KOORDINASI PROTEKSI ARESTER,-CATUDAYA TEGANGAN RENDAH DENGAN ELEMEN DEKOPLING BERINTI UDARA, FERIT DAN BEST TESTS MAGISTER. Oleh: WIJONO NIM :

Transkripsi

1 KOORDINASI PROTEKSI ARESTER,-CATUDAYA TEGANGAN RENDAH DENGAN ELEMEN DEKOPLING BERINTI UDARA, FERIT DAN BEST TESTS MAGISTER Oleh: WIJONO NIM : BIDANG KHUSUS TEKNIK TEGANGAN TINGGI PROGRAM STUDI TEKNIK ENERGI ELEKTRIK INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2001

2 ABSTRAK Piranti proteksi untuk catu daya tegangan rendah bisa berups arester varistor atau suatu kaskada arester varistor dengan arester spark gap. Kaskada arester dibutuhkan jika arester varistor tidak mampu lagi dilalui arus surja yang melebihi kapasitasnya. Untuk itu diperlukan arester dengan kemampuan arus yang lebih tinggi untuk dikoordinasikan di dalam suatu kaskada arester. Oleh karena biasanya arester spark gap mempunyai karakteristik tegangan potong yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan potong arester varistor, suatu impedansi yang dihubungkan seri dengan arester varistor diperlukan untuk mendapatkan tegangan jatuh yang cukup agar arester spark gap bekerja. lmpedansi ini dikenal sebagai elemen dekophng atau juga impedansi seri. Jenis elemen dekopling induktif banyak dipakai dalam kaskada karena bisa menghasilkan tegangan jatuh yang cukup tinggi pada saat dilalui anus impuls namun memberikan tegangan jatuh yang rendah pads saat dilalui anus daya. Untuk meningkatkan induktansi elemen, sebuah inti dengan permeabilitas yang tinggi dapat diberikan, misalnya ferit atau besi. Perbedaan perilaku inti, udara, ferit dan besi diteliti di dalam tesis ini, demikian juga perilaku arester varistor dan arester spark gap. Perbedaan perilaku elemen dekopling dengan adanya perbedaan sifat intinya memberikan perbedaan perilaku koordinasi proteksi. Dengan mengacu pada karaketristik arester varistor yang dibutuhkan untuk memberi proteksi suatu sisten catu daya. koordinasi proteksi kaskada arester bisa dirancang. Dan dengan demikian, jenis dan konstruksi elemen dekopling bisa ditentukan.

3 DAFTAR ISI ABSTRAK i KATA PENGANTAR ii DAFTAR ISI iv DAFTAR GAMBAR vi DAFTAR GRAFIK viii DAFTAR TABEL ix BABIPENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Permasalalian Tujuan Penelitian Pembatasan Masalah Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Metodologi Penelitian Studi Kepustakaan Sistematika Penulisan 5 BAB 11 SISTEM PROTEKSI TEGANGAN-LEBIH, ARESTER DAN KASKADA ARESTER 2.1. Proteksi Tegangan-lebih Arester-arester Tegangan Rendah Rangkaian Arester Kaskada Arester Catu Daya Arester spark gap (sela udara) Varistor Eletnen dekopling 23 BAB III KOORDINASI PROTEKSI ARESTER CATU 3.1. Kaskada Arester Catu Daya Koordinasi Proteksi Arester Spark Gap Arester Varistor Elemen Dekopling 35 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS 4.1. Rangkaian Pengujian Langkah-langkah Pengujian Hasil Pengujian dan Analisis 40 iv

4 DAFTAR GAMBAR Gambar. 2. l. Berbagai bentuk arester gas dan simbolnya 9 Gambar 2.2. Contoh Bentuk Arester Varistor dan 11 Simbolnya Gambar 2.3. Dioda Avalance (Zener) dan Simbolnya 12 Gambar 2.4. Dioda Supressor 12 Gambar 2.5. Bentuk Gelombang Potong Arester Spark 14 Gap dan Simbolnya. Gambar 2.6. Kurva Karakteristik Simetris Varistor 15 Gambar 2.7. Strukturmikro Varistor 16 Gambar 2.8. Rangkaian Ekivalen Varistor 1 7 Gambar 2.9. Kurva Magnetisasi 23 Gambar 2.10 Rangkaian Pengganti Elemen Dekopling. 37 Gambar 3.1. Gelombang Arus Impuls 8/20 gs 36 Gambar 3.2. Kaskada Arester Catu Daya 37 Gambar 4.1. Bentuk Gelombang Potong Arester Spark 42 Gap Hasil Pengujian Gambar 4.2. Bentuk Gelombang Potong Arester Varistor 47 Hasil Pengujian. Gambar 4.3. Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus 57 Hasil Pengujian L05 dengan V 2KV Gambar 4.4. Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus 67 Kaskada dengan Elemen Dekopling LO 1 Inti Udara saat Arester Spark Gap Belum Bekerja Gambar 4.5. Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus 68 Kaskada dengan Elemen Dekopling LO 1 Inti Ferit saat Arester Spark Gap Belum Bekerja Gambar 4.6. Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus 69 Kaskada dengan Elemen Dekopling LO I Inti Besi saat Arester Spark Gap Belum Bekerja Gambar 4.7. Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus 71 vi

