BAB III PELINDUNG SALURAN TRANSMISI Seperti kita ketahui

BAB III
PELINDUNG SALURAN TRANSMISI
Seperti kita ketahui bahwa kilat merupakan suatu aspek gangguan yang
berbahaya terhadap saluran transmisi yang dapat menggagalkan keandalan dan
keamanan sistem tenaga dan tak mungkin dihindari, sedangkan alat-alat
pengaman seperti fusegap dan rodgap terbatas kemampuanya, maka untuk
mengurangi akibat yang ditimbulkan digunakan arrester dan kawat sehingga
koordinasi isolasi akan ekonomis .
Penggunaan kawat tanah di tujukan untuk pengaman saluran transmisi
terhadap sambaran kilat. Khususnya sambaran langsung mengenai kawat fasa.
Disini kawat tanah berfungsi sebagai perisai. Energi sambaran kilat akan dialirkan
ke dalam tanah melalui menara atau tiang yang ditanahkan oleh tanah tersebut.
Lightning arester sendiri adalah suatu alat pengaman atau proteksi bagi
peralatan terhadap tegangan lebih yang disebabkan oleh surja petir maupun surja
hubung. Dalam kondisi normal lightning arester berfungsi sebagai isolator,
apabila timbul gangguan surja petir atau surja hubung alat ini akan berubah
menjadi konduktor yang mengalirkan arus surja ketanah dan akan berubah lagi
menjadi isolator jika keadaan sudah normal, sehingga peralatan dapat bekerja
secara optimal.
3.1 Kawat Tanah Udara (Overhead Ground Wire)
Kawat tanah udara adalah kawat konduktor,ACSR, ditempatkan diatas
kawat-kawat fasa. Mulanya kawat ini dimaksudkan sebagai proteksi terhadap
induced stroke (induksi yang disebabkan oleh sambaran kilat disekitar kawat
transmisi, jadi sambaran tidak langsung). Akan tetapi ternyata dari praktek
maupun teori, sebagian utama yang menimbulkan gangguan adalah sambaran
langsung atau direct stroke.
3.1.1 Sambaran Tak Langsung (Induced Stroke)
Ketika arus listrik melalui awan jatuh kebumi, arus listrik tersebut
menginduksi ditanah terhadap pengkutuban yang berlawanan dengn awan itu
(Gambar 3.1).
Bentuk kawasan awan tersebut terhadap tanah menyebar dan menutup
sebagian permukaan tanah, permukaan tanah yang tertutup itu lebih besar dari
pada permukaan awan itu sendiri. Dasar bagian bawah dari pada awan itu
biasanya bersifat negative. Jadi induksi arus listrik di bumi biasanya bersifat
positif. Jika kawat transmisi merupakan suatu garis pemisah antara permukaan
awan dan tanah, arus listrik akan kelihatan di permukaan garis konduktor dan
kawat tanah.
Gambar 3.1. Daerah awan dan batasan dari tanah dan jaringan transmisi
Kumpulan arus listrik pada garis konduktor disebabkan oleh kebocoran
sekeliling isolator dan perputaran dari pada konduktor diluar pengaruh awan. Arus
listrik lebih mudah mengumpul diatas kawat tanah dengan perpindahan tegak
lurus terhadap menara dari tanah.
Jika sambaran yang berasal dari awan mengenai tanah dekat garis
pemisah, daerah awan akan runtuh pada waktu tertentu dan lompatan arus listrik
digaris konduktor dan bebas bergerak berlawanan arah, membentuk putaran
gelombang mungkin berakhir membentuk dataran aliran arus (Gambar 3.2).
Gambar 3.2. Induksi tegangan di jaringan transmisi dengan keruntuhan daerah
awan.
Arus listrik pada bawah kawat tanah berbatasan dengan menara-menara
dan pada garis konduktor bergerak sangat cepat dan menghilangkan secara
brangsur-angsur di corona serta kehilangan muatan. Tegangan listrik muncul
digaris atas tergantung kepada perbandingan (ukuran) dari pada keruntuhan
daerah awan dan kapasitas kemampuan ruangan antara jaringan dan tanah, kalau
circuit tanpa kawat-kawat tanah udara, dan kalau terjadi keruntuhan daerah awan
pada waktu nol, tegangan listrik di konduktor akan sebanding dengan peningkatan
potensial gradien dari pengadaan pembesaran ketinggian awan dari pada kawat
tanah udara diatas permukaan tanah menambah kekuatan penghantar dibumi, dan
dengan peningkatan awan yang banyak mendatangkan lingkaran cahaya, kapasitas
selanjutnya bertambah sebab efektif diameter tanah bertambah dengan lingkaran
cahaya.
