Buku desain GI Switchgear

PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV
BAB 2. SWITCHGEAR
2.1.
LAY OUT GARDU INDUK 150 KV (Terlampir)
2.2.
DESAIN PENTANAHAN GARDU INDUK
Tujuan dari sistem pentanahan di Gardu Induk (GI) adalah untuk melindungi
manusia (pekerja) dan peralatan GI dari gangguan hubung singkat, sambaran
petir maupun switching yang dapat menyebabkan ketidaknormalan tegangan
pada sistem. Untuk itu pentanahan harus harus mempunyai nilai tahanan
tertentu agar dapat memenuhi batasan tegangan langkah (step voltage) dan
tegangan sentuh (touch voltage) yang diijinkan.
Pada umumnya sistem pentanahan GI dibuat model mesh (grid) dengan maksud
agar dapat mencapai nilai tahanan pentanahan tertentu yang diinginkan.
Apabila nilai tahanan pentanahan yang didapatkan masih lebih besar dari yang
diinginkan, maka untuk menurunkannya dilakukan dengan menambahkan batang
pentanahan (ground rod) yang dihubungkan dengan sistem mesh.
Pentanahan untuk Lightning Arrester (LA) harus dipisahkan dengan petanahan
sistem grid, mengingat besarnya arus gangguan yang dilepaskan oleh LA tidak
menentu.
Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam mendesain sistem pentanahan
adalah sebagai berikut:
2.2.1. Pemilihan Kawat Pentanahan Dan Joint
Kawat pentanahan dan joint yang digunakan haruslah memenuhi
persyaratan antara lain mempunyai: konduktivity yang baik, ketahanan
terhadap arus hubung singkat dan ketahanan terhadap korosi. Bahan
yang umum dipakai untuk sistem pentanahan dan memenuhi criteria
tersebut di atas adalah tembaga.
2.2.2. Luas Penampang Kawat Pentanahan
Untuk menentukan ukuran kawat pentanahan, diambil asumsi arus
hubung singkat maksimum GI. Besarnya penampang kawat pentanahan
sesuai ANSI/IEEE standard 80-1986 dapat dihitung sebagai berikut:
Tc.αr.ρr.104/TCAP
A = Ig
ln
dimana:
A
Ig
Tc
Ta
Tm
Αr
Αo
Pr
:
:
:
:
:
:
:
:
1+
Tm - Ta
Ko + Ta
luas penampang kawat pentanahan (mm2)
arus hubung singkat fasa ke tanah 3Io (kA)
waktu hubung singkat (detik)
temperature luar (oC)
temperature yg diijinkan kawat (oC)
Koefisien termal pada suhu ruang (oC)
Koefisien termal pada suhu nol (oC)
tahanan jenis kawat tanah (μΩ/cm3)
1/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
Ko
TCAP
:
:
LOMBA DESAIN GI 150 KV
1/ αo
Faktor kapasitas termal (J/cm3/ oC
2.2.3. Tahanan Jenis Tanah (ρ)
Nilai tahanan jenis tanah (ρ) pada dasarnya dipengaruhi oleh kondisi dan
kualitas tanah. Sesuai ANSI/IEEE standard 80-1976 tahanan jenis tanah
diklasifikasikan sebagaimana dibawah ini:
Tabel. 2.5-1. Tahanan Jenis Tanah Rata-Rata
NO
JENIS TANAH
TAHANAN JENIS RATA-RATA
(Ω-m)
1
Tanah organic basah
10
2
Tanah lembab
102
3
Tanah kering
103
4
Tanah bebatuan
104
Sedangkan nilai tahanan jenis lapisan permukaan (ρs) besarnya adalah
berkisar antara 1000 – 5000 Ω-m
2.2.4. Tahanan Pentanahan Yang Diinginkan
Dalam menentukan batasan nilai tahanan pentanahan yang diinginkan
didasarkan pada kekuatan isolasi peralatan tegangan rendah yang ada di
GI. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari kerusakan peralatan tersebut
apabila terjadi kenaikan tegangan pada sistem pentanahan yang
diakibatkan oleh mengalirnya arus gangguan
2.2.5. Tegangan Langkah Dan Tegangan Sentuh Yang Diijinkan
Menurut studi yang dilakukan oleh Dalziel bahwa arus listrik yang
diijinkan melalui tubuh manusia adalah merupakan fungsi dari durasi
dan frequensi. Untuk frequensi 50 Hz maka tegangan langkah (Es) yang
diijinkan dapat dihitung:
Es =
(116 + 0,7 ρs) / √t
(V)
Sedangkan tegangan sentuh yang diijinkan:
Et =
(116 + 0,17 ρs) / √t
(V)
2.2.6. Tahanan Pentanahan
a. Tahanan pentanahan model grid tanpa batang pentanahan dapat
dihitung menurut Sverak’s adalah
Rg = ρ
dimana
1
L
+
: Rg :
ρ :
L :
1
√20/Ag
1+
1
1+h√20/Ag
