studi pengaruh stray capacitance terhadap kinerja

STUDI PENGARUH STRAY CAPACITANCE TERHADAP
KINERJA ARRESTER TEGANGAN TINGGI 150 KV DENGAN
FINITE ELEMENT METHODS (FEM)
Septian Ahadiatma, I Gusti Ngurah Satriyadi H,ST,MT, Dr.Eng. I Made Yulistya N,ST,M.Sc
Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
terjadi akibat sambaran petir dapat dipotong dengan arrester
sehingga tidak membahayakan peralatan yang terhubung
dengannya.
Arrester petir memiliki kemampuan mengamankan
peralatan listrik dari gangguan surja petir. Alat pengaman
ini memiliki nilai tahanan non-linier pada setiap tingkat
tegangan dan arus. Data yang terdapat pada datasheet
menunjukkan bahwa alat ini memiliki karakteristik dinamis
yang penting untuk koordinasi proteksi khususnya proteksi
surja petir.
Pada penelitian ini menganalisa dan memodelkan
kinerja sebuah arrester 150 kV yang dipengaruhi oleh stray
capacitance terhadap gangguan gelombang petir yang
mengakibatkan tegangan lebih di mana dapat merusak suatu
peralatan listrik dengan mengunakan bantuan EMTP
(Electromagnetic Transients Program) dan MATLAB.
Abstrak : Arrester merupakan sebuah peralatan yang
sangat penting dalam perlindungan terhadap gangguan
petir. Jadi permodelan arrester sangat diperlukan
untuk menganalisa kemampuan arrester dengan
menggunakan perangkat lunak komputer. Tugas akhir
ini menganalisa efek stray capacitance yang timbul pada
arrester terhadap kinerja arrester 150kV. Stray
capacitance
yang
timbul
didapatkan
dengan
menggunakan Finite Element Methods (FEM) standar
IEC. Dengan menggunakan metode tersebut didapatkan
nilai stray capacitance dari arrester tersebut sebesar
733,3 pF. Hasil perhitungan tersebut akan digunakan
untuk mensimulasikan kinerja arrester tersebut.
Hasil simulasi dengan menggunakan perangkat
lunak Electromagnetic Transients Program (EMTP)
menunjukkan bahwa stray capacitance tersebut
berpengaruh pada kecepatan arrester dalam meredam
gangguan yang terjadi. Tapi kejadian tersebut tidak
berpengaruh terhadap besarnya tegangan sisa yang
dihasilkan, dengan didapatkan besarnya nilai error
yang terjadi akibat adanya stray capacitance untuk
gangguan petir sebesar 350 kV bernilai antara 0,06 %
sampai 0,16 %, sedangkan untuk gangguan petir
sebesar 500 kV bernilai antara 0,004 % sampai dengan
0,08 %.
B. Permasalahan
Adapun permasalahan yang dibahas dalam tugas
akhir ini adalah:
Seberapa besar efek yang ditimbulkan akibat adanya
stray capacitance terhadap kinerja dari sebuah arrester 150
kV dan pengaruhnya terhadap sistem.
II. METODOLOGI DAN PROSEDUR SIMULASI
A. Petir
Petir merupakan kejadian alam yang biasa terjadi
ketika hujan badai disertai guntur dan kadang-kadang pada
badai salju, badai debu, letusan gunung berapi, serta pada
ledakan nuklir. Kilat yang terjadi ketika hujan badai berasal
dari muatan listrik yang timbul dari aliran udara di dalam
awan. Terjadinya suatu kilat atau petir didahului oleh
adanya awan petir yang pada kejadiannya kita kenal dengan
thunderstorm (hujan angin ribut disertai petir dan guruh).
Pelepasan muatan listrik dapat terjadi di dalam awan,
antara awan dengan awan, dan antara awan dengan bumi
tergantung dari kemampuan udara dalam menahan beda
potensial yang terjadi.