3.1.2 Sambaran Langsung Pada Menara
Untuk sambaran langsung, kawat tanah melindungi (shileding) kawat fasa,
dan untuk memperoleh perlindungan yang baik kedudukan kawat tanah harus
memenuhi beberapa persyaratan yang penting, antara lain :
a. Kawat tanah harus cukup tinggi diatas kawat fasa dan diatur sedemikian
rupa agar dapat mencegah sambaran pada kawat-kawat fasa.
b. Pada tengah gawang kawat tanah harus mempunyai jarak yang cukup di
atas kawat fasa untuk mencegah terjadinya loncatan sebagian pada waktu
yang diperlukan untuk gelombang pantulan negatif dari menara kembali
ke tengah gawang dan ini akan mengurangi tegangan pada tengah gawan.
c. Tahanan kaki menara harus cukup rendah untuk membatasi tegangan pada
isolator agar tidak terjadi loncatan api pada isolator.
d. Bila dipakai untuk proteksi terhadap gardu induk, kawat tanah harus cukup
panjang sehingga surja yang masuk dapat diredam sampai harga yang
tidak berbahaya sewaktu mencapai gardu induk
Sambaran langsung merupakan sebab utama dari gangguan yang
disebabkan oleh kilat. Bila sambaran mengenai menara transmisi, arus yang besar
sekali mengalir ke tanah dan sepasang gelombang berjalan merambat pada kawat
tanah.
Gambar 3.3 menunjukkan sambaran kilat dengan impedansi surja z ke
menara, pada keadaan ideal.
Gambar 3.3 Gelombang berjalan pada kawat tanah yang disebabkan oleh kilat
3.1.2.1 Efek Bentuk Gelombang
Makin panjang front gelombang serta makin rendah tegangan akan
menyebabkan gelombang pantulan yang timbul dan telah mulai memperkecil
gelombang datang.
3.2 Akibat Pelindung Kawat Tanah
Sebagai akibat dari mengalirnya energi sambaran ke dalam tanah, maka
tegangan lebih yang timbul pada isolator saluran akan dapat dibatasi, dengan
demikian penembusan pada isolator dapat dibatasi. Untuk memperoleh hasil yang
unik maka penempatan kawat tanah haruslah memenuhi syarat, antara lain :
a. Kawat tanah harus cukup tinggi di atas fasa dan diatur sedemikian rupa
agar dapat mencegah sambaran langsung pada kawat-kawat fasa.
b. Pada tengah gawang kawat tanah harus mempunyai kawat fasa untuk
mencegah terjadinya loncatan sebagian
c. Tahanan kaki menara harus cukup rendah.
3.3 Perlindungan Gardu Induk
Perlindungan gardu induk terbagi dalam 2 bagian :
a. Perlindungan terhadap sambaran langsung
b. Perlindungan terhadap gelombang yang datang dari kawat transmisi.
Perlindungan terhadap sambaran langsung ialah dengan kawat tanah. Bila
perlindungan ini sempurna, maka yang perlu diperhatikan adalah gelombang yang
datang dari kawat transmisi.
Bila kawat-kawat fasa cukup terlindung dari sambaran langsung, maka
sumber gelombang berjalan biasanya adalah lompatan api dari isolator, umumnya
tegangan ini lebih tinggi dari tingkat isolari dasar (TID) dari peralatan gardu,
tegangan lebih ini harus dilakukan ke tanah oleh arrester atau alat-alat
perlindungan lainnya.
Untuk menghitung tegangan impuls pada gardu, didefenisikan dengan dua
hal :
1. Daerah bahaya atau vulnarable zone, ialah jarak diluar kawat dimana suatu
gelombang surja dapat timbul dan membahayakan gardu.
2. Indeks terusan gardu atau “station refraction index” ialah ukuran dari
perubahan puncak dan muka gelombang yang dialaminya ketika
memasuki gardu.
Panjang dari bahaya merupakan fungsi dari :
-
Redaman dan distorsi gelombang pada saluran
-
Indeks terusan dari gardu induk
Sedang indeks terusan itu sendiri tergantung pada :
-
Bentuk gelombang datang
-
Karakteristik peralihan dari peralatan gardu dan alat-alat perlindungan.
