BAB III PROTEKSI SALURAN UDARA TEGANGAN MENENGAH (SUTM) TERHADAP SAMBARAN PETIR

Transkripsi

1 BAB III PROTEKSI SALURAN UDARA TEGANGAN MENENGAH (SUTM) TERHADAP SAMBARAN PETIR 3.1 Konsep Dasar Sistem Tenaga Listrik Suatu system tenaga listrik secara sederhana terdiri atas : - Sistem pembangkit - Sistem transmisi dan gardu induk - Sitem distribusi - Sistem penyambungan pelayanan Sistem sistem ini saling berkaitan dan membentuk suatu sistem tenaga listrik. Saluran udara tegangan menengah (SUTM) masuk kedalam sistem distribusi. Sistem distribusi adalah sistem yang berfungsi mendistribusikan tenaga listrik kepada konsumen. Sistem distribusi terbagi menjadi 2 bagian : - Sistem distribusi tegangan menengah - Sistem distribusi tegangan rendah 20

2 21 Sistem distribusi tegangan menengah mempunyai tegangan kerja diatas 1 kv dan setinggi tingginya 35 kv, sedangkan tegangan rendah mempunyai tegangan kerja setinggi tigginya 1 kv. Sistem distribusi tegangan menengah berawal dari gardu induk pada sistem transmisi bagian sisi skunder, pada beberapa tempat berasal langsung dari pembangkit. Bentuk jaringan dapat berbentuk radial atau tertutup (radial open loop). Sistem jaringan tegangan rendah berbentuk radial murni. Konstruksi keempat sistem tersebut dapat berupa saluran udara ataupun saluran bawah tanah, disesuaikan dengan kebijakan manajemen, masalah kontinuitas pelayanan, jenis pelanggan dan masalah biaya investasi. Gambar 3.1 Pola Sistem Tenaga Listrik

3 22 Jaringan distribusi tegangan menengah saluran udara dipakai umumnya untuk daerah dengan jangkauan luas, daerah padat berbeban rendah atau daerah daerah penyangga antara kota dan desa. Biaya investasi saluran udara relatif murah, mudah dalam pembangunan dan mudah pada aspek pengoprasian, akan tetapi padat pemeliharaan dan memiliki tingkat kontinuitas yang rendah. Konfigurasi SUTM umumnya radial (Fishbone) Konfigurasi Sistem SUTM Biasanya SUTM menggunakan Konfigurasi sistem radial, tipe Fishbone. Jaringan radial adalah jaringan yang hanya mempunyai satu pasokan tenaga listrik, jika terjadi gangguan akan terjadi black-out atau pemadaman tenaga listrik pada bagian yang tidak dapat di pasok. Gambar 3.2 Pola Jaringan Distribusi Dasar Tipe Fishbone adalah tipikal konfigurasi dari saluran udara tegangan menengah bersistem radial. Pengurangan luas pemadaman dilakukan dengan mengisolasi bagian yang terkena gangguan dengan memakai pemisah [Pole Top Switch (PTS), Air Break Switch (ABSw)] dengan koordinasi relai atau dengan sistem SCADA. Penutup Balik Otomatis (PBO) atau Recloser

4 23 dipasang pada saluran utama dan Saklar Seksi Otomatis (SSO) atau Automatic Sectionalizer pada percabangan. Gambar 3.3 Tipe Tulang Ikan (Fishbone) 3.2 Gangguan - Gangguan pada SUTM Sifat Gangguan : - Sementara / temporer, gangguan yang dapat hilang dengan sendirinya atau dengan memutuskan sesaat bagian yang terganggu dari sumber tegangannya, 70% - 80% gangguan pada SUTM bersifat temporer. - Menetap / permanen, gangguan yang bersifat menetap / permanen tidak dapat hilang sendiri, maka diperlukan tindakan perbaikan dan penyingkiran penyebab terjadinya gangguan Gangguan Arus Lebih a. Beban Lebih Gangguan ini dapat terjadi jika I > I nominal. Dapat terjadi ketika terdapat beban besar yang terhubung secara tiba tiba.

