C159-164 Mujiman - Repository IST AKPRIND

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014
Yogyakarta, 15 November 2014
ISSN: 1979-911X
PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK PADA SALURAN 20 KV
DI PT. PLN (PERSERO) APJ YOGYAKARTA
1,2
Mujiman1, Tukino2
Jurusan Teknik Elektro, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta
ABSTRACT
The development of electric power system is rapidly making equipment safety system is in
need to factor the reliability and convenience of electric energy consumption continues
.Transformator is a major component in a substation that should receive proper security.
Determination of the optimal distance between arrester protection with distribution transformers 20
KV / 220 Volts must be carefully calculated so that in the event of interruption can be isolated due to
lightning surge overvoltage surge if lightning comes a substation, the more voltage will damage
isoalsi substation equipment, therefore made pelidung tool so that a voltage surge which arrived at the
substation does not exceed the power substation equipment isoalsi. By the time normal network
voltage arresters as isoalsi, but if there is a lightning surge protector arrived at the terminal then
arresters changed as a conductor and the charge drain to ground lightning surge.
Keywords; Substation, Arrester, and Surja lightning.
PENDAHULUAN
Pada masa sekarang listrik sudah merupakan suatu yang sangat penting sekali dalam
kehidupan sehari – hari, dengan adanya kemajuan teknologi, juga memungkinkan adanya kemajuan
dibidang kelistrikkan. hal ini maka dibutuhkan manajemen proteksi sistem tenaga listrik pada saluran
20 KV didalam suatu industri sebagai sarana untuk meminimalisir dan menstabilkan tegangan.
Penelitian ini untuk
mencari solusi segala gangguan yang sering terjadi pada jaringan
distribusi maupun transmisi. Sistem manajemen ini meliputi : Penghematan energi, cara
menanggulangi gangguan. Hal ini sangat memudahkan kita untuk menyelesaikan gangguan yang
terjadi, sehingga perlu pengamanan atau tindakan yang meliputi antara lain jenis dan bahan isolasi
maupun alat yang digunakan serta batas- batas tegangan aman yang diizinkan.
Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui penempatan alat proteksi apakah memenuhi
standart yang di ijinkan dan untuk mengetahui nilai rating tegangan pada alat proteksi
METODE PENELITIAN
Untuk mendapatkan data yang akurat secara optimal maka akan dibuat analisanya. Serta menggunakan
berbagai pendekatan tetapi intinya mewujudkan suatu konsep panduan berbagai literatur sehingga
menjadi hasil yang konkrit.
1. Penemuan masalah/ide.
Yaitu usaha untuk mendapatkan konsep pembuatan piranti/instrumen yang ditindak lanjuti
dengan prototip.
2. Membuat perkiraan penyelesaian masalah.
Yaitu perkiraan tentang kemungkinan mewujudkan konsep yang didapat menjadi bentuk yang
sesungguhnya. Pada langkah ini diperlukan prosentase yang akan diperoleh, hambatanhambatan serta peluang untuk mengembangkannya.
3. Menguji hipotesa dengan eksperimen.
Yakni mewujudkan konsep penelitian yang ada menjadi analisa yang sesungguhnya. Hasil
analisis kemudian diuji untuk diidentifikasi kenerjanya, efisiensi serta profil lainnya.
Landasan teori.
Fungsi arester dalam sistem distribusi adalah untuk mengamankan isolasi peralatan terhadap
tegangan lebih yang disebabkan oleh surja petir. Arester pada sistem distribusi dibagi menjadi tiga
tipe, yaitu tipe stasion, tipe jaringan (line), tipe distribusi.
1.Tipe stasion digunakan untuk melindungi peralatan gardu induk dan trafo tenaga dengan
tegangan pengenal 3 kV - 242 kV. Ia mempunyai bentuk yang besar dan karakteristik
proteksinya sangat baik dengan kapasitas arus discharge yang tinggi.
