BAB III PELINDUNG SALURAN TRANSMISI Seperti kita ketahui bahwa kilat merupakan suatu aspek gangguan yang berbahaya terhadap saluran transmisi yang dapat menggagalkan keandalan dan keamanan sistem tenaga dan tak mungkin dihindari, sedangkan alat-alat pengaman seperti fusegap dan rodgap terbatas kemampuanya, maka untuk mengurangi akibat yang ditimbulkan digunakan arrester dan kawat sehingga koordinasi isolasi akan ekonomis. Penggunaan kawat tanah di tujukan untuk pengaman saluran transmisi terhadap sambaran kilat. Khususnya sambaran langsung mengenai kawat fasa. Disini kawat tanah berfungsi sebagai perisai. Energi sambaran kilat akan dialirkan ke dalam tanah melalui menara atau tiang yang ditanahkan oleh tanah tersebut. Lightning arester sendiri adalah suatu alat pengaman atau proteksi bagi peralatan terhadap tegangan lebih yang disebabkan oleh surja petir maupun surja hubung. Dalam kondisi normal lightning arester berfungsi sebagai isolator, apabila timbul gangguan surja petir atau surja hubung alat ini akan berubah menjadi konduktor yang mengalirkan arus surja ketanah dan akan berubah lagi menjadi isolator jika keadaan sudah normal, sehingga peralatan dapat bekerja secara optimal.
3.1 Kawat Tanah Udara (Overhead Ground Wire) Kawat tanah udara adalah kawat konduktor,acsr, ditempatkan diatas kawat-kawat fasa. Mulanya kawat ini dimaksudkan sebagai proteksi terhadap induced stroke (induksi yang disebabkan oleh sambaran kilat disekitar kawat transmisi, jadi sambaran tidak langsung). Akan tetapi ternyata dari praktek maupun teori, sebagian utama yang menimbulkan gangguan adalah sambaran langsung atau direct stroke. 3.1.1 Sambaran Tak Langsung (Induced Stroke) Ketika arus listrik melalui awan jatuh kebumi, arus listrik tersebut menginduksi ditanah terhadap pengkutuban yang berlawanan dengn awan itu (Gambar 3.1). Bentuk kawasan awan tersebut terhadap tanah menyebar dan menutup sebagian permukaan tanah, permukaan tanah yang tertutup itu lebih besar dari pada permukaan awan itu sendiri. Dasar bagian bawah dari pada awan itu biasanya bersifat negative. Jadi induksi arus listrik di bumi biasanya bersifat positif. Jika kawat transmisi merupakan suatu garis pemisah antara permukaan awan dan tanah, arus listrik akan kelihatan di permukaan garis konduktor dan kawat tanah.
Gambar 3.1. Daerah awan dan batasan dari tanah dan jaringan transmisi Kumpulan arus listrik pada garis konduktor disebabkan oleh kebocoran sekeliling isolator dan perputaran dari pada konduktor diluar pengaruh awan. Arus listrik lebih mudah mengumpul diatas kawat tanah dengan perpindahan tegak lurus terhadap menara dari tanah. Jika sambaran yang berasal dari awan mengenai tanah dekat garis pemisah, daerah awan akan runtuh pada waktu tertentu dan lompatan arus listrik digaris konduktor dan bebas bergerak berlawanan arah, membentuk putaran gelombang mungkin berakhir membentuk dataran aliran arus (Gambar 3.2). Gambar 3.2. Induksi tegangan di jaringan transmisi dengan keruntuhan daerah awan. Arus listrik pada bawah kawat tanah berbatasan dengan menara-menara dan pada garis konduktor bergerak sangat cepat dan menghilangkan secara brangsur-angsur di corona serta kehilangan muatan. Tegangan listrik muncul
digaris atas tergantung kepada perbandingan (ukuran) dari pada keruntuhan daerah awan dan kapasitas kemampuan ruangan antara jaringan dan tanah, kalau circuit tanpa kawat-kawat tanah udara, dan kalau terjadi keruntuhan daerah awan pada waktu nol, tegangan listrik di konduktor akan sebanding dengan peningkatan potensial gradien dari pengadaan pembesaran ketinggian awan dari pada kawat tanah udara diatas permukaan tanah menambah kekuatan penghantar dibumi, dan dengan peningkatan awan yang banyak mendatangkan lingkaran cahaya, kapasitas selanjutnya bertambah sebab efektif diameter tanah bertambah dengan lingkaran cahaya. 3.1.2 Sambaran Langsung Pada Menara Untuk sambaran langsung, kawat tanah melindungi (shileding) kawat fasa, dan untuk memperoleh perlindungan yang baik kedudukan kawat tanah harus memenuhi beberapa persyaratan yang penting, antara lain : a. Kawat tanah harus cukup tinggi diatas kawat fasa dan diatur sedemikian rupa agar dapat mencegah sambaran pada kawat-kawat fasa. b. Pada tengah gawang kawat tanah harus mempunyai jarak yang cukup di atas kawat fasa untuk mencegah terjadinya loncatan sebagian pada waktu yang diperlukan untuk gelombang pantulan negatif dari menara kembali ke tengah gawang dan ini akan mengurangi tegangan pada tengah gawan. c. Tahanan kaki menara harus cukup rendah untuk membatasi tegangan pada isolator agar tidak terjadi loncatan api pada isolator.
