bab ii gangguan tegangan lebih pada sistem tenaga listrik

BAB II
GANGGUAN TEGANGAN LEBIH PADA SISTEM
TENAGA LISTRIK
2.1 Umum
Pada dasarnya suatu gangguan ialah setiap keadaan sistem yang menyimpang dari
normal. Gangguan yang terjadi pada waktu sistem tenaga listrik dapat menyebabkan
terhentinya pelayanan daya. Gambaran sambaran petir lebih sering terjadi pada jaringan
transmisi atau distribusi. Terjadinya gangguan akibat sambaran petir atau surja hubung
dapat menyebabkan peninggian tegangan, yang dikenal sebagai tegangan lebih (over
voltage), tegangan lebih ini dapat melampaui tingkat ketahanan isolasi dari peralatan
sistem, hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada peralatan.
Tegangan lebih (over voltage) dapat dibagi menjadi dua golongan yaitu :
Tegangan lebih dari luar sistem (external over voltage)yang disebabkan oleh surja petir
dan dari dalam sistem (internal over voltage) yang disebabkan oleh surja hubung
(switching surge).
Tegangan yang lebih tinggi pada sistem yang disebabkan oleh sambaran petir dan
surja hubung dapat merusak isolasi peralatan sistem, sehingga dapat mengganggu
pelayanan daya. Oleh sebab itu tingkat ketahanan isolasi suatu sistem tenaga listrik
biasanya dapat ditentukan oleh tegangan lebih akibat sambaran petir (surja petir) dan
tegangan lebih akibat surja hubung (switching surge)
6
2.2 Gangguan tegangan lebih external
Gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik dari luar (external) ialah
sambaran petir. Petir merupakan pelepasan muatan listrik di udara yang terjadi :
•
Antara awan dengan awan
•
Antara pusat – pusat muatan di dalam awan
•
Antara awan dengan tanah
Pada sistem tenaga listrik, petir sering mendatangkan kerusakan karna dapat
menimbulkan tegangan lebih. Bila tegangan lebih yang ditimbulkan oleh petir melebihi
kekuatan isolasi peralatan sistem, akan terjadi penembusan pada isolasi peralatan.
Sambaran petir baik secara langsung atau tidak langsung dapat menimbulkan
tegangan yang lebih tinggi pada sistem tenaga listrik, yang dapat mengakibatkan
kerusakan peralatan sistem. Tegangan lebih akibat petir atau sambaran langsung yang
mengenai saluran dan peralatan dalam gardu induk adalah yang paling berbahaya
diantara gelombang berjalan lainnya yang datang ke gardu induk. Sambaran langsung
tersebut menyebabkan tegangan lebih yang sangat tinggi yang tidak mungkin dapat
ditahan oleh peralatan sistem. Walaupun kemungkinan terjadinya sambaran langsung
sangat kecil, maka kerusakan yang ditimbulkannya sangat besar pada peralatan sistem.
Mengingat bahaya tegangan lebih yang ditimbulkan oleh petir, maka perlu
diketahui terjadinya petir, sifat dan karakteristiknya serta mekanisme sambaran petir
sehingga dapat diketahui bahaya yang ditimbulkan.
7
2.2.1
Proses terjadinya petir
Pada keadaan tertentu dalam atmosfer bumi terdapat gerakan angin keatas
membawa udara lembab makin tinggi permukaan bumi makin rendah tekanan dan
suhunya. Uap – uap air akan menjadi titik air dan membentuk awan, di dalam
awan tersebut ada kalanya masih terjadi gerakan udara keatas (Up-draf) dengan
kecepatan tinggi mencapai 120 Km/jam. Gerak udara keatas membawa butir –
butir air akan membeku dan mengakibatkan timbulnya gerakan udara kebawah
(down-draf) pada bagian awan tadi, juga mempunyai kecepatan yang tinggi. Jadi
ada gerakan partikel – partikel air di dalam awan tadi. Muatan listrik akan
terkonsentrasi di dalam awan atau bagian dari awan dan muatan listrik yang
berlawanan akan timbul pada permukaan tanah (bumi) dibawahnya, dengan
demikian terbentuklah medan listrik antara awan dan permukaan bumi. Medan
listrik ini akan membantu terbentuknya lidah – lidah muatan dari awan dan kanal –
kanal muatan (banjiran muatan).
