isolator.
Usaha Penanggulangan Terhadap Sambaran Petir Langsung
Diantara tegangan lebih akibat petir, sambaran langsung pada rel suatu
Gardu Induk atau saluaran transmisi dekat kepada Gardu Induk merupakan
bahaya terbesar terhadap Gardu Induk itu. Lagi pula sukar sekali
mengamankan Gardu Induk itu sepenuhnya dengan menggunakan arrester.
Kejadian sambaran lansung itu memang sangat kecil, tetapi sekali ia terjadi,
kerusakan yang ditimbulkannya sangat hebat sekali. Karena itu gardu –
gardu yang penting dan saluran – saluran di dekatnya harus diamankan
terhadap sambaran langsung dengan mengadakan perlindungan yang cukup
dengan kawat tanah dan tahanan pengetanahan yang rendah.
Usaha Penanggulangan Terhadap Gelombang yang Datang Dari Saluran
Penanggulangan terhadap gelombang petir yang memasuki Gardu Induk
dari saluran trnsmisi dilakukan dengan mengamankan peralatan terhadap
tegangan lebih itu dengan menggunakan arrester dan dengan memberikan
kepada peralatan itu kekuatan isolasi terhadap tegangan impuls, yang lebih
besar dari tingkatan pengamanan arrester.
3.7.2 Tingkat Isolasi Dasar dan Tingkat Isolasi Dari Peralatan di Gardu
Berdasarka kesepakatan komite bersama AIEE – IEC – NEMA, Tingkat
Isolasi Dasar ( TID ) didefinisikan sebagai berikut : “ Tingkat Isolasi dasar
34
adalah suatu tingkat referensi yang dinyatakan dalam tegangan puncak dengan
standar bentuk gelombang dari 1,2 x 50 µs, sehingga isolasi dari peralatan –
peralatan listrik mempunyai karakteristik tahanan impuls sama atau lebih tinggi
dari isolasi dasar tersebut”.
Untuk setiap tegangan sistem Tingkat Isolasi dasar telah ditentukan
dengan internasional standar yang berlaku (Lihat table 1 pada lampiran)
Sebagian besar peralatan di Gardu Induk seperti trafo, pemutus daya,
saklar pemisah, trafo arus, trafo tegangan dibuat dengan tingkat isolasi yang sama.
Kecuali trafo yang kadang – kadang diproduksi dengan isolasi yang rendah
dengan alasan ekonomis dan trafo umunya dilindungi langsung oleh arrester.
Peralatan – peralatan yang terletak di luar dari daerah lindung arrester akan di
berikan TID satu tingkat lebih tinggi. Pada umumnya tingkat isolasi dari peralatan
di gardu seperti pemutus daya, busbar, saklar pemisah, trafo pengukuran
mempunyai TID 10 % lebih tinggi dari TID trafo.
3.7.3 Pemilihan dan Letak Arrester
Untuk penyederhanaan dalam pemilihan arrester ditentukan terlebih
dahulu langkah – langkah yang diperlukan :
a. Menentukan besarnya tegangan lebih satu phasa ke tanah atau tagangan
lebih lain sebagai akibat kerja sistem yang tidak normal pada lokasi
dimana arrester dipasang.
b. Membuat perkiraan besarnya tegangan arrester (Ea).
c. Memilih arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui arrester.
d. Menentukan tegangan pelepasan maksimum (tegangan kerja, tegangan
sisa) dari arrester untuk arus impuls dan jenis penangkap petir yang
di pi l i h.
35
e. Menentukan tingkat ketahanan tegangan impuls gelombang penuh dari
peralatan yang akan dilindungi (TID peralatan).
f. Memastikan bahwa tegangan kerja arrester berada di bawah TID peralatan
dengan faktor perlindungan yang cukup.
g. Menentukan jarak perlindungan antara arrester dengan peralatan yang
akan dilindungi.
3.7.3.1 Jarak antara Arrester dengan Alat yang Dilindungi
Meskipun yang paling baik adalah menempatkan arrester sedekat mungkin
dengan alat yang dilindungi, tetapi dalam praktek kadang – kadang hal ini tidak
dimungkinkan. Jika jarak itu terlalu jauh, tegangan abnormal yang sampai pada
terminal dari peralatan akan lebih tinggi dari pada tegangan pelepasan arrester.
Hubungan antara tegangan terminal dari alat yang di lindungi dan jarak dari
arrester adalah sebagai berikut :
Et = Ea + 2.µ.x / v…………….……………………………………………..(3.4)
Dimana :
Et = tegangan terminal dari peralatan yang dilindugi (kV)
Ea= tegangan pelepasan dari arrester (kV)
µ = kecuramn gelombang dari gelombang yang dating (Kv/µs)
V = kecepatan rambat gelombang yang dating (m/µs)
X = jarak dari arrester kea lat yang dilindungi (m)
Oleh karena itu, jarak x dalam persamaan di atas harus sekecil mungkin
supaya Et tidak melebihi kekuatan isolasi alat.
36
3.7.3.2 faktor perlindungan (Protection Margin)
Factor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara TID dari
peralatan yang di lindungi dengan tegangan kerja dari arrester. Pada waktu
menentukan tingkat perlindungan peralatan yang akan dilindungi oleh arrester
umumnya diambil harga 10 % diatas tegangan kerja arrester, tujuannya untuk
mengatasi kenaikan tegangan pada kawat penghubung dan toleransi pabrik. Besar
factor perlindungan ini umumnya 20% dari TID peralatan untuk arrester yang
dipasang dekat dengan peralatan yang akan dilindungi.
Jika tidak diperoleh faktor perlindungan yang cukup, maka dipilih TID
dari peralatan setingkat lebih tinggi atau memilih tegangan kerja arrester yang
lebih rendah.
Jadi, faktor perlindungan = TID peralatan – tingkat perlindungan arrester.
37