Studi Pengaman Tegangan Lebih pada Saluran Kabel Tegangan Tinggi 150kV yang Dilindungi oleh Arester Surja

Studi Pengaman Tegangan Lebih pada Saluran Kabel Tegangan Tinggi 150kV yang Dilindungi oleh Arester Surja Dedy Setiawan, I.G.N. Satriyadi Hernanda, Made Yulistya Negara Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Abstrak - Saluran transmisi udara yang melewati daerah pemukiman bergedung tinggi dari segi estetika, keindahan, dan ruang yang tersedia tidak cocok untuk diterapkan, sehingga penggunaan saluran kabel bawah tanah adalah alternatif yang sering dipergunakan. Namun, isolasi saluran kabel bawah tanah harus diperhatikan untuk faktor keselamatan dan keamanan. Salah satunya yaitu isolasi saluran kabel harus mampu menahan tegangan lebih akibat impuls supaya tidak terjadi kegagalan isolasi. Dalam studi ini akan memodelkan suatu Saluran Kabel Tegangan Tinggi (SKTT) 150KV yang dilindungi oleh arester surja, jika terjadi tegangan lebih akibat sambaran petir di suatu tower. Dengan cara memodelkan saluran GI Sukolilo-GIS Ngagel menggunakan bantuan perangkat lunak Alternative Transients Program (ATP-EMTP), dengan impuls petir 10kA 1,2/50μs mengenai salah satu kawat fasa di saluran transmisi udara, tegangan puncak akibat impuls di titik sambaran yang berada di 300 meter dari letak pemasangan arester mencapai 2,35MV di fasa yang terkena sambaran, 0,58MV , dan 0,36MV pada fasa lain. Sedangkan tegangan puncak akibat impuls di ujung SKTT yang sudah dilindungi arester dengan panjang kabel 2,98 kilometer adalah 12,47 kV di fasa yang terkena sambaran, 1,17 kV, dan 1,14 kV di fasa lain. Dengan mengetahui besar tegangan lebih akibat impuls, maka dapat dijadikan pertimbangan dalam menentukan berapa Basic Impuls Insulation Level (BIL) pada isolasi kabel.  Kata kunci - Sambaran Petir Langsung, Arester, SKTT, ATP-EMTP

I. PENDAHULUAN aluran transmisi yang ada di Indonesia bermacammacam, diantaranya yaitu saluran transmisi udara, bawah tanah, dan bawah laut. Hal ini digunakan dengan alasan teknis tertentu. Banyak digunakan saluran transmisi udara dikarenakan sistem ini lebih murah, cara penyambungannya mudah dan memudahkan dalam pencarian gangguan. Namun sistem ini memerlukan tempat yang luas, tidak cocok untuk dilewatkan diatas pemukiman yang bergedung tinggi, dan lebih mudah terkena ganguan ( petir). Sambaran petir yang mengenai sistem tenaga listrik akan menimbulkan tegangan lebih. Sambaran petir yang paling membahayakan sistem tenaga listrik yaitu apabila petir menyambar mengenai kawat fasa langsung yang dikarenakan pada perlindungan kawat tanah tidak dapat melindungi secara sempurna. Sambaran ini dapat menghasilkan tegangan yang sangat tinggi sehingga dapat merusak peralatan jika magnitude tegangannya belebihi BIL peralatan isolasi.. Untuk mengatasi hal ini, peralatan-peralatan harus dilindungi supaya tidak rusak Pada saluran kabel bawah tanah yang sudah dilindungi arester tidak sepenuhnya aman dari tegangan lebih akibat impuls. Saluran kabel bawah tanah masih mengalami tegangan lebih akibat sisa pemotongan impuls petir oleh arester. Permasalahan yang dibahas dalam studi ini yaitu bagaimana pengaruh tegangan lebih yang terjadi pada saluran