5 24 b. Hubung Singkat Gangguan hubung singkat pada SUTM dapat disebabkan oleh banyak hal, antara lain: - Gangguan satu fasa ke tanah, Secara umum gangguan satu fasa ke tanah terjadi ketika salah satu konduktor menyentuh tanah atau menyentuh pohon. - Gangguan antar fasa, gangguan fasa fasa terjadi ketika dua konduktor mengalami hubung singkat. - Gangguan dua fasa ke tanah, gangguan dua fasa ke tanah terjadi ketika dua konduktor jatuh dan menyentuh tanah atau pohon. - Gangguan tiga fasa, secara umum gangguan tiga fasa adalah gangguan tidak seimbang Gangguan Tegangan Lebih Secara garis besar tegangan lebih pada SUTM disebabkan oleh : - Tegangan lebih petir : terjadi pada skala besaran arus yang sangat tinggi 200 KA dalam waktu yang sangat singkat yaitu µs. - Tegangan lebih switching : terjadi dalam periode waktu ms 3.3 Gangguan Sambaran Petir Gangguan yang ditimbulkan oleh sambaran petir ini dapat dibedakan menjadi dua, yaitu : Sambaran Langsung Petir sangat mempengaruhi keandalan SUTM, khususnya jika tiang SUTM lebih tinggi dari daerah sekelilingnya. Jumlah sambaran yang terkumpul N, di daerah terbuka (tidak ada gedung atau pohon yang tinggi di

6 25 dekatnya) dapat dihitung dengan persamaan eriksson. - N = N g. (3.1) Dimana, h = ketinggian tiang (m) b = lebar tiang struktur (m) N g = kerapatan sambaran ke ground (flash/km 2 /tahun) N = jumlah sambaran di daerah terbuka (flash/100km/thn) Untuk sebagian besar saluran distribusi, faktor lebar tiang dapat diabaikan. Dari persamaan (3.1), jika ketinggian tiang meningkat 20%, maka rata rata sambaran ke saluran distribusi akan meningkat 12%. Frekuensi sambaran petir ke saluran atau tiang distribusi tergantung dari tinggi saluran distribusi itu sendiri. a. Shielding Factor dari Sturktur Terdekat dan Pohon Pohon dan gedung dapat mengalihkan atau menjadi pelindung terrhadap sambaran petir yang akan menyambar saluran. Shielding Factor (S f ) didefinisikan sebagai factor lindung saluran distribusi oleh objek objek terdekat persatuan unit. Jumlah sambaran ke saluran dinyatakan : - N f = N (1 S f ) (3.2) Dimana, N f = jumlah sambaran ke saluran karena faktor lindung (flash/100km/tahun) S f = faktor lindung struktur atau pohon Faktor lindung 0 berarti saluran distribusi tersebut berada pada daerah terbuka tanpa adanya perlindungan dari objek terdekat dan faktor lindung 1 berarti saluran distribusi sepenuhnya terlindungi dari sambaran langsung.

7 26 Gambar 3.4 Memberikan gambaran harga faktor lindung (shielding factor) untuk objek dengan jarak yang bervariasi terhadap saluran distribusi. Tinggi saluran distribusi diasumsikan 10 m, objek objek tersebut diasumsikan terletak pararel dengan saluran distribusi, artinya barisan pohon atau gedung tersebut terletak pararel sepanjang saluran H = 6m H = 7.5m H = 10m H = 15m H = 20m H = 8m Gambar 3.4 Faktor perlindungan dari objek di dekat saluran udara setinggi 10 m Gambar 3.4 Dapat digunakan untuk objek objek pada kedua sisi saluran. Faktor lindung total adalah jumlah faktor lindung untuk objek di kanan dan di kiri saluran. Jika jumlah faktor lindung lebih besar dari satu, maka total faktor lindung sama dengan satu. b. Jarak Sambar Petir Menurut IEEE working group on estimating the lightning performances on transmission line, jarak sambaran petir adalah : - r s = 10 I o 0.65 (3.3) - r g = 0.9 r s (3.4)

8 27 Dimana, r s = jarak sambar terhadap konduktor (m) r g = jarak sambar terhadap tanah (m) I o = arus puncak petir (ka) Persamaan ini dapat digunakan untuk perhitungan faktor lindung seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.4. Model ini juga digunakan untuk memperkirakan jumlah flashover akibat tegangan induksi dan sambaran langsung Sambaran Tidak Langsung atau Sambaran Induksi Bila terjadi sambaran petir ke tanah atau objek di dekat saluran, maka akan terjadi fenomena transien yang diakibatkan oleh medan elektromagnetis dari sambaran petir tersebut. Akibat dari kejadian ini timbul tegangan lebih dan gelombang berjalan yang merambat pada kedua sisi kawat di tempat sambaran berlangsung. Gambar 3.5 Jumlah flashover karena sambaran induksi pada saluran udara

