SIMULASI PERHITUNGAN DISTRIBUSI TEGANGAN PADA ISOLATOR RANTAI

Transkripsi

1 SIMULASI PERHITUNGAN DISTRIBUSI TEGANGAN PADA ISOLATOR RANTAI Kentrick Pranoto, Syahrawardi KonsentrasiTeknikEnergiListrik, DepartemenTeknikElektro FakultasTeknikUniversitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155INDONESIA Abstrak Isolator rantaidigunakansebagaiisolasi memisahkanantarakawatfasa bertegangandenganmenara.karenaadanyapengaruhkapasitansimakadistribusiteganganpadasetiaprantai/piring rantaimenjaditidakmerata. Hal inimemungkinkanadanyasatuataulebihpiring akanmemikulteganganmelebihikemampuannya.tulisanini menampilkan simulasiperhitungandistribusitegangandarisetiaprantai adadenganmenggunakanmetodehukumkirchoffuntukbeberapaskenario: keadaaan normal, flashover, dan terputusnya kawat pembumian. Dari simulasi, diperolehbahwadistribusiteganganpada rantaisemakinbaikjikakapasitansisendiri (C1) semakinbesar, kapasitansi antara elektroda penghubung dengan menara/tanah (C2) semakinkecilataukapasitansi antara elektroda penghubung dengan kawat fasa (C3) semakinbesar.flashoverpadasalahsatupiring rantaimenyebabkanteganganpadasetiappiring lain naikdanmenyebabkanefisiensimenurundenganvariasi 0,25% - 15%, sementaraputusnyakawatpembumianmenyebabkan terdekatkekawatfasamemikulteganganterendahdanpiring terdekatkemenaramemikultegangantertinggi. Kata Kunci : rantai, kapasitansi, distribusitegangan 1. Pendahuluan Isolator rantaiadalah terdiridaribeberapa piring dirangkaimenjadirantai digantungpadalengan menaratransmisi.olehkarenaituakantimbulkapasi tansiantara rantaidenganmenaratransmisi/tanahdankapasitan siantaraklem dengankawattransmisi. Hal inimenyebabkandistribusiteganganpadasetiap piringmenjadiberbedabeda.jikategangan dipikulolehsalahsatu piringmelebihikemampuan piringtersebut, maka piring itu akan rusak dan jikahaliniterjadimakategangan dipikuloleh rantaiakannaiksehinggasatupersatu piringlainnyaakanrusak juga. Olehkarenahalituteganganpadamasing-masing harusdiperhitungkan. Perhitungan telahadamembutuhkanjalanperhitungan cukuppanjangdancukuprumituntukdilakukanden ganperhitungan biasa (hand calculation). Jikainginmelakukanpenambahan piringpadasuatu rantai,maka haruskembalimenghitungdistribusitegangandaria wallagi (tidakdapatdilanjutkandariperhitungan sebelumnya). 2. Isolator Rantai Isolator rantaiadalahmerupakankumpulandaribeberapa piring disusunsecaraberantaisehinggamenjadisatukesat uan.isolator rantaiseperti ditunjukkan padagambar1biasanyadigunakanuntukmenggant ungpenghantartransmisitegangantinggidimenaramenaratransmisi.penghantarinidigantungdengan menggunakan supayapenghantartersebuttidakbersentuhan langsung denganbadan/bodymenara dibumikan.isolator jenisinibanyakdigunakankarenapadasistemtrans misitegangantinggi inidianggap paling efisienuntukmengisolirkonduktordenganmenara -7- DTE FT USU

2 transmisi.selain itu, penggunaan ini juga dapat meningkatkan kemampuannya untuk memikul tegangan lebih tinggi dengan menambah jumlah piring rantai tersebut[1,2]. Flashover pada rantai dapat terjadi jika tegangan dipikul oleh suatu piring melebihi dari kemampuan tersebut. Atau dapat juga terjadi karena kotornya piring sehingga tahanan permukaan dari menjadi lebih rendah dari seharusnya. Flashover dapat didefinisikan sebagai kegagalan isolasi udara menyebabkan mengalirnya arus pada permukaan seperti ditunjukkan pada Gambar 3 [3]. Gambar 1.Isolator rantai[1] Isolator rantaiterdiridaribeberapabuah piring disusunmenjadisuaturentengan.dimanasetiap unit piringmembentuksuatususunan konduktor-dielektrikkonduktor.olehkarenaitusuatu dapatjugadianggapsebagaisuatukapasitor.jikabe berapa piringdisusunmenjadi rantai,makaakandijumpaitigakelompoksusunan konduktor-dielektrik-konduktor, masingmasingdibentukoleh[1]: 1. Kap -dielektrik-fitting. Susunaninimembentukkapasitansisendiri (C1). 2. Kap -udara-menara. Susunaninimembentukkapasitansikap denganmenara dibumikan (C2) disebutkapasitansiteganganrendah. 3. Kap -udara-konduktortransmisi. Susunaninimembentukkapasitansikap dengankonduktortegangantinggi (C3) disebutkapasitansitegangantinggi. Sehinggaakandidapatkansuaturangkaiankapasita nsiseperti pada Gambar 2. Gambar 3.Flashover pada salah satu piring rantai[1] Sehingga rangkaian pengganti rantai akan menjadi seperti pada Gambar 4. Gambar 4. Rangkaian sebelum dan sesudah terjadinya flashover Pembumian adalah salah satu hal sangat penting dalam suatu sistem kelistrikan. Distribusi tegangan pada rantai akan terganggu jika kawat pembumian pada menara putus[4]. Karena putusnya kawat pembumian ini maka jarak dari klem dengan tanah menjadi sangat besar sehingga nilai kapasitansi C2 (kapasitansi antara klem dengan menara/tanah) akan menjadi sangat kecil bahkan dapat diabaikan dan dapat digambarkan seperti pada Gamabr 5. Gambar2.Rangkaianekivalen rantai[1] -8- DTE FT USU

