TUGAS AKHIR ANALISIS TERMAL KABEL TANAH TEGANGAN MENENGAH MENGGUNAKAN METODE NUMERIK

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR ANALISIS TERMAL KABEL TANAH TEGANGAN MENENGAH MENGGUNAKAN METODE NUMERIK Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam Menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Oleh : RIZA ANSHARI DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2 ANALISIS TERMAL KABEL TANAH TEGANGAN MENENGAH MENGGUNAKAN METODE NUMERIK Oleh : RIZA ANSHARI Disetujui oleh : Pembimbing, Ir.Syarifuddin Siregar NIP: Diketahui oleh : Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU, Prof.Dr.Ir Usman Baafai NIP: DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

3 ABSTRAK Arus listrik yang mengalir pada konduktor suatu kabel akan menimbulkan panas yang menaikkan suhu pada konduktor dan isolasinya, sehingga mempengaruhi kemampuan hantar arus kabel. Kemampuan hantar arus suatu kabel yang dipasang di dalam tanah dipengaruhi oleh desain kabel, cara pemasangan kabel, suhu keliling dan kelembaban tanah. Untuk kabel tegangan menengah diperlukan isolasi yang tebal untuk menahan terpaan medan listrik, tetapi sebaliknya panas yang dihasilkan konduktor semakin sulit keluar dari kabel sehingga suhu konduktor semakin tinggi dan mengurangi arus yang diizinkan melalui kabel. Tugas Akhir ini membahas pengaruh resistivitas termal dan suhu tanah terhadap arus yang diizinkan mengalir pada kabel tegangan menengah dengan menggunakan metode numerik. Penulis menggunakan software simulasi panas ANSYS 10.0 untuk melihat distribusi suhu pada kabel yang dianalisis.

4 KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Shalawat dan salam semoga senantiasa tercurahkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW beserta keluarga dan para sahabatnya. Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda dan ibunda, serta abang dan adik tercinta yang senantiasa memberikan do a, semangat dan dukungannya selama ini. Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah : ANALISIS TERMAL KABEL TANAH TEGANGAN MENENGAH MENGGUNAKAN METODE NUMERIK Selama masa kuliah hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Syarifuddin Siregar selaku Dosen Pembimbing yang dengan sabar dan tulus meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

5 2. Bapak Ir. Masykur Sjani selaku dosen wali penulis yang senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan. 3. Bapak Prof Dr Ir Usman Baafai dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. 4. Seluruh Staf Pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh Pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas bantuan administrasinya. 5. Pihak PT PLN (PERSERO) Wilayah dan Rayon Medan Kota yang telah memberi kesempatan kepada penulis untuk melakukan penelitian. 6. Pak Ponirin, Pak Syahrul, Pak Adek, dan Pegawai Bengkel PLN Jl. Sei Batu Gingging yang telah membantu penulis dalam pengambilan data. 7. Teman-teman stambuk 2005 : Ardhy, Harpen, Su ib, Megi, Irpan, Prindi, Ghifari, Reza, Harry, Rifky, Rudi, Putra, Ricky, Rizky, Luthfi, Khairil, Dedi, Azwar, Iqri, Umar, Herman, Roy, Diana, Dewi, Muti, Ami, Anisa, Yona dan semua teman-teman 2005 yang tidak mungkin disebutkan satu persatu. 8. Serta semua abang senior dan adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis. 9. Teman-teman kos Citra Land 15 H : Bang Zoe, Bang Gatrick, Bang Zamir, Bang Taufik, Bang Maulana, Bang Rasyid, Bang Iwan, Bang Arfan, Erik, Saiful, Rahmad, Yogi, Taufik dan Fuad yang semuanya memberi motivasi dan semangat kepada penulis. 10. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

6 Akhir kata penulis menyadari bahwa tulisan ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Semoga Tugas Akhir ini dapat memberi manfaat khususnya bagi penulis maupun semua pihak yang membutuhkannya. Dan hanya kepada Allah penulis berserah diri dan memohon ampun. Medan, 16 Februari 2010 Penulis Riza Anshari NIM :

7 DAFTAR ISI Abstrak...i Kata Pengantar... ii Daftar Isi... iv Daftar Gambar...vii Daftar Tabel... viii BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1 Latar Belakang... 1 I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan... 2 I.3 Batasan Masalah... 2 I.4 Metode penulisan... 3 I.5 Sistematika Penulisan... 4 BAB II KABEL DAN PERPINDAHAN PANAS... 5 II.1 Umum... 5 II.2 Konstruksi Kabel Tegangan Menengah... 5 II.2.1 Konduktor... 6 II.2.2 Isolasi... 7 II.2.3 Tabir... 8 II.2.4 Selubung... 8 II.2.5 Bantalan... 9 II.2.6 Perisai... 9 II.2.7 Bahan Pengisi... 9 II.2.8 Sarung Kabel... 10