9 28 Jumlah sambaran induksi pada daerah terbuka atau tanpa adanya shielding factor dapat dihitung dengan persamaan : - N i = N g. (3.5) Dimana, h = ketinggian tiang (m) b = lebar tiang struktur (m) N g = kerapatan sambaran ke ground (flash/km 2 /tahun) N i = jumlah sambaran induksi di daerah terbuka (flash/100km/thn) Untuk nilai N g pada perhitungan ini biasanya diasumsikan sebesar 1 flash/km 2 /tahun. Sedangkan jumlah sambaran induksi pada saluran yang terletak pada daerah yang memiliki shielding faktor atau memiliki pepohonan ataupun struktur bagunan didekatnya, dapat dihitung dengan persamaan : - N if = N g N i 2 (3.6) Dimana, N if = jumlah sambaran induksi dengan shielding faktor (flash/100km/tahun) N g = kerapatan sambaran ke ground (flash/100km 2 /tahun) N i = jumlah sambaran induksi pada daerah terbuka (flash/100km/tahun) Akibat banyaknya pohon ataupun struktur bangunan di sepanjang SUTM menyebabkan jumlah flashover akibat sambaran tidak langsung meningkat. Harga jumlah flashover ini haruslah terletak di antara jumlah flashover pada bidang terbuka pada GFD tertentu (N i ) dan jumlah sambaran langsung pada bidang terbuka (N). Jumlah flashover diasumsikan dua kali jumlah flashover.

10 Total Gangguan Karena Petir Total jumlah gangguan pada saluran tegangan menengah adalah jumlah antara gangguanakibat sambaran langsung dan jumlah gangguan akibat sambaran tidak langsung, jadi dapat dituliskan sebagai : - N t = N f + N if (3.7) Dimana, N t = jumlah gangguan kilat N f = jumlah gangguan akibat sambaran langsung N if = jumlah gangguan akibat sambaran tidak langsung Lightning Performance Lightning performance dapat diturunkan dari data gangguan. Lightning performance didekati dengan jumlah gangguan karena petir per 100 km/tahun. Jadi lightning performance dari data gangguang adalah - LP = 100 (3.8) Dimana, LP = lightning performance (flashover/100 km/tahun) N t = jumlah gangguang yang diakibatkan oleh kilat LC = jumlah gangguang lightning correlated = 70% jumlah gangguan karena cuaca + alat rusak + tidak jelas L = panjang saluran (km) 3.4 Gelombang Berjalan Sampai saat ini sebab sebab terjadinya gelombang berjalan yang diketahui ialah : - Sambaran kilat secara langsung pada kawat fasa - Sambaran kilat secara tidak langsung pada kawat fasa (induksi)

11 30 - Operasi hubung (switching operation) - Busur tanah (arching ground) - Gangguan gangguan pada sistem - Tegangan steady state Semua macam sebab sebab ini menimbulkan surja (surge) pada kawat fasa, yaitu surja tegangan dan surja arus yang disebabkan oleh kelebihan energi secara tiba tiba pada kawat fasa. Energi ini merambat pada kawat fasa. Energi yang merambat ini terdiri dari arus dan tegangan. Kecepatan merambat gelombang berjalan tergantung dari konstanta konstanta kawat fasa Bentuk dan Spesifikasi Gelombang Berjalan Gambar 3.6 Spesifikasi Gelombang Berjalan Bentuk dan spesifikasi gelombang berjalan : a. Puncak (crest) gelombang, yaitu amplitude maksimum gelombang b. Muka gelombang t1 (mikro detik), yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Biasanya diambil 10% E sampai 90% E. c. Ekor gelombang, yaitu bagian dibelakang puncak. Panjang gelombang t2 adalah waktu dari permulaan hingga titik 50% E pada ekor gelombang.

12 31 d. Polaritas, yaitu polaritas pada gelombang. Suatu gelombang berjalan (surja) dinyatakan sebagai : E, t 1 t 2 Jadi suatu gelombang dengan polaritas positif, puncak 1000 kv, muka 2 µdetik, dan panjang 19 µdetik dinyatakan sebagai : +1000, Alat Alat Proteksi Sambaran Petir pada SUTM Dikarenakan banyaknya gangguan terutama yang disebabkan oleh petir disepanjang Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM), maka untuk menjamin keandalan pendistribusian energi listrik ke konsumen, pada SUTM dipasang peralatan pengaman. Perlatan pengaman terhadap sambaran petir pada SUTM antara lain : Arrester Fungsi Arrester adalah meneruskan arus surja ketanah dan membatasi tegangan lebih ke peralatan. Arrester dapat digunakan untuk proteksi isolator saluran distribusi dari flashover dan mencegah pemutusan sirkuit. A. Pengaruh Jumlah Gawang Arrester (Span) Arrester dapat mengurangi jumlah flashover terutama yang diakibatkan oleh sambaran induksi Gambar 3.7 dan 3.8 Menunjukan pengaruh jumlah gawang antar arrester terhadap jumlah flashover untuk tingkat isolasi CFO 125 dan 150 kv untuk sirkuit yang tidak ditanahkan (N g = 1 flashover/km 2 /tahun, panjang gawang 75 km).

