KOORDINASI PELINDUNG SURJA DENGAN FUSE LEBUR AKIBAT

advertisement
KOORDINASI PELINDUNG SURJA DENGAN FUSE LEBUR AKIBAT GANGGUAN
TEGANGAN LEBIH PADA SUTM 20 kV
Hary Subrata1, Ir. Yani Ridal, MT.2 dan Ir. Arnita, MT.2
1)
Mahasiswa dan 2)Dosen Jurusan Teknik Elektro,
Fakultas Teknologi Industri, Universitas Bung Hatta
Jl. Gajah Mada No.19 Kampus Proklamator III Padang,
Sumatera Barat, Indonesia 2015
Abstract - Medium voltage overhead lines distribution 20 kV power line which is the longest and
widely used in Indonesia. Medium voltage overhead lines distribution 20 kV using AAAC
conductors and very prone to interference from lightning strikes and other disturbances.
Investigations regarding this surge is very important, especially disorders induced lightning surges
generate voltage. But with the increasing number of disorders of the medium voltage overhead line
either in the city or outside the city, should give serious attention to the protection of surge or
lightning strike. To protect the medium voltage overhead lines 20 kV against lightning bolt of
lightning arresters used and melting fuse (fuse cut-out). Lightning arresters serves as a shortcut to
reduce overvoltage surge. Lightning arresters form an easy path traversed by the current surge or
lightning, so as not to cause more stress resulting in faulty electrical equipment. In normal
conditions serves as an insulator lightning arresters and surge arise when more will serve as a
conductor. Meanwhile, melt the fuse function provides protection due to the flow of sparks
between the phase wire or short circuit. Medium voltage overhead lines distribution 20 kV with
the closest distance that the phase conductors S to T within 65 cm, due to the excess of 21.7943 kV
voltage causing sparks flow of 775.59 Amper.
Key tag: fuse cut-out, lightning arrester
distribusi pada SUTM 20 kV dan
koordinasinya terhadap fuse lebur terhadap
arus lompatan api antara kawat fasa saat
terjadi tegangan lebih akibat sambaran surja.
1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada saluran transmisi sering terjadi
gangguan yang disebabkan oleh sambaran
surja atau kilat. Indonesia yang terletak di
daerah khatulistiwa, secara umum jumlah
hari guruh per tahun berkisar 60 sampai 150
kali, dimana jumlah gangguan karena
sambaran surja sangat banyak.
Untuk melindungi saluran udara
tegangan menengah 20 kV terhadap
sambaran surja digunakan lightning arrester
dan fuse lebur (fuse cut out). Lightning
arrester sesuai dengan fungsinya, berlaku
sebagai jalan pintas mereduksi tegangan lebih
surja. Lightning arrester membentuk jalan
yang mudah dilalui oleh arus surja atau kilat,
sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih
yang mengakibatkan peralatan listrik rusak.
Pada kondisi normal lightning arrester
berfungsi sebagai isolator dan bila timbul
surja lebih akan berfungsi sebagai konduktor.
Sedangkan fuse lebur berfungsi memberi
perlindungan akibat arus lompatan api antara
kawat fasa.
2. KONSEP DASAR JARINGAN
DISTRIBUSI
2.1 Umum
Sistem penyaluran tenaga listrik dari
pembangkit listrik ke konsumen (beban),
merupakan suatu sistem kelistrikan yang
perlu dijaga keamanannya. Mengingat
penyaluran tenaga listrik ini, prosesnya
melalui beberapa tahap, yaitu dari
pembangkit listrik penghasil energi listrik,
disalurkan ke jaringan transmisi (SUTT)
langsung ke gardu induk. Dari gardu induk
tenaga listrik disalurkan ke jaringan distribusi
primer (SUTM), dan melalui gardu distribusi
langsung ke jaringan distribusi sekunder
(SUTR) dan tenaga listrik dialirkan ke
konsumen.
Dengan
demikian
sistem
distribusi
tenaga
listrik
berfungsi
membagikan tenaga listrik kepada pihak
pemakai melalui jaringan tegangan rendah
(SKUTR).
1.2 Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah agar
dapat mengetahui bagaimana penentuan jarak
lightning arrester terhadap transformator
2.2 Sistem Pendistribusian Tenaga Listrik
Sistem jaringan tenaga listrik adalah
penyaluran energi listrik dari pembangkit
i
tenaga listrik (power station) hingga sampai
kepada konsumen (pemakai) pada tingkat
tegangan yang diperlukan. Sistem tenaga
listrik ini terdiri dari unit pembangkit, unit
transmisi dan unit distribusi.
Sistem pendistribusian tenaga listrik dapat
dibedakan menjadi dua macam, yaitu sistem
pendistribusian
langsung
dan
sistem
pendistribusian tak langsung.
1. Sistem pendistribusian langsung
Sistem pendistribusian langsung
merupakan sistem penyaluran tenaga listrik
yang dilakukan secara langsung dari pusat
pembangkit tenaga listrik, dan tidak melalui
jaringan transmisi terlebih dahulu. Sistem
pendistribusian langsung ini digunakan jika
pusat pembangkit tenaga listrik berada tidak
jauh dari pusat-pusat beban, biasanya terletak
daerah pelayanan beban atau dipinggiran
kota.
2. Sistem pendistribusian tak langsung
Sistem pendistribusian tak langsung
merupakan sistem penyaluran tenaga listrik
yang dilakukan, jika pusat pembangkit tenaga
listrik jauh dari pusat-pusat beban, sehingga
untuk penyaluran tenaga listrik memerlukan
jaringan transmisi sebagai jaringan perantara
sebelum dihubungkan dengan jaringan
distribusi yang langsung menyalurkan tenaga
listrik ke konsumen.
tahap berikutnya dari jaringan transmisi