Kata kunci : Lightning Arrester, Stray Capacitance,
Finite Element Methods (FEM), Electromagnetic
Transients Program (EMTP)
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Indonesia termasuk negara tropis, sehingga Indonesia
memiliki intensitas sambaran petir yang cukup tinggi.
Sambaran petir yang mengenai sistem tenaga listrik akan
menimbulkan tegangan lebih. Tegangan lebih ini akan
membahayakan peralatan apabila dibiarkan mengalir pada
sistem dan tersalurkan ke beban. Tegangan lebih yang
Jenis sambaran petir dibedakan menjadi:
1. Sambaran Langsung
Apabila kilat menyambar langsung pada
kawat fasa (untuk saluran tanpa kawat tanah) atau
1
permasalahan dalam bidang teknik sipil, aeronautika dan
mekanik. Selain itu metode ini juga dapat digunakan untuk
menyelesaikan permasalahan dalam bidang elektrostatis
dan magnetostatis.
Dasar dari metode elemen hingga adalah membagi area
kerja menjadi elemen – elemen kecil yang jumlahnya
berhingga, sehingga dapat di hitung reaksi akibat beban
pada kondisi batas (boundary condition) yang diberikan.
Dari elemen – elemen tersebut dapat disusun persamaan –
persamaan matrik yang bisa di selesaikan secara numerik
dan hasilnya menjadi jawaban dari kondisi beban yang
diberikan pada area kerja tersebut. Dalam menggunakan
metode elemen hingga, tantangan utamanya adalah
membuat persamaan yang mendekati persamaan yang akan
diselesaikan dan persamaan tersebut harus stabil secara
numerik, yang artinya error dari data input dan perhitungan
intermediate tidak terakumulasi sehingga menyebabkan
hasil perhitungan tidak berguna.
pada kawat tanah (untuk saluran dengan kawat
tanah)
2. Sambaran Tidak Langsung (Sambaran Induksi)
Merupakan sambaran titik lain yang
letaknya jauh tetapi obyek terkena pengaruh dari
sambaran sehingga dapat menyebabkan kerusakan
pada obyek tersebut.
B. Gelombang Berjalan
Gambar 1 Spesifikasi gelombang berjalan
a.
b.
c.
d.
Puncak (crest) gelombang, E (kV) yaitu amplitudo
maksimum dari gelombang.
Waktu muka gelombang, t1(mikrodetik), yaitu
waktu dari permulaan sampai puncak. Dalam
praktek ini diambil 10%E sampai 90%E.
Ekor gelombang, yaitu bagian di belakang puncak.
Waktu ekor gelombang, t2(mikrodetik), yaitu
waktu dari permulaan sampai titik 50%E pada
ekor gelombang.
E. Simulasi Program
Pengamatan dilakukan pada sebuah sistem transmisi
sederhana dengan mensimulasikan kondisi jaringan pada
saat terjadi sambaran petir di salah satu saluran fasanya.
Gangguan petir yang digunakan adalah sebesar 350 kV dan
500 kV, dengan beberapa bentuk model petir.
Dalam melakukan simulasi pertama – tama mencari
besarnya stray capacitance yang timbul pada sebuah
arrester 132 kV dengan membuat modelnya dengan
menggunakan pdetool pada MATLAB.
C. Surge Arrester
Surge arrester adalah alat pelindung bagi peralatan
sistem tenaga listrik terhadap surja petir. Ia berlaku sebagai
jalan pintas (by-pass) sekitar isolasi. Arester membentuk
jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat atau petir, sehingga
tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada peralatan.
Dalam menentukan rating lightning arrester, yang
perlu diketahui antara lain adalah tegangan tertinggi sistem
dan koefisien pentanahan. Tegangan tertinggi sistem
umumnya diambil 110 % dari harga tegangan nominal
sistem. Tegangan pengenal lightning arrester diperoleh
dari :
Tegangan rms fasa ke fasa x 1,10 x koefisien pentanahan
Untuk sistem yang diketanahkan langsung, koefisien
pentanahannya = 0,8. Sedangkan sistem yang tidak
diketanahkan langsung, koefisien pentanahannya = 1,0.