Jika muatan listrik pada awan bertambah, maka beda potensial antara awan
dengan tanah (bumi) akan bertambah. Jika medan lisrtik tersebut melebihi
kekuatan medan tembus udara, akan terjadi pelepasan muatan (discharge) dan
terjadilah aliran dari awan ketanah yang disebut kilat atau petir.
Lidah kilat (leader) dari suatu kilat didahului oleh lidah petir pengemudi
(pilot leader) yang menentukan arah rambatan muatan dari awan ke udara yang
ionisasinya rendah. Pilot leader yang membawa muatan akan mengawali aliran
ketanah sehingga saluran yang dibuat oleh pilot leader ini menjadi bermuatan dan
kuat medan dari ujung leader ini sangat tinggi. Selama pusat muatan di awan
mampu memberikan muatannya pada ujung leader.
8
Untuk mempertahankan kuat medan pada ujung leader lebih besar dari kuat
medan listrik udara, maka leader (petir) akan terhenti dan pelepasan muatan tidak
akan sempurna (tidak ada pukulan tekanan).
Pada saat leader mendekati tanah, kuat medan statis pada permukaan tanah
(bumi) akan naik cukup tinggi untuk menghasilkan aliran ke atas yang pendek
menyongsong pilot leader. Titik tempat bertemunya dua aliran yang berbeda
muatan ini disebut “ striking point” (titk pertemuan). Jika muatan pada awan telah
dilepaskan ke tanah (bumi) maka tegangan yang tinggi antara awan dengan pusat
muatan yang lainnya pada awan tersebut. Akibatnya akan terulang kembali
pelepasan muatan melalui kanal yang terbentuk oleh pelepasan muatan yang
berurutan (multiple lightning strouke) yang sering terjadi di dalam .
Gambar 2.1 Terjadinya Pelepasan Muatan Listrik
2.2.2
Tahapan sambaran petir
Ketika kuat medan listrik antara awan dengan tanah melebihi harga tembus
udara yang terionisasi, maka terjadilah lidah petir pengemudi (pilot leader) yang
menentukan arah perambatan muatan dari awan ke udara yang terionisasi rendah,
sesudah pilot leader ini terjadi akan di ikuti oleh titik cahaya yang bergerak
melompat – lompat dinamakan lidah petir (stepped leader). Lidah lompat (stepped
9
leader) tersebut merupakan sandaran perintis (leader stroke) kecepatan stepped
leader kira – kira 10 m/s. Arah tiap – tiap langkah dari stepped leader berubah –
ubah, maka jalannya tidak lurus dan patah – patah.
Ketika lidah petir (leader) menuju bumi, cabang – cabang dari lidah utama
akan terbentuk. Bila stepped leader telah dekat dengan bumi, akan terjadi kanal
muatan positif dari bumi ke awan, karena ada beda potensial yang tinggi. Kanal
muatan positif ini berujung stepped leader, titik pertemuan (striking point) berada
20 – 70m di atas permukaan tanah (bumi). Waktu dari stepped leader untuk sampai
kepermukaan bumi kira – kira 20 mikro detik.
Ketika lidah petir (leader) mengenai tanah (bumi), akan terjadi suatu
sambaran kembali (return stroke) yang sangat terang bergerak ke atas melalui
jalan yang sama. Sambaran kembali terjadi karna aliran muatan positif dari bumi
ke awan atau aliran muatan negatif dari awan ke bumi (tanah). Sesudah sambaran
kembali yang pertama, biasanya terjadi sambaran – sambaran berikutnya karena
dibagian lain dari awan mempunyai cukup banyak muatan listrik, akibatnya terjadi
beda potensial yang tinggi antara pusat – pusat muatan listrik lainnya dalam awan
yang bermuatan tersebut.
Dengan demikian akan terulang kembali sambaran petir berikutnya.