3 Gambar 5. Rangkaian sebelum dan sesudah terjadi kawat pembumian putus Metode pendekatan Kirchoff adalah salah satu cara dapat digunakan untuk menghitung distribusi tegangan pada rantai. Hal ini dapat dilakukan dengan membuat suatu rangkaian ekivalen rantai untuk menghitung distribusi tegangan pada rantai seperti Gambar 6 [1,2]. Gambar 6.Rangkaian ekivalen rantai[1] Dimana : C1 = kapasitansi sendiri (self capacitance) C2 = kapasitansi antara klem dengan menara /tanah C3 = kapasitansi antara klem dengan konduktor transmisi Dimana jika tegangan pada suatu kapasitor adalah V. Maka : = Hukum kirchoff pada titik (1) adalah sebagi berikut : + = + Dengan demikian maka : + ( ) = + + ( ) = + Hukum kirchoff pada titik (2) adalah sebagi berikut : + = + + ( ) = ( + ) + Hukum kirchoff pada titik (n-1) adalah sebagai berikut : ( ) + ( ) = ( ) + ( ) + ( ) = ( ) + Jika jumlah piring adalah n, maka hukum kirchoff akan memberikan (n-1) persamaan. Di samping (n-1) persamaanitu ada satu persamaan tegangan yaitu: = Sehingga ada n persamaan dengan n tegangan tidak diketahui. Dengan demikian semua V dapat dihitung. Baik dengan metode eliminasi maupun substitusi [1,2]. 3. MetodePenelitian Pengambilan data dalampenulisaninidilakukan di dengan menampilkan simulasi distribusi tegangan pada rantai di LaboratoriumTeknik Tegangan TinggiDepartemenTeknikElektroFakultasTeknik Universitas Sumatera Utara. Langkah-langkahpenelitian ditempuhdalampenelitianinidibagi dalam tiga tahap meliputi : 1. Tahap Persiapan Tujuan dari tahap persiapan ini adalah untuk mempersiapkan semua peralatan dan bahan dibutuhkan untuk mendukung kelancaran penelitian ini. 2. TahapPemodelan Tujuan dari tahap ini adalah untuk memodelkan peralatan nyata. Sehingga dapat diteliti model simulasi dapat digunakan untuk melakukan pengambilan data untuk penelitian. Dimana model simulasi dibuat dalam tiga skenario yaitu: a. Normal Dalam skenario ini dilakukan simulasi 15 buah rantai dimana dilakukan pengambilan data untuk 50 data untuk masing-masing variasi dari nilai C1, C2 dan C3 seperti ditunjukkan pada Gambar 7. b. Salah Satu Isolator Flashover Dalam skenario ini dilakukan simulasi 15 buah dimana dilakukan pengambilan data untuk setiap flashover diambil 50 buah data bervariasi berdasarkan kenaikan nilai kapasitansi -9- DTE FT USU