Maka untuk sistem tegangan 150 kV, rating arester
yang dipakai adalah :
a. sistem yang ditanahkan secara langsung :
Ur = (150 x 1.1 x 0.8)
= 132 kV
b. sistem yang tidak ditanahkan secara langsung :
Ur = (150 x 1.1 x 1.0)
= 165 kV
Gambar 2 Dimensi surge arrester EXLIM-P 132 kV
Dengan mengasumsikan jarak antara arrester
dengan tanah sejauh 2 meter. Gambar model arrester pada
pdetool untuk simulasi adalah sebagai berikut :
D. Finite Element Methods
Metode elemen hingga atau finite element method
adalah metode numerik yang digunakan untuk
menyelesaikan persamaan differensial partial maupun
penyelesaian persamaan integral. Pada awalnya metode
elemen hingga banyak diaplikasikan untuk menyelesaikan
Gambar 3 Permodelan arrester EXLIM-P 132 kV
Setelah didapatkan besarnya stray capacitance yang
timbul, maka dilanjutkan dengan mensimulasikannya pada
2
EMTP. Model rangkaian yang digunakan adalah model
rangkaian Narong Mungkung . Rangkaian model yang
dibuat dibatasi oleh asumsi-asumsi sebagai berikut :
1. Sambaran petir terjadi pada salah satu penghantar
fasa.
2. Simulasi dengan memvariasikan tegangan petir
dan model petir yang digunakan, yaitu : model
petir dengan bentuk surja tipikal (1.2/50 µs),
model petir dengan front time yang pendek (1/4
µs ), model petir dengan front time sedang (8/20
µs) dan model petir dengan front time yang
panjang (30/60 µs).
3. Dilakukan pengukuran pada fasa A sisi primer
trafo.
Dari hasil running tersebut didapatkan beberapa
parameter yang akan digunakan untuk mencari besarnya
stray capacitance yang timbul pada arrester tersebut.
Pada tabel 1 dapat dilihat beberapa parameter yang
didapatkan dari hasil running tersebut.
TABEL I
HASIL SIMULASI PDETOOL
n
1
2
3
Tegangan (V)
1732
13392
150000
Setelah didapatkan beberapa parameter yang
diperlukan, maka dengan menggunakan persamaan yang
dikeluarkan oleh IEC dapat dicari besarnya stray
capacitance yang timbul pada arrester tersebut.
Berikut adalah persamaan yang dikeluarkan oleh IEC :
Gambar rangkaian model EMTP untuk simulasi adalah
sebagai berikut :
ሺU୶ାଵ − U୶ ሻxC୑୓,୶ାଵ − ሺU୶ − U୶ିଵ ሻxC୑୓,୶
… … … ሺ1ሻ
U୶
ሺx = 1,2, … , n − 1ሻ
Cୣ,୶ =
Dimana :
= Tegangan pada titik x
Ux
CMO,x = Kapasitansi pada bagian x
Ce,x
= Stray capacitance dari tanah ke titik x
n
= Nomor bagian
Untuk mencari nilai CMO,x dapat dicari dengan
mengacu pada persamaan untuk mencari besarnya
kapasitansi total yang dimiliki oleh arrester tersebut.
Dimana persamaan tersebut adalah sebagai berikut :
Gambar 4 Model rangkaian arrester pada SUTT tanpa adanya efek stray
capacitance pada arrester
C = 100
n
pF … … … … … … . ሺ2ሻ
d
Dimana :
d
= Panjang keseluruhan arrester (meter)
n
= Jumlah kolom parallel
Gambar 5 Model rangkaian arrester pada SUTT dengan adanya efek stray
capacitance pada arrester
III. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN
A. Stray Capacitance Pada Arrester
Pada pemodelan arrester berikut, akan dicari
besarnya medan elektrostatis yang timbul pada arrester saat
dalam keadaan non-konduktif. Dimana dalam simulasi ini,
arrester yang digunakan adalah arrester merk ABB tipe
EXLIM-P 132 kV.
