Pengujian Recloser Tegangan Menengah Menggunakan Tegangan Tinggi Impuls Ari Hastanto, Abdul Syakur Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jln. Prof. Soedarto, SH, Tembalang, Semarang, Jawa Tengah
[email protected],
[email protected]
Abstrak - Pengujian tegangan tinggi bertujuan untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik menyangkut kualitas sistem isolasi peralatan tenaga. Yaitu memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang ataupun setelah operasi, untuk menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan, dan mengurangi kerugian semasa pemeliharaannya. Kualitas isolasi berperan penting dalam menentukan mutu suatu peralatan listrik, terutama dalam bidang penyaluran transmisi dan distribusi tenaga. Di antaranya adalah recloser yang berperan sebagai peralatan pengaman sistem tenaga pada gardu-gardu induk maupun di sepanjang saluran transmisi. Maka dibutuhkan pengujian-pengujian tegangan tinggi yang dapat menentukan kualitas sistem isolasi peralatan-peralatan tenaga listrik, sehingga dapat diperoleh rancangan yang memiliki ketahanan tinggi, yaitu dengan pengujian tegangan tinggi impuls. Makalah ini mempresentasikan hasil pengujian tegangan tinggi impuls yang dilaksanakan di PT. PLN (Persero) Pusat Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan pada recloser tipe VWVE merek Blue Island. Diperoleh hasil pengujian dengan empat konfigurasi untuk tiap polaritas tegangan tinggi impuls pada peralatan recloser, berdasarkan konfigurasi yang telah ditentukan sebelumnya.
Ketenagalistrikan telah melakukan pengujian-pengujian pada setiap item peralatan uji berdasarkan standar-standar terkini yang diakui tidak hanya di dalam negeri, namun juga di dunia internasional. Di antara serangkaian pengujian yang harus dilakukan untuk menguji mutu alat yang diuji adalah pengujian tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan tinggi impuls menggunakan sumber tegangan impuls bertegangan tinggi untuk menguji isolasi pada peralatan listrik, dimana pengujian ini ditujukan karena adanya kemungkinan resiko terkenanya surja petir maupun surja hubung pada peralatan tenaga listrik tersebut.
Kata kunci : Pengujian tegangan tinggi impuls; recloser; PLN Puslitbang
Dalam makalah ini dibahas mengenai pengujian tegangan tinggi impuls yang diterapkan pada recloser tegangan menengah yang dilakukan di Laboratorium Tegangan Tinggi 1 PT. PLN (Persero) Pusat Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan.
I. PENDAHULUAN PT. PLN (Persero) merupakan perusahan nasional yang mengelola listrik negara, baik dari segi pembangkitan, transmisi, maupun pendistribusian tenaga listrik di Indonesia. Adapun kegiatan penelitian dan pengembangan di PT. PLN (Persero) diarahkan pada usaha untuk meningkatkan keandalan serta efisiensi sistem dan pembangkit tenaga listrik, kualitas suplai energi listrik, jaminan mutu, konservasi dan manajemen lingkungan, serta teknologi baru dalam bidang teknik energi listrik. Kegiatan penelitian serta pengembangan inilah yang menjadi tugas khusus bagi salah satu unit bisnis PT. PLN (Persero) yang dikenal sebagai PT. PLN (Persero) Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan. Dalam peranannya menjamin mutu peralatan-peralatan listik, PT. PLN (Persero) Penelitian dan Pengembangan
Pengujian-pengujian tersebut diterapkan pada peralatanperalatan listrik yang berkenaan langsung dalam pendistribusian tegangan listrik dari gardu induk ke pelanggan maupun ke gardu induk lain dalam satu sistem penyaluran tenaga listrik. Salah satu peralatan yang berperan, dalam sistem tegangan menengah tersebut adalah recloser tegangan menengah, dimana recloser ini mendeteksi arus lebih karena hubung singkat fasa dengan tanah. Yaitu dengan cara memberi perintah kepada pemutus tenaga untuk membuka atau memisahkan bagian bila terkena gangguan.
