STUDI ARUS GANGGUAN HUBUNG SINGKAT MENGGUNAKAN PEMODELAN ATP/EMTP PADA JARINGAN TRANSMISI 150 KV DI SULAWESI SELATAN

Transkripsi

1 STUDI ARUS GANGGUAN HUBUNG SINGKAT MENGGUNAKAN PEMODELAN ATP/EMTP PADA JARINGAN TRANSMISI DI SULAWESI SELATAN Franky Dwi Setyaatmoko Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh November Kampus ITS Gedung B dan C Sukolilo Surabaya 611 Abstrak: Hubung singkat sebagai salah satu gangguan dalam sistem tenaga listrik yang mempunyai karakteristik transient yang harus dapat diatasi oleh peralatan pengaman. Terjadinya hubung singkat mengakibatkan timbulnya lonjakan arus dengan magnitude lebih tinggi dari adaan normal dan tegangan di tempat tersebut menjadi sangat rendah. Pada tugas akhir ini akan membahas simulasi gangguan hubung singkat pada sistem transmisi 15 kv. Metode yang digunakan adalah melakukan simulasi dengan bantuan software ATP/EMTP (Electromagnetic Transient Program) untuk mendapatkan karakteristik arus dan tegangan pada sistem jaringan transmisi 15 kv di Sulawesi Selatan. Pembahasan ini bertujuan untuk meneliti perubahan arus dan tegangan selama terjadinya gangguan hubung singkat dengan impedansi maupun tanpa impedansi gangguan. Pada kasus ini akan diambil contoh hubung singkat di lokasi saluran udara antara GI dengan GI yaitu; hubung singkat tanpa impedansi terjadi pada gangguan tiga phasa menghasilkan arus transient sebesar 8.882,1 A dan arus minimum pada gangguan satu phasa tanah sebesar 2.487,7 A, sedangkan untuk hubung singkat menggunakan impedansi 5 Ohm terjadi pada gangguan tiga phasa menghasilkan arus transient sebesar 6.53,1 A dan arus minimum pada gangguan satu phasa tanah sebesar 2.26, A. I. PENDAHULUAN Gangguan pada peralatan tenagalistrikan sudah menjadi bagian dari pengoperasian peralatan tenaga listrik. Mulai dari pembangkit, transmisi hingga pusatpusat beban tidak pernah lepas dari berbagai macam gangguan. Bagian dari peralatan tenaga listrik yang sering mengalami gangguan adalah kawat transmisinya. Hal ini disebabkan luas dan panjang kawat transmisi yang terbentang dan beroperasi pada kondisi udara yang berbeda-beda, dimana pada umumnya yang lewat udara (diatas tanah) lebih rentan terhadap gangguan dari pada yang ditaruh dalam tanah (underground). Gangguan dalam sistem tenaga listrik merupakan adaan yang tidak normal dimana adaan ini dapat mengakibatkan rusakan atau mempengaruhi sistem. Gangguan hubung singkat akan menimbulkan arus hubung singkat yang cukup besar dan tegangan yang sangat rendah di lokasi gangguan, sehingga diperlukan suatu simulasi dengan menggunakan software ATP/EMTP (Electromagnetic Transients Program) untuk meneliti perubahan arus dan tegangan selama terjadinya gangguan hubung singkat. Studi gangguan hubung singkat ini menggunakan sistem jaringan transmisi 15 kv di Provinsi Sulawesi Selatan. II. GANGGUAN HUBUNG SINGKAT 2.1 Gangguan Hubung Singkat Hubung singkat sebagai salah satu gangguan dalam sistem tenaga listrik yang mempunyai karakteristik transient yang harus dapat diatasi oleh peralatan pengaman. Terjadinya hubung singkat mengakibatkan timbulnya lonjakan arus dengan magnitude lebih tinggi dari adaan normal dan tegangan di tempat tersebut menjadi sangat rendah yang dapat mengakibatkan rusakan pada isolasi, rusakan mekanis pada konduktor, bunga api listrik, dan adaan terburuk yaitu gagalan operasi sistem secara seluruhan. Ada beberapa jenis gangguan hubung singkat atau short circuit pada sistem tenaga listrik (Ditunjukkan pada Gambar 2.1), yaitu: 1. Simetri atau seimbang a. Tiga phasa (LLL) b. Tiga phasa tanah (LLLG) 2. Tidak simetri atau tidak seimbang a. Satu phasa tanah (LG) b. Dua phasa tanah (LLG) c. Antar phasa (LL) a) b) c) d) e) Gambar 2.1. Gangguan Hubung Singkat: a) LLL b) LLLG c) LL d) LLG e) LG 1