kabel setelah dilindungi arester saat impuls petir tipikal 10kA 1,2/50µs, dan jika parameter impuls petir di ubah‐ubah.  Tujuan dari penelitian studi ini adalah membuat pemodelan terjadinya tegangan lebih transien untuk pertimbangan dalam penentuan isolasi peralatan kabel. II. GANGGUAN SURJA PETIR DAN ARESTER SURJA A. Tegangan Lebih Akibat Petir Petir atau halilintar merupakan gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan dimana di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan yang beberapa saat kemudian disusul dengan suara menggelegar. Perbedaan waktu kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan kecepatan cahaya.[1] Standard Impuls petir yang banyak digunakan yaitu 1,2/50μs. 1,2μs adalah waktu muka gelombang impuls petir, dan 50 μs adalah waktu ekor/punggung. Muka gelombang didefenisikan sebagai bagian dari gelombang yang dimulai dari titik 0 nominal sampai tegangan puncak, sedangkan sisanya adalah ekor/punggung gelombang. Waktu punggung yaitu waktu mulainya impuls sampai dengan 50% nilai puncak pada punggung impuls.[2]

S

Gambar 1. Besaran Tegangan Impuls Petir [2] Adapun keterangan gambar pada tegangan impuls petir adalah sebagai berikut: • Standar 1,2/50 µs • TS = 1,2 µs ± 30% • TR = 50 µs ± 20% Berdasarkan sambarannya, sambaran petir dapat dibedakan menjadi sambaran langsung dan sambaran tidak langsung. Disebut sebagai sambaran langsung apabila sambaran petir itu mengenai saluran fasa, tower, atau bahkan kawat tanah. Tower saluran daya yang berada di tanah, tegangan yang dibawah kondisi stedy state meningkat atau bertambah tegangan transiennya karena aliran arus petir melalui surge impedans tower dan melalui resistansi kaki tower. Bahkan sambaran pada kawat tanah akan menambah tegangan puncak tower. Sebuah flashover insulator yang disebabkan oleh sambaran petir pada tower disebut back flashover. Kawat tanah kadang-kadang gagal melindungi 1

 

Adapun nilai komponen yang lain dapat ditentukan dengan persamaan – persamaan berikut ini :

saluran fasa, dalam hal ini terjadilah kegagalan perlindungan tanah. Tegangan tinggi transien dapat juga dihasilkan pada saluran tenaga untuk sambaran pada tanah disekitarnya. Sambaran ini disebut sambaran tidak langsung, untuk membedakannya dengan sambaran langsung dapat diliihat pada Gambar 2. [3]

L0 = 0,2

μH .................................................................. (3.1)

R0 = 100

Ω .................................................................. (3.2)

L1 = 15

μH.................................................................. (3.3)

R1 = 65

Ω .................................................................. (3.4)

C = 100 dimana :

pF.................................................................. (3.5) d = panjang keseluruhan arester (dalam meter) n = jumlah kolom parallel

Gambar 2. Ilustrasi dari Sambaran Petir Langsung dan Tidak Langsung [3] 

B. Model Saluran Kabel Bawah Tanah Kabel yang digunakan pada pemodelan studi ini yaitu mengacu pada data kabel yang digunakan oleh PLN pada saluran GI Sukolilo-GIS Ngagel. Penampang kabel bawah tanah yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 6

 