II. PENGUJIAN TEGANGAN TINGGI IMPULS PADA RECLOSER A. Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls Dalam sistem tenaga listrik, terdapat tiga bentuk tegangan impuls yang mungkin terjadi, yaitu tegangan impuls petir, tegangan impuls surja hubung, dan tegangan impuls terpotong. Berikut ini akan ditunjukkan pada gambar 1, tentang bentukbentuk tegangan impuls yang mungkin terjadi:
V
V
Rs1=nrs
V
Rs2 g
t (a)
t (b)
(c)
Cs=C’s/n
Gambar 1. Jenis-jenis tegangan impuls : (a) Impuls kilat; (b) Impuls surja hubung; (c) Impuls terpotong Persamaan bentuk umum tegangan impuls yang digunakan di laboratorium, yaitu tegangan yang naik dalam waktu yang sangat singkat, disusul dengan penurunan yang lambat menuju nol: V = V0 (e–at – e–bt) V 1,0 0,9
(1)
Q
Ro=nro
Co
Gambar 4. Rangkaian generator impuls RC 3) Generator Marx : Generator impuls dengan rangkaian Marx merupakan generator impuls RC yang disusun bertingkat untuk memperoleh tegangan keluaran yang lebih tinggi. Dimisalkan terdapat generator impuls Marx tiga tingkat. Generator tersebut memiliki tiga kondensator pemuat, sehingga dinamai generator Marx tiga tingkat. Generator ini juga memiliki tiga sela picu yang dapat dipicu dalam waktu yang bersamaan.
Vmaks 0,5 0,3
0
P
O’
t Tf
A
B
Vo
Tt
Gambar 2. Bentuk gelombang impuls petir Alat pembangkit tegangan tinggi impuls di antaranya adalah Generator impuls RLC, Generator impuls RC, dan Generator Marx. 1) Generator RLC :Adapun prinsip kerja generator impuls RLC adalah kapasitor C diberikan muatan dari sebuah sumber DC melalui tahanan pemuat r. Percikan api (spark over) antara sela picu G terjadi pada waktu tegangan pemuat V mencapai suatu harga tertentu, kemudian muatan pada C dilepaskan (discharge) melalui tahanan seri Rs, induktansi L, dan tahanan Ro. Dengan demikian tegangan impuls terjadi antara terminal tahanan Ro.
Gambar 5. Rangkaian generator Marx B. Pengukuran Tegangan Tinggi Impuls Terdapat 6 jenis alat ukur dalam pengukuran tegangan tinggi, yaitu sebagai berikut : Tabel 1. Jenis alat ukur tegangan tinggi No. 1 2
Gambar 3. Rangkaian generator impuls RLC 2) Generator RC : Pada dasarnya prinsip kerja generator impuls RC hampir sama dengan generator rangkaian RLC. Perbedaan antara keduanya hanya terletak pada hasil tegangan keluarannya, dimana generator impuls RC ini menghasilkan tegangan yang lebih tinggi, sehingga dewasa ini generator RC banyak digunakan pada pengujian-pengujian tegangan impuls.
Nama Alat Ukur Trafo Ukur Pembagi Kapasitor
3
Pembagi Tahanan
4 5 6
Voltmeter Elektrostatik Voltmeter Puncak Chubb & Fortesque
Jenis Tegangan yang Diukur Tegangan tinggi AC Tegangan tinggi AC dan impuls Tegangan tinggi AC, DC, dan impuls Tegangan tinggi AC dan DC Tegangan tinggi AC dan impuls Tegangan tinggi AC
C. Pengujian Tegangan Tinggi Impuls Pengujian ketahanan tegangan impuls merupakan pengujian yang dilakukan untuk tujuan mengetahui ketahanan isolasi suatu peralatan tenaga terhadap tegangan impuls. Hal ini dikarenakan bahwa peralatan-peralatan tenaga dalam penggunaannya di lapangan dapat dimungkinkan mengalami tegangan lebih impuls akibat surja hubung maupun surja petir.