dalam upaya menyalurkan tenaga listrik ke
konsumen. Jaringan distribusi primer atau
jaringan distribusi tegangan tinggi memiliki
tegangan sistem sebesar 20 kV. Untuk
wilayah kota tegangan diatas 20 kV tidak
diperkenankan, mengingat pada tegangan 30
kV akan terjadi gejala-gejala korona yang
dapat mengganggu frekuensi radio, TV,
telekomunikasi dan telepon.
2.4 Fuse Lebur
Fuse lebur (fuse cut out) merupakan
suatu peralatan pengaman yang telah
dirancang khusus dan akan akan bekerja
(melebur) jika arus yang melewatinya
melebihi suatu nilai tertentu (arus nominal)
yang telah ditentukan. Apabila terjadi
gangguan, maka elemen pelebur yang terletak
pada tabung fiber akan meleleh dan terjadi
busur api yang akan mengenai tabung fiber
sehingga menghasilkan gas yang akan
memadamkan busur api. Jika sudah putus
fuse lebur akan membuka dan menggantung
di udara (SPLN 64). Karakteristik waktu/arus
dari sebuah fuse adalah I2t. Karakteristik arus
waktu dari berbagai sambungan fuse yang
berbeda, elemen-elemennya berbeda dan
membutuhkan perhatian yang hati-hati untuk
memakainya pada sebuah sistem.
2.3 Struktur Jaringan Distribusi
Sistem distribusi tenaga listrik terdiri dari
beberapa bagian, yaitu :
1. Gardu induk atau pusat pembangkit
tenaga listrik
Pada bagian ini jika sistem
pendistribusian tenaga listrik dilakukan
secara langsung, maka bagian pertama dari
sistem distribusi tenaga listrik adalah pusat
pembangkit tenaga listrik. Biasanya pusat
pembangkit tenaga listrik terletak di pingiran
kota dan pada umumnya berupa Pusat
Pembangkit Tenaga Diesel (PLTD). Untuk
menyalurkan tenaga listrik ke pusat- pusat
beban (konsumen) dilakukan dengan jaringan
distribusi primer dan jaringan distribusi
sekunder.
2. Jaringan distribusi primer
Jaringan
distribusi
primer
merupakan awal penyaluran tenaga listrik
dari pusat pembangkit tenaga listrik ke
konsumen untuk sistem pendistribusian
langsung.
Sedangkan
untuk
sistem
pendistribusian tak langsung merupakan
Gambar 2. Konstruksi fuse lebur
1. Isolator porselin
2. Kontak tembaga (disepuh perak)
3. Alat pemadam / pemutus busur
4. Tutup yang dapat dilepas (dari
kuningan)
5. Mata kait (dari brons)
6. Tabung pelebur (dari resin)
7. Penggantung (dari kuningan)
8. Klem pemegang (dari baja)
9. Klem terminal (dari kuningan)
2.5 Lightning Arrester Pada Trafo
Distribusi
Terminal
pentanahan lightning
arrester dihubungkan dengan terminal trafo
2
dan terminal pentanahan netral trafo (netral
ditanahkan langsung). Jika tidak ditanahkan
bersama, maka arus surja akan mengalir ke
tanah melalui impedansi Z menyebabkan
drop tegangan pada impedansi tersebut,
sehingga timbul tegangan tinggi pada
kumparan primer trafo. Karena kumparan
sekunder dan tangki mempunya beda
potensial terhadap tanah maka timbul beda
potensial di antara keduanya. Jika ditanahkan
bersama, maka akan menurunkan drop
tegangan pada impedansi tersebut. Sehingga
menghilangkan
beda
potensial
yang
dihasilkan drop tegangan pada impedansi
tanah. Jika interkoneksi (solid) antara tangki
dan titik pentanahan bersama tidak diizinkan
dapat digunakan cela antara titik pentanahan
dan netral kumparan sekunder.
T = Waktu lompatan api pada isolator (µ
det)
3.3 Arus Kilat Lompatan Api
Pada saluran dengan konfigurasi
horizontal sambaran kilat/surja hampir
seluruhnya pada kawat yang paling kiri.
Sedangkan kawat yang konfigurasinya
vertikal pada kawat paling atas.
Sambaran
apada
kawat
yang
mengakibatkan
lompatan
api
pada
isolatornya, arus surja mengalir ke tanah
melalui dasar tiang.
3.4 SUTM 20 kV Akibat Sambaran
Induksi Surja
Besar tegangan yang timbul pada
isolator transmisi tergantung pada kedua
parameter petir yaitu puncak dan kecuraman
muka gelombang surja. Tidak semua
sambaran
petir dapat
mengakibatkan
lompatan api (flashover) pada isolasi saluran.
Demikian juga tidak semua lompatan api
yang timbul dapat beralih menjadi busur api
(power arc) yang mengakibatkan gangguan
saluran (line outage).
Terjadinya lompatan api tergantung
pada besar tegangan yang timbul dan
melebihi kekuatan impuls V50% isolator.
Demikian juga peralihan dari lompatan api
menjadi busur api yang mengakibatkan
gangguan saluran tergantung pada sejumlah
faktor seperti probabilitas arus kilat dan
gradien tegangan.
(1)
3. KOORDINASI PELINDUNG SURJA
DENGAN FUSE LEBUR
3.1 Impedansi Surja
Harga
impedansi
surja
sangat
dipegaruhi
perhitungan
perambatan
gelombang berjalan pada menara. Karena itu
berbagai penelitian telah dilakukan untuk
mengetahui
parameter
tersebut.
Dari
beberapa
penelitian
masing-masing
memberikan nilai yang berbeda.
Untuk hantaran udara :
= vL
Z E = 1
C.v
I
= 60 ln 2h / r (Ω )
Z  L
C
Sedangkan untuk hantaran kabel yaitu :
Z  60 /  ln R / r ()
3.5 Probabilitas Distribusi Arus Surja
Probabilitas distribusi harga puncak
arus surja telah diberikan oleh(2)beberapa
peneliti, antara lain Popolansky, Anderson –
Erikson dan Razevig.
Menurut Popolansky:
dimana :
h = Tinggi kawat fasa dengan tanah (m)
r = Jari-jari kawat fasa (m)
PI 0  e
3.2 Tegangan Lompatan Api
Dalam perhitungan besar tegangan
lompatan api dari rentengan isolator, dimana
waktu tembus atau waktu lompatan api
isolator pada waktu 6  s, sehingga dapat
dihitung dari persamaan 3, yakni :
Vc = K 1 +
K2
3
x 10 kV
t 0.75