Sepanjang perambatan pada kawat transmisi, gelombang mengalami
redaman dan distorsi yang disebabkan oleh korona, pengaruh kulit, resitivitas
tanah, dan gendengan. Selain itu, bentuknya juga dapat berubah karena pantulan
ketika mencapai gardu.
3.4 Lightning Arrester
Lightning Arrester atau sering disebut juga penangkal petir adalah alat
pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap sambaran petir. Pada kerja
normal, arrester berlaku sebagai isolator dan bila timbul surja, arrester berlaku
sebagai konduktor, jadi melewatkan aliran arus yang tinggi. Setelah surja hilang,
arrester harus dengan cepat kembali menjadi isolator, sehingga pemutus daya
tidak sempat membuka.
Gambar 3.4 Proses pengamanan petir oleh lightning arrester
Gambar 3.5 Lightning Arrester
Arrester terdiri dari dua jenis :
1. Jenis ekspulsi (expulsion type) atau tabung pelindung
2. Jenis katup (valve type)
3.4.1 Lightning Arrester jenis Ekspulsi atau Tabung Pelindung
Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung pada prinsipnya terdiri dari
sela percik yang berada dalam tabung serat dan sela percik batang yang berada di
luar atau disebut sela sari
Arrester jenis ekspulsi ini mempunyai karakteristik Volt-waktu yang lebih
baik dan dapat memutuskan arus susulan. Kemampuan untuk memutuskan arus
susulan tergantung dari tingkat arus hubung singkat dari sistem pada titik di mana
arrester dipasang. Dengan demikian perlindungan dengan arrester ini dipandang
tidak memadai untuk perlindungan transformator daya, kecuali untuk sistem
distribusi.
Arrester ini banyak digunakan pada saluran transmisi untuk membatasi
besar surja yang memasuki gardu induk.
Gambar 3.6 Elemen-elemen arrester jenis ekspulsi atau tabung
3.4.2 Lightning Arrester jenis katup
Arrester jenis katup ini terdiri dari sela percik terbagi atau sela seri yang
terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak linear.
Gambar 3.7 Elemen-elemen arrester jenis katup
Arrester jenis katup ini dibagi dalam empat jenis :
1. Arrester katup jenis gardu
Arrester katup jenis ini adalah yang paling efisien dan juga paling mahal.
Pemakaiannya secara umum pada gardu induk besar. Umumnya dipakai untuk
melindungi alat-alat yang mahal pada rangkaian 2,4 kV sampai 287 kV
Gambar 3.8 Lightning arrester katup jenis gardu
2. Arrester katup jenis saluran
Arrester jenis saluran ini lebih murah dari arrester jenis gardu induk.
Arrester jenis ini dipakai pada saluran dengan tegangan 15 kV sampai 69 kV
Gambar 3.9 Lightning arrester katup jenis saluran
3. Arrester katup jenis gardu untuk mesin-mesin
Arrester jenis gardu ini khusus untuk melindungi mesin-mesin berputar.
Pemakaiannya untuk tegangan 2,4 kV sampai 15 kV
4. Arrester katup jenis Distribusi untuk mesin-mesin
Arrester ini khusus dipakai untuk melindungi mesin-mesin berputar
dengan tegangan 120 volt sampai 750 volt
Gambar 3.10 Lightning arrester katup jenis gardu untuk mesin-mesin
3.5 Pemilihan Arrester
Dalam memilih arrester yang sesuai untuk keperluan tertentu, beberapa
factor harus diperhatikan, yaitu :
1. Kebutuhan perlindungan : berhubungan dengan kekuatan isolasi dari alat
yang harus dilindungi dan karakteristik impuls dari arrester
2. Tegangan sistem : Adalah tegangan maksimum yang mungkin timbul pada
jepitan arrester
3. Arus hubung singkat sistem
4. Jenis arrester
5. Factor kondisi luar : temperature dan kelembaban yang tinggi serta
pengotoran
6. Factor ekonomi
3.6 Pengenal arrester
Pada umumnya, pengenal atau rating arrester hanya pengenal tegangan.