Hal inilah mengapa diperlukan suatu pengujian isolasi pada kumparan-kumparan peralatan maupun pada bagian-bagian badan peralatan tersebut. Bentuk gelombang tegangan pengujian impuls yang dikenakan pada suatu peralatan uji telah ditentukan dalam standar-standar yang ada sesuai dengan jenis peralatan tenaga tersebut masing-masing maupun sesuai dengan spesifikasi pabrik, dimisalkan besarnya adalah Vs. D. Faktor Koreksi Udara Dalam praktek pengujian tegangan tinggi di lapangan, keadaan udara pada saat pengujian tidak selalu sama dengan keadaan standar. Oleh karena itu, hasil pengukuran pada keadaan udara sembarang adalah sebagai berikut :
otomatis yang disebut ”recloser” dimana sistem kendalinya ada pada kotak kontrol elektronik Recloser merupakan suatu peralatan pengaman yang dapat mendeteksi arus lebih karena hubung singkat antara fasa dengan fasa atau fasa dengan tanah, dimana recloser ini memutus arus dan menutup kembali secara otomatis dengan selang waktu yang dapat diatur misal dengan setting interval reclose 1 sampai 5 detik dan setting interval reclose 2 sampai 10 detik dan pada trip ketiga recloser akan membuka tetap dengan sendirinya karena gangguan itu bersifat permanen. Peralatan ini digunakan sebagai pelindung saluran distribusi dan mempunyai peranan penting dalam perlindungan sistem daya karena saluran distribusi merupakan elemen vital suatu jala-jala, yang menghubungkan gardu induk (GI) ke pusat - pusat beban.
(2) III. PROSEDUR PENGUJIAN TEGANGAN TINGGI IMPULS PADA RECLOSER
dimana : = Tegangan sela bola pada saat pengujian
A. Benda Uji Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kelayakan suatu barang untuk dapat dipasarkan atau tidak. Barang yang akan diuji adalah recloser tipe VWVE (Vaccum Withstand Voltage Electronical) merek Blue Island dengan produksi asal USA.
(keadaan udara sembarang) = Tegangan tembus sela bola standar δ = Faktor koreksi udara Faktor koreksi udara bergantung pada suhu dan tekanan udara yang besarnya adalah sebagai berikut : (3) Atau dengan perumusan sebagai berikut: (4) dimana : θ = temperatur udara (°C) p = tekanan udara (mmHg) b = tekanan udara (mbar) Td = suhu udara (°C) Pada dasarnya kelembaban udara juga turut mempengaruhi tegangan tembus sela bola. Jika hal ini diperhitungkan, maka tegangan tembus elektroda bola menjadi :
Berikut ini merupakan nameplate pada alat yang diuji: Nameplate G & W Electric co. Blue Island ILL USA 60406 Electrical Rating Maybe Reduced Entrances See Instalation Instructions Max Volt : 27 kV External Level (BIL) : 375 kV Internal Level : 125 kV Manufacture Date : 2010 – 09 Serial No. : R-10-0074 CAT No. : VIP388ER-125 Continuous Current rms : 800 As Interupting Current rms : 12500 As Momentary Current rms : 20 kA ASYIM Mating : 20 kA ASYM Weight : 750 LBS/341 kg
(5) dimana kh merupakan faktor koreksi yang bergantung pada kelembaban udara. Gambar 6. Nameplate recloser E. Recloser (penutup kembali) Untuk memudahkan pengamanan terhadap gangguan, digunakan rele yang berfungsi membuka dan menutup secara
Berikut ini gambar beberapa peralatan penting untuk pengujian di atas:
Gambar 7. Recloser
Gambar 9. Generator impuls 750 kV
Gambar 8. Recloser Control
Gambar 10. Capasitor Devider
B. Peralatan Pengujian Impuls Pada Recloser Berikut ini peralatan-peralatan yang digunakan dalam rangkaian pengujian impuls recloser: Generator Tegangan Impuls 750 kV Pembagi Tegangan Kapasitif (Capacitor Divider)
Gambar 11. Oscilloscope Le Croy
Oscilloscope Le Croy Meja Controller Generator Impuls MikroAmperemeter DC Slide Regulator Tegangan Beban Uji Sampel Recloser TM Termometer Basah dan Kering Barometer Kabel Penghubung
C. Prosedur Pengujian Impuls pada Recloser TM Blok diagram proses pengujian tegangan tinggi impuls pada pengujian peralatan tegangan menengah khususnya recloser ditunjukkan pada gambar 12 berikut ini:
8.