Gambar 7 Rangkaian ekivalen arrester EXLIM-P 132 kV dengan efek
stray capacitance
Dari persamaan 2 dapat dicari besarnya kapasitansi
total yang dimiliki oleh arrester EXLIM-P, yaitu :
1
pF
2,585
= 38,68 pF
C = 100
Gambar 6 Hasil running pdetool
3
Dengan mengetahui besarnya kapasitansi total yang
dimiliki oleh arrester 132 kV tersebut, dapat dicari besarnya
kapasitansi tiap stack arresternya. Seperti diketahui pada
Gambar 2 dapat dilihat bahwa arrester tersebut terdiri dari
dua buah stack arrester yang terpasang seri. Dengan
menggunakan persamaan kapasitansi hubungan seri, maka
besar kapasitansi untuk tiap stack arresternya yaitu :
350
[kV]
240
130
1
1
1
= + … … … . . ሺCଵ = Cଶ ሻ
C୲୭୲ୟ୪ Cଵ Cଶ
1
2
=
38,68 Cଵ
Cଵ = 77,36 pF
20
-90
-200
0,00
Dari persamaan 1, hasil running pdetool, dan besarnya
nilai kapasitansi tiap stack arrester diatas, maka dapat dicari
besarnya stray capacitance yang timbul, yaitu :
Model
petir
600
1.2/50 µs
1/4 µs
8/20 µs
30/60 µs
450
300
150
0
-150
0,15
0,20
0,25
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
400
[kV]
300
340000
200
320000
100
300000
0
280000
-100
260000
Sebelum efek
stray
capacitance
(V)
311470
289010
307620
328180
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30 [ms] 0,35
Setelah efek
stray
capacitance
(V)
312310
289220
307900
328360
Error (%)
0,16160683
0,04392019
0,05393951
0,06437308
dengan arrester
tanpa efek stray
capacitance
dengan arrester
dan efek stray
capacitance
1
0,05
0,25
Tabel 2 adalah perbandingan tegangan yang terukur
pada fasa A sisi primer trafo untuk gangguan petir 350 kV.
Dapat terlihat pada tabel bahwa error yang dapat
ditimbulkan dengan adanya efek stray capacitance tersebut
berkisar antara 0,043 % hingga 0,161 %.
0,30 [ms] 0,35
Gambar 8 Tegangan phasa A sisi primer trafo sebelum dipasang arrester
untuk petir 350 kV (1,2/50 µs)
-200
0,00
0,20
TABEL II
PENGARUH STRAY CAPACITANCE UNTUK GANGGUAN PETIR
350 KV
900
[kV]
750
0,10
0,15
Dapat dilihat dari gambar 8, 9 dan 10 tidak dapat
terlihat jelas bahwa adanya stray capacitance pada arrester
berpengaruh pada kemampuan arrester tersebut dalam
meredam gangguan yang terjadi. Maka untuk mengetahui
efek stray capacitance tersebut dilakukan pengukuran
untuk mendapatkan nilai tegangan puncak yang terjadi pada
phasa A sisi primer trafo. Dalam pengukuran didapatkan
besarnya tegangan puncak untuk arrester tanpa pengaruh
stray capacitance sebesar 311470 volt dan saat arrester
dipengaruhi oleh efek stray capacitance menjadi sebesar
312310 volt, dimana saat arrester tidak terpasang besarnya
tegangan yaitu sebesar 831250 volt.
B. Pengaruh Stray Capacitance pada Arrester
Setelah didapatkan besarnya stray caacitance pada
arrester. Dengan menggunakan program EMTP dilihat
besarnya tegangan pada fasa A sisi primer trafo pada saat
terjadi gangguan petir. Dengan membanding hasil yang
didapat pada saat sebelum arrester diberikan efek stray
caacitance dan setelah diberikan efek tersebut, maka dapat
terlihat seberapa besar pengaruh stray capacitance terhadap
kinerja dari sebuah arrester 150 kV.