Sambaran dimulai dengan lidah petir (leader) yang mengikuti jalan yang dilalui
oleh sambaran kembali (return stroke) sebelumnya. Ciri – cirinya tidak ada
percabangan , oleh karena itu disebut juga lidah tanah (dart leader). Lidah panah
(dart leader) memerlukan waktu 1ms untuk sampai kebumi (tanah). Dart leader ini
kemudian diikuti dengan return stroke berikutnya.
10
Interval antara return stroke sebelumnya dengan dart leader adalah 40 – 50
mikro detik, biasanya sambaran petir terdiri dari 3 – 4 return stroke, kadang –
kadang juga terdiri dari 10 return stroke.
Gambar 2.2 Distribusi Muatan Dari Berbagai Tingkat Pelepasan Pada
Sambaran Petir
11
Keterangan Gambar :
a. Pada salah satu pusat muatan listrik mulai terjadi stepped leader yang bergerak
menuju bumi.
b. Stepped Leader hampir mencapai tanah, sementara itu bumi terjadi kanal muatan
positif bergerak keatas, kanal ini akan bertemu dengan stepped leader dititik
pukulan.
c. Return Stroke terjadi muatan positif bergerak ke atas dengan cepat sekali.
d. Pusat muatan pertama telah terdischarge, kanal muatan positif berkembang
menuju ke muatan kedua.
e. Discharger antara pusat muatan pertama dengan yang kedua, dart leader
bergerak menuju bumi melalui kanal yang telah dilalui oleh Return Stroke tadi.
f. Terjadi Return Stroke yang kedua, discharger terjadi antara bumi dengan muatan
negatif dibagian bawah dari awan.
2.2.3
Bentuk dan spesifikasi gelombang surja petir
Bentuk umum gelombang berjalan menurut standat IEC (international
elektro technical commision) dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
12
Spesifikasi dari suatu gelombang surja petir sebagai berikut :
a.
Puncak (crest) gelombang Vs (KV), yaitu amplitudo maksimum dari
gelombang.
b.
Muka gelombang t f (μs), yaitu waktu yang ditempuh dari permulaan sampai
puncak gelombang.
c.
Ekor gelombang t f (μs), yaitu bagian permulaan sampai setelah puncak
gelombang hingga 50% puncak gelombang .
d.
Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang (positif atau negatif).
Bentuk gelombang biasanya dinyatakan dalam bentuk tegangan dan waktu,
t f (dalam mikro detik) menyatakan waktu gelombang (wafe-Frant), dan t t (dalam
mikro detik) menyatakan waktu ekor gelombang (wafe-tail).
Secara lebih jelas, muka gelombang (t f) adalah waktu yang diperlukan oleh
gelombang tegangan tersebut untuk mencapai harga puncak (maksimumnya) dan
ekor gelombang (t t ) adalah waktu total dari saat mulainya gelombang terjadi
sampai kesuatu saat gelombang ketika gelombang tersebut turun hingga mencapai
harga tegangan setengah dari harga tegangan puncaknya.
Setengah puncak gelombang adalah setengah puncak (titik 0,5 pada gambar)
kecuraman muka gelombang adalah kecepatan naiknya tegangan pada muka
gelombang. Kecuraman muka rata – rata mudahnya dinyatakan sebagai
perbandingan antara tegangan puncak dan lamanya muka gelombang.
2.2.4
Jumlah Sambaran petir
Jumlah sambaran petir kebumi adalah sebanding dengan jumlah hari guruh
pertahun atau iso keraunik level (IKL) ditempat tersebut. Banyak para pengamat
13
yang telah memberikan perhatiannya kearah ini dan mengemukakan rumus –
rumus yang berlainan. Untuk penggunaan di indonesia penulis menggunakan
rumus – rumus sebagai berikut :
N = 0,15 IKL
(2.1)
Dimana : N = jumlah sambaran petir per KM2 pertahun.
IKL= jumlah hari guruh pertahun.