Pada beberapa tabung pelindung atau arrester jenis ekspulsi perlu juga disebut
pengenal arusnya yang menentukan kapasitas termal arrester tersebut
Supaya pemakaian arrester lebih efektif dan ekonomis, perlu diketahui 4
macam karakteristiknya :
1. Pengenal tegangan
2. Karakteristik perlindungan atau karakteristik impuls
3. Kemampuan pemutusan arus frekuensi dasar
4. Kemampuan menahan atau melewatkan arus surja
3.7 Pemasangan arrester
Daerah perlindungan harus mempunyai jangkauan yang cukup luas untuk
melindungi semua peralatan gardu induk yang mempunyai BIL (Basic Insulation
Level) atau lebih tinggi dari daerah perlindungan, diantaranya adalah :
a. Arrester harus dipasang sedekat mungkin dengan peralatan utama
b. Tahanan tanahnya harus rendah serta kapasitas arrester harus dapat
meneruskan arus besar yang berasal dari simpanan tenaga yang terdapat
dalam saluran yang panjang.
c. Jatuh tegangan maksimum dari arrester dipakai sebagai tingkat
perlindungan arrester.
d. Pengaruh dari sejumlah kawat dalam melindungi bahay petir maupun surja
hubung perlu diperhatikan untuk pemasangan arrester.
3.8 Kegagalan arrester
Pada keadaan normal, arrester harus berfungsi sebagai isolator tetapi
dalam keadaan gangguan (terjadinya tegangan lebih) maka arrester dengan
secepat mungkin akan berfungsi sebagai konduktor untuk mem-by-pass tegangan
lebih yang timbul dan mampu memutus arus susulan yang terjadi maka dengan
secepat mungkin arrester berfungsi kembali sebagai isolator. Kegagalan arrester
untuk mengalirkan tegangan lebih ke tanah akan mengakibatkan rusaknya
peralatan pada gardu. Beberapa factor yang mengakibatkan gagalnya arrester
bekerja untuk mengamankan peralatan dari tegangan lebih yaitu :
-
Tahanan pada arrester
-
Tabung arrester
-
Tegangan dasar maksimum
-
Penurunan tingkat isolator
3.9 Karakteristik lokasi arrester dengan tingkat isolasi peralatan yang
dilindungi.
Jarak maksimum arrester dan peralatan yang dihubungkan dengan saluran udara
Kawat tanah
e
S
Ea
Arrester
Trafo
Gambar 3.11 Transformator dan arrester terpisah sejarak S
Perlindungan yang baik diperoleh bila arrester ditempatkan sedekat
mungkin pada jepitan transformator. Tetapi, dalam praktek sering arrester itu
harus ditempatkan dengan jarak S dari transformator yang dilindungi. Karena itu,
jarak tersebut ditentukan agar perlindungan dapat berlangsung dengan baik.
Contoh:
Ea
= Tegangan percik arrester (arrester sparkover voltage)
Ep
= Tegangan pada jepitan transformator
A = de/dt = Kecuraman gelombang datang dan dianggap konstan
S
= Jarak antara arrester dan transformator
V
= Kecepatan merambat gelombang
Apabila transformator dianggap jepitan terbuka, yaitu keadaan yang paling
bahaya dan gelombang mencapai transformator maka akan terjadi pantulan total
dan gelombang ini kembali ke kawat saluran dengan polaritas yang sama, waktu
yang dibutuhkan oleh gelombang untuk merambat kembali ke arrester = 2 S/v.
Bila arrester mulai memercik (sparkover) tegangan jepitan arrester :
Ea=At + A(t-2S/v) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3.1)
Bila waktu percik arrester tso, dihitung mulai gelombang itu pertama kali sampai
ke arrester, maka dari persamaan di atas menjadi :
tso=
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3.2)
Setelah terjadi percikan, maka arrester berlaku sebagai jepitan hubung singkat,
dan menghasilkan gelombang sebesar :
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3.3)
Gelombang negatif ini akan merambat ke transformator, dan setelah pantulan
pertama pada transformator terjadi, jumlah tegangan pada transformator menjadi
Ep = 2At-2A(t-tso) = 2A tso
= 2A
Atau
Ep = Ea + 2AS/v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3.4)
Harga maksimum Ep=2Ea
Bila tegangan tembus isolator trafo=Ep(fo), maka Ep(fo) harus lebih besar
dari (Ea+2AS/v) agar diperoleh perlindungan yang baik. Untuk mengubah harga
Ep, cukup dengan mengubah S, yaitu semakin kecil S maka semakin kecil Ep
3.10 Menentukan panjang kabel maksimum penghubung antara arrester dan
transformator menurut Witzke-Bliss
Untuk menghubungkan kawat transmisi ke gardu induk dapat dilakukan
secara langsung atau melalui sepotong kabel. Pada sambungan kawat udara,
arrester harus ditempatkan sedekat mungkin pada peralatan atau jarak
maksimumnya dapat diperoleh dengan metode pantulan berulang. Bila digunakan
sepotong kabel, arrester dipasang pada titik sambungan antara kawat transmisi
dengan kabel atau bisa juga pada jarak tertentu ke titik sambungan kabel.
