Studi Pengaruh Backflashover pada Sistem Pentanahan Menara Saluran Transmisi Tegangan Tinggi Terkonsentrasi Menggunakan ATPDraw

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Studi Pengaruh Backflashover pada Sistem Pentanahan Menara Saluran Transmisi Tegangan Tinggi Terkonsentrasi Menggunakan ATPDraw Teguh Aryo Nugroho, I Gusti Ngurah Satriyadi, I Made Yulistya Negara Jurusan Teknik Elektro FTI ITS Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya teguh09@mhs.ee.its.ac.id Abstrak - Backflashover merupakan salah satu akibat dari sambaran petir secara tidak langsung. Hal tersebut dapat menyebabkan timbulnya tegangan lebih dan bisa juga menyebabkan kerusakan pada peralatan listrik. Salah satu cara untuk meminimalisir tegangan lebih akibat backflashover yaitu dengan mengatur pentanahan pada menara saluran transmisi. Untuk mempelajari efek dari backflashover pada sistem menara saluran transmisi tegangan tinggi dengan sistem pentanahan terkonsentrasi, dibutuhkan pemodelan yang akurat untuk mempelajari efek dari backflashover. Backflashover juga dapat berdampak pada gardu induk yang terkoneksi dengan saluran transmisi tersebut. Dengan menggunakan software ATPDraw dan berdasarkan TGIR (Tower Grounding Impulse Resistance) maka sistem pentanahan dapat dimodelkan secara akurat. TGIR dapat digunkan untuk melakukan evaluasi terhadap tegangan lebih yang terjadi pada tiap model pentanahan dapat dilakukan. TGIR juga dapat digunakan untuk membantu menentukan koordinasi isolasi yang dibutuhkan. Kata Kunci : Backflashover, ATP/EMTP, Sistem pentanahan terkonsentrasi, Saluran Transmisi I. PENDAHULUAN Backflashover adalah terjadinya flashover pada saluran transmisi yang diakibatkan sambaran petir pada kawat pelindung atau kawat tanah. Backflashover dapat menyebabkan timbulnya tegangan lebih pada saluran transmisi dan merusak peralatan pada gardu induk. Karena tegangan surja yang datang mempunyai nilai amplitudo tegangan yang melebihi melebihi level isolasi peralatan yang terdapat pada gardu induk. Untuk mengurangi tegangan lebih pada saluran transmisi akibat dari backflashover dapat dilakukan dengan cara mengatur pentanahan pada menara saluran transmisi dan pemasangan surge arrester. Cara tersebut lebih ekonomis daripada mengganti struktur tower atau penambahan panjang saluran transmisi. Beradasarkan dimensi dari elektroda pentanahan, sistem pentanahan pada menara saluran transmisi dapat dibagi menjadi dua yaitu terkonsentrasi dan meluas. Pada tugas akhir ini akan dilakukan penelitian terhadap pengaruh sistem pentanahan menara saluran transmisi terkonsentrasi [1]- [2]. Untuk melakukan evaluasi akibat dari backflashover terhadap pentanahan menara terkonsentrasi dapat dilakukan dengan cara menggunakan TGIR. Dengan meng-aplikasikan TGIR (Tower Grounding Impulse Resistance) pada software ATPDraw maka pentanahan menara saluran transmisi terkonsentrasi dapat dimodelkan. Pada tugas akhir ini akan dilakukan simulasi TGIR pada saluran transmisi 150 kv yang terkoneksi dengan gardu induk. Dari simulasi tersebut nantinya akan digunakan untuk evaluasi tegangan lebih yang terjadi akibat backflashover terhadap model pentanahan menara saluran transmisi terkonsentrasi. TGIR juga dapat digunakan untuk menentukan koordinasi isolasi yang dibutuhkan [1]. I. II. SISTEM PENTANAHAN TERKONSENTRASI Merupakan salah satu sistem pentanahan pada menara saluran transmisi, menurut