FAKTOR - FAKTOR YANG MEMPENGARUHI RESPON TRANSIEN PEMBUMIAN GRID Fransiscus M.S. Sagala, Zulkarnaen Pane Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 2 INDONESIA e-mail: f.sagala@yahoo.com Abstrak Petir memiliki sifat merusak yang sangat tinggi, sehingga perilaku sistem pembumian grid saat kondisi transien akan diselidiki. Metode yang digunakan adalah rangkaian pengganti RLC terpusat. Model Grid pembumian persegi yang ditanam akan dipelajari di dalam kondisi terkena sambaran petir dengan menggunakan softwere ATP-EMTP 4.2 ( The Alternative Transient Program The Electromagnetic Transient Program ). Dari hasil perhitungan dan simulasi diperoleh nilai tegangan dan impedansi transien pada grid pembumian berbanding lurusdengan jumlah mesh dan nilai induktansi lebih berpengaruh terhadap nilai tegangan dan impedansi transien untuk grid pembumian yang memiliki jumlah mesh yang besar. Perubahanan nilai induktansi menyebabkan perubahan sekitar 3 6 %, sedangkan untuk perubahan yang diakibatkan resistansi dan kapasitansi sekitar.8% saja. Kata kunci : Pembumian, transien, grid, petir 1. Pendahuluan. Gardu induk adalah salah satu bagian dari sistem tenaga listrik yang memiliki peranan penting yang memiliki kemungkinan besar mengalami bahaya yang diakibatkan timbulnya gangguan [1]. Oleh karena itu, diperlukan analisis dari beberapa parameter tanah dan juga parameter grid pembumian itu sendiri pada saat kondisi transien. Grid pembumian ini dianggap ditanam di dalam satu lapis tanah yang homogen. Petir dianggap menyambar langsung sudut dari grid pembumian ini ( karena pengaruh konduktor penghubung sistem dengan grid pembumian cukup kecil ). Adapun parameter tanah yang diperhatikan adalah tahanan jenis tanah, dan permitifitas relatif tanah. Parameter grid pembumian yang diperhatikan adalah radius elektroda grid pembumian dan ukuran, luas serta bentuk elektroda grid. Kedalaman penanaman elektroda dianggap. Untuk mempermudah penelitian, digunakan software ATP-EMTP 4.2 ( The Alternative Transient Program The ElectromagneticTransient Program ) yang telah banyak dipakai untuk simulasi pada kondisi transien sekarang ini[2]. 2. Pembumian Grid Tujuan utama pembumian adalah memperoleh impedansi rendah (low impedansi) dari jalan balik arus hubung singkat ke tanah [3]. Sistem pembumian didesain menyediakan stabilitas kondisi tegangan, mencegah tegangan puncak yang berlebihan selama gangguan, menyediakan perlindungan sambaran petir dan yang sangat penting menjamin keamanan manusia selama gangguan tanah dalam sistem tenaga [4]. Elektroda pembumian grid memiliki tiga parameter yang menentukan nilai impedansi pembumian elektroda itu yakni, resistansi, kapasitansi dan induktansi. Resistansi elektroda pembumian dapat diartikan sebagai resistansi antara elektroda dengan titik yang sangat jauh (titik dengan potensial nol) pada bumi. Nilai resistansi untuk elektroda pembumian grid bisa dicari dengan persamaan [], 1 1 1 R g 1 L 2A 1 h 2/ A (2.2) h= kedalamaman penanaman konduktor grid (m) L= panjang elektroda pembumian (m) A=luas area grid pembumian (m 2 ) -12- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 3/Juni 213 Induktansi konduktor berdasarkan R. Verma [6], untuk grid pembumian persegi dicari berdasarkan