4 C2 dan C3seperti ditunjukkan pada Gambar 7. c. Tahanan Pembumian Putus Dalam skenario ini dilakukan simulasi 15 buah dimana tahanan pembumian dari menara tersebut terputusseperti ditunjukkan pada Gambar 7. Gambar7.Rangkaiansimulasi 3. TahapPengambilan Data Tujuandaritahapiniuntukmemperoleh data penelitian meliputihubungan kapasitansi terhadap distribusi tegangan pada rantai. 4. HasilSimulasi Simulasi distribusi tegangan pada rantai dalam keadaan normaldilakukan dengan parameter C1 bervariasi antara 50µF-70µF, C2 bervariasi antara 4µF-5µF, C3 bervariasi antara 0,5µF-1µF dan nilai V=1000kV konstan. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 8. EFISIENSI (b) Distribusi tegangan pada rantai dengan variasi C C3 (c) Distribusi tegangan pada rantai dengan variasi C3 Gambar 8.Data hasil simulasi distribusi tegangan pada rantai keadaan normal Distribusi tegangan pada rantai dengan variasi C1,C2 dan C3 dapat dilihat padagambar 8(a),(b),(c) secara berurut. Efisiensi naik secara linear terhadap nilai kapasitansi C1 dan C3. Tetapi menurun secara linear jika C2 naik. Simulasi distribusi tegangan pada rantai dalam keadaan flashoverdilakukan dengan parameter C1=50µF, C2=4µF, C3=1µF, dan V=1000kV dianggap konstan. Dimana flashover terjadi pada nomor 1, 2, dan 3. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1.Data distribusi tegangan pada rantai saat ada satu flashover EFISIENSI EFISIENSI C1 (a)distribusi tegangan pada rantai dengan variasi C C2 Perubahan nilai efisiensi terhadap nilai C2 dan C3 saat terjadi flashover pada ke-1, ke-2, dan ke-3 dapat dilihat pada Gambar 9(a), (b) dan (c) secara berurut. Efisiensi dari rantai turun secara bervariasi saat ada satu flashover. Dimana nilai variasi berkisar antara 0,25%-15%. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar DTE FT USU

5 Efisiensi Efisiensi Efisiensi Urutan Percobaan (a) flashover ke Urutan Percobaan (b) flashover ke Urutan Percobaan (c) flashover ke-3 Gambar 9.Sampel perubahan nilai efisiensiterhadap nilai C2 dan C3 flashover Simulasi Distribusi tegangan pada rantai saat tahanan pembumian putusdilakukan dengan parameter C1=50µF, C2=4µF, C3=1µF, dan V=1000 kv dianggap konstan. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2.Data distribusi tegangan pada rantai saat tahanan pembumian putus Isolator Besar Tegangan (KV) V1 34,548 V2 35,239 V3 36,635 V4 38,763 V5 41,667 V6 45,404 V7 50,049 V8 55,695 V9 62,455 V10 70,464 V11 79,883 V12 90,899 V13 103,733 V14 118,642 V15 135,923 Normal Flashover Normal Flashover Normal Flashover Dari Gambar 8 dapat dilihat bahwa nilai efisiensi rantai akan semakin tinggi jika nilai C1 semakin besar, C2 semakin kecil dan C3 semakin besar. Dari Tabel 1 dan Gambar 9 dapat dilihat bahwa nilai efisiensi turun secara bervariasi. Dimana nilai variasi semakin menurun dari ke-2 hingga ke-10 dan kembali naik pada ke-11 hingga ke-14. Hal ini disebabkan oleh adanya pengaruh dari nilai C2 dan C3 bervariasi saat terjadinya flashover. Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa distribusi tegangan menjadi terbalik saat kawat pembumian putus. Dimana terdekat ke kawat fasa seharusnya memikul tegangan tertinggi menjadi memikul tegangan terendah. Dan paling jauh dari kawat fasa seharusnya memikul tegangan terendah akan memikul tegangan tertinggi. 5. Kesimpulan Berdasarkanuraiandanpenelitian dilakukan, makadapatdiperolehkesimpulansebagaiberikut: 1. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa semakin besar nilai C1 maka efisiensi dan distribusi tegangan dari rantai akan semakin merata. Nilai C1 dapat diperbesar dengan mengganti piring ada dengan piring lebih besar. 2. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa semakin kecil nilai C2 maka efisiensi dan distribusi tegangan dari rantai akan semakin merata. Nilai C2 dapat diperkecil dengan memperbesar jarak antara rantai dengan menara yaitu dengan memperpanjang lengan menara. 3. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa semakin besar nilai C3 maka efisiensi dan distribusi tegangan dari rantai akan semakin merata. Nilai C3 dapat diperbesar dengan menggunakan cincin perata memperkecil jarak antara konduktor dengan klem. 4. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa flashover akan menyebabkan tegangan pada masing-masing piring akan naik dimana kenaikan terbesar terjadi pada terdekat ke mengalami flashover. Flashover menyebabkan efisiensi menurun dengan variasi 0,25% - 15%. 5. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa putusnya kawat pembumian akan menyebabkan paling dekat ke menara memikul tegangan terbesar dan paling dekat -11- DTE FT USU

6 ke kawat fasa memikul tegangan paling kecil. 6. DaftarPustaka [1] Tobing, B. L Peralatan TeganganTinggi. EdisiKedua. Jakarta :Erlangga. [2] Mehta, V.K Principles of Power System. India : S.Chand & Company LTD, 2003 [3] Arismunandar, Artono Teknik Tegangan Tinggi. Edisi Kelima. Jakarta : Pradya Paramita 9 [4] Haddad, A. & Warne, D.Advances in High Voltage Engineering.London: The Institute of Engineering and Technology, DTE FT USU