C-159
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014
Yogyakarta, 15 November 2014
ISSN: 1979-911X
2.Tipe jaringan (line) digunakan untuk melindungi trafo tenaga kecil, trafo distribusi, peralatan
distribusi dan kadang-kadang untuk gardu induk kecil.
3.Tipe distribusi digunakan untuk melindungi peralatan distribusi pasangan tiang dengan tegangan
pengenal sampai 15 kV.
Dilihat dari konstruksi dan cara kerjanya arester yang digunakan dalam sistem distribusi
dibedakan atas dua macam, yaitu arester silikon karbid dan arester zinc oxide.
Arester Silikon Karbid
Arester silikon karbid terdiri atas sederetan celah udara yang terhubung seri dengan
tahanan non linier. Celah udara dan silikon karbid ini terbungkus di dalam selubung porselin.
Silikon karbid mempunyai karakteristik operasi .
Arester Zinc Oxide
Arester zinc oxide herbeda dengan tipe silikon karbid, karena arester ini tidak
mempunyai celah udara yang berfungsi untuk memulai surja arus petir dan tenaga untuk
memutus arus susulan. Arester zinc oxide hanya mempunyai tahanan linier yang ekstrim.
Trafo Distribusi
Trafo yang dipakai pada sistem distribusi, yaitu trafo tiga fasa dan trafo satu fasa. Trafo
distribusi di PT. PLN (Persero) APJ Jogjakarta terdiri atas beberapa merk, antara lain Unindo,
Bambang Jaya, Starlite, Morawa, Sintra, General Electric, Hico, Dozer, Trafindo, Asata Utama, dan
lain-lain. Berdasarkan standar IEC 76-1 ( 1 9 7 6 ) dan S P L N 8 A ( 1 9 7 8 ) nilai-nilai daya pengenal
pada trafo distribusi adalah sebagai berikut:
Tabel .1. Nilai-Nilai Daya Pengenal Trafo Distribusi 1 Fasa dan 3 Fasa
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
kVA
5
6,3
8
10
12,5
16
20
25
31,5
kVA
40
50
63
80
100
125
160
200
250
kVA
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
Tegangan Primer trafo distribusi ditetapkan sesuai dengan tegangan nominal sistem pada
jaringan tegangan menengah (JTM) yang berlaku di lingkungan PLN, yaitu 6 kV dan 20 kV.
Dengan demikian ada tiga macam trafo yang dibedakan oleh tegangan primernya, yaitu:
1. Trafo bertegangan primer 6 Kv.
2. Trafo bertegangan primer 20 kV.
3. Trafo bertegangan primer 6kV dan 20 kV. yang dapat dipindahkan dengan sebuah pemindahan
tegangan (komutator). Trafo bertegangan ganda ini dibuat dengan kapasitas 100 kVA sampai
630 kVA.
Tegangan sekunder yang berlaku di lingkungan PLN adalah 220 V untuk sistem fasa tunggal
dan 380 V untuk sistem fasa tiga.
Tingkat isolasi dasar (TID) bagi trafo distribusi telah ditetapkan dalam SPLN 7 (1978), yaitu 125
kV. Berikut ini adalah contoh pengenal trafo distribusi yang dipakai di PT. PLN (Persero) APJ
Jogjakarta:
Transformator Pasangan Luar
Standar IEC 76 Jumlah Fasa lDaya 50 kVA
Frekuensi 50 Hz Tipe CSP Tegangan Pengenal
Primer
: 20000 Grdy/ 1 1547 V
Sekunder
: 462/ 231 V Arus Pengenal
Primer
: 4,33 A
Sekunder
: 108,2 A
Suhu Sekitar
: 40 °C
Kenaikan Suhu : 60 °C
C-160
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014
Yogyakarta, 15 November 2014
ISSN: 1979-911X
Impedansi
: 75 °C ; 2,82 %
Vector Group
: 1io
TID
: 125 kV
Berat Minyak
: 60 kg
Berat Total
: 340 kg
Tahun Pembuatan : 5.95
No. Seri
: 950 05 39
Diproduksi Oleh : PT. Bambang Djaja
Lokasi Penempatan Arester
Arester ditempatkan sedekat mungkin dengan peralatan yang dilindungi. Tetapi untuk
memperoleh kawasan perlindungan yang lebih baik, maka ada kalanya arester ditempatkan
dengan jarak tertentu dari peralatan yang dilindungi.Tempat-tempat dimana arester dipasang
adalah:
1. Di depan peralatan yang dilindungi (pada trafo distribusi dipasang pada sisi TM, sedangkan
untuk peralatan yang kedua sisinya terhubung pada jaringan TM, arester harus dipasang
kedua sisinya seperti AVR, recloser. dan kapasitor).