5 BAB PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sistem kelisirikan catu daya tegangan rendah smigat sering mengalami gangguan tegangan-lebih transien, karena lokasi instalasinya yang pada umumnya bersentuhatt langsung dengan sumber gangguan. Selain itu, gangguan bisa juga ditimbulkan di dalam siste n itu yang sendiri berupa gangguan internal. Untuk mengatasi ini dibutuhkan suatu sistem proteksi tegangan-lebib transien. Sistern proteksi catu days tegmmgan rendah, misalnya catu daya tegangao 220 V, membutuhkan piranti proteksi dengan kapasitas arus yang tidak terlalu besar dart piranti pemotong tegangan yang tidak terlalu halus. Pada sistem catu daya tegangan yang lebih tinggi diperlukan sistem proteksi dengan kapasitas arus yang besar, sedangkan pada sistem peralatan elektronika diperlukan sistem proteksi dengan kapasitas anus kecil dan pemotongan tegangan yang sangat halus. Arester yang dibutuhkan untuk sistem proteksi catu daya tegangan rendah bisa berupa jenis gas. varistor ataupun spark gap. Setiap jenis ini akan memberikan karakteristik proteksi yang berbeda-beda. Gas dan sparkgap akan memberikan pemotongan tegangan yang tajam, sedangkan varistor memberikan pemotongan mendatar pada level tegangan tertentu. Spark gap mempunyai kapasitas arus yang besar, sedangkan gas lebih rendah, dan juga varistor. Namun varistor memberikani keuntungan karena respon yang sangat cepat. Jika arus gangguan rendah, proteksi dengan varistor sudah mencukupi. Jika ants gangguan cukup besar, lebih besar dari kemanpuan varistor, maka pirmiti proteksi dengan kemanipuan arcs yang lebih besar diperlukan. Kenyataannya~ piratiti proteksi dengan kemampuan arus yang besar memberikan tegangan potong yang tinggi. Dari kelebihan dan kekurangan Wijono Tesis Maoister

6 kedua jenis piranti proteksi ini dapat dibuat suatu kombinasi proteksi. Kedua piranti proteksi dikoordinasikan dalam suatu sistem kaskada untuk memberikan karakteristik proteksi yang diinginkan. Sistem kaskada ini memerlukan piranti tambalian berupa suatu elemen dekopling, sehingga koordinasi proteksi antara arester yang satu dengan yang lain bisa dicapai den-au baik. Daii dua jenis elemen dekopling, resistif dan induktif elernen dekopling jenis induktif akan diteliti di dalarn tesis ini. Perilaku suatu induktor antara lain sangat dipengarubi oleb jenis intinya. Perilaku tersebut meliputi perilaku induktansi, kapasitansi, dan resistansi induktor. Jika inti induktor diganti dari udara (tanpa inti) menjadi feat maupun besi, maka ketiga parameter tersebut berubah sangat signifikan. Dengan memanfaatkan perubahan ini, dan perubaban lain berkenaan dengan perlaku inti, maka akan dapat dirancang suatu elemen dekopling yang mempunyai perilaku kbusus sesuai dengan yang dibutuhkan Permasalahan Penmasalaban di dalarn penelitian tesis in.i adalah bagaimana perbedaan perilaku koordinasi proteksi yang melibatkan elemen dekopling yang berbeda inti kumparannya, yaitu inti udara. ferit dan besi Tujuan Penelitian Tujuan penelitian di dalam tesis ini adalah untuk mendapatkan karakteristik koordinasi proteksi kaskada arester catu daya tegangan rendah dengan elemen dekopling bennti ud.m:l ferit dan besi Pembatasan Masalah Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pembatasan masalah sebagai berikut. Jenis arester yang digunakan adalah arester spark gap dan jenis varistor yang digunakan untuk catu daya tegangan rendah 220%. 2 Wiiorro Tesis Magister