I0
34
(4)
dimana:
PIo = Probabilitas distribusi arus surja
I0 = Arus puncak petir (kA)
Untuk mendapatkan probabilitas
distribusi arus kilat surja, maka sebelumnya
harus dipenuhi syarat terjadinya lompatan
api, yaitu pada saat:
(3)
V  100 I 0  50 %
Dimana
K1 = 0,4 . W
K2 = 0,71 . W
W = Panjang isolator (m)
Atau
100 I 0  V50%
Jadi :
3
I0 
V50%
kA
100
merambat pada kedua sisi kawat di tempat
sambaran berlangsung. Fenomena transien
pada kawat berlangsung hanya dibawah
pengaruh gaya yang memaksa muatanmuatan bergerak sepanjang hantaran. Atau
dengan perkataan lain transien dapat terjadi
di bawah pengaruh komponen vektor kuat
medan yang berarah sejajar dengan arah
penghantar. Jadi bila komponen vektor kuat
medan berarah vertikal, dia tidak akan
mempengaruhi atau menimbulkan fenomena
transien pada penghantar.
(5)
dimana:
I0
= Arus puncak surja (kA)
V50% = Tegangan flash over
lightning arrester (kV)
3.6 Gangguan Surja Pada Saluran
Distribusi
Gangguan surja
ada saluran
distribusi dibedakan menjadi dua macam
gangguan menurut terjadinya sambaran, yaitu
sambaran surja langsung dan sambaran
induksi. Pada saluran distribusi gangguan
surja akibat sambaran induksi lebih banyak
dibandingkan dengan gangguan surja akibat
sambaran langsung karena saluran distribusi
memiliki tingkat isolasi dasar relatif rendah,
dan karena luasnya sambaran induksi. Jadi
jumlah sambaran surja induksi juga jauh
lebih banyak dibandingkan dengan jumlah
sambaran langsung. Akibatnya dapat
menimbulkan kerusakan
peralatan atau
paling tidak gangguan pada sistem operasi.
3.7 Sambaran Langsung
Sambaran langsung adalah apabila
surja menyambar langsung pada kawat phasa
(untuk saluran tanpa kawat tanah) atau pada
kawat tanah (untuk saluran dengan kawat
tanah). Pada saluran udara tegangan
menengah diasumsikan bahwa pada saluran
dengan kawat tanah tidak ada kegagalan
perisaian. Asumsi ini dapat dibenarkan
karena tinggi kawat diatas tanah relatif lebih
rendah (10 sampai 13 meter) dan juga karena
dengan sudut perisaian yang biasanya lebih
kecil 600 sudah dapat dianggap semua
sambaran surja mengenai kawat tanah, jadi
tidak ada kegagalan perisaian.
Pada waktu surja menyambar kawat
tanah atau kawat fasa akan timbul arus besar
dan sepasang gelombang berjalan yang
merambat pada kawat. Arus yang besar ini
dapat membahayakan peralatan-peralatan
yang ada pada saluran.
3.9 Tegangan Induksi Pada Saluran
Akibat Sambaran Induksi
Tegangan lebih peralihan adalah
permasalahan nyata pada sistem tenaga
listrik. Tegangan lebih pada sistem tenaga
listrik dapat disebabkan oleh faktor internal
yaitu tegangan lebih (switching over voltage)
dan tegangan lebih temporer, serta dapat
disebabkan oleh faktor eksternal yaitu
tegangan lebih surja.
Untuk dapat menghitung tegangan
lebih pada saluran akibat sambaran induksi
terlebih dahulu harus diketahui medan
elektromagnetis dari sambaran surja. Arus
surja pada tanah mempunyai waktu muka
yang kecil dan ekor yang panjang. Selama
proses pelompatan kepala (stepped leader)
suatu muatan q0 telah terdistribusi secara
merata sepanjang kanal surja (lighting
channel). Kemudian sambaran balik yang
berupa surja arus dengan bentuk fungsi
langkah (stepped function) akan bergerak
keatas dengan kecepatan sama dengan
kecepatan sinar dan menetralkan muatan
yang ada pada kanal surja. Bila waktu muka
dari arus surja tidak diperhatikan, pendekatan
ini dapat digunakan untuk bagian bawah dari
kanal surja, dimana variasi muatan dan
kecepatan pada ketinggian di atas permukaan
tanah dapat diabaikan.
Hubungan antara arus I0 dan muatan q0
adalah :
(6)
I 0  c  q0
3.8 Sambaran Tidak Langsung
Bila terjadi sambaran surja ke tanah
di dekat saluran, maka akan terjadi fenomena
transien yang diakibatkan oleh medan
elektromagnetis dari kanal surja. Fenomena
surja ini terjadi pada kawat penghantar.
Akibat dari kejadian ini timbul tegangan
lebih tinggi dan gelombang berjalan yang
Dimana :
I0 = Harga puncak arus surja selama
sambaran balik (kA)
c = Kecepatan merambat sambaran balik
(m/dt)
q0 = Muatan listrik pada lintasan surja per
satuan panjang (Coulomb)
Besarnya tegangan induksi pada
saluran distribusi adalah sebagai berikut :
4
Vind
x
= Koordinat sepanjang kawat ; x = 0
adalah titik yang terdekat dengan sambaran
surja
y
= Jarak kawat dengan sambaran
surja vertikal
Pada titik x = 0, yaitu titik terdekat
ke sambaran, maka setelah subsitusi dalam
persamaan (11) dan (12), dan mengingat c/c o
kecil, diperoleh harga tegangan maksimum :