2. Di ujung jaringan. Pada ujung jaringan atau tiang akhir gelombang surja petir yang sampai
pada titik tersebut akan naik dua kali lipat karena terjadinya pembalikan polaritas.
3. Di titik peralihan SUTM dengan SKTM, yaitu di terminal kabel pasangan luar.
4. Di sepanjang SUTM pada setiap sekurang-kurangnya 1000 m dalam kawasan yang
frekuensi petirnya banyak.
Jarak arester dengan peralatan yang dilindungi berpengaruh terhadap besarnya tegangan
yang tiba pada peralatan. Jika jarak arester terlalu jauh, maka tegangan yang tiba pada peralatan
dapat melebihi tegangan yang dapat dipikulnya. Hal ini dapat dijelaskan dengan konsep
gelombang berjalan Gelombang tegangan merambat pada suatu jaringan yang impedansi
surjanya Z, menuju suatu jaringan yang impedansi surjanya Z2 . Titik T adalah titik
persambungan kedua jaringan, dapat berupa titik sambung jaringan hantaran udara dengan
kabel, atau titik sambung jaringan dengan trafo atau ujung dari suatu jaringan. Tegangan pada
titik T dapat dinyatakan sebagai berikut:
..............................................................................................................................( 1)
et = e
Karena arus yang dipantulkan berpolaritas negatif, maka arus pada titik T adalah sebagai berikut:
i t = i f − i r …………………………............................………………………………...(2)
Menurut hukum Ohm:
if =
ef
Z1
: it =
et
e
: i r = r ………….....................………....………………………..(3)
Z2
Z1
Substitusi persamaan (4-3) ke dalam (4-2), sehingga diperoleh:
e f er
et
=
− ………………………………............................………..…………….(4)
Z 2 Z1 Z1
Dari persamaan (1) diperoleh tegangan e r dan jika tegangan ini disubstitusikan ke dalam
persamaan (4), maka diperoleh:
e f et − e f
et
=
−
Z 2 Z1
Z1
e r et 2 ef
+
=
Z 2 Z1 Z1
atau
et
Z 1 + Z 2 2 ef
=
Z1 Z 2
Z1
atau
C-161
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014
Yogyakarta, 15 November 2014
et = e f
ISSN: 1979-911X
2Z 2
……………………………….....………...........................……………(5)
Z1 + Z 2
dengan cara yang sama tegangan yang dipantulkan dapat diturunkan, diperoleh:
Z 2 − Z1
………………………………………...…….........................………..(6)
Z1 + Z 2
maka Z 2 adalah trafo, maka Z 2 = ∞ , maka tegangan yang diteruskan pada terminal trafo
er = e f
adalah:
et = 2 ef ………………………………………….......……..............................………….(7)
artinya, tegangan pada terminal trafo dua kali tegangan yang datang menuju terminal
trafo.