induktansi dari pertengahan mesh. Induktansi diatur oleh arus yang terdistribusi pada konduktor. Persamaan yang digunakan sebagai berikut, = ln +. ln. 1 (2.3) = panjang konduktor utama (m) k=panjang konduktor kecil / (m) a = jari- jari konduktor (m) Kapasitansi pada grid terjadi akibat lingkup dari muatan Q pada tanah yang mempunyai tahanan dan konstanta dielektrik dengan tanah yang homogenius. Jika D adalah kerapatan flux dan E adalah kekuatan medan listrik pada jarak x, untuk kapasitansi bisa diperoleh dari Persamaan berikut ini [6], =.. ( 2.4 ) dimana, R adalah resistansi pembumian 3. Rangkaian Ekuivalen Elektroda Pembumian Untuk suatu peluahan (discharge) ke bumi yang sangat cepat, arus perpindahan yang melalui kapasitansi tanah akan paralel dengan arus konduksi yang melalui tahanan (resistansi) dan bersama induktansi diri dari kedua arus tersebut dan melalui elektroda, yang akan mempengaruhi rangkaian ekivalen elektroda pembumian, seperti pada gambar berikut ini [6]. Gambar 1. Rangkaian ekuivalen elektroda pembumian grid Impedansi surja pembumian didefenisikan sebagai besarnya tegangan surja/impuls dibagi dengan arus impuls [6]. u t z t i t ( 2. ) 4. Analisis Transien Sensitivitas Parameter Tanah Dan Dimensi Grid pembumian Perilaku transien sistem pembumian grid diselidiki pada beberapa grid dengan dimensi berbeda yang bisa dilihat pada gambar dibawah yang diberi nama CS1,CS4,CS16,CS64. Gambar 3. Berbagai jenis elektroda pembumian grid yang diteliti Parameter untuk elektroda grid pembumian dan tanah bisa dilihat pada table berikut ini. Tabel 1. Parameter empat grid pembumian persegi Area ( m * m ) konduktor pararel Jumlah mesh CS1 1*1 2 1 1 CS4 1*1 3 4 CS16 * 16 12. CS64 1*1 9 64 12. No. Jarak antar konduktor(m) Tabel 2. Parameter tanah dan elektroda pembumian grid Parameter-Parameter 1. Arus impuls (I) I = 12. ka; a = 27; b = 4 2. Jenis grid CS1; CS4; CS16; CS64 Kedalaman penanaman grid.6 m 3. pembumian (h) 4 Tahanan jenis tanah ( ) 1Ωm; 4Ωm Permitifitas tanah (ε) 9 F/m; F/m.7m (7mm);.2 m 6. Radius elektroda grid (r) (2mm) Nilai dari parameter tanah diperoleh dari standar NEC [7].Pengaruh dari Parameter tanah yakni tahanan jenis tanah, permitifitas relatif tanah, dan ukuran radius grid pembumian terhadap tegangan transien yang timbul pada grid dan impedansi transien grid saat arus surge di suntikkan akan diteliti. Dengan Persamaan 2.2, 2.3, dan 2.4 diperoleh nilai komponen RLC elektroda pembumian grid untuk berbagai perubahan parameter tahanan jenis tanah, permitivitas relatif tanah, dan dimensi elektroda pembumian grid. Hasil perhitungan digunakan untuk simulasi dengan ATP-EMTP 4.2 Pertama, dicari pengaruh dari parameter tahanan jenis tanah, dengan nilai yang diubah dengan permitivitas relatif tanah dan radius elektroda grid yang tetap ( ε= dan r=.1m ). -13- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 3/Juni 213 Untuk tahanan jenis tanah = 1Ωm hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar. 4 Tegangan Impuls pada grid CS1 dan CS4 1. *1 6.8.6.4 Nilai impedansi transient CS1 mencapai nilai maksimum sebesar 142.6 Ω sedangkan CS4 mencapai nilai 194. Ω. Untuk CS16 nilai impedansi transient maksimum pada 167.73 Ω dan CS64 sebesar 462.99 Ω. Untuk tahanan jenis tanah = 4Ωm hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar. 6.2. 