1
 2Z 0 I 0 hc0 / c 

2
 c   
 2 0
2
 L  r2 ct   1   c0  r0 

 

Jika :
Z0
6


1
1
 0 /  0  2  1  1,26  10 12 

4
4  8,84  10

1
2
V0 maks
dimana :
Z0 = Impedansi surja ()
h
= Tinggi kawat fasa di atas tanah (m)
c0
= Kecepatan merambat sinar = 3 x 108
(m/dt)
c
= Kececpatan merambat sambaran balik
(m/dt)
L
= Panjang total jalan surja (m)
r0
= Jarak antara kawat dengan sambaran
surja (m)
t
= Waktu (dt)
Besar potensial vektor penginduksi adalah :
h
Aind
 2 Z 0 I 0 (c / c 0 ) h
t
ct 
2

1
V0 maks 
ind
2

V1  V maks 
(11)
atau
Vind




c0 t  x


 Z 0 I 0 c 0 / c 

2
2
 y 2   c  c t  x  
0


 c0 



2
2

x (12)
  c  c 0 t  x 
c

0 

x
2

  c 2
2
2
 c   2
  c 0  c 0 t   1   c 0   x  y





Z0 I0h
30 I 0 h

y
y
(15)
3.10 Jarak Sambaran Surja
Jarak sambaran adalah fungsi dari
muatan, oleh karena itu dari arus, dalam
kanal
dari
sambaran
surja
yang
mendekatinya. Jarak sambaran ini diberikan
oleh White-head sebagai ,
(16)
y  8 I 0, 65 meter
dimana,
y = Jarak sambaran (meter)
I = Arus surja (kA)
t
Aind
V2  Vind  x   1 h
2
t
Z0 I0h
1,07  1,38 
y
Dari persamaan (14) nyata kelihatan
bahwa tegangan induksi itu tidak begitu
tergantung pada kecepatan merambat dari
sambaran balik surja. Tegangan induksi pada
saluran di titik yang jauh dari sambaran, yaitu
bila diisikan x =  .
Bila harga ini diisikan dalam
persamaan (14) dan kemudian dihitung
tegangan induksi maksimum pada titik
terjauh itu diperoleh :
Dari persamaan (8) dan (9) diperoleh harga
gelombang tegangan induksi untuk masingmasing komponen, yaitu :
Aind
(10)
V  V x   1 h
1


 (14)





Harga c/co = 0,1 sampai 0,5 jadi :
 1  c / c0  r0
2


Z0 I0h 
1
1  1 c

1
y 
2 c0 
1  c 2  2

1






2  c0  









3.11 Gelombang Berjalan
Jika suatu hantaran tenaga listrik
(hantaran udara, kabel) yang digambarkan
dengan dua kawat tiba-tiba dihubungkan
dengan suatu sumber tegangan, maka seluruh
hantaran tersebut tidak akan langsung
bertegangan. Masih diperlukan beberapa
waktu untuk dapat merasakan tegangan ini
pada suatu titik dalam sistem yang
mempunyai jarak tertentu dari sumber
tegangan tersebut. Hal ini disebabkan adanya
induktansi dan kapasitansi pada sistem tanpa
V2  V1  x 
Jadi jumlah gelombang tegangan
induksi akibat sambaran surja tidak
langsung adalah :
(13)
V  V1  V2
Dalam persamaan (13) ;
5
rugi-rugi (loss less line). Proses ini sama
dengan peluncuran sebuah gelombang
tegangan yang merambat sepanjang hantaran
dengan kecepatan tertentu. Gelombang
berjalan ini akan mencapai ujung yang lain
dari hantaran dalam waktu tertentu.
Kedua
gelombang
ini
akan
mencapai ujung yang lain dari hantaran
dalam waktu tertentu. Dalam perambatannya
kedua gelombang ini umumnya akan
menemukan diskontinuitas dalam hantaran
sehingga terjadi pemantulan gelombang.
Umumnya pada setiap saat, tegangan dan
arus pada setiap titik merupakan superposisi
dari gelombang datang dan gelombang
pantul.
Gelombang berjalan ini timbul
dalam sistem transmisi sebagai akibat adanya
tegangan lebih pada sistem yang disebabkan
oleh proses sambaran surja atau proses
switching (pembukaan dan penutupan saklar
daya).
Pada saat sambaran surja mengenai
lightning arrester suatu saluran, menimbulkan
arus gangguan yang kemudian akan
merambat ke tanah melalui penghantar
pentanahan. Pada penghantar yang ujungnya
dihubungkan ke elektroda pentanahan maka
gelombang datang akan diteruskan ke tanah.
Pada
prinsipnya
suatu
penghantar
mempunyai besaran resistansi (R) dan
induktansi (L) yang kemudian mendapatkan
arus.
Gangguan yang terjadi akibat
sambaran surja ke lightning arrester akan
menyebabkan mengalirnya arus petir
disepanjang penghantar sebelum sampai ke
elektroda pentanahan. Kecuraman muka
gelombang mengakibatkan tegangan jatuh
disepanjang penghantar yang dilalui arus
surja.
Spesifikasi dari suatu gelombang
berjalan:
a. Puncak gelombang, E (kV), yaitu
amplitudo maksimum dari gelombang.
b. Muka gelombang, t1 (mikro detik), yaitu
waktu dari permulaan samapai puncak,
dalam praktek ini diambil dari 10% E
sampai 90% E.
c. Ekor
gelombang,
yaitu
bagian
dibelakang puncak.
Panjang gelombang, t2 (mikro detik),
yaitu waktu dari permulaan sampai
detik 50% E pada ekor gelombang.
d.
Polaritas yaitu polaritas dari gelombang
positif atau negatif.
Suatu gelombang berjalan dinyatakan
sebagai: E1 .t1 xt 2
Definisi muka gelombang (wave
front) dan ekor gelombang (wave tail)
ditetapkan dalam standar-standar sedemikian
rupa sehingga kesukaran untuk menetapkan
permulaan
gelombang
dan
puncak
gelombang dapat diatasi.
Jika gelombang tegangan atau arus
menemui diskontinuitas pada hantaran
(perubahan impedansi hantaran) seperti:
1. Ujung dari suatu hantaran.
2. Perubahan
tiba-tiba
dari
impedansi surja (terpa).
3. Pencabangan.
Bila sambaran surja mengenai
saluran distribusi, arus yang besar mengalir
ke tanah dan sepasang gelombang berjalan
merambat pada kawat tanah. Untuk
memudahkan perhitungan, untuk sementara,
impedansi surja menara dapat diabaikan dan
asumsi menara ketanahkan melalui tahanan
konstan, R.
Karena tidak ada arus yang mengalir dari
tiang ke kawat fasa, maka :
Ee + e = RI
= e1
(17)
i + i’
= 2 i1 + I
(18)
dimana :
i = e/Z
i’ = -e’/Z
i1 = e1/Z11
(19)
Subsitusikan persamaan tersebut pada
persamaan 18, diperoleh
e/Z – e’/Z
= 2 e1/Z11 + e1/R (20)
atau
e  e  e1
= 2e1  e1
Z
Z 11
R
e1(1/R + Z/Z11 + 1/Z)
= 2 e/Z
Jadi,
2 RZ 11
e1 =
(21)
e
2.ZR  Z 11 ( R  Z )
Gelombang mula pada kawat fasa k adalah
ek = Z1k i1 =
Z 1k
 e1
Z 11
(22)
Pada saat terjadinya sambaran surja
tidak
langsung
pada
kawat,
akan
menyebabkan terjadinya gelombang berjalan
yang menimbulkan surja (surge) pada kawat,
yaitu surja tegangan dan surja arus.
6
Ditinjau dari energi, dapat dikatakan
bahwa surja pada kawat disebabkan oleh
penyuntikan energi secara tiba-tiba pada
kawat. Energi ini merambat pada kawat,
sama halnya seperti kita melemparkan batu
pada air yang tenang dalam sebuah kolam.
Energi yang merambat ini terdiri dari arus
dan tegangan.
Kecepatan merambat gelombang
berjalan tergantung dari konstanta-konstanta
kawat. Pada kawat di udara, kecepatan
merambat ini kira-kira 300 meter per mikro
detik, jadi sama dengan kecepatan cahaya.
Pada kabel tanah kira-kira 150 meter per
mikro detik.
Bila gelombang berjalan mencapai
titik peralihan atau diskontinuitas akan terjadi
perubahan pada gelombang tersebut sehingga
terdapat sedikit perbedaan dengan gelombang
asal.
Apabila suatu gelombang energi
listrik merambat sepanjang kawat dengan
konstanta L dan C, maka gelombang
tegangan dan arus merambat dengan
kecepatan yang sama. Kedua besaran ini
dihubungkan oleh suatu faktor proporsional,
yaitu karakteristik kawat itu.
Bila gelombang tegangan E sampai
pada titik a, maka arus yang bersamaan
dengan tegangan itu akan mengisi kapasitor
C pada tegangan E.
Muatan yang dibutuhkan untuk
menaikkan tegangan pada satu satuan
panjang = C E.
Bila
kecepatan
merambat
gelombang itu V cm/detik, maka jumlah
muatan yang dibutuhkan untuk mengisi
kawat sepanjang V cm tiap detik = C E v.
Muatan ini diberikan oleh arus
uniform yang mengalir pada kawat, dan
untuk memberi muatan C E v dalam satu
detik dibutuhkan arus sebesar:
I=C.E.v
(23)
Bila gelombang itu telah merambat
sejauh x cm, maka energi elektrostatis pada
bagian ini (x cm) adalah:
1
(24)
WC  .C.x.E 2
2
Bila L = Induktansi kawat per cm,
maka dalam waktu yang sama, energi
elektromagnetis pada kawat sepanjang x itu:
1
(25)
WL  .L.x.I 2
2
Kecepatan merambat gelombang
berjalan pada kawat udara sama dengan
kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
1
(26)
v
cm / det ik
LC
Dan kecepatan merambat gelombang
berjalan pada konduktor adalah:
1
(27)
v
cm / det ik