Sekarang dimisalkan ada suatu arester terpasang diantara jaringan dengan trafo
seperti ditunjukan pada gambar di bawah ini:
Gambar 4 Trafo dan Arester Terpisah
Suatu gelombang tegangan merambat menuju terminal trafo dan ketika gelombang tiba
di terminal arester, arester bekerja sehingga gelombang yang diteruskan ke trafo adalah seperti
gelombang e f , dimana kecuraman muka gelombang sama dengan gelombang semula dan
puncaknya sama dengan tegangan percik sela arester (Va). Menurut persamaan (10), tegangan pada
terminal trafo adalah dua kali tegangan yang datang. Karena tegangan yang datang merupakan
fungsi waktu, maka tegangan pada terminal trafo juga merupakan fungsi waktu. jika t = 0 dihitung
saat gelombang tiba di terminal arester dan kecepatan merambat gelombang adalah v, maka waktu
tempuh gelombang dari terminal arester ke terminal trafo adalah:
t=
l
v
……………………………………………………......................…………..(-8)
Tegangan pada terminal trafo terbentuk dalam waktu tempuh 2t atau 2
l
, yaitu waktu tempuh
v
tegangan pantulan menuju arester ditambah dengan waktu tempuh tegangan pantulan negatif
dari arester kembali menuju terminal trafo. Tegangan maksimurn terminal trafo pada pantulan
pertama gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut:
Vt = Va + 2tλ ………………………………………...................................………(9)
atau
l
V t = V a + 2 λ ……………………………………...................................………(10)
v
dimana:
1
= jarak maksimal arester dengan peralatan (m)
Vt = tegangan pada terminal trafo (kV)
Va
= tegangan percikan arester (kV)
C-162
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014
Yogyakarta, 15 November 2014
λ
v
ISSN: 1979-911X
= kecuraman muka gelombang tegangan surja (kV/ ,cas )
= kecepatan merambat tegangan surja (m/ µs )
PEMBAHASAN
Sebuah trafo distribusi 20 kV/ 220 V dengan tingkat isolasi dasar (TID) pada gelombang penuh
125 kV. Trafo itu dihubungkan lanngsung dengan saluran distribusi udara dan ditanahkan tidak
efektif (netral ditanahkan dengan tahanan), dilindungi oleh arester silikon karbid 18 kV, 5 kA.
Sebuah gelombang surja dengan kecuraman muka gelombang tegangan 300 kV merambat
menuju arester - trafo. Jika impedansi terpa 400 Ohm.
Tentukan:
a. Apakah penggunaan arester 18 kV, 5 kA memenuhi syarat untuk dapat melindungi trafo
distribusi 20 kV/ 220 V
b. Jarak maksimal antara arester dengan trafo sehingga trafo itu cukup terlindung.
Penyelesaian:
Diketahui:
Trafo Distribusi 20 kV / 220 V
Vnom = 20 kV
Vt = TID = 125 kV
Arester silikon karbid:
18kV, 5KA
Gelombang surja:
λ = 300 kV
Z = 400 Ohm
Ditanyakan:
a. Apakah arester yang digunakan memenuhi syarat ?
b. Jarak maksimal antara arester dengan trafo (l) ?
Jawab:
a.Tegangan tertinggi yang mungkin timbul pada kawat pada waktu gangguan kawat ke tanah
biasanya diambil 110 % dari tegangan jala-jala. Jika dimisalkan kg = 0,8. Berdasarkan tegangan
pengenal arester:
Varester = 1,1 Kg Vnom
Varester = 1,1 x 0,8 x 20 = 17,6 kV
Jadi tegangan pengenal arester yang dipilih adalah 18 kV.
Berdasarkan. karakteristik proteksi arester silikon karbid, tegangan percikan (Spark Over) arester
( V a ) adalah 39 kV. dan berdasarkan persamaan tingkat perlindungan arester ( V p ).
V p = V a x 1,1
= 39 x 1,1
= 42,9 kV
jadi tingkat perlindungan arester (Vp) atau tegangan tertinggi pada terminal arester saat
mengalirkan arus surja adalah 42,9 kV.