B. Arester Surja Arester surja merupakan peralatan yang didesain untuk melindungi peralatan lain dari tegangan surja (baik surja hubung maupun surja petir) dan pengaruh follow current. Sebuah arester harus mampu bertindak sebagai insulator, mengalirkan beberapa miliampere arus bocor ke tanah pada tegangan sistem dan berubah menjadi konduktor yang sangat baik yaitu mengalirkan ribuan ampere arus surja ke tanah, memiliki tegangan yang lebih rendah daripada tegangan withstand dari peralatan ketika terjadi tegangan lebih, dan menghilangkan arus susulan yang mengalir dari sistem melalui arester (power follow current) setelah surja petir atau surja hubung berhasil didisipasikan. [4] Dalam menentukan rating lightning arester, yang perlu diketahui antara lain adalah tegangan tertinggi sistem dan koefisien pentanahan. Tegangan tertinggi sistem umumnya diambil 110 % dari harga tegangan nominal sistem. Tegangan pengenal lightning arester diperoleh dari tegangan rms fasa ke fasa x 1,10 x koefisien pentanahan. Pada sistem yang diketanahkan langsung, koefisien pentanahannya = 0,8. Sedangkan sistem yang tidak diketanahkan langsung, koefisien pentanahannya = 1,0. [5]

Gambar 4. Oil Filled Power Cable [7] C. Model Saluran Transmisi Udara Pada pemodelan simulasi dalam studi ini, dianggap semua menara adalah sama yaitu tipe tower DRAN 4Aa +6. Dan pemodelan yang mengalami gangguan akibat impuls petir hanya disimulasikan pada 1 sirkuit saja. Gambar menara dapat dilihat pada Gambar 3.

III. PEMODELAN SALURAN TRANSMISI 150kV A. Model arester Pemodelan arester yang digunakan pada simulasi ini yaitu model arester yang diajukan oleh IEEE WG 3.4.11. Model arester ini dikenal sebagai model “arester-ganda“. Rangkaian ini terdiri dari dua buah tahanan nonlinier Ao dan A yang dipisahkan oleh filter R - L . 1

1

1

Gambar 5. Menara Transmisi 150KV GI Kenjeran – GI Sukolilo Tipe DRAN 4Aa +6

Gambar 3. Model Rangkaian Arester Petir yang Diusulkan oleh IEEE WG 3.4.11 Tahun 1992 [6] 2 

 

Gambar 6. Pemodelan Simulasi pada Saluran Kabel Tegangan Tinggi yang dilindingi Arester bukan ketika puncak arus sambaran dan puncak pemotongan arester, tetapi terjadi pada waktu punggung sambaran.

IV. SIMULASI DAN ANALISA A. Simulasi dan Analisa saat Impuls Petir 1,2/50 s Simulasi pemodelan saluran kabel tegangan tinggi yang sudah dilindungi arester dapat dilihat pada Gambar 6. Hasil simulasi untuk pengukuran arus, diantaranya yaitu arus sambaran petir, arus saluran, arus arester, dan arus sisa pemotongan arester. Arus saluran yaitu arus total yang mengalir pada saluran sebelum dipotong oleh arester. Arus arester yaitu arus yang mengalir pada arester saat terjadi sambaran. Sedangkan untuk pengukuran tegangan, dilakukan pengukuran pada titik sambaran dan pada ujung kabel. Pada simulasi ini dimisalkan sambaran petir mengenai kawat fasa A dengan jarak jarak sambaran berada pada jarak 300 meter dari pemasangan arester dengan arus sambaran petir 10kA, 1,2/50μs. Arus sambaran pada saluran yang dipotong oleh arester dapat dlihat pada Gambar 7.

  Gambar 8. Grafik pemotongan Arus flash over pada Saluran Fasa B oleh Arester  Pada fasa B, dan fasa C yang tidak terkena sambaran seperti yang terlihat pada Gambar 8, dan Gambar 9, juga terjadi tambahan arus yaitu sebesar 442 Ampere pada fasa B, dan 240 Ampere pada fasa C. Pemotongan arus oleh arester pada fasa B sebesar 434Ampere, dan pada fasa C sebesar 234 Ampere. Dan arus yang tidak terpotong oleh arester seperti yang terlihat pada Gambar 10 di bawah, pada fasa A sebesar 198 Amper, fasa B sebesar 47 Amper, dan pada fasa C sebesar 46Amper.

