Analisa Kemampuan Hantar Arus Dengan Menggunakan Metode Penggabungan Silang Selubung Kabel Antar Fasa Pada Kabel Bawah Tanah 150 kv

Jurnal Elektro ELTEK Vol., No., Oktober 011 ISSN: 086-8944 Analisa Kemampuan Hantar Arus Dengan Menggunakan Metode Penggabungan Silang Selubung Kabel Antar Fasa Pada Kabel Bawah Tanah 150 kv Teguh Herbasuki, M. Barlian Bagus P. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Nasional Malang e-mail: teguhherbasuki@yahoo.com Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa kemampuan hantar arus kabel tenaga isolasi XLPE 400mm serta pengaruh ukuran konduktor terhadap kemampuan hantar arus pada kondisi selubung kabel antar fasa terhubung silang. Cross Link Poly Ethylene (XLPE merupakan salah satu contoh bahan isolasi polimer yang diperoleh dengan cara menghubungkan secara bersilang-silang molekul- molekul polyethylene dalam sejenis proses vulkanisasi. Metode penggabungan silang selubung kabel antar fasa dapat menekan rugi- rugi akibat arus sirkulasi yang terjadi pada saluran transmisi bawah tanah. Dari hasil analisa dapat diketahui bahwa penggunaan kabel tenaga isolasi XLPE 400mm dengan menggunakan metode penggabungan silang selubung kabel antar fasa dapat meningkatkan kemampuan hantar arus hingga diperoleh arus maksimum sebesar 730,73A. temperature maksimum pada hantarannya. Beberapa literature menyebutkan pula pembatas lainya, yaitu temperatur maksimum pada bagian-bagian kabel yang terbuat dari bahan dielektrik dan temperature maksimum tanah. Dalam melakukan analisa kemampuan hantar arus harus diperhatikan parameter rugi-rugi panas pada kabel bawah tanah, antara lain: rugi-rugi konduktor, rugi-rugi dielektrik, rugi-rugi selubung, dan rugi-rugi logam pelindung II. FUNDAMENTAL a. Saluran transmisi bawah tanah ditinjau dari konfigurasi sistemnya: Kata kunci Logika Fuzzy Evolusioner, pemprograman evolusioner, Roger s Ratio, Jaringan Neural Artificial I. PENDAHULUAN Saluran bawah tanah tidak terpengaruh oleh perubahan cuaca buruk, taufan, hujan, angin, bahaya petir dan sebagainya. Selain itu saluran bawah tanah lebih estetis karena tidak mengganggu pemandangan. Karena alasan itulah maka saluran transmisi bawah tanah lebih disukai, terutama untuk daerah yang padat penduduk seperti kota besar, dan lokasi pariwisata. Salah satu masalah pada saluran bawah tanah adalah timbulnya rugi-rugi pada selubung kabel yang disebabkan adanya sirkulasi pada selubung kabel tersebut (bila kedua ujung selubung kabel ditanahkan. Rugi-rugi tersebut akan mempengaruhi atau mengurangi kemampuan hantar arus dari kabel tersebut sehingga mengurangi kapasitas penyaluran daya. Kerugian konduktor merupakan sumber panas terbesar pada kabel. Dimana rugi-rugi panas pada konduktor disebabkan karena arus yang mengalir pada konduktor. Untuk menekan kerugian tersebut digunakan metode penggabungan silang selubung kabel antar fasa yang satu dengan fasa yang lain pada sistem tiga fasa. Analisa kemampuan hantar arus suatu kabel tenaga ditentukan oleh seberapa besar panas yang dapat disalurkan oleh bagian-bagian kabel tenaga tersebut ke lingkungannya. Pembatas kemampuan hantar arus, menurut IEC 87 yaitu Gambar 1. Sistem Berurutan Saluran yang keluar dari gardu primer menyalurkan tenaga listrik kepada konsumen