8 II.3 Mekanisme Perpindahan Panas II.3.1 Konduksi II Konduksi Satu Dimensi dan Tiga Dimensi...12 II Konduksi pada Bidang Datar...15 II Konduksi pada Silinder...17 II.3.2 Konveksi II.3.3 Radiasi II.3.4 Perpindahan Panas pada Kabel II.4 Persamaan Kesetaraaan Energi pada Kabel II.4.1 Persamaan Perpindahan Panas II.4.2 Pendekatan Polinomial II.4.2 Persamaan Elemen Hingga BAB III KEMAMPUAN HANTAR ARUS (KHA) KABEL TEGANGAN MENENGAH III.1 Umum III.2 Cara Menentukan Kemampuan Hantar Arus Kabel (KHA) III.3 Perhitungan Rugi-rugi Panas III.3.1 Rugi-rugi Konduktor III.3.2 Rugi-rugi Dielektrik III.3.3 Rugi-rugi Selubung dan Perisai III.4 Perhitungan Resistansi Termal III.4.1 Resistansi Termal antara Konduktor dan Selubung III.4.2 Resistansi Termal antara Selubung dan Perisai III.4.3 Resistansi Termal Selubung Luar... 46

9 III.4.4 Resistansi Termal Eksternal III.5 Menentukan Kemampuan Hantar Arus dengan Metode Numerik BAB IV ANALISIS TERMAL KABEL TANAH TEGANGAN MENENGAH MENGGUNAKAN METODE NUMERIK IV.1 Umum IV.2 Data Dimensi Kabel IV.3 Analisis Data IV.3.1 Analisis dengan Metode Analitik IV.3.2 Analisis dengan Metode Numerik IV.3.3 Perbandingan Kedua metode KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan V.2 Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Bagian utama kabel berinti tunggal... 6 Gambar 2.2 Bagian-bagian kabel berinti tiga... 6 Gambar 2.3 Konduksi pada bidang datar dan arah aliran panas Gambar 2.4 Volume unsur untuk konduksi panas satu dimensi Gambar 2.5 Volume unsur tiga dimensi : (a) koordinat kartesius, (b) koordinat silindris Gambar 2.6 Perpindahan panas melalui dinding berlapis dan analogi listriknya Gambar 2.7 Aliran panas satu dimensi melalui silinder dan analogi listriknya Gambar 2.8 Kabel dan analogi listriknya Gambar 2.9 Sebagian penampang kabel dan analogi listriknya Gambar 2.10 Koordinat luas segitiga Gambar 3.1 Rangkaian ekivalen termal listrik kabel berinti tunggal Gambar 3.2 Rangkaian ekivalen termal listrik kabel berinti tiga Gambar 3.3 Representasi isolasi kabel Gambar 3.4 Faktor geometrik G kabel ikat berinti tiga dengan konduktor bulat Gambar 3.5 Faktor screening kabel berinti tiga dengan konduktor bulat Gambar 3.6 Kabel yang ditempatkan dalam backfill Gambar 3.7 Elemen triangular dan quadrilateral Gambar 3.8 Elemen quadratic-triangular Gambar 3.9 Penggunaan ukuran elemen yang berbeda Gambar 4.1 Penampang kabel NA2XSEBY 20 kv berinti tiga 240 mm Gambar 4.2 Posisi layout kabel NA2XSEBY 20 kv... 58

11 Gambar 4.3 Model kabel beserta detil instalasinya Gambar 4.4 Model mesh kabel Gambar 4.5 Ukuran elemen yang semakin kecil Gambar 4.6 Distribusi suhu di sekitar kabel Gambar 4.7 Distribusi suhu pada bagian-bagian kabel Gambar 4.8 Grafik hubungan antara arus dengan suhu konduktor kabel Gambar 4.9 Grafik pengaruh suhu tanah terhadap arus konduktor Gambar 4.10 Grafik pengaruh resistivitas termal tanah terhadap arus konduktor... 66

12 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Konduktivitas termal beberapa bahan Tabel 3.1 Nilai dan Tabel 3.2 Nilai permitivitas dan faktor rugi-rugi isolasi Tabel 3.3 Resistivitas termal bahan Tabel 4.1 Data mekanik kabel NA2XSEBY Tabel 4.2 Data listrik kabel NA2XSEBY Tabel 4.3 Pengaruh suhu tanah dengan metode analitik Tabel 4.4 Pengaruh resistivitas termal tanah dengan metode analitik Tabel 4.5 Nilai konduktivitas bahan kabel dan medium sekitar Tabel 4.6 Pengaruh suhu tanah dengan metode numerik Tabel 4.7 Pengaruh resistivitas termal tanah dengan metode numerik Tabel 4.8 Hubungan arus dengan suhu konduktor kabel... 64