Gambar 7. Grafik Arus Sambaran pada Saluran Fasa A dengan Impuls petir 1,2/50μs Pada hasil simulasi seperti yang terlihat pada Gambar 7. arus arester (warna biru) terlihat membelakangi arus petir (merah) dengan selisih waktu 1 mikro detik, hal ini dikarenakan letak titik sambaran petir berada pada jarak 300  meter dari letak pemasangan arester. Arus saluran diukur didekat arester. Hasil ukur arus maksimum yang terjadi pada fasa A yang terkena sambaran mencapai 9,97 kA, dan arus puncak yang dipotong oleh arester mencapai 9,94 kA. Sedangkan arus puncak akibat impuls yang tidak terpotong pada oleh arester yaitu sebesar 198A. Arus puncak yang tidak terpotong ini lebih besar dari hasil arus sambaran setelah dikurangi dengan arus yang dipotong oleh arester ini terjadi

Gambar 9. Grafik pemotongan Arus flash over pada Saluran Fasa C oleh Arester 3

 

Tegangan lebih yang terjadi akibat sambaran petir dengan amplitudo 10kA dengan waktu impuls 1,2/50μs yang dialami oleh kabel mendapat tambahan tegangan akibat impuls sebesar 12,47 kV. Sedangkan pada fasa lain yang tidak tersambar yaitu fasa B dan fasa C juga mengalami tegangan lebih akibat impuls yang tidak begitu besar dibandingkan pada fasa A. Pada fasa B mendapat tambahan tegangan 1,17 kV, sedangkan pada fasa C 1,14 kV. B. pengukuran Tegangan puncak dengan variasi Front Time impuls Petir Pada pengukuran Tegangan puncak dengan variasi front times impuls petir, dilakukan pengukuran tegangan di titik sambaran, dan ujung kabel. Sambaran petir berada pada jarak yang sama yaitu pada jarak 300 meter dari pemasangan arester. Hasil Tegangan puncak di titik sambaran dengan variasi front Time impuls Petir 1/20 s, 2/20 s, 4/20 s, 8/20 s dengan amplitudo arus petir 10kA dapat pada Tabel 1, dan untuk tegangan pada ujung kabel dapat dilihat pada tabel 2.

Gambar 10. Grafik Arus Sambaran yang Tidak Terpotong oleh Arester saat Impuls 1,2/50μs Saat sambaran berada pada titik yang sama, yaitu pada jarak 300 meter dari letak pemasangan arester. Sambaran petir mengenai kawat fasa A dengan amplitudo 10kA dan waktu impuls 1,2/50μs. Tegangan yang terukur di titik saluran dapat di lihat pada Gambar 11.

Tegangan pada Titik  Sambaran (MV)

Tabel 1. Tegangan puncak di Titik Sambaran dengan Variasi Front Time Impuls Petir 1/20 s, 2/20 s, 4/20 s, 8/20 s Tegangan Fasa (MV) Front Time Impuls Petir Fasa A Fasa B Fasa C 2,35 0,58 0,35 1/20 s 2,36 0,59 0,36 2/20 s 2,14 0,53 0,33 4/20 s 1,37 0,35 0,22 8/20 s

Gambar 11. Tegangan Fasa pada Titik Sambaran Petir Pada saat terjadai sambaran petir tegangan puncak pada titik sambaran pada fasa A mencapai 2,35MV, pada fasa B mencapai 0,58MV, dan pada fasa C mencapai 0,36MV. Dengan adanya pengaruh oleh arester, tegangan yang terjadi pada ujung kabel menjadi jauh lebih kecil dari pada tegangan lebih pada titik sambaran. Gambar grafik tegangan pada ujung saluran kabel dapat dilihat pada Gambar 12 dibawah ini.