Tahanan grid (Ω)
tahanan jenis tanah (Ω-m)
panjang kawat pentanahan (m)
2/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
Ag :
H :
LOMBA DESAIN GI 150 KV
Luas grid (mm2)
kedalaman grid (m)
b. Apabila dengan model mesh ini nilai tahanan pentanahannya masih
belum memenuhi standar yang diinginkan sesuai butir 4 di atas, maka
diperlukan tambahan rod pentanahn yang disambungkan ke sistem
mesh. Tahanan pentanahan model ini dapat dihitung dengan rumus
Swhwarz yaitu:
R1 = (ρ/ πL) (ln 2 L/h’ + K1 L/1√Ag – K2)
R2 = (ρ/ 2πn Lr) (ln 4Lr /dr -1 + 2K1 (Lr /√Ag) (√n - 1)2
R12 = R11 - (ρ/ πL) (ln L1/h’ -1)
Rg = (R1 . R2 – R122) / (R1 + R2 – 2R12)
Dimana : Rg : Total tahanan grid (Ω)
R1 : Tahanan grid (Ω)
R2 : Tahanan rods (Ω)
R12 : Tahanan mutual antara grid dan rods (Ω)
p
: tahanan jenis tanah (Ω-m)
L
: panjang kawat pentanahan grid (m)
Lr
: panjang rod (m)
Ag : Luas grid (mm2)
dr
: diameter rod (m)
h
: kedalaman grid (m)
h’
: √d1.h
n
: jumlah rods
Kalkulasi perhitungan teknis dan gambar (terlampir).
2.3.
BUSBAR
Pemilihan sistem Busbar berdasarkan pada pertimbangan Ekonomis, Keandalan,
Safety dan Estetika.
Model / type Busbar antara lain :
Single Busbar
Double Busbar
Double Busbar Type U
Pertimbangan yang digunakan untuk memilih model / type Busbar adalah :
1. Fleksibilitas pengoperasian untuk manuver.
2. Menghidari pemadaman pada saat melaksanakan pemeliharaan.
3/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV
3. Memudahkan bila memerlukan pengembangan.
4. Letak bay couple ditengah untuk menyeimbangkan pendistribusian arus.
Dari pertimbangan tersebut diatas dipilih Model : DOUBLE BUSBAR.
Untuk menentukan jenis konduktor busbar yang digunakan maka dibuat
perhitungan sebagai berikut :
 Asumsi 2 Penghantar yg masuk menggunakan Conductor Double Zebra ( 2 x
800 Amp ), masing – masing berbeban 60 % ( 960 Amp ).
 Busbar yang dibutuhkan mempunyai kemampuan 2 x 960 Amp = 1920 Amp.
Maka Jenis Material untuk Busbar adalah :
1. Conductor type AAAC 2 x 800 mm2 arus nominal 2 x 1075 Amp.
2. Tension Clamp type bolt untuk mengurangi jumlah sambungan dan
menghindari terjadinya hotspot.
3. Isolator yang digunakan jenis piring dengan kekuatan daya tarik 120 KN
dimana creepage distance disesuaikan dengan kondisi setempat.
2.4.
TRANSFORMATOR
Dalam menentukan spesifikasi Trafo disamping standard baku yang berlaku,
juga perlu ditambah kelengkapan peralatan yang akan mendukung pelaksanaan
operasi dan pemeliharaan Trafo, sebagai berikut :
a. On Load Tap Changer (OLTC) dilengkapi dengan online filter, karena minyak
OLTC cepat terkontaminasi oleh carbon dioksid yang disebabkan oleh
switching.
b. Motor OLTC menggunakan sumber DC, agar pada saat tegangan AC hilang
posisi Tap Changer dapat diatur ke posisi tegangan minimum.
c. Konservator dilengkapi dengan breather bag hal ini untuk meminimize
kontak udara luar dengan minyak trafo.
d. Kabel thermometer memakai shielding (tipe lama).
e. Dilengkapi dengan fasilitas yang mendukung program CBM.
f. Dilengkapi dengan fasilitas untuk memonitor secara real time (EWS).
g. Bushing dilengkapi dengan centre tap dan indikator level minyak.
h. Valve inlet-outlet minyak Trafo dipersiapkan untuk fasilitas on-line filter.
i. Drain oil Bucholz dipasang dibawah.
j. Indikator level minyak trafo menggunakan gauge/penunjukan jarum, karena
sering ditemukan gelas penduga kotor sehingga penunjukkan tidak akurat
dan dilengkapi fasilitas alarm.
k. Minyak menggunakan minyak isolasi yang non PCB dan memperhatikan halhal teknis sebagai berikut :
 Kekuatan isolasi tinggi, sesuai IEC 296 minyak trafo Class 1 & 2 yaitu
untuk minyak baru dan belum di Filter > 30 kV/2,5 mm dan setelah
difilter yaitu > 50 kV/2,5 mm.
4/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV

Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan
pendingan menjadi lebih baik. Pada IEC 296 Viskositas minyak class 1
saat suhu 40o C adalah < 16,5 cSt.

Titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat
membahayakan. Sesuai IEC 296 Flash point minyak trafo di atas 163oC
dan Pour point adalah di bawah – 30 o C.
Tidak merusak bahan isolasi padat.

Spesifikasi Transfomator
2.5.
PEMUTUS TENAGA (PMT)
Dalam mendesain gardu induk salah satu peralatan yg sangat penting adalah
PMT, PLN P3B menggunakan beberapa tipe mekanik penggerak yaitu :
Hydraulic, Pneumatic, Spring dan Kombinasi Hydraulic Spring, sedangkan tipe
pemadam busur api yaitu : Minyak, Vacuum, Gas SF6 dan Air Blast.
Dari pengalaman Operasi kelebihan dan kekurangan dari tipe-tipe PMT tersebut
dapat dituangkan dalam tabel :
5/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV
Tabel 2.5-2. Jenis PMT Berdasarkan Mekanik Penggerak
HYDRAULIC
KELEBIHAN
PNEUMATIC
SPRING
KOMBINASI
HYDRAULIC SPRING
o Open/Close
o Open/Close
o Open/close
o Open/Close
relatif cepat
relatif cepat
relatif cepat.
relatif cepat.
o Waktu charging o Waktu charging o Harga
o Waktu charging
cepat
cepat.
termurah.
cepat.
o Harga
lebih
murah
dari
type
full
hidrolic.
o Kebocoran
tidak dominan.
o Menggunakan
minyak hidrolic
sangat sedikit
KEKURANGAN o Kebocoran seal o Kebocoran seal o Waktu
dominan
dominan
charging
spring lama
o Harga
relatif o Kompresor
(180 second).
mahal.
sering
gangguan.
o Cycle
open
o Perlu
close
pemeliharaan
o Perlu
terbatas.
yang intensif.
pemeliharaan
yang intensif.
o Harga
relatif
mahal.
6/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV
Tabel 2.5-3. Jenis PMT Berdasarkan Media Pemadam Busur Api
MINYAK
KELEBIHAN
GAS SF.6
o Murah.
o Dimensi lebih kecil
o Dapat didaur ulang. o Low maintenance.
o Paling andal.
AIR BLAST
o Murah
o Tidak ada polusi
KEKURANGAN o Biaya pemeliharaan o memerlukan
o Biaya
tinggi.
penanganan
hatipemeliharaan
hati
agar
SF6
tidak
tinggi.
o Rentan
terhadap
terbuang
ke
udara
kegagalan isolasi.
o Ruang besar
karena
merusak
o Ruang besar.
o Polusi suara
ozon.
o Pencemaran
o Jaringan
pipa
lingkungan
bertekanan tinggi
Dari pertimbangan yang tertera pada tabel di atas dipilih PMT dengan Mekanik
Penggerak Kombinasi Hydraulic-Spring dengan media Pemadaman Gas SF6.
Spesifikasi PMT