melalui gardu-gardu sekunder yang letaknya berurutan. Pemutus beban dipasang pada setiap ujung bagian saluran pada setiap gardu. Apabila sistemnya menjadi besar, maka arus yang diperbolehkan untuk setiap kabel menjadi lebih kecil, karena jumlah kabel sejajar semakin banyak. Kecuali itu jumlah bagian saluran yang harus diputus bertambah, operasi rele tidak dapat lagi diandalkan atau waktu berlangsungnya gangguan bertambah lama. Ini berarti bahwa secara keseluruhan keandalan sistem menurun. Ditambah lagi, karena jumlah pemisah bertambah, maka instalasi pada gardu menjadi rumit. Gambar. Sistem Banyak Terminal 159

Jurnal Elektro ELTEK Vol., No., Oktober 011 ISSN: 086-8944 Sistem ini menyerupai sistem berurutan diatas, bedanya adalah bahwa disini setiap saluran dihubungkan dengan trafo, sedang pemutus beban hanya dipasang pada ujung gardu. Gambar 3. Sistem Rangkaian Tertutup Gardu-gardu dihubungkan satu sama lain sehingga semuanya membentuk rangkaian tertutup. Sistem ini menguntungkan karena gangguan terbatas pada saluran yang terganggu saja. Bila ada gangguan saluran ini saja yang diputuskan, sedangkan saluran yang lain masih mendapat tenaga dari sumber lain dalam rangkaian yang tidak terganggu. Sistem dimana sebuah gardu menyalurkan tenaga listrik secara radial melalui gardu-gardu sekunder kepada konsumen, semuanya secara terpisah satu sama lain. Sistem ini lebih sering dikombinasikan dengan sistem berurutan atau sistem banyak terminal. b. Saluran transmisi bawah tanah ditinjau dari rangkaiannya: 1. Saluran Rangkaian Tunggal, yaitu sistem saluran transmisi yang menghubungkan tenaga listrik ke pusat beban dengan menggunakan satu saluran transmisi.. Saluran Rangkaian Ganda, yaitu sistem saluran transmisi yang menghubungkan tenaga listrik ke pusat beban dengan menggunakan dua saluran transmisi. c. Saluran Transmisi ditinjau dari Panjang Saluran: 1. Saluran pendek, yaitu saluran yang mempunyai panjang kurang dari 80km.. Saluran Menengah, yaitu saluran yang mempunyai panjang antara 80km sampai 40km 3. Saluran Panjang, yaitu saluran yang mempunyai panjang lebih dari 40km. 1. Sistem Menaruh Kabel Bawah Tanah untuk saluran transmisi ada tiga, yaitu: (Penanaman langsung kabel inti tunggal (Penanaman langsung kabel triplex Gambar 4. Sistem jaringan Sistem ini menyerupai sistem banyak terminal, bedanya adalah bahwa disini apabila terjadi gangguan pada suatu saluran atau trafo, maka pelindung jaringan sekunder akan bekerja dan memutuskan aliran pada saluran yang terganggu. Karena semua bagian sekunder terhubung pararel, maka penyediaan tenaga listrik tidak akan terganggu. Sistem ini tepat untuk penyediaan tenaga listrik pada gedung-gedung. Gambar 6. Sistem Penanaman Langsung Pada sistem ini kabel ditanam langsung dalam tanah, disesuaikan dengan lokasi kabel, yaitu sekitar 1,5m sampai m (Melalui saluran bawah tanah tiga kabel inti tunggal (Melalui saluran bawah tanah kabel triplex Gambar 7. Sistem Penanaman Melalui Saluran Gambar 5. Sistem Radial Pada sistem ini yang ditanam pipa-pipa beton atau asbes semen atau baja atau PVC keras kemudian dihubungkan dengan lubang-lubang kerja. Bila digunakan kabel inti tunggal maka digunakan pipa non magnetik untuk mengurangi rugi daya dan mencegah berkurangnya kapasitas penyaluran arus. Sistem terusan tertutup, pada saluran ini digunakan bila jumlah kabel cukup banyak, kabel dipasang pada rak kabel 160