d. Bila dipakai untuk proteksi terhadap gardu induk, kawat tanah harus cukup panjang sehingga surja yang masuk dapat diredam sampai harga yang tidak berbahaya sewaktu mencapai gardu induk Sambaran langsung merupakan sebab utama dari gangguan yang disebabkan oleh kilat. Bila sambaran mengenai menara transmisi, arus yang besar sekali mengalir ke tanah dan sepasang gelombang berjalan merambat pada kawat tanah. Gambar 3.3 menunjukkan sambaran kilat dengan impedansi surja z ke menara, pada keadaan ideal. Gambar 3.3 Gelombang berjalan pada kawat tanah yang disebabkan oleh kilat
3.1.2.1 Efek Bentuk Gelombang Makin panjang front gelombang serta makin rendah tegangan akan menyebabkan gelombang pantulan yang timbul dan telah mulai memperkecil gelombang datang. 3.2 Akibat Pelindung Kawat Tanah Sebagai akibat dari mengalirnya energi sambaran ke dalam tanah, maka tegangan lebih yang timbul pada isolator saluran akan dapat dibatasi, dengan demikian penembusan pada isolator dapat dibatasi. Untuk memperoleh hasil yang unik maka penempatan kawat tanah haruslah memenuhi syarat, antara lain : a. Kawat tanah harus cukup tinggi di atas fasa dan diatur sedemikian rupa agar dapat mencegah sambaran langsung pada kawat-kawat fasa. b. Pada tengah gawang kawat tanah harus mempunyai kawat fasa untuk mencegah terjadinya loncatan sebagian c. Tahanan kaki menara harus cukup rendah. 3.3 Perlindungan Gardu Induk Perlindungan gardu induk terbagi dalam 2 bagian : a. Perlindungan terhadap sambaran langsung b. Perlindungan terhadap gelombang yang datang dari kawat transmisi.
Perlindungan terhadap sambaran langsung ialah dengan kawat tanah. Bila perlindungan ini sempurna, maka yang perlu diperhatikan adalah gelombang yang datang dari kawat transmisi. Bila kawat-kawat fasa cukup terlindung dari sambaran langsung, maka sumber gelombang berjalan biasanya adalah lompatan api dari isolator, umumnya tegangan ini lebih tinggi dari tingkat isolari dasar (TID) dari peralatan gardu, tegangan lebih ini harus dilakukan ke tanah oleh arrester atau alat-alat perlindungan lainnya. Untuk menghitung tegangan impuls pada gardu, didefenisikan dengan dua hal : 1. Daerah bahaya atau vulnarable zone, ialah jarak diluar kawat dimana suatu gelombang surja dapat timbul dan membahayakan gardu. 2. Indeks terusan gardu atau station refraction index ialah ukuran dari perubahan puncak dan muka gelombang yang dialaminya ketika memasuki gardu. Panjang dari bahaya merupakan fungsi dari : - Redaman dan distorsi gelombang pada saluran - Indeks terusan dari gardu induk Sedang indeks terusan itu sendiri tergantung pada : - Bentuk gelombang datang - Karakteristik peralihan dari peralatan gardu dan alat-alat perlindungan. Sepanjang perambatan pada kawat transmisi, gelombang mengalami redaman dan distorsi yang disebabkan oleh korona, pengaruh kulit, resitivitas
tanah, dan gendengan. Selain itu, bentuknya juga dapat berubah karena pantulan ketika mencapai gardu. 3.4 Lightning Arrester Lightning Arrester atau sering disebut juga penangkal petir adalah alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap sambaran petir. Pada kerja normal, arrester berlaku sebagai isolator dan bila timbul surja, arrester berlaku sebagai konduktor, jadi melewatkan aliran arus yang tinggi. Setelah surja hilang, arrester harus dengan cepat kembali menjadi isolator, sehingga pemutus daya tidak sempat membuka. Gambar 3.4 Proses pengamanan petir oleh lightning arrester
Gambar 3.5 Lightning Arrester Arrester terdiri dari dua jenis : 1. Jenis ekspulsi (expulsion type) atau tabung pelindung 2. Jenis katup (valve type) 3.4.1 Lightning Arrester jenis Ekspulsi atau Tabung Pelindung Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung pada prinsipnya terdiri dari sela percik yang berada dalam tabung serat dan sela percik batang yang berada di luar atau disebut sela sari Arrester jenis ekspulsi ini mempunyai karakteristik Volt-waktu yang lebih baik dan dapat memutuskan arus susulan. Kemampuan untuk memutuskan arus susulan tergantung dari tingkat arus hubung singkat dari sistem pada titik di mana arrester dipasang. Dengan demikian perlindungan dengan arrester ini dipandang tidak memadai untuk perlindungan transformator daya, kecuali untuk sistem distribusi.