1.2 *1 6 1. Tegangan Impuls untuk Grid CS1 dan CS4 -.2..2.4.6.8 *1-3.1 C SA1.pl4: v :XX1 C SA4.ADF : v Xx1 Tegangan impuls untuk grid CS16 dan CS64 *1 6 2.8.6.4.2 1 -..4.8.12.16 *1-3.2 C SA64.pl4: v :XX1 C SA16.AD F : v Xx1 Gambar 4. Tegangan transien grid untuk =1Ωm dengan ε dan r tetap Pada grid CS1 nilai tegangan transient maksimum 79.67 kv dan CS4 sebesar 96.8 KV. Untuk CS16 nilai tegangan transient maksimum 8.33 MV dan untuk CS64 sebesar 22.98 MV. impedansi (ohm) impedansi (ohm) 3 2 1-1 2 4 waktu (µs) - waktu (µs CS1 CS4 CS16 CS64. -.2 3 4 6 7 *1-6 9 C SD 4.pl4: v :XX1 C S1.ADF : v Xx1 *1 6 2 1 C SD 64.pl4: v :XX1 C S16.ADF : v Xx1-1 2 3 4 6 7 *1-6 8 Gambar 6. Tegangan transien grid untuk =4Ωm dengan ε dan r tetap Pada grid CS1 nilai tegangan transient maksimum 778.6 kv pada waktu 1µs dan tegangan transient CS4 sebesar 1.67 KV. Untuk CS16 nilai tegangan transient maksimum 8.347 MV dan untuk CS64 sebesar 22.99 MV pada waktu 1µs. impedansi (ohm) 3 2 1-1 Tegangan impuls untuk Grid CS16 dan CS64 waktu ( µs ) CS1 CS4 Gambar. Impedansi transien grid untuk =1Ωm dengan ε dan r tetap -14- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 3/Juni 213 impedansi (ohm) 6 4 2-2 waktu ( µs ) CS16 CS64 Gambar 7. Impedansi transien grid untuk =4Ωm dengan ε dan r tetap Nilai impedansi transient pada CS1 mencapai nilai maksimum pada 1 µs sebesar 6. Ω sedangkan CS4 mencapai nilai 26.2. Untuk CS16 nilai impedansi transient maksimum 1678 Ω dan CS64 sebesar 4622 Ω. Selanjutnya simulasi dilakukan ntuk mencari pengaruh permitivitas relatif tanah (ε) dengan nilai ε yang diubah dengan tahanan jenis tanah dan radius elektroda grid yang tetap (=1Ωm dan r=.1m ) Untuk nilai permitivitas relatif tanah ε =9 hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar. 8 1. *1 6.8.6.4.2. -.2 C S1.A D F : v Xx 2 C S4.A D F : v Xx 2 *1 6 2 1-1 2 3 4 *1-6 6 C SA6 4e 9.pl4: v :XX 2 C S16.A D F : v Xx 2 Tegangan Grid untuk CS1 dan CS64 1 2 3 *1-6 3 Gambar 8. Tegangan transien grid untuk ε =9 Pada grid CS1 nilai tegangan transient maksimum 711.4 kv dan CS4 sebesar 967.48 KV. Untuk CS16 nilai maksimum 8.33 MV dan untuk CS64 sebesar 22.98 MV. Gambar 9. Impedansi transien grid untuk ε =9 Nilai impedansi transient maksimum pada CS1 sebesar 143.3 Ω sedangkan CS4 sebesar 194.48 Ω. Untuk CS16 nilai maksimum pada 167 Ω dan CS64 sebesar 4621Ω. Untuk nilai permitivitas tanah ε = hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar. 1 1. *1 6.8.6.4.2. -.2..2.4.6.8 *1-3.1 C S A 1.p l4 : v :XX 1 C S A 4.A D F : v Xx 1 *1 6 2 1 - C S16.A D F : v Xx 1 C SA6 4. AD F : v Xx 1 Tegangan Impuls pada grid CS1 dan CS4 3 4 6 7 *1-6 9 Gambar 1. Tegangan transien grid untuk ε = Pada grid CS1 nilai tegangan transient maksimum 79.67 kv sedang CS4 sebesar -- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 3/Juni 213 96.8 KV. Untuk CS16 nilai maksimum 8.33 MV dan untuk CS64 sebesar 22.98 MV *16 2 1-1 2 3 4 *1-6 6 CS16.ADF: vxx1 CS64.ADF: vxx1 Gambar 12. Tegangan transien grid untuk r=.7m dengan dan ε tetap. Pada grid CS1 nilai tegangan transient maksimum 734.7 kv dan CS4 sebesar 14.39 KV. Untuk CS16 nilai maksimum 8.62 MV dan untuk CS64 sebesar 23.77 MV. Gambar 11. Impedansi transien