Besarnya nilai induktansi saluran
dihitung dengan menggunakan persamaan
berikut:
2h1 
(28)
1
9
L    2 ln
2
.10
r 
Menentukan kapasitansi saluran
dengan menggunakan persamaan:
(29)
10 11
C 
 2h1 
18 ln 

 r 
Menentukan impedansi surja pada
saluran :
(30)
Z 
L/C `
Dengan arus puncak surja yang
terjadi, maka didapatkan tegangan puncak
surjanya adalah:
(31)
V0  I 0 .Z kV
dimana:
L = Induktansi saluran (H)
C = Kapasitansi saluran (F)
Z = Impedansi surja kabel ()
V0 = Tegangan akibat sambaran arus puncak
petir (kV)
I0 = Arus puncak surja (kA)
h1 = Tinggi kawat fasa (m)
r = Jari-jari konduktor kabel (mm)
Pada saat terjadi sambaran surja
pada saluran distribusi, maka akan terjadi
gelombang maju dan gelombang mundur
berupa gelombang berjalan yang induksinya
merambat menuju lightning arrester.
Waktu yang dibutuhkan oleh
gelombang berjalan adalah:
t mundur / maju 
x mundur / maju
v
det ik
(32)
dimana:
tmundur/maju = Waktu yang dibutuhkan
gelombang mundur/maju (detik)
xmundur/maju = Jarak gelombang mundur/maju
(m)
v
= Cepat rambat gelombang (m/detik)
Tegangan yang terjadi pada saluran
karena adanya tegangan induksi merupakan
7
penjumlahan tegangan saluran dengan
tegangan induksi yaitu:
V0 = V + V i
kV
(33)
Tegangan pada gelombang maju
adalah
(34)
e0 ( x, t )  V0 .e t kV
Tegangan pada gelombang mundur
adalah
(35)
e0 ( x, t )  V0 .e  t kV
Jadi jumlah sambaran pada saluran distribusi
sepanjang 100 km adalah
(38)
NL  N  A
Dimana A merupakan luas bayang – bayang
untuk 100 km panjang saluran.

A  100 km x b  4h1
Atau
A  0,1 x b  4h1
1, 09
 km
2
 x 10
3
km (39)
per 100 km saluran
(40)
Untuk memperoleh probabilitas
peralihan lompatan api menjadi busur api,
maka terlebih dahulu ditentukan gradien
tegangan
sepanjang
isolator
dengan
menggunakan tegangan sistem akibat
sambaran surja adalah
V0
( kV/m )
(36)
E 
0

1, 09
Sehingga,

N L  0,015 IKL b  4h1
1, 09
 sambaran
per 100 km per tahun
(41)
dimana :
b = Jarak antar kawat fasa (m)
h1 = Tinggi kawat fasa (m)
3.W
3.13 Saluran Distribusi 20 kV Tanpa
Kawat Tanah
Sambaran surja yang terjadi pada
menara tanpa kawat tanah. Persamaan
tegangan induksi untuk saluran yang tidak di
lengkapi dengan kawat tanah adalah:
dimana:
V0
= Tegangan saluran akibat sambaran
induksi surja (kV)
V
= Tegangan dasar sistem (kV)
Vi
= Tegangan induksi surja (kV)
t
= Waktu (detik)
e0 (x,t) = Tegangan pada gelombang
maju/mundur
E0
= Gradien tegangan (kV)
W
= Panjang lightning arrester (m)
Bila
gradien
tegangan
kerja
sepanjang jalan lompatan api tidak cukup
besar, busur api tidak akan terbentuk dan
karenanya gangguan saluran juga tidak
terjadi. Besar probabilitas peralihan lompatan
api menjadi busur api diberikan pada tabel 1.
Tabel 1. Probabilitas peralihan lompatan api
menjadi busur api
Probabilitas
Gradien tegangan,
lompatan api menjadi
E0 (kV/m)
busur api, η
50
0,6
30
0,45
20
0,25
10
0,10
Vi 
30 I 0 h1
y
(42)
dimana :
Vi = Tegangan induksi pada kawat
(kV)
I0 = Besar arus surja (kA)
h1 = Tinggi rata – rata kawat
diatas tanah (m)
y =
Jarak horizontal antara
sambaran surja dengan kawat (m)
Supaya tegangan induksi sama atau
melebihi ketahanan impuls isolasi V50% maka
V
:
I  50% y
0
30  h
Persamaan probabilitas yang dipakai yaitu
Pi  