Jurnal Elektro ELTEK Vol., No., Oktober 011 ISSN: 086-8944 dalam terusan atau terowongan yang biasanya digunakan sebagai drainase kota.. Sistem Peletakan Kabel Dalam Tanah: Gambar 8. Susunan mendatar dimana kabel diletakkan secara paralel Gambar 9. Susunan Segitiga dimana kabel tersusun atas bentuk segitiga III. METODOLOGI Kebanyakan isolasi kabel tenaga membutuhkan pelindung dalam bentuk pipa logam. Untuk kabel dengan konduktor tunggal digunakan selubung timah dan aluminium. Pipa-pipa ini berada didalam medan magnetik akibat arus pada konduktor yang menyebabkan pipa-pipa tersebut mengalami tegangan induksi sehingga pada akhirnya menaikan aliran arus induksi. Dari gambar (Konduktor tunggal dalam pipa logam dapat dilihat, arus yang mengalir pada konduktor(i c akan menginduksikan ggl e p pada dinding pipa, dimana e p maksimum berada pada permukaan dalam pipa dan e p minimum berada pada permukaan luar. Perbedaan antara ggl maksimum dan ggl minimum akan menimbulkan arus, ini disebut rugi-rugi arus pusar (eddy current loss. Rugi-rugi lain yang lebih serius pada selubung pipa logam timbul dari arus sirkulasi melalui lintasan tertutup. Metode penggabungan silang selubung kabel digunakan untuk menekan arus sirkulasi pada selubung kabel yang diilustrasikan pada gambar -15. Gambar (Penggabungan silang selubung kabel tiga fasa dengan formasi segitiga menunjukkan tiga kabel A, B dan C yang tersusun terbentuk segitiga dengan jarak antar kabel yang sama (treefoil formation, misalkan e a,a adalah fasor tegangan terinduksi pada selubung kabel A karena adanya aliran arus pada konduktor A. Karena metode penggabungan silang selubung kabel mengurangi aliran arus sirkulasi, maka selubung tidak lagi bersifat sebagai perisai magnetik sehingga tegangan induksi pada selubung A akan mengandung komponenkomponen akibat aliran arus pada konduktor B dan C. Komponen-komponen ini akan disebut sebagai e A,B dan e A,C. Fasor dari ketiga komponen tersebut digambarkan pada gambar (Penggabungan silang selubung kabel tiga fasa dengan formasi segitiga. Dari diagram tersebut tampak bahwa ggl resultan e A akan sefasa dengan e A,A, tetapi amplitudonya lebih kecil. Pada metode penggabungan selubung kabel, selubung kabel harus diisolasi dari tanah dan biasanya digunakan lapisan polythylene atau bahan plastik lainnya. Kedua ujung selubung dihubung singkat dan diketanahkan. Jarak penggabungan selubung kabel dibuat sepertiga dari jarak ujung-ujung yang diketanahkan. Pada gambar tampak bahwa bagian 1- dari kabel A dihubung singkat dengan bagian -3 dari kabel B dan kemudian dihubung singkat lagi dengan bagian 3-4 dari kabel C. Interkoneksi antara selubung-selubung yang lain dapat dibuat dengan cara yang sama. Selubung pada tempat yang digabungkan selubung kabel antar fasanya juga harus diisolasi dari tanah. Tegangan yang timbul antara tempat-tempat yang dilakukan penggabungan silang selubung kabelnya bergantung pada jarak penggabungan silang selubung kabel A, arus konduktor i c, dan jarak antar kabel d. Dari diagram fasor pada gambar tanpak bahwa tegangan nat kedua ujung yang ditanahkan semua nol, atau e 1,4 = e 5,8 = e 9,1 = 0. dengan demikian tidak ada arus sirkulasi yang mengalir pada lintasan tertutup. Keadaan ini adalah operasi ideal dari metode penggabungan silang selubung kabel pada saluran transmisi bolak-balik. Gambar. Konduktor tunggal dalam pipa logam Gambar 11. Penggabungan silang selubung kabel tiga fasa dengan formasi segitiga 161