2.5 2 1.5

Fasa A

1

Fasa B

0.5

Fasa C

0 0

5 Front Time ( s)

10

Gambar 13. Grafik Tegangan di titik Sambaran Terhadap Perubahan Front Time Dilihat dari grafik pada gambar 13 di atas, dengan variaasi front time 1/20 s, 2/20 s, 4/20 s, 8/20 s, Tegangan puncak tertinggi terjadi pada saat 2/20 s. Tabel 2. Tegangan pada Ujung Kabel dengan Variasi Front Time Impuls Petir 1/20 s, 2/20 s, 4/20 s, 8/20 s Front Time Impuls Petir 1/20 s 2/20 s 4/20 s 8/20 s

Gambar 12. Grafik Tegangan pada ujung Saluran Kabel saat Impuls 1,2/50μs

4 

 

Tegangan Fasa (kV) Fasa A Fasa B Fasa C 7,68 0,97 0,95 7,93 1 0,99 8,39 1,06 1,04 9,24 1,15 1,13

8 6

Fasa A

4

Fasa B

2

Fasa C

0 0

5

front time ( s)

10

Tegangan pada Ujung  Kabel (KV)

Tegangan Ujung Kabel (KV)

Tabel 4.12 Tegangan pada Ujung Kabel dengan Variasi Tail Time Impuls Petir 8/20 s, 8/40 s, 8/60 s, 8/100 s Tegangan Fasa (KV) Tailt Time Impuls Petir Fasa A Fasa B Fasa C 9,24 1,15 1,13 8/20 s 12,57 1,25 1,21 8/40 s 14,33 1,26 1,23 8/60 s 19,64 1,26 1,23 8/100 s

10

Gambar 14. Grafik Tegangan pada Ujung Kabel Terhadap perubahan Front Time impuls petir Dilihat dari grafik pada gambar 14 di atas pengaruh front time impuls petir dapat mempengaruhi besar tegangan pada ujung kabel di karenakan pengaruh arester.

25 20 15

Fasa A

10

Fasa B

5

Fasa C

0 C. pengukuran Tegangan puncak dengan variasi Tail Time impuls Petir Pada pengukuran Tegangan puncak dengan variasi tail times impuls petir, dilakukan pengukuran tegangan di titik sambaran, dan ujung kabel. Sambaran petir berada pada jarak yang sama yaitu pada jarak 300 meter dari pemasangan arester. Hasil Tegangan puncak di titik sambaran dengan Variasi Tail Time Impuls Petir 8/20 s, 8/40 s, 8/60 s, 8/100 s dengan amplitudo arus petir 10KA dapat pada Tabel 3, dan untuk tegangan pada ujung kabel dapat dilihat pada tabel 4.

0

50 100 150 Tail Time ( s) Gambar 16 Grafik Tegangan pada Ujung Kabel Terhadap perubahan Tail Time impuls petir Dari grafik pada gambar 16 terlihat bahwa semakin besar tail time semakin besar pula tegangan yang terjadi pada ujung kabel.  V. KESIMPULAN 1. Tegangan puncak akibat impuls pada ujung SKTT dengan panjang 2,9 kilometer, saat impuls petir 10kA 1,2/50μs mengenai kawat saluran udara di fasa A dengan jarak 300 meter dari letak pemasangan arester, pada ujung kabel di fasa A sebesar 12,47 kV, fasa B sebesar 1,17 kV, dan fasa C sebesar 1,14 kV. 2. Variasai Front Time impuls petir dapat mempengaruhi tegangan puncak pada ujung kabel, semakin panjang nilai Front Time petir menjadikan nilai tegangan puncak pada ujung kabel semakin besar. Saat Front Time 1/20μs, tegangan puncak ujung kabel akibat impuls pada fasa A sebesar 7,68 kV, fasa B sebesar 0,97 kV, fasa C sebesar 0,95 kV. Saat Front Time 8/20μs, tegangan puncak ujung kabel pada fasa A sebesar 9,24 kV, fasa B sebesar 1,15 kV, fasa C sebesar 1,13 kV. Besar nilai pada ujung kabel ini dipengaruhi karena adanya pemotongan oleh arester. 3. Variasi tail time impuls petir dapat impuls petir dapat mempengaruhi tegangan puncak pada ujung kabel, semakin panjang nilai tail time petir menjadikan nilai tegangan puncak pada ujung kabel semakin besar. Saat tail time 8/20μs, tegangan puncak ujung kabel pada fasa A sebesar 7,68 kV, fasa B sebesar 0,97 kV, fasa C sebesar 0,95 kV. Saat tail time 8/100μs, tegangan puncak ujung kabel pada fasa A sebesar 9,64 kV, fasa B sebesar 1,26 kV, fasa C sebesar 1,23 kV. Tegangan puncak ini terjadi bukan ketika arus puncak sambaran, namun saat waktu ekor arus sambaran yang tidak dapat dipotong leh arester secara sempurna.