dimensinya sistem pentanahan pada menara saluran dapat dikategorikan dalam dua jenis yaitu terkonsentrasi (concentrated) dan luas (extended) [1]. Sistem pentanahan terkonsentrasi didefinisikan sebagai batang elektroda pentanahan atau counterpoises dengan dimensi yang relatif kecil dan radius area yang dilindungi kurang dari 30 meter dari dasar tower. Arus yang dihasilkan dari sambaran petir yang mengalir melalui tahanan pentanahan, dapat menyebabkan menurunnya tahanan dari sistem pentanahan. Untuk arus yang besar atau yang disebabkan oleh petir, ketika gradien dari medan arus yang diakibatkan petir melebihi gradien kritis dari tahanan pentanahan atau E 0 (kv/m), maka akan terjadi kegagalan pada tanah dan menyebabkan arus yang mengalir pada pentanahan semakin besar dan dapat menyebabkan loncatan bunga api [3]. Sesuai dengan teori yang ada impedansi dari kaki menara dideskripsikan dengan dua parameter dimensionless yaitu 1 dan 2. Dimana 1 dan 2 dapat ditentukan dari [3] : 1= (1) 2= (2)

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) terdapat beberapa model untuk pentanahan menara terkonsentrasi. Dengan berbagai eksperimen berikut adalah parameter impedansi kaki menara dari beberapa model: Model Korsuntev Tabel 1 Dimensionless Parameter 1 dan 2 Formula 1 = = , , Oettle log 1 = log , log 1 = log * Chilosom et al from Populansky Chowduri From Populansky * Perkiraan konservatif 1 = = = = = , , 2 5, , , Dimana R 0 (Ω) resistansi pada arus kecil dan frekuensi kecil. Ig (ka) adalah arus pembatas, yang mana hal tersebut menunjukan ionisasi pada tanah (7) III. PEMODELAN SALURAN TRANSMISI 150 KV A. Pemodelan Sistem Pentanahan Terkosentrasi ATPDraw telah mengembangkan sebuah tools yang memudahkan untuk menentukan pemodelan pentanahan terkonsentrasi pada menara saluran transmisi yaitu TGIR (Tower Grounding Impulse Resistance). Tools tersebut memuat semua model pentanahan terkonsentrasi [1] Gambar 1. TGIR (Tower Grounding Impulse Resistance) pada ATPDraw Dimana (Ωm) adalah Hambatan jenis tanah, E 0 (kv/m) merupakan grdien kritis ionisasi, dan s (m) adalah dimensi dari elektroda pentanahan. Dan I (ka) adalah arus yang melewati sistem grounding. Menurut Oettle [5] untuk menghitung karakteristik dimensi elektroda pentanahan tipe tiga dimensi dapat dihitung dengan rumus (3) Dimana d1 (m) adalah jarak horizontal elektroda terbesar, d2 (m) adalah panjang elektroda horizontal yang terletak tegak lurus terhadap jarak horizontal dan d (m) adalah kedalaman penanaman ektroda. Untuk menhitung impedansi pada kaki menara menurut Chilosom et al [6] R f (I) adalah impedansi kaki menara,l f (µh) adalah induktansi pada kaki menara, sedangkan t f (µs) adalah waktu depan dari arus petir. Untuk mencari waktu gelombang berjalan pada tower bisa dicari dari rumus komponen induktansi pada kaki tower yaitu: (4) Gambar 2. Kotak Dialog Input TGIR pada ATPDraw Pada tugas akhir ini akan dicoba aplikasi TGIR pada saluran transmisi yang terkoneksi dengan GIS 150 kv. Dan semua pemodelan pentanahan terkonsentrasi menara saluran trasnmisi akan dibandingkan haslinya. Berikut adalah parameter dan pemodelan yang akan digunakan: (5) Menurut CIGRE [3] yang mengadopsi model sistem pentanahan menara terkonsentrasi Weck s. Sistem pentanahan terkonsentrasi direpresentasikan dengan current-deppendent tower ressistance. Dimana R (I) atau resistansi pentanahan dapat dihitung dengan rumus: (6)