0,05
0,10
Gambar 10 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester
dengan efek stray capacitance untuk petir 350 kV (1,2/50 µs)
ሺܷଷ − ܷଶ ሻ‫ܥݔ‬ெை,ଷ − ሺܷଶ − ܷଵ ሻ‫ܥݔ‬ெை,ଶ
‫ܥ‬௘,ଵ =
ܷଶ
ሺ150000 − 13392ሻ‫ݔ‬77,36 − ሺ13392 − 1732ሻ‫ݔ‬77,36
=
13392
= 733,3‫ܨ݌‬
-300
0,00
0,05
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
2
3
4
0,30 [ms] 0,35
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
Gambar 11 Grafik besar tegangan pada phasa A trafo setelah terjadi
gangguan petir 350 kV.
Gambar 9 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester
tanpa efek stray capacitance untuk petir 350 kV (1,2/50 µs)
4
A sisi primer trafo. Sehingga dapat dilihat efek stray
capacitance tersebut. Dalam pengukuran didapatkan
besarnya tegangan puncak untuk arrester tanpa pengaruh
stray capacitance sebesar 334000 volt dan saat arrester
dipengaruhi oleh efek stray capacitance menjadi sebesar
334660 volt, dimana saat arrester tidak terpasang besarnya
tegangan yaitu sebesar 1123200 volt.
Keterangan :
1 = model surja tipikal (1,4/50µs)
2 = model front time pendek (1/4µs)
3 = model front time sedang (8/20µs)
4 = model front time panjang (30/60µs)
Untuk lebih memperlihatkan seberapa besar efek stray
capacitance tersebut pada kinerja arrester. Maka simulasi
dilakukan kembali dengan memakai gangguan petir sebesar
500 kV dengan model petir yang sama.
TABEL III
PENGARUH STRAY CAPACITANCE UNTUK GANGGUAN PETIR
500 KV
1,2
[MV]
1,0
Model
petir
0,8
1.2/50 µs
1/4 µs
8/20 µs
30/60 µs
0,6
0,4
0,2
Sebelum efek
stray
capacitance
(V)
334000
300990
323870
352950
Setelah efek
stray
capacitance
(V)
334660
301110
324120
352970
Error (%)
0,083628991
0,016422384
0,031532611
0,004433902
0,0
Tabel 3 adalah perbandingan tegangan yang terukur
pada fasa A sisi primer trafo untuk gangguan petir 500 kV.
Dapat terlihat pada tabel bahwa error yang dapat
ditimbulkan dengan adanya efek stray capacitance tersebut
berkisar antara 0,004 % hingga 0,083 %.
-0,2
-0,4
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30 [ms] 0,35
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
Gambar 12 Tegangan phasa A sisi primer trafo sebelum dipasang arrester
untuk petir 500 kV (1,2/50 µs)
340000
330000
320000
310000
300000
290000
280000
270000
260000
400
[kV]
300
200
100
0
-100
-200
-300
0,00
dengan arrester
tanpa efek stray
capacitance
dengan arrester
dan efek stray
capacitance
1
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
2
3
4
0,30 [ms] 0,35
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
Gambar 13 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester
tanpa efek stray capacitance untuk petir 500 kV (1,2/50 µs)
Gambar 15 Grafik besar tegangan pada phasa A trafo setelah terjadi
gangguan petir 500 kV.
400
[kV]
300
Keterangan :
1 = model surja tipikal (1,4/50µs)
2 = model front time pendek (1/4µs)
3 = model front time sedang (8/20µs)
4 = model front time panjang (30/60µs)
200
100
0
IV.
-100
-200
-300
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
KESIMPULAN
Kesimpulan yang didapat dari analisis dan
pembahasan perhitungan adalah :
1. Rating lightning arrester pada sistem 150 kV adalah
132 kV bila ditanahkan langsung dan 165 kV bila
tidak ditanahkan langsung.