2 2.2 Gangguan di Saluran Transmisi Keadaan peralihan didapatkan dari penggunaan tegangan arus bolak balik pada suatu rangkaian yang mempunyai nilai resistansi dan induktansi, dimana tegangan ini [6] adalah: e = E s i n (ω t + α) 2.1 E adalah tegangan maksimum (Vmaks) dan Arus i merupakan penjumlahan dari 2 komponen yaitu : i = i a + i d c 2.2 dimana: i a adalah arus bolak balik i a = I sin (ω t + α), nilainya berubah menurut sinusoida dengan waktu I = arus maksimum = E Z sc α = perbedaan sudut antara tegangan awal gangguan dan tegangan nol. i dc adalah komponen arus searah e R ( ) t L i dc = - I sin α Nilai awalnya tergantung pada α dan menyusut secara eksponensial menurut konstanta walau R/L. α-θ Gambar 2.2. Bentuk Arus dari penjumlahan 2 komponen [6] Gambar 2.3 Arus Hubung Singkat pada Saluran Transmisi [7] Jika tegangan sesaat bernilai nol dan meningkat dengan arah positif saat saklar ditutup, α =. Jika tegangan sesaat maksimumnya positif, α = π/2. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.2 Bentuk Arus dari penjumlahan 2 komponen, maka persamaan diferensialnya adalah: di E sin (ω t + α) Ri + L 2.3 dt θ) θ) I = Z E [ sin (ω t + α) θ) sin (α θ) 2 2 dimana: Z = [R + (ωl) ] θ = tan -1 (ω L / R) e R ( ) t L ] 2.4 Dari persamaan 2.4. didapat Dimana arus ini merupakan arus puncak maksimum pertama ip, sehingga ip harus dihitung untuk menentukan kapasitas teruji (making capacity) dan pemutus daya yang diperlukan dan menentukan tahanan elektrodinamik. Hal ini dapat ditunjukkan pada Gambar 2.3. Nilai i p dapat diambil dari nilai rms arus hubung singkat yang seimbang ia dengan persamaan: i p = K 2 i a 2.5 III. ATP/EMTP (ELECTROMAGNETIC TRANSIENT PROGRAM) ATPDraw adalah preprosesor versi ATP dari Electromagnetic Transient Program (EMTP) pada sistem operasi windows. Program ini ditulis dengan bahasa Borland Delphi 2. dan dapat berjalan normal dengan perangkat lunak Windows 9x/NT/2/XP [1]. ATPDraw memiliki mampuan membuat dan menyusun rangkaian listrik dan memilih komponen dari menu yang tersedia. Data pada sistem jaringan transmisi 15 kv di Sulawesi Selatan berupa Generator, transformator, penghantar, dan beban dimasukkan pada pemodelan ATP/EMTP yang mudian akan disimulasikan untuk mengetahui arus dan tegangan hubung singkat pada salah satu saluran transmisi tersebut. 4.1 Simulasi Sistem IV. SIMULASI DAN ANALISA Simulasi ini adalah simulasi sistem yang dilakukan pada saat terjadi gangguan hubung singkat pada sistem transmisi tegangan tinggi 15 kv dapat ditunjukkan seperti pada Gambar 4.1. Dengan mengambil saluran transmisi antara GI Bone dan GI. Karakteristik arus dan tegangan yang ditampilkan adalah gangguan hubung singkat dengan impedansi 5 Ohm. 4.2 Gangguan Hubung Singkat Dengan Impedansi Gangguan 5 Ω Gangguan hubung singkat yang ditampilkan karakteristik arus dan tegangan adalah gangguan hubung singkat satu phasa tanah (hubung singkat minimum) dan gangguan hubung singkat tiga phasa (hubung singkat maksimum). Untuk gangguan yang lain hasilnya di tunjukkan pada Tabel Gangguan hubung singkat satu phasa Gangguan hubung singkat satu phasa tanah yang terjadi sepanjang saluran transmisi GI - GI Bone diasumsikan pada phasa A. 2