I
34
atau
P10  
3.12 Jumlah Sambaran Surja ke Bumi
Jumlah sambaran surja ke bumi
adalah sebanding dengan jumlah hari guruh
per tahun atau ”Iso Keraunik Level (IKL)” di
tempat tersebut. Untuk Indonesia, jumlah
sambaran surja ke bumi dapat dicari dengan
menggunakan persamaan :
(37)
N L  0,15 IKL
dimana :
NL = Jumlah sambaran per km2 per tahun.
IKL= Jumlah hari guruh per tahun
V
y 

  50%
 1020 h1 
Jadi jumlah sambaran pada bidang
y yang dapat menimbulkan tegangan
melebihi V50% adalah :
N FL  0,015.IKL.e
 V50%
y 

 1020 x h 

1 

.y
Bila y dibuat kecil sekali, y
berubah menjadi dy dan NFL berubah
menjadi dNFL, dan setelah dilakukan integrasi
dari
ymin(=2h11,09)
sampai
ymaks(=tak
8
terhingga) untuk kedua sisi saluran diperoleh
persamaan :

N FL  2
 0,015.IKL.e
 V

  50% 
 1020 h1 
4.1 Umum
Dalam penelitian ini, diperlukan
data untuk menentukan pelindungan surja
dengan fuse lebur akibat gangguan tegangan
lebih pada SUTM 20 kV. Akibat sambaran
induksi surja, maka diperlukan data yang
berhubungan dengan saluran distribusi dan
lightning arrester. Sebagai aplikasi pada
penelitian ini adalah saluran distribusi 20 kV
kota Padang.
Tabel 2. Data saluran distribusi 20 kV dan
surja
No. Uraian
Keterangan
1.
Tinggi kawat fasa 9,2 m
(h1)
2.
IKL
222
guruh/tahun
3.
Konduktor AAAC
70 mm2
4.
Panjang lightning 0,425 m
arrester
5.
Rate arus fuse lebur 100 A
6.
Tegangan
fuse 24 kV
lebur
7.
Tegangan
flash 79,92 kV
over (V50%)
8.
Tegangan SUTM
20kV
9.
Frekwensi
50 Hz
10. Jarak
konduktor 1.050 mm
fasa R ke T
11. Jarak
konduktor 650 mm
fasa S ke T
dy
2 h11, 09
 V50% 
 V50%
1, 09 
 1020h1   1020h1    1020 h1 2 h1  
e
 0,03.IKL. 
.e

 V50% 

Atau
N FL
V
0 , 09 
  50% h1

510

 
 30,6.IKL.h1 .e
V50%
Dimana:
NFL = Jumlah gangguan
V50% = Tegangan flash over (kV)
IKL = Jumlah hari guruh per tahun
3.14 Umur Lightning Arrester Akibat
Sambaran Induksi
Untuk menentukan umur lightning
arrester setelah dipengaruhi oleh adanya
sambaran induksi dapat ditentukan dengan
persamaan :
1
N

T   FL .S .Pi0  .100
 100

(49)
dimana :
= Umur pakai rata – rata
T
lightning arrester (tahun)
NFL = Jumlah gangguan karena sambaran
induksi
S
= Jarak antara lightning arrester
pada saluran (m)
Pi0 = Probabilitas distribusi arus surja
4.2 Menentukan Arus Surja
Untuk mendapatkan
maka diperoleh
I0 
surja,
79,92
 0,7992 kA = 799,2A
100
4.3 Menentukan Probabilitas Distribusi
Arus Surja
Untuk menentukan probabilitas
distribusi arus surja, diperoleh
3.15 Arus Lompatan Api
Selama sambaran surja pada kawat
fasa pada SUTM 20 kV, ada 2 kemungkinan
terjadi lompatan api yaitu lompatan api pada
tegangan impuls dan terjadi di udara.
PI 0  e
Arus lompatan api/arus hubung singkat
dari fasa S ke T adalah
𝑉𝑜
𝐼𝐵𝐶 = 𝑍
(50)
4
arus

I FL
34

0 , 7992
 e 34  0,98
Persentase probabilitas distribusi arus
surja adalah
.(1−𝐾)
Dimana :
Vo
= Tegangan induksi akibat
surja (kV)
Z
= Impedansi surja (Ω)
K
= Faktor gandeng antara jarak
kawat fasa S ke T dengan R ke T
PI 0
 0,0098 %
100
4.4 Menentukan Impedansi Surja
Menentukan induktansi saluran,
diperoleh
% PI 0 
4. PERHITUNGAN DAN ANALISA
9
1.
Titik
sambaran
induksi
0
Tegangan
gelombang
maju (kVolt)
21,79439188
Tegangan
gelombang
mundur (kVolt)
21,79432286
2.
1/8
21,79438325
21,79433149
3.
2/8
21,79437462
21,79434012
4.
3/8
21,79436600
21,79434874
5.
4/8
21,79435737
21,79435737
6.
5/8
21,79434874
21,79435737
7.
6/8
21,79434012
21,79437462
8.
7/8
21,79433149
21,79438325
9.
8/8
21,79432286
21,79439188
No.
Tegangan yang terjadi pada saluran
karena adanya tegangan induksi merupakan
penjumlahan tegangan saluran dengan
tegangan induksi yaitu
V0 = V + V i
= 20 kV + 1,7943 kV = 21,7943 kV
4.7 Menentukan Tegangan Gelombang
Berjalan
Pada saat terjadi sambaran surja
pada saluran distribusi, maka akan terjadi
gelombang maju dan gelombang mundur
berupa gelombang berjalan yang induksinya
merambat menuju lightning arrester.
Sambaran induksi surja yang terjadi
dengan variasi titik sepanjang saluran
distribusi adalah:
Sambaran induksi pada pangkal
saluran (0 x panjang saluran):
2h1 
1
9
L    2 ln
.10
r 
2
2.920 
1
   2 ln
.10 9
1,0125 
2
x mundur  0 x9500  0m
Sambaran induksi pada ujung saluran:
 6,2999.10 9 H / cm
x maju  (1  0) x 9500  9500 m
Menentukan kapasitansi saluran diperoleh,
Waktu yang dibutuhkan, diperoleh
1011
 2h 
18 ln  1 
 r 
1011