Jurnal Elektro ELTEK Vol., No., Oktober 011 ISSN: 086-8944 Pada kenyataannya instalasi kabel dengan jarak antar kabel yang sama seperti contoh diatas sulit untuk dilakukan, kecuali jika kabel-kabel tersebut diikat menjadi satu. Dalam banyak kasus, cara tersebut merupakan solusi yang tidak memuaskan karena menimbulkan masalah pemanasan bersama. Agar mudah dalam instalasi dan tidak menimbulkan panas yang berlebihan, kabel-kabel tersebut ditanam dalam formasi sejajar (flat formation, sebagaimana diilustrasikan pada gambar (Penggabungan silang selubung kabel tiga fasa dengan formasi datar. Pada formasi ini, kedua kabel disisi luar berjarak sama dengan kabel tengah. Dibandingkan dengan susunan sebelumnya, komponenkomponen tegangan pada selubung yang diinduksikan oleh dua konduktor yang lain tidak sama besarnya sehingga menimbulkan pergeseran fasa e A, e B, e C relatif terhadap e A,A, e B,B, e C,C. Penjumlahan fasornya menjadi: e 1,4 = e 1, + e,3 + e 3,4 0 Dari diagram fasor pada gambar (Penggabungan silang selubung kabel tiga fasa dengan formasi datar didapatkan: e 1,4 = e 5,8 = e 9,1 Dengan kata lain tegangan-tegangan selubung resultan akan sama besar dan fasanya akan mengakibatkan adanya arus sirkulasi melalui rangkaian pentanahan, tetapi nilainya lebih kecil dibandingkan arus sirkulasi pada kondisi tidak dihubungkan silang selubung kabelnya. Dibandingkan dengan susunan sebelumnya komponenkomponen tegangan pada selubung yang diinduksikan oleh dua konduktor yang lain tidak sama besarnya,sehingga akan menimbulkan pergeseran fasa pada e A, e B, e C relatif terhadap e A,A, e B,B, e C,C. Dari diagram fasor pada gambar (Penggabungan silang selubung kabel tiga fasa dengan formasi datar didapatkan: e 1,4 = e 5,8 = e 9,1 Dengan kata lain tegangan-tegangan selubung resultan akan sama besar pada fasanya akan mengakibatkan adanya arus sirkulasi melalui pentanahan, tetapi nilainya lebih kecil dibandingkan arus sirkulasi pada kondisi tidak dihubung silang selubung kabelnya. IV.HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Parameter Kemampuan Hantar Arus Dalam melakukan analisa kemampuan hantar arus harus diperhatikan parameter rugi-rugi panas pada kabel bawah tanah, antara lain: rugi-rugi konduktor, rugi-rugi dielektrik, rugi-rugi selubung, dan rugi-rugi logam pelindung. Pembatas kemampuan hantar arus, menurut IEC 87 yaitu temperature maksimum pada hantarannya. Beberapa literature menyebutkan pula pembatas lainya, yaitu temperatur maksimum pada bagian-bagian kabel yang terbuat dari bahan dielektrik dan temperature maksimum tanah. Sifat hantar arus suatu bahan dinyatakan dengan resistivitas atau tahanan jenis penhantar. Pada umumnya untuk penghantar dipakai dari bahan tembaga dan aluminium. Macam-macam bahan dan sifatnya dapat dilihat pada table berikut: TABEL I TAHANAN JENIS BAHAN DAN KOEFISIEN SUHU Material Tahanan Jenis Koefisien Suhu a. Konduktor Tembaga 1,74. -8 3,93. -3 Aluminium,86.