untuk ε =9 Nilai impedansi transient maksimum pada CS1 sebesar 142.6 Ω sedangkan CS4 sebesar 194. Ω. Untuk CS16 nilai maksimum pada 167.73 Ω dan CS64 sebesar 462.99 Ω. Terakhir dilakukan simulasi untuk mencari pengaruh nilai radius grid pembumian (r) dengan nilai r yang diubah dengan tahanan jenis tanah dan permitivitas relatif grid yang tetap (=1Ωm dan ε= ) Untuk nilai radius grid r=.7m hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar. 12 1.2 *1 6 1..8.6.4.2. -.2 1 2 3 4 *1-6 6 CS1.ADF: v Xx1 CS4.ADF: v Xx1 Tegangan Impuls untuk Grid CS1 dan CS4 Gambar 13. Impedansi transien grid untuk r=.7m dengan dan ε tetap Nilai impedansi transient maksimum pada CS1 sebesar 147.68 Ω dan CS4 mencapai nilai 21.9 Ω. Untuk CS16 nilai maksimum pada 1734.7 Ω, CS64 sebesar 4778.42 Ω. Untuk nilai radius grid r=.2 m hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar. 14 9 *1 3 Tegangan Impuls untuk Grid CS1 dan CS4 68 46 24 2-2 1 2 3 4 6 *1-6 7 CS4.ADF: v Xx1 CS1.ADF: v Xx1-16- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 3/Juni 213 *16 2 1 - CS16.ADF: v Xx1 CS64.ADF: v Xx1 1 2 3 4 6 7 *1-6 8 Gambar 14. Tegangan transien grid untuk r=.2m dengan dan ε tetap Pada grid CS1 nilai tegangan transient maksimum 66.96 kv dan CS4 sebesar 891.6 KV. Untuk CS16 nilai maksimum 7.76 MV dan untuk CS64 sebesar 21.46 MV 3. Nilai permitivitas relatif tanah berbandingan terbalik dengan nilai tegangan transient dan juga impedansi transient grid pembumian. 4. Nilai radius grid pembumian berbanding terbalik dengan nilai dari impedansi dan juga tegangan transient pembumian grid.. Untuk ukuran dimensi grid yang besar seperti pada CS16 dan CS64, induktansi lebih mempengaruhi perubahan tegangan dan impedansi 3 6 % sedangkan untuk perubahan yang diakibatkan resistansi dan kapasitansi sekitar.8% saja. Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Ir Zulkarnaen Pane dan teman - teman atas bantuannya dalam menyelesaikan penelitian ini. Referensi Gambar. Impedansi transien grid untuk r =.2m dengan dan ε tetap Nilai impedansi transient pada CS1 mencapai nilai maksimum sebesar 132.86 Ω sedangkan CS4 mencapai nilai 179.12 Ω. Untuk CS16 sebesar 61.7 Ω dan CS64 sebesar 4314.83 Ω.. Kesimpulan Dari analisis hasil simulasi, dapat disimpulkan : 1. Nilai tegangan dan impedansi transient dari grid pembumian berbanding lurus dengan jumlah mesh grid pembumian. 2. Nilai tahanan jenis tanah berbanding lurus dengan nilai dari tegangan transient dan impedansi transient grid pembumian. [1] Hutauruk T. S, Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan, Erlangga. 1986 [2] ATP rule book, Can/Am EMTP User Group, 199. [3] Supenson S, Perhitungan Tahanan Pembumian Grid Pada Dua Lapis Tanah, Fakultas Teknik USU. 212 [4] Mitro S. Analisis Transien Beberapa Batang Elektroda Pembumian Pada Dua Lapisan Tanah. Fakultas Teknik USU. 212. [] American National Standard, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, The Institute of Electical and Electronics Engineers, Inc, New York. 2 [6] Verma, R. Mukhedkar D, Fundamental Consideration and Impuls Impedance of Grounding Grids, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. Pas- 1, No.-3 March 1981. [7] National Electrical Safety Code Handbook. -17- copyright @ DTE FT USU