3 Gambar 4.1 Single Line Diargram Jaringan Transmisi 15 kv di Sulawesi Selatan dengan Menggunakan ATP/EMTP 25 [A] Gambar 4.2 Bentuk Arus Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa Tanah pada Saluran Transmisi antara GI - GI Bone. 2 [kv] Gambar 4.3 Bentuk Tegangan Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa Tanah pada Saluran Transmisi antara GI - GI Bone. Pada saat terjadinya hubung singkat satu phasa tanah, Arus puncak pada saluran transmisi yang sebelumnya sebesar 5,525 A pada phasa A mengalami naikan sebesar 2.26 A. Sedangkan pada phasa B dan phasa C mengalami penurunan drastis sebesar 1,75 ma dan 1,83 ma. Karakteristik arus lebih yang terjadi pada phasa A, phasa B, dan phasa C ditunjukkan pada Gambar 4.2. Pada saat terjadinya hubung singkat satu phasa tanah tegangan puncak pada saluran transmisi yang sebelumnya sebesar V pada phasa A mengalami penurunan drastis sebesar V. Sedangkan pada phasa B dan phasa C mengalami naikan sebesar V dan V Karakteristik tegangan hubung singkat satu phasa tanah yang terjadi pada phasa A, phasa B, dan phasa C ditunjukkan pada Gambar Gangguan Hubung Singkat 3 Phasa Gangguan hubung singkat tiga phasa yang terjadi sepanjang saluran transmisi GI - GI Bone diasumsikan pada phasa A, phasa B, dan phasa C. Pada saat terjadinya hubung singkat tiga phasa arus puncak pada saluran transmisi yang sebelumnya sebesar 5.57 A mengalami naikan sebesar 6.528,3 A, 5.99,5 A, dan 6.5,5 A. Karakteristik arus lebih yang terjadi pada phasa A, B, dan C pada Gambar

4 7 [A] Gambar 4.4 Bentuk Arus Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa pada Saluran Transmisi antara GI - GI Bone. 12 [kv] Gambar 4.5 Bentuk Tegangan Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa pada Saluran Transmisi antara GI - GI Bone. Sedangkan untuk tegangan hubung singkat, pada saat terjadinya hubung singkat tiga phasa tegangan puncak phasa A, phasa B, dan phasa C pada saluran transmisi yang sebelumnya sebesar V mengalami penurunan sebesar V, V, dan V. Karakteristik penurunan tegangan yang terjadi pada phasa A, B, dan C ditunjukkan pada Gambar Analisa Sistem Gangguan Hubung Singkat pada Jaringan Sistem Transmisi Tegangan Tinggi 15 kv Tabel 4.1 Hasil Test Arus Hubung Singkat Tanpa Impedansi Gangguan Arus Gangguan (A) % Perubahan LG 2.487,7,181,19 49, , ,1 LLG 7.646,7 7.27,9, ,3 143, ,8 LL 7.423, ,3, ,9 146, ,5 LLLG 8.867,4 7.78,6 8.56,2 175,5 154, 159,4 LLL 8.882, ,2 8.39,3 175,8 152,8 159,1 Tabel 4.2 Hasil Test Arus Hubung Singkat Menggunakan Impedansi Gangguan 5 Ω Arus Gangguan (Ampere) 5 Ohm % Perubahan LG 2.26,,175,183 44, , ,3 LLG 5.666, ,2, ,1 16, 2.937,4 LL 5.59,2 5.59,2,126 19, 19, 4.99,2 LLLG 6.519, 5.99,4 6.54,1 129, 117, 119,8 LLL 6.53,1 5.97,1 6.4,6 129,2 116,9 119,6 Tabel 4.3 Hasil Test Arus Hubung Singkat Menggunakan Impedansi Gangguan 25 Ω Arus Gangguan (Ampere) 25 Ohm % Perubahan LG 1.654,2,159,165 32, , ,2 LLG 2.816,4 2.75,9,164 55,7 53,6 3.87,9 LL 2.78,6 2.78,6,125 53,6 53,6 4.42, LLLG 3.117,2 3.1,3 3.61,5 61,7 59,6 6,6 LLL 3.176,3 3.9,8 3.55,9 62,9 59,6 6,5 Tabel 4.4 Hasil Test Tegangan Hubung Singkat Tanpa Impedansi Gangguan Tegangan Gangguan (A) % Perubahan LG ,5 1,5 LLG , 1,4 LL , 2, 1, LLLG LLL Tabel 4.5 Hasil Test Tegangan Hubung Singkat Dengan Impedansi Gangguan 5 Ω Tegangan Hubung Singkat (Voltage) 5 Ohm % Perubahan LG , 1,4 1,5 LLG ,4 4,6 1,4 LL ,7 2,1 1, LLLG ,8 4,2 4,1 LLL , 4,2 3,9 Tabel 4.6 Hasil Test Tegangan Hubung Singkat Dengan Impedansi Gangguan 25 Ω Tegangan Hubung Singkat (Voltage) 25 Ohm % Perubahan LG , 1,3 1,3 LLG ,8 1,8 1,3 LL ,3 1,5 1, LLLG ,6 1,6 1,6 LLL ,6 1,6 1,6 Dari hasil simulasi dapat dianalisa, karakteristik arus dan tegangan pada titik A dan B yaitu pada saluran transmisi antara GI Bone dan GI sebelum terjadi gangguan memiliki bentuk grafik sinusoida dengan nilai puncak sebesar V dan 5,525 A. Ketika terjadi gangguan hubung singkat baik itu