 2.920 
18 ln 

 1,0125 
C
t mundur 
t maju 
Menentukan impedansi surja pada saluran,
diperoleh


6,2999.10
9
-13
/ 1,158.10
 181,3407 
6
Dengan cara yang sama diperoleh
tegangan gelombang berjalannya seperti pada
tabel 3.
Tabel 3. Hasil perhitungan tegangan
gelombang berjalan
0 , 65
0 , 65
 1,2305.104 m
4.6 Menentukan Tegangan Induksi
Menentukan tegangan induksi yang
terjadi pada saluran dengan jarak sambaran y
maka diperoleh,
Vi 

-5
 21,7943.103.e 0,3167.10  2,179439188.10 4  21,79439188 kV
 21,7943.103.e 0  2,179432286.10 4  21,79432286 kV
4.5 Menentukan Jarak Sambaran Surja
Untuk menentukan jarak sambaran
surja yang terjadi diperoleh,

e 0 ( x, t )  V0 .e t
e 0 ( x, t )  V0 .e  t
 80.10 .181,3407  14,507.10 V
3

950
 0,3167.10-5 det ik
3.108
Tegangan pada gelombang mundur adalah
V0  IoZ
 8. 80.10 3
v
Tegangan pada gelombang maju adalah
L/C
Dengan arus puncak surja yang
terjadi sebesar 80 kA, maka didapatkan
tegangan puncak surja adalah
y  8 Ip
0
 0 det ik
3.10 8
x maju

 1,158.10-13 F / cm
Z 
x mundur
v
4.8 Probabilitas Peralihan Lompatan Api
Untuk
memperoleh
probabilitas
peralihan lompatan api menjadi busur api,
maka terlebih dahulu ditentukan gradien
tegangan
sepanjang
isolator
dengan
menggunakan tegangan sistem akibat
sambaran surja, diperoleh
30.Ioh1
y
30.80.10 3.9,2
 1,7943 kV
1,2305.104
10
Pada V= 21,79439188 kV
Dengan menggunakan persamaan
E0 

Tabel 5. Hasil perhitungan usia pakai dengan
variasi jumlah guruh pertahun
V
3.W
21,79439188
3.0,425
 29,60705417 kV/m
1.
2.
3.
4.
5.
Dengan cara yang sama diperoleh hasil
perhitungan gradien tegangan saluran pada
tabel 4.
4.9 Menentukan Jumlah Gangguan Akibat
Sambaran Induksi Surja
Jumlah gangguan karena sambaran
induksi surja dapat ditentukan sebagai
berikut:
N FL  30,6.IKL.h 1 .e
 V50% 0 , 09
h1

 510

V50%








 79,92
9, 20 , 09

 510

79,92


Jumlah guruh
pertahun, IKL
(guruh/tahun)
100
150
200
220
250
Usia pakai T
(tahun)
8,5271 = 9
5,6848 = 6
4,2636 = 4,5
3,8410 = 4
3,4109 =3,5
4.11 Menghitung Tegangan Lompatan Api
Dalam perhitungan besar tegangan
lompatan api dari isolator, dimana waktu
tembus atau waktu lompatan api isolator pada
waktu 6  s, panjang isolator W= 24 cm.
Dimana
x






No.
Probabilitas
peralihan
Usia pakai T
lompatan api
No.
4
 2,8057.10 gangguan per km per tahun
(tahun)
menjadi busur api,

4.10 Umur Lightning Arrester Akibat
1.
0,25
6,9139 = 7
Sambaran Induksi
2.
0,45
3,8410 = 4
Untuk menentukan umur lightning
3.
0,6
2,8808 = 3
arrester setelah dipengaruhi oleh adanya
4.
0,8
2,1606 = 2,2
sambaran induksi diperoleh
5.
1
1,7285 = 2
3
1
Vc = K 1 + K 2 x 10 kV
N