2.6.
LIGHTNING PROTECTION
Untuk instalasi gardu induk pasangan luar perlu dipasang proteksi terhadap
sambaran petir.
Gardu induk pasangan luar dapat dilindungi dari petir dengan memasang kawat
tanah atau lightning spikes pada steel structure busbar/gantry.
Kawat tanah dan spikes menggunakan material yang anti korosi, seperti
allumunium/ steel atau galvanized steel wire atau tube.
Metoda yang direkomendasikan untuk menghitung adalah perumusan dari
Wagner, Mc Cann dan Lear dalam IEEE Trans.194 PAS 60 pp 96-100, untuk
daerah yang mempunyai IKL (Iso Keraunic Level) yang tinggi.
Proteksi yang diambil adalah dengan probabilitas 0,1 persen shielding failures
per tahun.
Sambaran petir yang terjadi sebanding dengan IKL pada daerah tersebut .
Proteksi sambaran petir dengan spikes lebih baik dibanding dengan kawat
tanah, hal ini berdasarkan pengalaman dan literatur.
Dari pengalaman operasi kawat tanah setelah beberapa tahun operasi banyak
yang putus, sehingga menyebabkan hubung singkat pada Busbar Gardu Induk,
oleh karena itu dalam disain ini dipasang spikes.
7/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV
Untuk Proteksi spikes meliputi daerah dengan radius √5 . H ( Switchgear Manual
ABB Edisi 8 Tahun 1988 ) dengan panjang Spikes 2,5 m maka diperoleh H (
dari tanah ) = 16 m sehingga radius perlindungan yang diperoleh untuk satu
spikes 35.77 m.
2.7.
PEMISAH
Pemisah (PMS) yang akan digunakan adalah model doubel arm. Sistim ini dipilih
mengingat model ini jarang mengalami gangguan serta mudah untuk
dioperasikan/ringan. Untuk creepage distance disesuaikan dengan kondisi
setempat. Khusus untuk PMS penghantar dan PMS Trafo harus dilengkapi dengan
pemisah tanah. Sistem pentanahannya bergabung dengan sistem grid.
Spesifikasi PMS
2.8.
NEUTRAL GROUNDING RESISTOR (NGR)
2.8.1. Sistem Pentanahan Trafo Tenaga
Dalam design Gardu Induk ini, titik netral Trafo sisi 20 kV ditanahkan
melalui resistor 12 Ohm.
Dengan perhitungan sebagai berikut :
Data Trafo
:
Daya
( P ) = 60 MVA
Tegangan Primer ( Vp ) = 150 kV
Tegangan Sekunder ( Vs ) = 20 kV
Ins 
P
Vs.103 3
Jadi Arus Nominal disisi 20 kV ( InS ) = 1732 Amp
Beban Trafo 80% = 0,8 x 1732 Amp = 1368 Amp
Arus Hubung Tanah dibatasi antara 50% s/d 75 % In Trafo
Arus gangguan = ( 50% s/d 75% ) x 1368 Amp = antara 684 Amp s/d 1026
Amp
R
Ef