Gambar 12. Diagram blok proses pengujian tegangan tinggi impuls recloser
Melakukan pengisian kapasitor generator impuls hingga tegangan masukan generator impuls per tingkat mencapai nilai setelan. Apabila sebelum nilai setelan tercapai terjadi pelepasan muatan pada generator impuls, maka menambah jarak sela bola generator impuls sebesar 0,1 cm dan melakukan pengisian kembali. Apabila terjadi kembali pelepasan sebelum waktunya, mengulangi langkah-langkah tersebut hingga tegangan setelan dapat tercapai. Setelah tercapai, menunggu proses penyalaan (triggering) generator impuls. Pada langkah tersebut, ujung kabel keluaran dari generator impuls tidak disambung ke benda uji, melainkan disambungkan ke sela bola 25 cm, sampai penyetelan tegangan yang dikehendaki tercapai. 9. Setelah penyetelan masukan generator impuls tercapai, yaitu dengan melihat tinggi tegangan di oscilloscope, langkah selanjutnya adalah menyambungkan ujung keluaran dari generator ke benda yang akan diuji. 10. Melakukan kembali pengisian masukan generator sesuai langkah (8) kemudian menerapkan tegangan ke benda uji untuk setiap konfigurasi yang telah ditentukan. 11. Mencatat hasil penerapan tegangan uji ke benda uji tersebut pada blanko yang sesuai. 12. Benda uji recloser tersebut dinyatakan lulus uji apabila setiap konfigurasi tidak terjadi pelepasan muatan sama sekali.
Gambar 13 Rangkaian listrik pengujian tegangan tinggi impuls recloser Gambar 14. Rangkaian pengujian tegangan tinggi impuls Berikut ini merupakan prosedur pengujian tegangan tinggi impuls pada benda uji recloser tegangan menengah: 1. 2.
3. 4. 5.
6. 7.
Merangkai seperti rangkaian percobaan. Rangkaian benda uji, capacitor divider, dan generator impuls ditempatkan sedemikian rupa, sehingga jarak antara masing-masing benda tersebut tidak saling berdekatan. Membersihkan benda uji dan memasang sesuai dengan keadaan yang sebenarnya di lapangan. Mencatat data teknis benda uji pada blanko yang sesuai. Mencatat kondisi udara ruang : suhu kering (td), suhu basah (tw), dan tekanan udara (b), dan jarak busur minimum dari isolator (L). Menghitung faktor koreksi udara untuk memperoleh besarnya tegangan uji pada kondisi ruang. Menghidupkan oscilloscope sesuai manual alat.
Gambar 15. Rangkaian pengujian terhubung ke recloser Dalam pelaksanaan pengujian tegangan impuls pada suatu recloser, terdapat beberapa konfigurasi penyambungan fasa
untuk mengetahui ketahanan isolasi masing-masing fasa tersebut.
4.
KONFIGURASI SAKLAR TERTUTUP, FASA A’ DAN C’ TERHUBUNG DAN DIKETANAHKAN, FASA B DITEMBAK TEGANGAN
D. Konfigurasi Pengujian Recloser Dalam praktek di lapangan, pengujian harus disesuaikan dengan standar internasional yang sudah ada. Terdapat empat konfigurasi pengujian impuls untuk recloser, yaitu sebagai berikut : 1.
KONFIGURASI SAKLAR TERTUTUP, FASA A, B, C TERHUBUNG, FASA C DITEMBAK TEGANGAN
Gambar 19. Skema pengujian recloser konfigurasi 4 Gambar 16. Skema pengujian recloser konfigurasi 1
2.
KONFIGURASI SAKLAR TERBUKA, FASA A, B, C TERHUBUNG, SISI LAIN DIKETANAHKAN, FASA C DITEMBAK TEGANGAN
Berikut ini merupakan langkah-langkah pengukuran tegangan impuls dengan menggunakan osiloskop Le Croy: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Menentukan nilai puncak = P Menentukan titik 0,9P dengan cursor panah-1. Menentukan titik 0,9P x 0,6:0,9 dengan cursor panah-2. Membaca ∆t. Menghitung waktu muka = 1,7 x ∆t. Menghitung koreksi udara. Menentukan tegangan flashover pada kondisi standar: (6)
8.
