BAB II TEORI DASAR GANGGUAN PETIR II.1 Umum Gangguan petir pada saluran transmisi adalah gangguan akibat sambaran petir pada saluran transmisi yang dapat menyebabkan terganggunya saluran transmisi dalam menghantarkan daya listrik. Gangguan petir ini dapat dibedakan menjadi dua bagian, yaitu : 1. Gangguan akibat sambaran langsung, yang terdiri dari : a. Gangguan petir pada kawat tanah, b. Gangguan petir pada kawat fasa atau kegagalan perisaian. 2. Gangguan petir akibat sambaran tidak langsung atau sambaran induksi. Satuan gangguan akibat sambaran petir diberikan dalam jumlah gangguan per 100 km per tahun. Pada saluran transmisi tegangan tinggi, gangguan akibat sambaran induksi sangat kecil kemungkinannya sehingga dapat diabaikan. Hal ini disebabkan tegangan induksi besarnya antara 100-200 kv dan muka gelombangnya lebih dari 10µs. II.2 Mekanisme Sambaran Petir Petir adalah mekanisme pelepasan muatan listrik di udara yang dapat terjadi di dalam awan, antara awan, awan dengan udara, dan antara awan dengan tanah. Antara awan dan permukaan bumi dapat dianalogikan seperti kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama adalah awan dan lempeng kedua adalah bumi. Proses terjadinya muatan pada awan adalah akibat adanya pergerakan awan secara 5
teratur dan terus menerus. Dan selama pergerakannya, awan akan terpolarisasi sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi, sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Biasanya muatan negatif berada di bagian bawah awan dan muatan positif berada di bagian atas. Muatan listrik pada awan ini mengakibatkan adanya beda potensial antara awan dengan bumi, sehingga timbul medan listrik antara awan dengan bumi. Jika medan listrik lebih besar daripada kekuatan dielektrik udara yang mengantarai bumi dengan awan, maka akan terjadi pelepasan muatan. Pelepasan pertama terjadi di udara yang berada di sekitar awan bermuatan. Pelepasan ini disebut pilot reader. Di ujung pilot leader terjadi proses ionisasi sehingga terjadi pelepasan kedua yang disebut dengan downward leader. Di ujung downward leader terjadi lagi pelepasan muatan menuju ke bumi. Demikian seterusnya proses pelepasan berlangsung terus sehingga downward leader semakin mendekati bumi. Ujung dari downward leader semakin mendekati bumi disebut sebagai leader. Gambar mekanisme proses terjadinya petir dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut ini: Pilot Leader Pilot Leader leader Downward leader d (a) (b) 6
Multiple stroke Striking point (c) (d) Gambar 2.1 Tahapan Sambaran Petir ke Tanah Ketika leader mendekati bumi terjadi medan listrik yang sangat tinggi antara ujung leader dengan bumi, sehingga terjadi penumpukan muatan di ujung suatu objek yang berada di permukaan bumi. Dengan demikian muatan yang berasal dari bumi bergerak menuju ujung leader. Titik bertemunya kedua aliran yang berbeda muatan ini disebut striking point dapat dilihat pada Gambar 2.1.c. Sesaat setelah itu terjadi perpindahan muatan dari tanah ke awan melalui sambaran balik. Perpindahan muatan dari awan ke tanah akan kembali memunculkan beda potensial yang tinggi antara pusat muatan di awan seperti pada Gambar 2.1.d. Akibatnya, terjadi pelepasan muatan susulan atau yang disebut pelepasan muatan berulang (multiple stroke). II.3 Gangguan Sambaran Langsung Petir Gangguan akibat sambaran langsung petir adalah adanya sambaran petir yang langsung mengenai suatu objek tertentu. Sambaran petir langsung dapat menimbulkan bermacam-macam gangguan yang tidak hanya membahayakan peralatan listrik namun juga bisa 7
mengancam keselamatan jiwa manusia. Besarnya tegangan yang diakibatkan sambaran petir ini dapat mencapai 3000 kv. Gangguan pada jaringan listrik dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu sambaran petir mengenai kawat tanah dan sambaran petir mengenai kawat fasa. Sambaran petir yang langsung mengenai kawat tanah dapat mengakibatkan hal-hal sebagai berikut: Terputusnya kawat tanah. Arus yang besar menyebabkan panas yang tinggi pada kawat tanah yang dapat melampaui kekuatan kawat untuk menahannya. Naiknya potensial kawat tanah yang diikuti oleh backflashover ke kawat fasa. Pada saat terjadi sambaran pada kawat tanah, dengan cepat potensialnya naik mencapai nilai yang cukup tinggi sehingga dapat mengakibatkan lompatan muatan listrik ke kawat fasa di dekatnya. Sambaran langsung mengenai kawat fasa mengakibatkan kenaikan tegangan tinggi pada kawat fasa. Kenaikan tegangan yang cukup tinggi ini dapat menyebabkan pecahnya isolator, kerusakan trafo tenaga dan pecahnya arrester. II.4 Kawat Tanah sebagai Pelindung Saluran Transmisi Kawat tanah digunakan untuk melindungi kawat fasa dari sambaran yang langsung mengenai kawat fasa. Kawat tanah berfungsi sebagai perisai dari kawat fasa sehingga sering juga disebut pengamanan saluran transmisi dengan cara perisaian atau shielding. 8