2. Dari perhitungan stray capacitance dengan metode
elemen hingga didapatkan kapasitansi sebesar 733,3
pF untuk arrester tipe EXLIM-P 132 kV.
0,30 [ms] 0,35
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
Gambar 14 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester
dengan efek stray capacitance untuk petir 500 kV (1,2/50 µs)
Dengan cara yang sama dilakukan pengukuran untuk
mendapatkan nilai tegangan puncak yang terjadi pada phasa
5
3.
4.
5.
V.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
VI.
Stray capacitance memiliki efek yang cukup besar
dalam hal kecepatan arrester 132 kV dalam
meredam gangguan yang terjadi, ini dapat dilihat
dari perbedaan hasil running antara arrester sebelum
efek stray capacitance dengan setelah efek tersebut.
Dimana pada hasil running pada arrester yang diberi
efek stray capacitance, puncak dari tegangan sisa
yang dihasilkan lebih stabil, daripada sebelum diberi
efek tersebut.
Efek stray capacitace tidak berpengaruh pada
besarnya tegangan sisa yang dihasilkan oleh arrester
132 kV tersebut, dengan dibuktikannya persentase
error yang terjadi pada arrester akibat adanya efek
stray capacitance adalah kurang dari 1 %.
Besarnya gangguan yang terjadi juga berpengaruh
pada efek stray capacitance pada arrester dalam hal
tegangan sisa yang dihasilkan. Dimana semakin
besar gangguan yang terjadi, semakin kecil efek
stray capacitance tersebut pada kinerja arrester. Ini
dapat dibuktikan pada tabel 2 dan tabel 3 dimana
pada impuls yang sama besarnya persentase error
pada gangguan petir 350 kV lebih besar
dibandingkan persentase error pada gangguan petir
500 kV.
RIWAYAT HIDUP
Septian Ahadiatma dilahirkan di
Pasuruan, 12 September 1987. Penulis
adalah putra kedua
dari tiga
bersaudara pasangan
Basuki dan
Mukiyati. Penulis memulai jenjang
pendidikannya di TK PGRI 1 Pandaan
dan melanjutkannya ke SDN 1
Kutorejo, Pandaan hingga lulus tahun
1999. Setelah itu penulis melanjutkan
studinya di SLTP Negeri 1 Pandaan.
Tahun 2002, penulis diterima sebagai murid SMA Negeri 1
Purwosari hingga lulus tahun 2005. Pada tahun yang sama
penulis masuk ke Jurusan D3 Teknik Elektro Institut
Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya hingga lulus tahun
2008. Kemudian penulis melanjutkan studi program sarjana
di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan
NRP. 2208100653 dan mengambil bidang studi Teknik
Sistem Tenaga.
DAFTAR PUSTAKA
T. S. Hutahuruk, “Gelombang Berjalan dan Proteksi
Surja”,Erlangga jakarta
MATLAB R2007b Users' Manual.
ATPDRAW version 3.5 for Windows
9x/NT/2000/XP Users' Manual.
Surge Arresters Buyers Guide Edition 7.3 2009-12,
ABB.
Zoro H Reynaldo . 2004. Proteksi Terhadap
Tegangan Lebih Petir Pada sistem Tenaga Listrik.
Catatan Kuliah, Departemen Teknik Elektro .ITB,
Bandung.
IEC 60099-4 International Standard Part 4, Metal
oxide surge arresters without gaps for A.C. systems.
Mungkung, N., Wongcharoen., S., Tanes
Tanitteerapan, Saejao, C., Arunyasot, D.,’ Analysis
of Lightning Surge Condition Effect on Surge
Arrester in Electrical Power System by using
ATP/EMTP Program’, World Academy of Science,
Engineering and Technology 28, 2007.
Valsalal, P., Usa, S., Udayakumar, K.,’ Effect of
Stray Capacitance on Surge Arrester Performance’,
Proceedings of the World Congress on Engineering
and Computer Science 2009 Vol I WCECS 2009,
October 20-22, 2009, San Francisco, USA.
6