Menentukan tegangan uji pada kondisi ruang: (7)
Terdapat kriteria bentuk gelombang impuls dan besar volt/div dari osiloskop Le Croy ini, yaitu: Kriteria Muka Gelombang = 0,84 – 1,56 µs ; 0,2 V/div x 1 µs/div Gambar 17. Skema pengujian recloser konfigurasi 2
3.
KONFIGURASI SAKLAR TERBUKA, FASA A, B, C TERHUBUNG DAN DIKETANAHKAN, FASA C DITEMBAK TEGANGAN
Kriteria Ekor Gelombang = 40–60 µs ; 0,2 V/div x 10 µs/div
IV. HASIL PENGUJIAN PERHITUNGAN FAKTOR KOREKSI Suhu ruang
: td = 30 °C tw = 27,5 °C
Tekanan udara
: b = 1010 mbar
Densitas udara relatif : δ
Gambar 18. Skema pengujian recloser konfigurasi 3
POLARITAS POSITIF Parameter bentuk gelombang impuls yang diperoleh adalah:
Gambar 25. Triggering ekor gelombang (+)
Tabel 2. Data parameter bentuk gelombang tegangan uji impuls polaritas positif
Gambar 20. Bentuk muka gelombang impuls polaritas positif
Gambar 21. V/div x µs/div muka gelombang (+)
Parameter
V/div x µs/div
Waktu
20,0 x
muka
1
Waktu
20,0 x
ekor
10
Arus pengisian (µA)
Tegangan di osiloskop (V)
Bentuk gelombang Hasil ukur
Kriteria
30
0,978
1,28
0,84 – 1,56
30
0,981
52,50
40 - 60
Berikut ini adalah gambar gelombang impuls tembakan pertama pada beberapa konfigurasi:
Gambar 22. Triggering muka gelombang (+)
Gambar 26. Gelombang impuls konfigurasi 1 (+)
Gambar 23. Bentuk ekor gelombang impuls polaritas negatif
Gambar 27. Gelombang impuls konfigurasi 2 (+) Gambar 24. V/div x µs/div ekor gelombang (+)
Gambar 31. V/div x µs/div muka gelombang (-)
Gambar 28. Gelombang impuls konfigurasi 3 (+)
Gambar 32. Triggering muka gelombang (-)
Gambar 29. Gelombang impuls konfigurasi 4 (+)
Tabel 3 Hasil pengujian tegangan impuls recloser polaritas positif
Gambar 33. Bentuk ekor gelombang impuls polaritas negatif
Kondisi Uji
Hasil uji pada tembakan ke : 1
2
3
Konfigurasi 1
x
x
x
Konfigurasi 2
x
x
x
Konfigurasi 3
o
o
o
Konfigurasi 4
x
x
x
Gambar 34. V/div x µs/div ekor gelombang (-)
Keterangan : x = baik; o = terjadi flashover atau tembus
POLARITAS NEGATIF Parameter bentuk gelombang impuls yang diperoleh adalah:
Gambar 35. Triggering ekor gelombang (-)
Gambar 30. Bentuk muka gelombang impuls polaritas negatif
Tabel 4. Data parameter bentuk gelombang tegangan uji impuls polaritas positif
Parameter
V/div
Arus
x
pengisian
µs/div
(µs)
Waktu
20,0 x
muka
1
Waktu
20,0 x
ekor
10
Tegangan di osiloskop (V)
Bentuk gelombang Hasil ukur
Kriteria
30
0,948
1,31
0,84 – 1,56
30
0,914
51,60
40 - 60
Gambar 38. Gelombang impuls konfigurasi 3 (-) Berikut ini adalah gambar gelombang impuls tembakan pertama pada beberapa konfigurasi:
Gambar 39. Gelombang impuls konfigurasi 4 (-) Tabel 5. Hasil pengujian tegangan impuls recloser polaritas negatif Hasil uji pada tembakan ke : Kondisi Uji
1
2
3
Konfigurasi 1
o
o
o
Konfigurasi 2
x
x
x
Konfigurasi 3
o
o
o
Konfigurasi 4
x
x
x
Gambar 36. Gelombang impuls konfigurasi 1 (-)
Keterangan : x = baik; o = terjadi flashover atau tembus
Gambar 37. Gelombang impuls konfigurasi 2 (-)
Dengan mengacu pada standar IEC 62271-111 2005-11 dan IEEE C37.60 tentang Overhead, Pad-mounted, Dry Vault, and Submesible Automatic Circuit Reclosers and fault interrupters for alternating current system up to 38 kV. Maka pengujian pada recloser tipe VWVE (Vaccum Withstand Voltage Electronical) merek Blue Island dengan produksi asal USA ini dinyatakan gagal, karena mengalami flashover di beberapa konfigurasi dan menandakan isolasi polimer yang buruk di fasa B.