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Tabel 2 Parameter Model Menara Sistem Pentanahan Terkonsentrasi No Model Ωm) E 0 (kv/m) s(m) 1 Korsuntev [4] * Oettle [5] Chilosom et al.[6] atau ** 4 Chowduri [7] from *** 4.56 Populansky [8] 5 CIGRE WG from *** - weck [3] 6 Yasuda et al. [9] *** - 7 Darveinza [10] Keterangan: * = nilai yang telah ditentukan untuk tahanan tanah sebesar 180 Ωm. ** = tergantung pada model yang dipilih dari parameter TGIR ***= nlai yang ditentukan berdasarkan [10] Setelah menentukan model sistem pentanahan terkonstrasi maka selanjutnya adalah memasukan parameter tersebut pada TGIR dan selanjutnya akan diaplikasikan pada pemodelan sistem transmisi 150 kv. B. Model Saluran Transmisi Udara 150 kv Saluran transmisi yang akan dimodelkan adalah saluran trasmisi 150 kv yang terkoneksi dengan GI. Pemodelan saluran transmisi dimodelkan dengan menggunakan komponen LCC (Line Cable Constant). Pemodelan menggunakan saluran udara tiga fasa dengan panjang masing-masing LCC yakni 300 meter. Pemodelan dipilih menggunakan tipe JMarti. Pada simulasi ini menggunakan 3 buah. LCC yang digunakan adalah 4 phasa dimana terdapat 3 kawat fasa dan 1 kawat tanah. Pada LCC menggunakan parameter auto bundling, skin effect, dan real transfer matrix. Data untuk LCC dapat diperoleh dari spesifikasi menara saluran tranmsisi. Untuk menara saluran transmisi 150kV yang akan digunakan, pada simulasi dimodelkan dengan single vertical looseless model. Yaitu permodelan menara saluran trasmsisi yang direpresentasikan dengan bentuk geometri menara yang sederhana. Berikut adalah spesifikasi menara yang akan dimodelkan. Gambar 3. Menara Saluran Transmisi STRUKTURAL TOWER 150KV TYPE Drd+6 IV. ANALISA PENGARUH BACKFLASHOVER PADA SISTEM PENTANAHAN TERKONSENTRASI MENARA SALURAN TRANSMISI TEGANGAN TINGGI 150 kv A. Aplikasi TGIR pada GI 150 kv Pada simulasi ini akan dilakukan dalam dua keadaan yaitu tanpa dan dengan serta menggunakan surge arrester dan juga akan diuji dengan berbagai perubahan. Untuk sumber petir yang akan digunakan adalah tipe Heidler. Dengan amplitudo sebesar 200 ka dengan waktu impuls 8/77.5 µs. Gambar 4. Pemodelan Saluran Transmisi menggunakan arester.

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Dengan melakukan simulasi sesuai dengan gambar maka akan didapat respon tegangan puncak yang berbeda dari tiap pentanahan. Pengukuran tegangan lebih dilakukan pada saluran masukan dari GI. Dari simulasi tersebut didapat respon sebagai berikut. 3,5 [MV] 2,5 1,5 0,5 Gambar 7. Tegangan puncak yang terjadi pada saluran masuk GI, dengan atau tanpa arester; 1 p.u = 750 kv. -0,5-1, [us] 40 substation0.pl4; v:x0081a v:x0081b (file x-var t) v:x0081c Gambar 5. Tegangan lebih yang terjadi pada entry GI tanpa pemasangan arester. 1,2 [MV] 0,8 0,4 0,0-0,4-0,8-1, [us] 40 substation0.pl4; v:x0076a v:x0076b (file x-var t) v:x0076c Gambar 6. Tegangan lebih yang erjadi pada entry GI dengan Pemasangan arester. Dari gambar 5 dan 6 di atas merupakan gambar kurva tegangan lebih akibat backflashover yang terjadi pada menara saluran transmisi. Pada kedua gambar diatas garis merah menunjukkan tegangan pada fasa A, hijau untuk fasa B, dan biru untuk fasa C. pada gambar 5 dan 6 adalah kurva respon salah satu model pentanahan yaitu korsuntev. Dari gambar 5 dapat dilihat fasa A mengalami tegangan lebih paling besar karena backflashover hingga nilanya mencapai 3,207 MV. Pada