satu phasa tanah, dua phasa tanah, dua phasa, tiga phasa, dan tiga phasa tanah di saluran transmisi tersebut dengan impedansi ataupun tanpa impedansi gangguan, maka terjadi perubahan arus dan tegangan yang sangat berbeda dengan karakteristik awal sebelum terjadi gangguan. Umumnya dari hasil simulasi dari seluruh jenis gangguan dan beberapa impedansi gangguan, karakteristik arus mengalami perubahan yaitu pada selang waktu sampai,2 s. Setelah itu akan terjadi stabilan yang berturut-turut, yang biasa disebut kondisi steady state. Perubahan secara tiba-tiba tersebut dikarenakan adanya gangguan hubung singkat dengan arus yang sangat besar dan memiliki komponen DC sehingga menimbulkan karakteristik kurva melengkung bawah sampai menuju steady state. Nilai arus sesaat yang sangat besar tadi biasa disebut dengan doubling effects. Untuk karakteristik tegangan, secara umum mengalami perubahan terutama pada phasa yang terna hubung singkat baik itu antar phasa maupun ground, yaitu; penurunan tegangan diphasa yang terjadi gangguan, sedangkan phasa yang lain 4

5 terpengaruh dari hubung singkat di phasa tersebut, dikarenakan terjadi tidakstabilan dari sistem tiga phasa tika terjadi gangguan hubung singkat pada phasa lain. Hubung singkat tanpa impedansi gangguan (Di tunjukkan pada Tabel 4.1 dan 4.4), pada gangguan 3 phasa menghasilkan arus transient sebesar 8.882,1 A dengan naikan 175,8 % dari nilai arus sebelumnya dan arus minimum pada gangguan satu phasa tanah sebesar 2.487,7A dengan naikan 49,2 % dari nilai arus sebelumnya. Sedangkan untuk tegangan maksimum dan minimum terletak pada gangguan hubung singkat satu phasa tanah sebesar 19. V dengan naikan 1,5 % dari tegangan sebelumnya dan tegangan minimum V mengalami penurunan sebesar % dari tegangan sebelumnya. Hubung singkat menggunakan impedansi gangguan 5 Ohm (Di tunjukkan pada Tabel 4.2 dan 4.5), pada gangguan 3 phasa menghasilkan arus transient sebesar 6.53,1A dengan naikan 129,2 % dari nilai arus sebelumnya dan arus minimum pada gangguan satu phasa tanah sebesar 2.26, A dengan naikan 44,7 % dari nilai arus sebelumnya. Sedangkan untuk tegangan maksimum dan minimum terletak pada gangguan hubung singkat satu phasa tanah sebesar V dengan naikan 1,5 % dari tegangan sebelumnya dan tegangan minimum V mengalami penurunan sebesar 11 % dari tegangan sebelumnya. Hubung singkat menggunakan impedansi gangguan 25 Ohm (Di tunjukkan pada Tabel 4.3 dan 4.6), pada gangguan 3 phasa menghasilkan arus transient sebesar 3.176,3 A dengan naikan 62,9 % dari nilai arus sebelumnya dan arus minimum pada gangguan satu phasa tanah sebesar 1.654,2 A dengan naikan 32,7 % dari nilai arus sebelumnya. Sedangkan untuk tegangan maksimum dan minimum terletak pada gangguan hubung singkat satu phasa tanah sebesar V dengan naikan 1,3 % dari tegangan sebelumnya dan tegangan minimum V mengalami penurunan sebesar 3 % dari tegangan sebelumnya. Perbandingan hubung singkat dengan impedansi maupun tanpa impedansi sangat mempengaruhi karakterstik arus dan tegangan. Hubung singkat tanpa impedansi gangguan cenderung arusnya lebih tinggi dari pada hubung singkat yang menggunakan impedansi gangguan 5 Ohm dan 25 Ohm. Hal ini disebabkan tidak ada resistansi yang menghambat arus gangguan hubung singkat tersebut. Sedangkan untuk tegangan, nilai tegangan pada impedansi 25 Ohm cenderung lebih besar dari pada tegangan hubung singkat dengan impedansi gangguan 5 Ohm dan hubung singkat tanpa impedansi gangguan. Karena dengan resistansi yang cukup besar menyebabkan arus yang mengalir sangat cil sehingga tegangan di saluran tersebut semakin besar. V. KESIMPULAN 1. Studi