I
Dengan :
R
=
Ef =
Tahanan (Ω)
Tegangan fasa ke tanah (
20kV
)
3
I
=
Maka
Arus beban dalam Ampere dari Transformator (dibatasi 1000
Amp)
:
1. Tahanan yang dipilih 12 Ω.
2. Jenis resistansi yang dipilih adalah Low Resistance.
Spesifikasi NGR
8/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
2.9.
LOMBA DESAIN GI 150 KV
TRAFO PEMAKAIAN SENDIRI GARDU INDUK
Trafo Pemakaian sendiri (Trafo PS) di pasang dua unit sehingga pada saat
pemeliharaan trafo PS maka gardu induk tsb tidak kehilangan daya AC.
Kapasitas trafo PS tergantung dari kebutuhan supply daya AC 220 / 380 Volt
yang digunakan oleh gardu induk tersebut. Besarnya daya Trafo PS masingmasing adalah 200 KVA, dengan rincian sebagai berikut :
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Penerangan Switchyard
Penerangan Jalan
Penerangan Gedung
AC Gedung
Fan Trafo
Rectifier
Pompa : - Hidran
- Air
Heater
Exhoust Fan
Pengembangan/Cadangan
Lain-lain
TOTAL
1400
4250
3800
14000
45000
12000
5000
1000
10000
10000
40000
10000
156450
Dibulatkan menjadi : 200 KVA
2.10. BATERE
Untuk memenuhi kebutuhan sumber DC pada Gardu Induk ini dipilih batere
jenis NiCad dengan konstruksi fibre plate karena teknologi terakhir dan sudah
teruji keandalannya serta termasuk jenis low maintenance.
Guna menjaga keandalan sistem DC Gardu Induk, maka batere di pasang dengan
sistem redundant.
Kapasitas yang digunakan adalah 200 AH 100 Volt.
Perhitungan kapasitas dan spesifikasi battere.
2.11. RECTIFIER
Kapasitas Rectifier disesuaikan dengan kapasitas Batere yang akan dipasang,
kemampuan minimum rectifier yang disyaratkan sebesar 0,2 C ditambah beban
statis Gardu Induk.
Rectifier ini harus dilengkapi dengan AVR dan suatu rangkaian dropper serta
filter (penyaring) berfungsi untuk memperbaiki ripple memenuhi SE Direksi No.
032 tahun 1985 yaitu maksimal 2%.
Besarnya faktor ripple (r) adalah sebagai berikut:
r
Komponen AC
x 100%
Komponen DC
Dalam desain ini di pilih rectifier dengan kapasitas 50 Amper dengan
perhitungan sebagai berikut :
9/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV
Beban statis = 7 Amp
Kapasitas batere = 200 AH
Kebutuhan Rectifier = (0,2 X 200) + 7 = 47 Amp , dibulatkan 50 Amp
Spesifikasi Rectifier
2.12. ARRESTER
Ligthning Arrester (LA) harus mempunyai Basic Insulation Level (BIL) yang
terendah dari semua jenis peralatan terpasang dan besarnya arus disesuaikan
dengan IKL pada daerah/lokasi gardu induk tersebut. Arrester dilengkapi
indikator arus bocor dan counter.
Spesifikasi Arrester
2.13. PENERANGAN (LIGHTING)
2.13.1.
Rumus Penghitungan Keperluan Cahaya
Jumlah keperluan cahaya penerangan dari lampu yang akan dipasang
dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
 
Φ
I
F
E
h
=
=
=
=
=
I

.F .E.
lm
Arus cahaya (dalam satuan lumen)
Kuat Cahaya (dalam satuan lilin)
luas yang akan diterangi (dalam meter2 )
kuat penerangan (dalam satuan lux)
Rendemen sistim penerangan
10/Bab 2
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
LOMBA DESAIN GI 150 KV
Tabel 2.5-4. Harga – Harga η Yang Dipergunakan Sebagai Dasar Perhitungan
Cara Penerangan
η
Seluruhnya langsung
0,50
Hampir langsung
0,46
Menyebar
0,35
Hampir tidak langsung
0,25
Seluruhnya tidak langsung
0,15
Tabel 2.5-5. Kekuatan Penerangan Yang Dikehendaki (dalam lux)
Jenis Pekerjaan
Penerangan Umum
Penerangan Umum dan Setempat
Min
Setempat
Umum dan Setempat
Kasar
40
20
100 – 50
20
Biasa
80
40
300 – 100
30
Halus
150
75
1000 – 300
40
Sangat Halus
300
150
> - 1000
50
Keterangan Jenis Pekerjaan :




Kasar
Biasa
Halus
Sangat halus
:
:
:
:
gang, gudang
dapur, tempat cuci
ruang baca
ruang untuk menggambar
2.13.2. Perhitungan Kebutuhan Penerangan Untuk Switchyard :
E

lux
F
Luas Switchyard (F) =
Kuat Penerangan (E) =
24 m x
100 lux
Rendemen (  )
= 0,35
Maka Cahaya yang diperlukan

I

.F .E. lumen
=
96 m
=
2.304 m2
:
2304 X
11/Bab 2
20 =
46.080
Lumen
Agustus 2005
PT. PLN (PERSERO)
PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN
JAWA BALI
Asumsi
:
1 Watt
=
LOMBA DESAIN GI 150 KV
8 Lumen
46.080
 5760 watt
8
Maka kebutuhan daya / Watt
=
Kebutuhan Lampu Switchyard
Kebutuhan Lampu Jalan
= 14 x 100 Watt = 1400 Watt (Mecury)
= 17 x 250 Watt = 4250 Watt (Mecury)
Jumlah
= 5760 Watt
12/Bab 2
Agustus 2005