Pada sambaran langsung, kawat tanah akan menangkap energi sambaran petir lalu dialirkan ke dalam tanah secara langsung melalui menara atau tiang yang ditanahkan. Dengan mengalirnya energi sambaran ini ke dalam tanah maka tegangan lebih yang timbul pada isolator dan saluran dapat dikurangi sehingga kerusakan pada isolator dapat dihindarkan. Salah satu yang harus menjadi pertimbangan dalam pembangunan jaringan transmisi adalah letak kawat tanah di atas kawat fasa. Kawat tanah harus dipasang sedemikian rupa agar sambaran-sambaran petir dapat terpusat pada kawat tanah saja dan tidak sampai mengenai kawat fasa sehingga tidak terjadi kegagalan perisaian. Posisi kawat tanah terhadap kawat fasa dapat dinyatakan dengan besarnya suatu sudut yang disebut dengan sudut perisaian yaitu sudut yang dibentuk oleh garis vertikal yang melalui kawat tanah dan garis yang menghubungkan kawat tanah dan kawat fasa paling luar pada konfigurasi horizontal dan kawat fasa paling atas pada konfigurasi vertikal. Kawat tanah h θ Kawat fasa Gambar 2.2 Sudut Perisaian pada Menara Transmisi 9
Besarnya sudut perisaian dalam prakteknya dipengaruhi oleh ketinggian kawat tanah di atas kawat fasa. Semakin tinggi kawat tanah maka sudut perisaian semakin kecil yang berarti kawat fasa semakin terlindung dari sambaran langsung. II.5 Efektivitas Perlindungan Kawat Tanah Efektivitas perlindungan kawat tanah diharapkan mampu melindungi kawat fasa dengan baik, sehingga tidak terjadi sambaran petir langsung ke kawat fasa. Keefektipan perlindungan kawat tanah bertambah baik jika kawat tanah semakin dekat dengan kawat fasa. Untuk memperoleh perlindungan (perisaian) yang baik, harus memenuhi persyaratan penting sebagai berikut: Jarak kawat tanah di atas kawat fasa diatur sedemikian rupa agar mencegah sambaran pada kawat-kawat fasa. Pada tengah gawang kawat tanah harus mempunyai jarak yang cukup di atas kawat fasa untuk mencegah terjadinya lompatan api karena tegangan pantulan negatif dari dasar menara yang kembali ke tengah gawang. Saat petir menyambar menara secara langsung, tidak terjadi flashover pada isolator. Tahanan kaki menara harus cukup kecil untuk menurunkan tegangan yang membebani isolator agar tidak terjadi lompatan api (flashover) pada isolator. 10
II.6 Sambaran Petir pada Menara Transmisi Skema sambaran pada menara terdapat pada Gambar 2.3. Arus sambaran, I dibagi menjadi 3 bagian, I t mengalir melalui menara, dan sisanya dibagi secara rata dan mengalir dengan arah yang berlawanan pada kawat tanah, I = I t + I s (2.1) Tiga gelombang tegangan yang besarnya sama dengan tegangan awal puncak menara (V o ) akan berjalan dari titik sambaran pertama sepanjang menara ke arah tanah dengan kecepatan kurang dari kecepatan cahaya di ruang bebas, dan gelombang lainnya berjalan dengan arah yang berlawanan sepanjang kawat lindung dengan kecepatan sebanding dengan kecepatan cahaya di ruang bebas. Ketiga gelombang tersebut akan direfleksikan dan ditransmisikan pada titik transisi terdekat. Tegangan menara akan secara berulang direfleksikan antara tahanan kaki menara dan puncak menara. Tegangan kawat tanah akan direfleksikan dan ditransmisikan pada menara yang terdekat. Gelombang tegangan yang ditransmisikan pada menara terdekat akan berjalan melalui menara yang lebih jauh dan juga naik turun pada menara yang terdekatnya. Proses ini akan berjalan sebagai gelombang tegangan yang ditransmisikan sepanjang kawat lindung. Dikarenakan kesimetrisan sepanjang menara yang disambar, saluran dengan kawat lindung dapat disederhanakan seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2b. Konsekuensinya, semua impedansi akan menjadi setengahnya, kecuali Z t dan R tf pada menara yang kena sambaran. Tegangan yang direfleksikan dari menara terdekat akan terpolarisasi berlawanan dengan gelombang tegangan petir karena kombinasi paralel dari Z s dan Z t pada menara yang terdekat. Karenanya 11