13 32 Gambar 3.7 Pengaruh jumlah gawang arrester terhadap sambaran tidak langsung Gambar 3.8 Pengaruh jumlah gawang Arrester terhadap sambaran langsung Arching Horn Arching horn adalah peralatan yang dipasang pada sisi cold (tiang) dari rencengan isolator. Adapun fungsi fungsi dari arching horn adalah : - Media pelepasan busur api dari tegangan lebih antara sisi cold (tiang) dan hot (kawat fasa)

14 33 - Pada jarak yang diinginkan berguna untuk memotong tegangan lebih bila terjadi : sambaran petir, switching, gangguan, sehingga dapat mengamankan peralatan yang ada. Media semacam arching horn yang terpasang pada sisi hot (kawat fasa) adalah : - Guarding ring : berbentuk oval, mempunyai peran ganda yaitu sebagai arching horn maupun pendistribusi tegangan pada beberapa isolator sisi hot. Umumnya terpasang di setiap tower tension maupun suspension. - Arching ring : berbentuk lingkaran, mempunyai peran ganda yaitu sebagai arching horn maupun pendistribusian tagangan pada beberapa isolator sisi hot. Umumnya terpasang di tower dead end dan gantry GI. Gambar 3.9 Arching horn Keterangan gambar Moving Arching Horn M.S.G.I. 2. Terminal Pad Copper/ Gun Metal / Aluminium 3. Moving Contact Copper GR EC 4. Moving Contact Support M.S.G.I. 5. Porcelain Post Insulator

15 34 6. Bearing C.I.G.I. 7. Channel Base M.S.G.I. 8. Chanel Hole Air Terminal / Lightning Rod Air terminal adalah batang tembaga yang biasa dipasang dibagian teratas tiang penyangga kawat fasa, yang bertujuan untuk menangkap sambaran petir langsung. Biasanya Air terminal atau lightning rod ini diletakan diatas tiang penyangga kawat fasa dan biasanya memiliki bentuk yang runcing, agar dapat lebih mudah menangkap sambaran petir. Air terminal ini terhubung dengan sistem pembumian, sehingga petir yang menyambar air terminal akan langsung di salurkan ke tanah. Secara garis besar, air terminal hanya melindungi tiang penyangga kawat fasa dari sambaran langsung yang dapat menyebabkan kebakaran dan kerusakan fisik. Gambar 3.10 Air terminal pada saluran udara tegangan menengah

16 35 Gambar 3.11 Air terminal Overhead Ground Wire (Kawat Tanah) Overhead ground wire atau yang lebih dikenal dengan sebutan kawat tanah adalah kawat yang ditempatkan di atas kawat kawat fasa. Kawat ini dipasang di atas kawat fasa dengan sudut perlindungan yang sekecil mungkin agar dapat melindungi kawat fasa dari sambaran petir, karena dianggap petir menyambar dari atas kawat. Efesiensi perlindungan akan bertambah tinggi bila ground wire semakin dekat dengan kawat fasa. Dalam hal sambaran tidak langsung ground wire mengurangi tegangan yang timbul pada kawat kawat fasa agar tidak membahayakan saluran distribusi tenaga listrik.

17 36 Gambar 3.12 Instalasi ground wire yang dipasang di bawah saluran Gambar 3.13 Instalasi ground wire yang dipasang di atas saluran 3.6 Pembumian Di dalam proteksi petir untuk SUTM, semakin kecil tahanan pentanahannya, maka akan semakin baik terutama sekali untuk sistim SUTM yang menggunakan ground wire. Semakin kecil tahanan pentanahan maka kemungkinan terjadinya flashover akan semakin kecil. Jenis grounding atau pembumian untuk tiap tiang agar diperoleh tahanan

18 37 tanah yang baik dapat berupa batangan (rod) atau pipa dari bahan besi atau ring dari kawat. Gambar 3.14 Grounding kawat tanah tampak samping 3.7 Pengaruh Grounding dan Tingkat Isolasi Keefektifan ground wire sangat bergantung pada harga tahanan pentanahan. Agar disain ground wire efektif, maka harga tahanan pentanahan harus lebih kecil dari 10 ohm jika CFO kurang dari 200 kv. Untuk tingkat isolasi dari CFO antara kv, maka harga tahanan sebesar 40 ohm akan memberikan hasil yang sama dengan yang di atas. Ground wire dibumikan di setiap tiang untuk memberikan hasil yang efektif. Gambar 3.13 menunjukan performa sambaran langsung dan efek pentanahan dengan contoh simulasi komputer kawat lindung dengan CFO 125 kv, 175 kv, 350 kv.

19 38 Gambar 3.15 Pengaruh tahanan grounding dengan kawat tanah untuk saluran udara