0.75
T   FL .S .PI  .100
t
 100

3
Vc = 0,4 W + 0,71W x 10 kV
0 , 75

1
6
 2,8057.104


.9,5.0,0098 .100  3,8410  4 tahun
0,71x0,24 x 10 3 kV
Vc
=
0,4
x
0,24
+
100


6 0, 75
Jadi umur rata-rata
Vc = 140,5 kV
lightning arrester adalah 4 tahun jika terjadi
sambaran surja yang arusnya sebesar 80 kA
4.12 Menghitung Arus Sambaran Surja
disekitar saluran distribusi.
Arus sambaran surja minimum yang
Dengan cara yang sama, maka
menyambar
kawat fasa (fasa yang paling
dengan memvariasikan nilai tegangan induksi
terbuka
terhadap
sambaran surja), dimana
surja yang mengakibatkan perubahan pada
arus
ini
masih
dapat
nmenimbulkan lompatan
gradien tegangan dan probabilitas peralihan
api
pada
isolator.
lompatan api menjadi busur api berdasarkan
Dengan menggunakan persamaan
efisiensi, maka diperoleh hasil perhitungan
I m in
= 2VC
seperti pada tabel 5.
 30,6.222.9,2.e
x 0,45
0
Z0
Tabel 4. Hasil perhitungan usia lightning
arrester dengan variasi efisiensi
Sementara itu dengan memvariasikan
nilai jumlah guruh pertahun pada = 0,45,
maka diperoleh hasil perhitungan seperti pada
tabel 5.
I m in
= 2(1030 )
I m in
= 3,812 kA
540 ,391
4.13 Menentukan Arus Lompatan Api
11
Pada SUTM 20 kV selalu ditempatkan
ligthtning arresrer yang berfungsi sebagai
pengaman tegangan lebih dan fuse lebur
berfungsi sebagai pengaman arus hubung
singkat akibat arus lompata api saat sambaran
surja.
Dari hasil perhitungan, jika terjadi arus
surja disekitar lightning arrester sebesar 80
kA, maka tegangan induksi yang terjadi
akibat sambaran induksi surja adalah 1,7943
kV sehingga tegangan sistem dari 20 kV
menjadi 21,7943 kV. Jumlah gangguan yang
terjadi karena sambaran induksi surja adalah
sebanyak 2,8057x104 gangguan per 100 km
per tahun.
Dari hasil penelitian dan hasil
perhitungan diperoleh umur lightning arrester
akibat tegangan induksi surja sebesar 1,7943
kV yang merupakan induksi dari arus surja
sebesar 80 kA adalah menjadi 4 tahun.
Dari tabel 3 dapat diketahui bahwa
probabilitas peralihan lompatan api menjadi
busur
api,
berdasarkan
efisiensi
mempengaruhi nilai umur lightning arrester.
Semakin besar probabilitas peralihan
lompatan api menjadi busur api, berdasarkan
efisiensi, maka umur lightning arrester akan
semakin berkurang. Hal tersebut juga dapat
dilihat pada karakteristik pada gambar 4.
Selama sambaran surja pada kawat
fasa pada SUTM 20 kV, ada 2 kemungkinan
terjadi lompatan api yaitu lompatan api pada
tegangan impuls dan terjadi di udara.
Arus lompatan api/arus hubung singkat
dari fasa B ke C adalah
𝑉𝑜
𝐼𝑠𝑡 = 𝑍
4
.(1−𝐾)
Dimana :
Vo
= Tegangan induksi akibat
surja = 21,7943 kV
Z
= Impedansi surja = 181,3407
Ω
K
= Faktor gandeng antara jarak
kawat fasa S ke T dengan R ke T
650
𝐾=
= 0,38
1.700
Maka,
21,7943
𝐼𝑠𝑡 = 181 ,3407
.(1−0,38)
21,7943
4
=
45,335 .(0,62)
= 0,77559 𝑘𝐴 = 775,59A
A
B
1.050
650
C
Gambar 3. Sambaran langsung pada kawat
fasa
4.14 Analisa
Tegangan lebih akibat sambaran surja
dapat terjadi, karena sambaran langsung dari
kawat fasa ke fasa. Jarak kawat fasa ke fasa
yang terdekat yaitu fasa S ke T dengan jarak
65 cm (gambar 3), tegangan lebih yang
diinduksikan sebesar 21,7943 kV. Karena
SUTM tidak mempunyai kawat tanah, maka
terjadi lompatan api menghasilkan arus
lompatan api sebesar 775,59A. Sedangkan
fuse lebur yang dipasangkan berfungsi
sebagai pengaman terjadi hubung singkat
seperti terjadinya arus lompatan api dari
kawat fasa S ke T.
Data fuse lebur (cut out) yang
terpasang sebesar 100A dan rate tegangan 24
kV, mengakibatkan fuse lebur akan putus.
Gambar 4. Karakteristik umur lightning
arrester terhadap perubahan probabilitas
peralihan lompatan api menjadi busur api
Nilai
probabilitas
peralihan
lompatan api menjadi busur api, ,
dipengaruhi oleh tegangan induksi akibat
sambaran induksi surja. Semakin besar
tegangan induksi, maka probabilitas peralihan
lompatan api menjadi busur api, berdasarkan
efisiensi akan semakin besar. Artinya
semakin besar tengan induksi yang terjadi
maka umur lightning arrester akan berkurang.
5. PENUTUP
5.1
Kesimpulan
12
Dari hasil penelitian dilapangan dan
perhitungan penelitian ini, sehingga dapat
diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Tegangan lebih pada SUTM 20 kV
akibat
gangguan
surja
kilat
menimbulkan
tegangan
induksi
sebesar 21,7943 kV
2. Arus lompatan api atau arus hubung
singkat pada SUTM 20 kV pada fasa
S ke T, akibat dari tegangan induksi
adalah 775,59 Amper
3. Impedansi surja pada SUTM 20 kV
sebesar 181,3407 Ohm
4. Tegangan lompatan api dari isolator
dengan waktu tembus 6 mikro detik
adalah 140,5 kV
5. Arus sambaran surja yang dihasilkan
sebesar 3,812 kA.
9.
DAFTAR PUSTAKA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Arismunandar,
Artono,
Teknik
Tenaga Listrik , PT. Pradnya
Paramita, Jilid 3 Gardu Induk,
Jakarta, 1997.
Hutauruk, T.S, Gelombang Berjalan
dan Proteksi Surja, Erlangga,
Jakarta, 1991.
Hutauruk. T.S, Transmisi Daya
Elektrik, Erlangga, Jakarta, 1996
K.T Sirait dan Zoro, Perlindungan
Terhadap Tegangan Lebih Pada
Sistem Tenaga Listrik, Laboratorium
Teknik Tegangan Tinggi, Institut
Teknologi Bandung, 1986.
Mujiman, Tukino, Proteksi Sistem
Tenaga Listrik Pada Saluran 20 kV
di PT. PLN Persero) APJ
Yogyakarta,
Jurnal
SNAS
Yogyakarka, 2014.
Harrij Mukti, Analisis Penentuan
Penempatan
Arrester
Sebagai
Pengaman Transformator Distribusi
20 kV, Jurnal Eltek, Poltek Malang,
2012.
Julius Sentosa Setiaji, Yanuar
Ariyanto, Perubahan Tegangan
Pada Kawat SUTM 20 kV Akibat
Sambaran Petir, Jurnal Amplifier,
UK Petra Surabaya, 2012.
Abdul Syukur, Agung Warsito,
Liliyana Nilawati, Kinerja Arrester
Akibat Sambaran Petir Pada
Jaringan Tegangan Menengah 20
13
kV, Jurnal Teknik Elektro, Undip
Semarang, 2009.
Mursid Sabdullah, T. Haryono,
Sasongko Pramono Hadi, Analisis
Distribusi Tegangan Lebih Akibat
Sambaran
Petir
Untuk
Pertimbangan Proteksi Peralatan
Pada Jaringan Tegangan Menengah
20 kV di Yogyakarta, Seminar
Nasional Teknik Ketenagalistrikan,
UGM Yogyakarta, 2006.
Download