tegangan puncak menara yang kena sambaran akan berkurang setiap kali refleksi terjadi dan datang dari menara yang berdekatan. Sementara itu tegangan sepanjang menara yang disambar akan direfleksikan dari tahanan kaki menara. I 0,5 I S 0,5 I S Z s Z s Z s Z s I t Z t Z p Z t Z p Z t Z p R tf R tf R tf a tt a st I a sr I S 0,5 Z s 0,5 Z s a tr a I t gr Z t 0,5 Z p 0,5 Z t 0,5 Z p a gt R tf 0,5 R tf a st a sr a st a sr I V tt a gt a gr a tr a tt ` ` Gambar 2.3 Sambaran ke Menara untuk Saluran Terlindung Polaritas tegangan yang direfleksikan ini akan tergantung dari magnitude R tf berbanding dengan Z t, jika R tf < Z t maka gelombang tegangan yang direfleksikan akan berlawanan kutub dan akan mengurangi tegangan puncak menara V tf, pada kedatangannya di puncak menara. Jika R tf > Z t, maka V tt akan naik. Karena pendeknya jarak menara dibandingkan dengan panjang rentang, 12
refleksi dari tahanan kaki menara akan datang pada puncak menara secepatnya sehingga sangat penting bahwa R tf dibuat serendah mungkin. Tegangan pada titik manapun dalam sistem saluran udara dapat dilacak dengan diagram lattice. Tegangan untai isolator menentukan laju kegagalan saluran. Tegangan untai isolator dari menara yang disambar terjadi pada tegangan tinggi. Refleksi yang berturut-turut menaikturunkan tegangan menara yang tersambar akan menentukan faktor probabilitas kegagalan untai isolator. Penambahan dari refleksi pertama dari menara yang terdekat akan menambah keakuratan. Refleksi selanjutnya dapat diabaikan tanpa mengorbankan keakurasiannya. Gambar 2.2c menunjukkan diagram lattice gelombang tegangan sepanjang menara yang tersambar sepanjang adanya kawat tanah. Impedansi surja ekivalen dapat dilihat dengan arus sambaran balik ketika menyambar puncak menara (Gambar 2.2b) adalah: Z eq = Z sz t Z s +2Z t (2.2) Tegangan puncak menara awal dari menara yang disambar (V o ) adalah: V o = IZ eq (2.3) adalah: Refleksi tegangan dan koefisien transmisi pada tahanan kaki menara R tf a gr = R tf Z t R tf +Z t dan (2.4) a gt = 1 + a tr (2.5) Tegangan direfleksikan pada R tf, berjalan melewati menara, sebagian lagi direfleksikan kembali ke menara, dan sisanya ditransmisikan pada puncak menara ke kawat lindung. Koefisien ini adalah: 13
a tr = Z s 2Z t Z s +2Z t (2.6) a tt = 1 + a tr (2.7) Refleksi berganda terjadi sepanjang kawat lindung antara menara yang disambar dan menara yang berdekatan. Koefisien refleksi dan transmisi pada menara yang berdekatan adalah: a sr = Z s dan (2.8) Z s +2Z t a st = 1 + a sr = 2Z t (2.9) Z s +2Z t Koefisien yang bersesuaian dengan menara yang disambar adalah: a sr = 2Z t Z s 2Z t +Z s dan (2.10) a st = 1 + a sr (2.11) Tegangan puncak menara (V tt ) adalah: V tt = V o (t)u(t) + a tt a gr a tr a gr a 1 V o (t 2nτ t )u(t 2nτ t ) + a st a sr V o (t 2nτ s )u(t 2nτ s ) (2.12) Dengan τ s dan τ t adalah waktu jalan sepanjang jarak rentang dan panjang menara, n berubah antara 1 dan harga integer dari t/2τ t. Jika lengan menara dengan puncak menara, tegangan untai isolator menjadi: V ins = 1 K sp V tt (2.13) Jika tangan menara tidak terlalu dekat dengan puncak menara, maka tegangan lengan menara (V ca ) dapat ditentukan dari diagram lattice. Maka tegangan untai isolator: V ins = V ca K sp V tt (2.14) 14
Tegangan lengan menara akan berbeda dengan tegangan puncak menara, khususnya untuk konfigurasi saluran vertikal, tegangan bagian atas lengan menara akan mempunyai tegangan yang lebih tinggi, karena refleksi dari kaki-kaki menara akan datang lebih lambat. Demikian juga, tegangan pada lengan menara yang lebih jauh akan lebih rendah juga. Kopling elektromagnetik bagian atas konduktor fasa pada kawat lindung akan lebih tinggi dan bagian bawah konduktor fasa akan lebih rendah. Oleh karenanya tidak mungkin untuk menyatakan bahwa untai isolator akan mempunyai tegangan yang lebih tinggi tanpa menghitung masing-masing bagian. Jika V ins lebih besar dari critical flashover (CFO) untai isolator, maka backflashover akan terjadi melewati untai isolator. Oleh karenanya haruslah diperhatikan bahwa magnitude kritis arus sambaran balik lebih tinggi yang menyambar menara akan menimbulkan backflashover. 15