-8 4,03. -3 b. Selubung Timah 4,0. -3 Baja 13,8. -8 4,5. -3 Aluminium,84. -8 4,03. -3 (Sumber : IEC 87 Persamaan dari kerugian kabel adalah sebagai berikut: P c = I. R ac (1 Kerugian panas dielektrik per satuan panjang dihitung dengan persamaan: P d = ω. C.Vn.tan δ ( Untuk kabel dengan konduktor bulat, kapasitansi dihitung dengan persamaan: C = ε 18ln(D/d 9 (3 Rugi-rugi pada selubung metal sering dinyatakan sebagai perbandingan antara rugi panas pada selubung metal dan rugi panas pada konduktor (IEC 87 : 198: λ = P s / P c (4 Kerugian arus sirkulasi dihitung dengan persamaan:. Gambar 1. Penggabungan silang selubung kabel tiga fasa dengan formasi datar. λ = r r s ac 1 R 1+ X s (5 16

Jurnal Elektro ELTEK Vol., No., Oktober 011 ISSN: 086-8944 Untuk pentanahan pada satu titik dimana tiap bagian besar dibagi-bagi menjadi tiga bagian kecil yang sama panjang dan rugi panas arus sirkulasi sama dengan nol. Faktor rugi-rugi karena arus sirkulasi untuk kabel transmisi dengan system hubung silang direkomendasikan oleh IEC adalah sebagai berikut: λ' = 0,03 untuk kabel ditanam langsung Tegangan yang diinduksikan pada selubung karena arus dalam penghantar, untuk sistem dengan dua kabel akan menimbulkan induksi bersama. Harga-harga konstanta formasi untuk λo, D1 dan D dihitung dengan rumus: m d λ 0 = 1 + m s ( 1, 4m+ 0, 7 d D1 = 0,86m 3,08 ds D = 0 Rugi total yang terjadi merupakan penjumlahan dari masing-masing komponen, sehingga: λ = λ + λ Kabel menjadi panas karena kerugian yang dihasilkan oleh arus dalam konduktor. Panas yang hilang sama dengan penjumlahan semua kerugian pada kabel. Aliran panas (Heat Flow adalah dimana aliran panas φ analog dengan arus listrik I, perbedaan temperature Δθ analog dengan beda tegangan V, dan tahanan panas total ΣT analog dengan tahanan listrik R, sehingga: Persamaan V = I R Analog dengan Δθ = φ ΣT (8 Maka kenaikan temperature pada tiap-tiap konduktor adalah: Δθ={I R+P d /}T1+{I (1+λ+P d }nt+{i R(1+λ+P d }n(t3 +T4 (9. Perhitungan Arus Perhitungan Kapasitas Arus kabel Tenaga dengan Isolasi Polimer (XLPE 400mm a. Perhitungan Resistansi Konduktor Nilai Rac diperoleh dari lampiran. Untuk data kabel dengan luas penampang konduktor 400m,nilai Rac adalah 0,046 Ω/km = 4,6. -5 Ω/km. b. Kerugian Dielektrik Data-data untuk menghitung kerugian dielektrik: ε, konstanta dielektrik =,5 tan δ, power factor = 0,008 D, diameter luar = 7,1mm d, diameter dalam = 4,1mm Vn, tegangan fasa ke netral 150.000 = = 8660,5V 3 (6 (7 Besar kapasitansi pada saluran transmisi: ε 9 C = 18ln( D / d,5 C = 18ln(7,1/ 4,1 C = 1,67. - F/m 9 Maka besar kerugian dielektrik: Pd = ω.c.vn.tanδ =.π.50.1,67. -.(8660,5.0,008 =,388 W/m c. Faktor Kerugian Selubung Logam Rugi panas yang terjadi pada kabel terjadi pula pada selubung logam. Untuk menghitung faktor kerugian selubung kabel harus dihitung tahanannya. α, koefisien suhu = 0,004/ o C rs, resistivitas bahan = 1,4. -8 Ω/m Ts, temperature = 50 o C D, diameter luar = 75,1 mm ts, ketebalan = 1,5 mm Tahanan dari selubung logam: 40. rs(1 + α( Ts 0 5 Rs = π (( D + ts ( D ts 8 40.1,4. (1 + 0,004(50 0 = π ((75,1 + 1,5 (75,1 1,5 = 6,77. -4 Ω/m Faktor rugi selubung disebabkan oleh arus sirkulasi dan arus Eddy. Faktor kerugian arus sirkulasi λ = 0,03 Faktor kerugian arus Eddy Rac tahanan AC konduktor = 4,6. -5 Ω/km s, jarak antar kabel = 00 mm d, diameter selubung luar = 75,1 mm. π. f 7 m = R s. π.50 7 = 4 6,77. = 0,0464 m d λo = 6 1 + m s 0,0464 = 6 1 0,0464 + 4 = 4,54. 3,08 d D 1 = 0,86. m s 75,1.00 (1,4 m+ 0,7 5 163