simulasi kedua dengan pemasangan arrester dan menggunakan korsuntev nilai puncak tegangan pada entry GI diredam hingga 1,0052 MV. Dari simulasi dengan berbagai macam pemodelan pentanahan maka didapat hasil sebagai berikut: Dengan menggunakan TGIR kita dapat melihat kemampuan berbagai macam model pentanahan terkonsentrasi untuk menahan tegangan lebih yang terjadi akibat backflashover. Dapat dilihat dari gambar 7, bahwa pada simulasi ini pemodelan Oettle adalah yang paling dapat menahan tegangan lebih akibat backflashover. karena Oettle dapat menahan tegangan lebih hingga nilai puncaknya tidak lebih dari 3,9611 p.u (2,9708 MV). Dengan tambahan pemasangan arester model pentanahan Oettle juga dapat menahan tegangan lebih hingga nilai puncaknya tidak lebih dari 1,3377 p.u (1,0014 MV). Dari hasil simulasi dapat kita gunakan untuk menentukan desain GI yang aman terutama dalam menentukan perlindungan yang dibutuhkan terhadap backflashover. B. Pengaruh Efek Backflashover terhadap Perubahan Jenis Tanah Tanah merupakan media yang dapat dialiri arus listrik dan memiliki nilai konduktivitas yang dilambangkan dengan satuan Ohm.m. Pentanahan dapat dilakukan pada jenis tanah yang berbeda tergantung pada lokasi gardu induk. Pada simulasi kali ini akan digunakan beberapa jenis tanah dengan nilai konduktivitas sebagai berikut Tipe-tipe Tanah Tabel 4 Nilai Konduktivitas Tanah. Tahanan Jenis Tanah (Ohm-m) Humus lembap 30 Tanah liat 100 Tanah liat berpasir 150 Pasir lembap 300 Beton 400 Kerikil lembap 500 Pasir kering 1000 Dengan mengatur nilai SR (Soil Resistivity) pada TGIR sesuai dengan tabel 4 Maka simulasi pengaruh jenis tanah terhadap model pentanahan dapat dilakukan. Berikut adalah contoh hasil simulasi dengan membandingkan nilai tegangan

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) lebih pada tiap model pentanahan pada jenis tanah kering ( SR = 1000 Ohm) : D. Pengaruh Perubahan nilai low current and low frequency resistance terhadap efek Backflashover Dengan melakukan variasi nilai R 0 pada TGIR maka akan didapatkan respon yang berbeda-beda untuk tiap-tiap model pentanahan. Nilai R 0 akan diubah-ubah dengan nilai 10,20, 30, dan 40 Ohm. Berikut adalah contoh dari hasil simulasi dengan membandingan nilai tegangan puncak pada tiap model pentanahan dengan nilai R 0 = 40 Ohm. Gambar 8. Grafik perbandingan nilai tegangan puncak pemodelan pentanahan terkonsentrasi pada jenis tanah pasir kering ( SR= 1000 Ohm ). Pada gambar 8 dapat dilihat perbandingan nilai tegangan puncak pemodelan pentanahan terkonsentrasi. Dari grafik diatas dapat dilihat model pentanahan Darvineza et Al dapat menahan tegangan lebih yang terjadi akibat backflashover paling besar. Dengan nilai tegangan puncak 4,1533 p.u dan setelah terpasang surge arrester 1,3403 p.u. Setiap model pentanahan mempunyai nilai tegangan puncak yang berbedabeda hal tersebut dikarenakan terdapat perbedaan hasil eksperimen yang diadaptasi dan pemilihan range dimensionless parameter yang berbeda. C. Pengaruh Perubahan Nilai Gradien Kritis Ionisasi Tanah terhadap Efek Backflashover Pada simulasi kali ini nilai E 0 akan divariasikan untuk semua model pentanahan. Nilai yang akan digunakan untuk adalah 300,600,1000 dan 1500 kv/m. Penentuan nilai pada E 0 akan berpengaruh pada besar batas arus ionisasi pada tanah. Gambar di bawah adalah hasil simulasi terhadap perbandingan nilai tegangan puncak pada tiap model