Tabel 2.1 Relasi empiris antara kerapatan sambaran petir dan hari guruh
pertahun
Kerpatan sambaran petir
N (perKm2 per tahun)
Penyelidik
(pengamat)
india
0,10 IKL
Aiya (1968)
2
Rhodesia
0,14 IKL
Anderson dan jener
(1954)
3
Afrika selatan
0.023 ( IKL) 1,3
Anderson dan
erikson (1954)
4
Swedia
0,004 (IKL ) 2
Muler dan
hillebrand (1964)
No
Lokasi
1
a (IKL)6
5
inggris
a = 2,6 ± 0,2 x 10 -3
String fellow (1974)
a =1,9 ± 0,1
6
USA (bagian
utara)
0,11 IKL
Horn dan Ramsey
(1955)
7
USA (bagian
selatan)
0,17 IKL
Horn dan ramsey
(1955)
8
USA
0,1 IKL
Anderson (1968)
9
USA
0,15 IKL
Brown dan
Whitehead (1969)
14
10
Rusia
0,036(IKL)1,3
Kolakolov dan
pavlava (1972)
11
Dunia (iklim
sedang)
0,19 IKL
Brooks (1950)
12
Dunia
sedang)
(iklim
0,15 IKL
Golde (1966)
13
Dunia
tropis)
(iklim
0,13 IKL
Brooks (1950)
2.2.5
Jarak Sambaran Petir
Selanjutnya dijelaskan pula tentang sambaran yang terjadi atau jatuh pada
kawat bahwa gradian potensial ini kira – kira 500 KV permeter untuk sambaran
petir negatif dan 300 KV permeter untuk sambaran petir yang positif. Jarak
sambaran dapat menjangkau 40 M dengan arus 10 KA dan menjangkau 100 M
dengan arus 50 KA. Kecepatan sambaran petir (thevelocity of thestep leder)
adalah 50 M/µs, dengan interval waktu antar sambaran kurang lebih 100 µs.
Jarak sambaran petir langsung adalah :
S = 8.I0,65
(2.2)
Dimana S = jarak sambaran (meter)
I = arus petir (KV)
Arus petir minimum yang mengakibatkan lompatan api pada lightning arrester
2.3
Gangguan Tegangan Lebih Internal.
Gangguan tegangan lebih dari dalam sistem (internal over voltage) misalnya
surja hubung (switching surge). Switching, kesalahan – kesalahan dan resonasi
15
merupakan sebab utama dari kelebihan tegangan dari dalam suatu sistem. Secara
teoritis lonjakan tegangan switching dapat mencapai 4 P.U tetapi persyaratan
sistem yang sebenarnya tegangan tidak boleh lebih dari 2,5 P.U. dari penelitian
tegangan secara statistik mempunyai distribusi normal.
Tegangan balik yang timbul (restriking voltage) pada saat pemutusan arus
dapat menyebabkan penyalaan kembali. Bila penyalaan kembali berulang – ulang
maka akan timbul tegangan yang lebih tinggi.
Tegangan lebih yang cukup besar dapat juga terjadi pada saat pemutusan arus
suatu saluran transmisi yang tidak dibebani dengan beban kecil, maka dapat
mengakibatkan pada sisi penerima akan lebih tinggi dari pada tegangan pengirim.
Kenaikan tegangan ini disebabkan charging current mengalir mendahului (leading)
tegangan pada sisi penerima dengan sudut penerima 900.
Switching pada over voltage yang timbul current chopping (terpotongnya
arus). Arus yang mengalir pada transformator yang tidak dibebani cukup kecil,
tetapi jika terjadi pemutusan arus secara tiba – tiba maka arusnya belum mencapai
0. Dan akan menimbulkan tegangan induksi yang tinggi akibat penyalaan kembali.
Akibatnya terjadi transformasi energi, dari energi magnetis pada transformator jadi
energi listrik dan kapasitansi penghantar pada transformatornya peninggian
tegangan ini akan mencapai hasil maksimum bila transformesi energi terjadi
seluruhnya.
Sebelum tegangan lebih tersebut dicapai, sudah terjadi penyalaan kembali,
tegangan penyalaan kembali akan semakin bertambah kalau tegangan break down.
Akibat pemutusan arus dari transformator yang berbeban 0, tegangan lebih dapat
beberapakali lebih besar dari tegangan maksimum tegangan fasa.
16