Tegangan Puncak di Titik  Sambaran (MV)

Tabel 3. Tegangan puncak di Titik Sambaran dengan Variasi Tail Time Impuls Petir 8/20 s, 8/40 s, 8/60 s, 8/100 s Tail Time Tegangan Fasa (MV) Impuls Fasa A Fasa B Fasa C Petir 1,37 0,35 0,22 8/20 s 1,44 0,37 0,23 8/40 s 1,49 0,38 0,24 8/60 s 1,56 0,40 0,25 8/100 s 2 1.5 Fasa A

1

Fasa B

0.5

Fas C

0 0

50 100 Tail Time ( s

150

Gambar 15. Grafik Tegangan di titik Sambaran Terhadap Perubahan Tail Time Dari grafik pada gambar 15 terlihat bahwa perubahan besar tail time juga mempengaruhi tegangan di titik sambaran. 5

 

1. 2.

3.

4.

5. 6. 7.

VI. DAFTAR PUSTAKA Arismunandar, Kuwara., ” Teknik Tenaga Listrik ”,Jilid 2, Pradnya Paramita, Jakarta, 1993. Yulistya N, I Made., ”Teknik Tegangan Tinggi”. Catatan Kuliah, Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya, 2009. Zoro H. Reynaldo., ” Proteksi Terhadap Tegangan Lebih Petir Pada Sistem Tenaga Listrik”, Catatan Kuliah, Departemen Teknik Elektro ITB, Bandung, 2004. PT.PLN (Persero)., " Lightning Arester” Buku Petunjuk Batasan Operasi dan Pemeliharaan Peralatan Penyaluran Listrik, Surabaya, 2009. Hutauruk, T.S., ” Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja”, Erlangga, Jakarta, 1989. IEEE WG 3.4.11, “Modeling of Metal Oxide Surge Aresters”. IEEE Transactions on Power Delivery, pp 302-309, January, 1992. PT. PLN (Persero) P3B Region Jawa Timur dan Bali. 1977. Draft Detailed Design Report on East Java  Electric Power Transmission and Distribution Network Project Third Stage. 

VII. RIWAYAT HIDUP Dedy Setiawan dilahirkan di Kabupaten Tulungagung, 04 Pebruari 1987. Penulis memulai jenjang pendidikannya SDN Sambirobyong II Tulungagung, dan lulus tahun 2000. Setelah itu penulis melanjutkan studinya di SLTP Negeri 3 Tulungagung. Tahun 2003, penulis diterima sebagai murid SMA Negeri 1 Kedungwaru Tulungagung hingga lulus tahun 2006. Pada tahun yang sama penulis masuk ke D3 Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, dan mengambil program studi Computer Control hingga lulus pada tahun 2009. Saat kuliah di D3, penulis mengerjakan studi “Sistem Monitoring Ketinggian Air pada Bendungan Secara Jarak Jauh dengan Memanfaatkan Gelombang Radio”. Setelah lulus dari D3, penulis melanjutkan studi S1 melalui program Lintas Jalur di Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan NRP. 2209105022 dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Penulis dapat dihubungi melalui alamat email [email protected].             

 

6