pentanahan dengan nilai E 0 = 600 kv/m Gambar 10. Grafik perbandingan model pentanahan pada kondisi R 0 = 40 Ohm. Dari hasil simulasi diatas didapat berbagai nilai perubahan tegangan puncak pada tiap model. Perubahan pada R 0 menyebabkan perubahan tegangan puncak, semakin besar R 0 maka semakin besar tegangan puncak. E. Pengaruh Perubahan Waktu Impuls terhadap efek dari Backflashover Dengan melakukan perubahan waktu depan pada sumber impuls dan penyesuaian TF pada TGIR maka akan didapat nilai tegangan puncak yang berbeda pada tiap modelnya. Waktu depan yang akan digunakan pada simulasi kali ini adalah 4/77.5, 6/77.5,8/77.5 dan 10/77,5 µs. Berikut adalah hasil simulasi perbandingan setiap model pentanahan pada kondidi TF = 4/77,5 µs Gambar 9. Grafik perbandingan tegangan puncak pada tiap model pentanahan terhadap pada gradien kritis ionisasi tanah E 0 = 600 kv/m Dari hasil seluruh simulasi diatas dapat dilihat bahwa dengan bertambahnya nilai E 0 maka semakin meningkat pula nilai tegangan puncak pada saluran masuk GI. Setiap model mempunyai karakteristik dan nilai yang berbeda pada untuk setiap perubahan E 0. Gambar 11. Grafik perbandingan tegangan puncak setiap model pentanahan pada kondisi TF = 4/77,5 µs.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Dari hasil simulasi diatas didapat berbagai respon dari tiap model pentanahan terkonsentrasi. Dari grafik diatas dapat dilihat semakin singkat waktu depan tegangan impuls maka semakin besar tegangan puncak yang terjadi. Dengan menggunakan TGIR dapat dilakukan evaluasi terhadap perubahan waktu depan tegangan impuls. Hal ini dapat digunakan sebagai acuan untuk merancang kebutuhan pengamanan pada GI. Perkiraan besarnya petir disesuaikan dengan letak geografis dari GI tersebut. A. Kesimpulan V. PENUTUP Dari hasil simulasi pemodelan pentanahan terkonsentrasi dengan menggunakan TGIR (Tower Grounding Impulse Resistance) pada ATPDraw dapat dilihat respon tegangan puncak pada saluran masuk Gardu Induk (GI) bila terjadi backflashover. Dari hasil respon tersebut dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada simulasi dengan menggunakan parameter pada tabel 3.3 pemodelan pentanahan Oettle adalah yang paling mampu meredam tegangan lebih besar darpada model lainnya. Dengan nilai tegangan puncak 3,9611 p.u ( 1 p.u = 750 kv). Dan dengan tegangan puncak setelah pemasangan surge arrester sebesar 1,3352 p.u. 2. Dari hasil simulasi dengan melakukan perubahan pada jenis tanah dan dimodelkan terhadap pemodelan pentanahan konsentrasi. Didapatkan bahwa pemodelan Oettle dapat meredam tegangan puncak lebih daripada model lainnya. Tetapi untuk kondisi tanah berupa pasir kering ( SR = 1000 Ohm.m) model Darveniza et Al adalah yang paling bagus dengan nilai tegangan puncak 4,1533 p.u dan setelah terpsang surge arrester menjadi 1,3403 p.u. 3. Dari Hasil Simulasi dengan merubah nilai gradien kritis ionisasi tanah dan dimodelkan pada pemodelan pentanahan terkonsentrasi. Didapatkan bahwa Model Oettle adalah yang paling dapat meredam tegangan puncak daripada pemodelan yang lain. Dengan nilai tegangan tegangan puncak untuk semua nilai E 0 yang diujikan sebesar 3,9611 p.u dan setelah pemasangan surge arrester sebesar 1,3352 p.u. 4. Dari hasil simulasi dengan melakukan perubahan tahanan pada arus rendah dan frekuensi rendah terhadap pemodelan pentanahan terkonsentrasi. Didapatkan bahwa model Oettle adalah yang paling