tentang arus gangguan hubung singkat pada sistem transmisi tegangan tinggi 15 kv menggunakan ATP-EMTP di Sulawesi Selatan yang disebabkan adanya beberapa jenis gangguan hubung singkat di lokasi saluran udara antara GI Bone dengan GI, yaitu; pada gangguan 3 phasa menghasilkan arus transient sebesar 8.882,1 A dengan naikan 175,8 % dari nilai arus sebelumnya dan arus minimum pada gangguan satu phasa tanah sebesar 1.654,2 A dengan naikan 32,7 % dari nilai arus sebelumnya. Sedangkan untuk tegangan maksimum dan minimum terletak pada gangguan hubung singkat satu phasa tanah sebesar 19. V dengan naikan 1,5 % dari tegangan sebelumnya dan tegangan minimum V mengalami penurunan sebesar % dari tegangan sebelumnya. 2. Besarnya arus dan tegangan yang terjadi pada saluran transmisi tegangan tinggi 15 kv di Sulawesi Selatan dengan impedansi gangguan yang lebih cil yaitu tanpa impedansi akan menghasilkan arus yang sangat besar dan tegangan yang rendah. Sebaliknya, semakin besar nilai impedansi gangguan, maka semakin cil arus hubung singkat yang dihasilkan. 3. Dari hasil gangguan hubung singkat di seluruh titik pada saluran transmisi Sulawesi Selatan, maka diperoleh karakteristik arus dengan perubahan naikan sangat besar untuk semua jenis gangguan, terutama pada waktu sampai,2 s. Perubahan secara tiba-tiba tersebut dikarenakan adanya gangguan hubung singkat dengan arus yang sangat besar dan memiliki komponen DC sehingga menimbulkan karakteristik kurva melengkung bawah sampai menuju steady state. DAFTAR PUSTAKA [1] Marsudi Djiteng, Operasi Sistem Tenaga Listrik, Graha Ilmu, Yogyakarta, 26 [2] Sulasno, Analisa Sistem Tenaga Listrik, Satya Wacana, Semarang, 1993 [3] Marsudi Djiteng, Pembangkitan Energi Listrik, Erlangga, Jakarta, 25 [4] Stevenson, D, William. Element of Power System Analysis, McGraw-Hill, Inc., Amerika, 1994 [5] Gonen, Turan, Electric Power Transmission System Engineering, John Wiley dan Sons, Inc., Kanada, 1988 [6] Noblat M, Dumas F, dan Poulain C, Calculation of short-circuit currents <URL: September, 21 5

6 [7] IEC 694, Short-Circuit Currents In Three- Phase AC Systems, IEC, 2 [8] T.K Nagsarkar dan M.S. Sukhija, Power Sistem Analysis, Oxford University Press, NewYork, 27. [9] Penangsang, Ontoseno, Handout Kuliah Analisa Sistem Tenaga Listrik, Teknik Elektro ITS, Surabaya, 27 [1] Prikler, Laszlo, Hoidalen, Hans Kr, ATPDraw for Windows 3.1x/95/NT version 1. : User s Manual, Norway : SINTEF Energy Research, 1998 [11] PT. PLN (Persero) Sulawesi Selatan, Data Sistem Jaringan Transmisi, Sulawesi Selatan, 28 [12] SPLN 64, Petunjuk Pemilihan dan Penggunaan Pelebur, PLN, 1985 [13] Mutakher, Arus Peralihan Gangguan Hubung Singkat Jaringan Transmisi 15 Kv Sumatera Barat Riau, Seminar Nasional Teknik Ketenagalistrikan di UNDIP, Semarang, 25 [14] Su, Sheng dan Zeng, Xiangjun ATP Based Automated Simulation, jurnal IEE, 26 BIOGRAFI Franky Dwi Setyaatmoko dilahirkan di kota Tulungagung,- 21 September Penulis adalah putra dua dari dua bersaudara pasangan Mugiyono, S.Pd dan Sukarwati, S.Pd. Penulis memulai jenjang pendidikannya di TK Tunas Muda Widoro, dan SDN Widoro hingga lulus tahun Setelah itu Penulis melanjutkan studinya di SLTP Negeri 1 Pacitan. Tahun 21, Penulis diterima sebagai murid SMA Negeri 1 Pacitan hingga lulus tahun 24. Pada tahun yang sama penulis masuk Jurusan D3 Teknik Elektro Universitas Negeri Malang lewat jalur PMDK hingga lulus tahun 27, mudian Penulis melanjutkan studi Program Sarjana di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya lewat program Lintas Jalur dengan NRP dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. 6