V. KESIMPULAN 1.
2.
3.
4.
Pengujian tegangan tinggi impuls dilakukan pada recloser yang memegang peranan dalam mengamankan sistem tenaga listrik terhadap gangguan dengan cara memberikan perintah pada pemutus daya untuk memisahkan jaringan yang terkena gangguan dengan jaringan lainnya, sehingga pengujian ini dimaksudkan dapat membantu perancangan recloser sehingga memiliki ketahanan tinggi terhadap tegangan impuls. Standar yang dipakai dalam pengujian ini mengacu pada IEC 62271-111 2005-11 dan IEEE C37.60 tentang Overhead, Pad-mounted, Dry Vault, and Submesible Automatic Circuit Reclosers and fault interrupters for alternating current system up to 38 kV. Dalam pengujian ini, terdapat 4 konfigurasi pengujian berdasarkan hubungan antara ketiga fasa dan posisi saklar. Recloser dinyatakan tidak lulus uji tegangan tinggi impuls karena mengalami flashover di konfigurasi 3 polaritas positif dan negatif, serta terjadi flashover di konfigurasi 1 polaritas negatif, dan isolator yang buruk berdasarkan keadaan lapangan adalah pada fasa B. DAFTAR PUSTAKA
[1] [2] [3] [4]
[5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]
Arismunandar, A., Teknik Tegangan Tinggi, PT Pradnya Paramita, Jakarta, 1994. Gonan, Turan., Electric Power Transmission System Engineering – Analysis and Design, Willy-Interscience Publication, New York. Hutahuruk, T.S., Transmisi Daya Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1985. International Electrotechnical Commission, IEC 62271-111 2005-11 and IEEE C37.60 about Overhead, Pad-mounted, Dry Vault, and Submesible Automatic Circuit Reclosers and fault interrupters for alternating current system up to 38 kV. Rao, Sunil S., Switchgear and Protection, Khanna Publishers, New Delhi. Tobing, Bonggas L, Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2003. Tobing, Bonggas L, Peralatan Tegangan Tinggi, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2003. Cooper Power System.1990. Recloser Service Information. Printed In USA. Cooper Power System.1996. Recloser Service Information. Printed In USA. Cooper Power System.2001. Recloser Service Information. Printed In USA. Cooper Power System.2002. Recloser Service Information. Printed In USA. Supriyadi, Edy. 1999. Sistem Pengaman Tenaga Listrik. Yogyakarta: Adicita karya Nusa.
BIODATA PENULIS Penulis lahir di Semarang, 22 April 1989. Menempuh pendidikan di SDN Karangrejo 1, SMPN 11 Semarang, SMAN 4 Semarang, dan melanjutkan pendidikan lagi di Teknik Elektro Undip Semarang dengan konsentrasi ketenagaan
hingga sekarang, dan telah melaksanakan kerja praktek di PT. PLN (Persero) Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan Duren Tiga Jakarta mulai Bulan Januari s.d Februari 2011.
Semarang, Juni 2011 Penulis,
Ari Hastanto L2F008011 Mengetahui, Dosen Pembimbing
Abdul Syakur, S.T. M.T. NIP. 1972042219990311004