dapat meredam tegangan puncak. Model Oettle dapat meredam tegangan puncak pada keadaan tahanan yang paling tinggi 40 Ohm dengan nilai tegangan 3,9581 p.u. dan setelah terpasang surge arrester sebesar 1,3555 p.u. 5. Dari Hasil simulasi dengan melakukan perubahan waktu depan sumber impuls pada sumber petir dan TF (Time Front) terhadap pemodelan pentanahan terkonsentrasi. Masing-masing pemodelan mempunyai keunggulan masing-masing. Untuk waktu depan sumber impuls 10/77.5 µs yang paling dapat meredam tegangan puncak adalah model Chislom et Al. Dengan nilai tegangan puncak 3,0384 p.u. dan setelah terpsang surge arrester 1,3384 p.u. Untuk waktu depan sumber impuls 8/77.5 µs. Yang paling dapat meredam tegangan puncak adalah model Oettle. Dengan dengan nilai tegangan puncak 3,9611 p.u. dan nilai tegangan puncak setelah pemasangan surge arrester sebesar 1,3352 p.u. Untuk waktu depan sumber impuls 6/77.5 µs yang paling mampu meredam tegangan puncak adalah model Darvineza et Al. Dengan nilai tegangan puncak 4,1535 p.u. dan setelah pemasangan surge arrester sebesar 1,3403 p.u. Dan untuk waktu depan sumber impuls 4/77.5 yang paling dapat meredam tegangan puncak adalah model Yasuda et Al. Dengan nilai tegangan puncak 8,3855 p.u. dan setelah pemasangan surge arrester sebesar 1,5008 p.u. B. Saran Saran yang dapat diberikan untuk perbaikan dan pengembangan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Aplikasi dari TGIR dapat digunakan untuk membantu menghitung kebutuhan pengamanan terhadap backflashover pada Gardu Induk 150 kv di seluruh indonesia 2. Untuk pengembangan penelitian, pada simulasi dalam pemilihan surge arrester dapat diganti dengan model yang lebih kompleks seperti menggunakan MOV (Metal Oxide Varistor). DAFTAR PUSTAKA [1] Z. G. Datsios, P. N. Mikropoulos, T. E. Tsovilis, Impulse Resistance of Concentrated Tower Grounding Systems Simulated by an ATPDraw Object, International Conference on Power Systems Transients (IPST2011) in Delft, the Netherlands June 14-17, [2] D. Caulker, H. Ahmad, Z. Abdul-Malek, and S. Yusof, Lightning Overvoltages on an Overhead Transmission Line during Backflashover and Shielding Failure, UPEC 2010, 31st Aug - 3rd Sept [3] CIGRE Working Group 33.01, Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines, Technical Bulletin 63, Oct [4] A. V. Korsuntsev, Application of the theory of similitude to the calculation of concentrated earth electrodes, Electrichestvo, no.5, pp.31-35, May 1958 (in Russian). [5] E. E. Oettle, A new general estimation curve for predicting the impulse impedance of concentrated earth electrodes, IEEE Trans. Power Del., vol. 3, no. 4, pp , Oct [6] W. A. Chisholm and W. Janischewskyj, Lightning surge response of ground electrodes, IEEE Trans. Power Del., vol. 4, no. 2, pp , Apr [7] P. Chowdhuri, Grounding for protection against lightning, in Electromagnetic transients in power systems. Research Studies Press Ltd., John Wiley & sons inc., New York, 1996, pp [8] F. Popolansky, Determination of impulse characteristics of concentrated electrodes, CIGRE SC (WG 01) IWD 22, [9] Y. Yasuda, Y. Hirakawa, K. Shiraishi, and T. Hara, Sensitivity analysis on grounding models for 500kV transmission lines, Trans. IEE Japan B, vol. 121, no. 10, pp , [10] A. M. Mousa, The soil ionization gradient associated with discharge of high currents into concentrated electrodes, IEEE Trans. Power Del.,vol. 9, no. 3, pp , Jul