Pemakaian sepotong kabel tersebut dapat menurunkan besar surja yang masuk ke
peralatan atau transformator.
Terjadinya pantulan berulang pada kabel menimbulkan tegangan yang
tinggi pada titik sambungan dan dapat merusak isolasi kabel. Untuk perlindungan
terhadap surja ini perlu dibedakan antara peralatan yang hanya mempunyai tingkat
uji gelombang penuh, gelombang terpotong dan muka gelombang. Jadi peralatan
dibagi dalam 2 kelas, yaitu:
Kelas I : Peralatan “switchgear”, transformator distribusi jenis kering dan
transformator daya
Kelas II : Transformator berisolasi minyak da transformator pengukuran
jenis kering dan yang diisi sesuatu cairan
Tabel 3.1 Panjang maksimum yang disarankan untuk peralatan kelas I
Tingkat
Pengenal
Panjang kabel maksimum (kaki)
Isolasi
Tegangan
Arrester
Arrester
Arrester
Dasar
Arrester (*)
Jenis
Jenis
Jenis
Peralatan
(kV)
Gardu
Saluran
Distribusi
45
3
NL
70
60
3
NL
NL
6
NL
25
3
NL
NL
6
NL
56
9
68
S
6
NL
NL
9
NL
34
12
76
S
15
30
S
9
NL
76
12
NL
32
15
70
S
20
94
S
25
30
S
30
74
S
37
S
S
(kV)
75
95
110
150
200
NL = tidak ada batas panjang kabel
S = panjang kabel terlalu pendek untuk diperhitungkan
(*) = pengenal arrester pada titik sambungan kabel
Tabel 3.2 Panjang kabel maksimum yang disarankan untuk peralatan kelas II
Tingkat
Pengenal
Panjang kabel maksimum (kaki)
Isolasi
Tegangan
Arrester
Arrester
Arrester
Dasar
Arrester (*)
Jenis
Jenis
Jenis
Peralatan
(kV)
Gardu
Saluran
Distribusi
3
NL
NL
6
NL
68
3
NL
NL
6
NL
NL
9
NL
80
9
NL
75
12
NL
32
15
80
S
9
NL
NL
12
NL
90
15
NL
30
20
NL
77
25
90
S
30
150
45
37
64
S
(kV)
60
75
95
110
150
200
NL = tidak ada batas panjang kabel
S = panjang kabel terlalu pendek untuk diperhitungkan
(*) = pengenal arrester pada titik sambungan kabel
3.11 Jarak maksimum antara arrester dan pemutus daya dan transformator
menurut Clayton-Powell
Penentuan jarak maksimum didasarkan atas :
1. Perlindungan didasarkan pada gelombang surja yang datang mempunyai
laju kenaikan 500 kV per mikro detik.
2. Tegangan surja pada peralatan di sisi kawat transmisi dari arrester dibatasi
sampai 1,15 TID.
3. Kapasitansi surja peralatan pada sisi kawat transmisi dari arrester
diabaikan
4. Transformator dipresentasikan oleh suatu harga kapasitansi yang
menghasilkan tegangan surja maksimum pada transformator.
5. Jarak pemisah didasarkan atas tegangan percik (spark voltage).
6. Panjang kawat arrester dari sadapan tanah diambil 10.66 meter (35 kaki)
dan induktansinya 0,40 mikro-henry per kaki
7. Peralatan yang dilindungi dan arrester diketanahkan dengan suatu kisi-kisi
(grid) pengetanahan bersama.
8. Gardu induk diberi perisaian terhadap sambaran langsung dan kawat
transmisi juga dilindungi mulai dari gardu induk samapi titik di mana surja
terjadi
9. Harga tegangan surja yang datang = 1,2 kali tingkat isolasi gelombang
penuh dari saluran.
10. Tegangan yang masuk gardu induk mempunyai laju kenaikan yang tetap
sampai tegangan percik arrester.
11. Hanya satu saluran transmisi yang memasuki gardu induk.
Data name plate yang terpasang pada arrester :
Pabrik
: BBC
Type
: HLMN 136
Tegangan nominal
: 136 kV
Jenis pasangan
: Luar
Tahun pembuatan
: 1982
Waktu maksimal
: 8/20 sc
Frekuensi
: 50 Hz
Gambar 3.12 Bentuk Fisik Arrester type HLMN