7 Bentuk elemen dekopling berupa kumparan solenoida berinti udara (tanpa inti), ferit dan besi. Inti ferit dan besi berdimensi sama. Pengujian dilakukan tanpa beban dan tanpa catu daya. Pengujian menggunakan generator impuls hibrid tegangan 1.2/50 ps dan arcs 8/20 ps, secara langsung (tanpa kopling). Analisis dilakukan untuk menggambarkan perilaku koordinasi proteksi kaskada arester untuk ketiga jenis inti tersebut di atas Manfast Penelitian Hasil penelitian tentang perilaku elemen dan perilaku koordinasi proteksi sangat bennanfaat untuk perancaugan elemen dekopling dan perancangan kaskada arester. Di samping itu_ dengan membuat variasi penlaku eleven dekopling akan terlihat interaksi setiap eleven penyusun kaskada. Interaksi ini akan bermanfaat untuk memperbaiki analisis perilaku kaskada arester terbadap surja Ruang Lingkup Hal-hal yang terlingkup di dahun penelitian ini adalab fenomena transien - kbususnya surge, arester - khususnya untuk untuk catu days, yaitu arester spark gap tanpa gas, arester varistor (metal oxide), eleven dekopling, peilaku inti besi, ferit dan udara. dan pengujian laboratorium 1.7. Metodologi Penelitian Pada penelitian ini disusun metodologi sebagai berikut. Perancangan elemen dekopling, berupa 5 kumparan tembaga dengan inti udara, ferit dan besi, kemudian mengukur resistansi, induktansi dan kapasitansi setiap kumparan tersebut. Bentuk elemen dekopling adalah silinder. Pengujian arester spark gap dan varistor, menggunakan generator bibnd hingga tegangan 6 kv, 3 ka Pengujian elemen dekopling, untuk mengetahui bentuk gelombang tegangan (tegangan iatuh) dan bentuk gelombang arus. wjono Tesis Magister

8 Pengujian rangkaian arester kaskada, untuk mengetahui perilaku gelombang tegatgan dan anus pada terminal-terminal arester yang menunjukkai perilaku koordinasi proteksinya. Melakukan analisis hasil pengujian untuk mengliasilkan gambaran koordinasi proteksi kaskada arester. Membuat suatu kesimpulan Studi Kepustakaan Dua jenis pengujian arester untuk catudaya tegangan rendah, yaitu normal mode - surja diberikan antara line dan netral, dan common mode - surja diberikan antara line dan ground. Pada penelitian tesis ini meuggunakan commond mode. Karakteristik tegangan clamping varistor hampir mendatar dan magnituda tegangan clampingnya pada dasarnya sama jika polaritasnya dibalikt' 1. Kaskada arester dapat dilakukan dengan menggunakan elernen dekopling berupa saluran (wiring). Gwianya wiring ini adalah untuk membuat jatuh tegangan. Pada saat surja energi tinggi, arester varistor terhindar dari surja karena arester spark gap bekei ja, pada level anis rendah arester varistor akan inenyerap seluruh energi suria dan melepas ke tanah karena arester spark gap tidak bekerja lnduktor dapat dutnodelkan sebagai rangkain RLC terdistribusi dan terkurnpul. Pengukuran dengai RLC meter 10 khz dapat dipakai hingga beberapa pulub kh-7.namun nilai parameter ini berubah mendadak pada scat frekuensi beberapa ratus khz. lnduktansi dan resistansi kumparan nilainya naik dengan pertainbaban jumlah flitan, sedangkan nilai kapasitansinya rnenurun.~'rt. Hasil ini dapat diterapkan untuk pemodelan elemen dekopling. Nilai induktansi dan resitansi induktor dapat dihitungan persamaan matenatis, sedangkan nilai kapasitansi dihithrng berdasarkan frekuensi resonansi induktor, yakni dengan rnenberikan suwp frekuensi hingga diperoleh titik resosnansinya. Untuk induktor kecil, pengaruh kapasitansi dapat dibe iikan untuk kawasan frekuensi hingga beberapa kilohertz. Pada frekuensi 4 Wjonv Tesis Magister

9 5 beberapa megahertz, untuk induktor tersebut, nilai kapasitans mendadak menjadi dorninan. ( Sistcmatika Penulisan Sistematika penulisan tesis ini adalah sebagai berikut Bab I : Pendahuluan, berisi tentang latar belakang, permasalahan, pembata-san masalah, manfaat penelitian, ruang lingkup, metodologi penelitian, studi kepustakaan dan sistematika penulisan. Bab II: Proteksi Tegangan Lebih, Arester dan Kaskada Arester Cato Daya, berisi tentang prinsip-prinsip proteksi peralatan, jenis jenis arester untuk tegangan rendah dan kaskada arester catu daya. Bab III: Koordinasi Proteksi Arester Catu Daya, berisi tentang tinjauan teori koordinasi proteksi yang dipakai pada sistem catu daya tegangan rendah (220 volt) dan dasar-dasar analisis koordinasi. Bab IV: Hasil Pengujian Dan Analisis. berisi tentang rangkaian pengujian, cars pengujian, hasil pengujian, dan analisis pengujian. Bab `': Kesimpulan, berisi tentang kesimpulan seluruh analisis. Wjono Tesis Magister