Selisih BIL peralatan yang dilindungi dengan tingkat proteksi arester yang melindunginya disebut
margin, maka:
Margin = TIDperalatan – Vp
= 125 – 42,9
= 82,1 kV
Faktor perlindungan jika ditinjau dari TIDperalatan yang dilindungi:
Faktor perlindungan =
82,1
x 100 %
125
= 65,68 %
Faktor perlindungan jika ditinjau dari tingkat proteksi arester (Vp):
C-163
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014
Yogyakarta, 15 November 2014
Faktor perlindungan =
ISSN: 1979-911X
82,1
x 100 %
42,9
= 191,3 %
Jadi karena faktor perlindungan jika ditunjau dari TIDperalatan adalah 65,68 % lebih rendah daripada
dan faktor jika ditinjau dari tingkat proteksi arester adalah 191,3 %, sehingga arester memenuhi
syarat untuk dapat memberikan perlindungan pada trafo distribusi 20 kV / 220 2V.
λ − Va
Maka berdasarkan arus pelepasan atau arus peluahan nominal arester (Ia) I a =
Z
= 1,4025 kA
Jadi arus pelepasan arester (Ia) adalah 1,4025 kA. Sehingga pemilihan batas arus penangkal petir 5
kA adalah tepat.
Berdasarkanlpersamaan (10), maka jarak maksimum antara arester dengan trafo adalah :
Vt = V a + 2 λ
berdasarkan vstandar IEC (International Electronical Comission), kecuraman muka gelombang
tegangan surja l( λ ) = 300 kv/µs dan kecepatan merambat tegangan surja (v) = 300 m/µs
300
125 = 39 = 2
125 – 39 = 2l300
86 = 2 l
l = 43 meter
Jadi jarak maksimal penangkapan petir diletakkan pada lokasi sejauh 43 meter dari trafo distribusi
20 kV / 220 V.
KESIMPULAN
Berdasarkan analisis jarak perlindungan optimal antara arester dengan trafo distribusi 20 kV/ 220
V dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Sebelum suatu arester dipasang untuk melindungi suatu peralatan, ada beberapa hal yang
perlu diperhatikan,yaitu mengenai pengenal atau Rating arester.
2. Karena fungsi arester adalah mengamankan peralatan distribusi dalam hal ini adalah trafo
distribusi 20 kV/ 220 V, maka arester sebaiknya ditempatkan sedekat mungkin dengan
peralatan yang dilindungi.
3. Dalam memilih arester harus memiliki kepastian bahwa arester tersebut akan dapat
melindungi peralatan dalam hal ini adalah trafo distribusi 20 kV / 220 V. Berdasarkan
hasil perhitungan, arester silikon karbid 18 kV, 5 kA yang digunakan oleh PT. PLN
(Persero) APJ Yogyakarta memenuhi syarat untuk melindungi trafo distribusi 20 kV / 220
V.
4. Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh jarak maksimal pemasangan arester terhadap
trafo distribusi 20 kV / 220 V yang ditanahkan tak efektif adalah sejauh 43 meter.
Menurut SPLN (1978) jarak pemasangan arester terhadap trafo yang ditanahkan tidak
efektif adalah 6 meter. Jadi jarak antara arester dengan trafo distribusi 20 kV / 220 V yang
dipasang di lapangan oleh PT. PLN (Persero) APJ Yogyakarta masih berada dalam batas
yang diijinkan
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar Artono Prof. Dr. Teknik Tegangan Tinggi.Jakarta: Pradya Paramita, 2001
Hamzah Berahim. Perlengkapan Transmisi Tegangan Tinggi Arus Searah Dan
Aspek – Aspek
Teknis Ekonomis Serta Kemungkinan Penggunaannya di Indonesia. Yogyakarta: Fakultas
Teknik UGM.
Hutauruk. T.S. Gelombang Berjalan pada Sistem Transmisi dan Proteksi Peralatan Terhadap Surya.
ITB Bandung.Hutauruk. T.S. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surya. Erlangga, Jakarta, 1991.
Pabla A.S. Sistem Distribusi Daya Listrik. Terjemahan Oleh Abdul Hadi. Jakarta: Erlangga, 1986
Van Harten, P.E.Setiawan. Instalasi Listrik Arus Kuat Barkle. JE & Burn, Glass. WE. 1978. Protection
Relaying For Power System, Khanna Pubhlishers, New Delhi. Jilid I. Bandung:Bina Cipta, 1981.
.
C-164