Jurnal Elektro ELTEK Vol., No., Oktober 011 ISSN: 086-8944 D = 0 = 0,86.0,0464 = 1,868. 5 3,08 75,1.00 Maka faktor kerugian arus Eddy: Rs λ " = ( λ0(1 + D1 Rac 4,77. = 4,54. 5 4,6. = 0,0066 (1,4.0,0464+ 0,7 4 ( (1 + 1,868. 6 5 Maka faktor kerugian selubung logam: λ = λ' + λ" = 0,03 + 0,0066 = 0,0366 d. Parameter Thermis Tahanan panas isolasi Data-data untuk menghitung tahanan panas isolasi: g1, tahanan panas isolasi = 3,5 o C m/w t1, ketebalan isolasi = 4 mm dc, diameter konduktor = 4,1 mm T1 g1. t1 = ln 1 + π dc 3,5.4 = ln1 + = 0,61 o C m/w π 4,1 Tahanan panas lapisan anti korosi T = 0 Tahanan panas selubung luar Data-data untuk menghitung tahanan panas selubung luar: g3, tahanan panas PVC = 6 o C m/w t3, ketebalan selubung luar = 4,5 mm dsi, diameter dalam selubung luar = 84,5 mm g3. t3 T3 = ln 1 + π dsi 6.4,5 = ln1 + π 84,5 o C m/w = 0,0966 3. Tahanan panas dari tanah Data-data untuk menghitung panas dari tanah: gt, tahanan panas tanah = 0,9 o C m/w h, kedalaman penanaman = 400 mm s, jarak kabel = 00 mm D, diameter kabel = 86 mm T 4 gt h 4h ln + ln 1 + π D s = 0,9.400 4.400 = ln ln 1 + 86 + π 00 o = 1,487 Cm / W a. Perhitungan Kapasitas Arus Data-data untuk menghitung kapasitas arus: R ac = 4,6. -5 Ω/m Pd =,388 W/m λ = 0,0366 T1 = 0,61 o C m/w T = 0 o C m/w T3 = 0,0966 o C m/w T4 = 1,487 o C m/w θm = 85 o C θs = 5 o C I = R θ ac Pd ( 0,5T 1+ T + T3 + T 4 ( T1+ ( 1+ λ( T + T3 + T 4 1/ ( 85 5,388( 0,5.0,61+ 0 + 0,966 + 1,487 5 ( 0,61+ ( 1+ 0,0366( 0 + 0,0966 + 1,487 4,6. = 730,37 = TABEL II HASIL PERHITUNGAN PARAMETER KEMAMPUAN HANTAR ARUS (Kabel bawah tanah isolasi XLPE 400mm Parameter Rugi-rugi Simbol Isolasi XLPE Rugi konduktor R ac (Ω/m 4,6. - Rugi dielektrik P d (W/m,388 Rugi selubung λ 0,0366 Tahanan panas isolasi T1 ( o C 0,61 m/w Tahanan panas lapisan pelindung metal T ( o C m/w 0 Tahanan panas selubung T3 ( o C 0,0966 luar m/w Tahanan panas tanah T4 ( o C 1,487 m/w Kemampuan hantar arus I (A 730,37 (Sumber: hasil perhitungan V. KESIMPULAN Dari hasil analisa dapat disimpulkan bahwa besarnya kemampuan hantar arus dengan menggunakan kabel isolasi polimer XLPE 400mm dapat dimaksimalkan sampai sebesar 730,73A. Hal ini dikarenakan adanya penerapan metode penggabungan silang selubung kabel antar fasa pada saluran transmisi tersebut, dimana rugi-rugi panas dapat ditekan. 5 1/ 164

Jurnal Elektro ELTEK Vol., No., Oktober 011 ISSN: 086-8944 DAFTAR PUSTAKA [1]. Weddy. Underground Transmission of Electric Power, Jhon Willey and Son, New York, 1986. []. Gonen, Turan. Electrical Power Transmission System Engineering Analisys and Design, Jhon Willey and Son Inc, New Ypork, 1988. [3]. Graneau, Peter. Underground Power Transmission, Jhon Willey and Son, New York, 1980. [4]. Hutahuruk, TS. Transmisi Daya Listrik, Erlangga, Jakarta, 1985. [5]. IEC Publication 87, Calculation of The Continuos Current Rating of Cable, Genewa, Swiss, 198. [6]. Roy, D. Coupling of Metal Shields, Characteristics PAR Unit Length, Tim kerja sama PLN ITB Bandung, 1988. 165