Arrester ini banyak digunakan pada saluran transmisi untuk membatasi besar surja yang memasuki gardu induk. Gambar 3.6 Elemen-elemen arrester jenis ekspulsi atau tabung 3.4.2 Lightning Arrester jenis katup Arrester jenis katup ini terdiri dari sela percik terbagi atau sela seri yang terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak linear. Gambar 3.7 Elemen-elemen arrester jenis katup
Arrester jenis katup ini dibagi dalam empat jenis : 1. Arrester katup jenis gardu Arrester katup jenis ini adalah yang paling efisien dan juga paling mahal. Pemakaiannya secara umum pada gardu induk besar. Umumnya dipakai untuk melindungi alat-alat yang mahal pada rangkaian 2,4 kv sampai 287 kv Gambar 3.8 Lightning arrester katup jenis gardu 2. Arrester katup jenis saluran Arrester jenis saluran ini lebih murah dari arrester jenis gardu induk. Arrester jenis ini dipakai pada saluran dengan tegangan 15 kv sampai 69 kv Gambar 3.9 Lightning arrester katup jenis saluran
3. Arrester katup jenis gardu untuk mesin-mesin Arrester jenis gardu ini khusus untuk melindungi mesin-mesin berputar. Pemakaiannya untuk tegangan 2,4 kv sampai 15 kv 4. Arrester katup jenis Distribusi untuk mesin-mesin Arrester ini khusus dipakai untuk melindungi mesin-mesin berputar dengan tegangan 120 volt sampai 750 volt Gambar 3.10 Lightning arrester katup jenis gardu untuk mesin-mesin 3.5 Pemilihan Arrester Dalam memilih arrester yang sesuai untuk keperluan tertentu, beberapa factor harus diperhatikan, yaitu : 1. Kebutuhan perlindungan : berhubungan dengan kekuatan isolasi dari alat yang harus dilindungi dan karakteristik impuls dari arrester 2. Tegangan sistem : Adalah tegangan maksimum yang mungkin timbul pada jepitan arrester 3. Arus hubung singkat sistem 4. Jenis arrester
5. Factor kondisi luar : temperature dan kelembaban yang tinggi serta pengotoran 6. Factor ekonomi 3.6 Pengenal arrester Pada umumnya, pengenal atau rating arrester hanya pengenal tegangan. Pada beberapa tabung pelindung atau arrester jenis ekspulsi perlu juga disebut pengenal arusnya yang menentukan kapasitas termal arrester tersebut Supaya pemakaian arrester lebih efektif dan ekonomis, perlu diketahui 4 macam karakteristiknya : 1. Pengenal tegangan 2. Karakteristik perlindungan atau karakteristik impuls 3. Kemampuan pemutusan arus frekuensi dasar 4. Kemampuan menahan atau melewatkan arus surja 3.7 Pemasangan arrester Daerah perlindungan harus mempunyai jangkauan yang cukup luas untuk melindungi semua peralatan gardu induk yang mempunyai BIL (Basic Insulation Level) atau lebih tinggi dari daerah perlindungan, diantaranya adalah : a. Arrester harus dipasang sedekat mungkin dengan peralatan utama
b. Tahanan tanahnya harus rendah serta kapasitas arrester harus dapat meneruskan arus besar yang berasal dari simpanan tenaga yang terdapat dalam saluran yang panjang. c. Jatuh tegangan maksimum dari arrester dipakai sebagai tingkat perlindungan arrester. d. Pengaruh dari sejumlah kawat dalam melindungi bahay petir maupun surja hubung perlu diperhatikan untuk pemasangan arrester. 3.8 Kegagalan arrester Pada keadaan normal, arrester harus berfungsi sebagai isolator tetapi dalam keadaan gangguan (terjadinya tegangan lebih) maka arrester dengan secepat mungkin akan berfungsi sebagai konduktor untuk mem-by-pass tegangan lebih yang timbul dan mampu memutus arus susulan yang terjadi maka dengan secepat mungkin arrester berfungsi kembali sebagai isolator. Kegagalan arrester untuk mengalirkan tegangan lebih ke tanah akan mengakibatkan rusaknya peralatan pada gardu. Beberapa factor yang mengakibatkan gagalnya arrester bekerja untuk mengamankan peralatan dari tegangan lebih yaitu : - Tahanan pada arrester - Tabung arrester - Tegangan dasar maksimum - Penurunan tingkat isolator
3.9 Karakteristik lokasi arrester dengan tingkat isolasi peralatan yang dilindungi. Jarak maksimum arrester dan peralatan yang dihubungkan dengan saluran udara Kawat tanah e S Ea Arrester Trafo Gambar 3.11 Transformator dan arrester terpisah sejarak S Perlindungan yang baik diperoleh bila arrester ditempatkan sedekat mungkin pada jepitan transformator. Tetapi, dalam praktek sering arrester itu harus ditempatkan dengan jarak S dari transformator yang dilindungi. Karena itu, jarak tersebut ditentukan agar perlindungan dapat berlangsung dengan baik. Contoh: Ea Ep = Tegangan percik arrester (arrester sparkover voltage) = Tegangan pada jepitan transformator A = de/dt = Kecuraman gelombang datang dan dianggap konstan S V = Jarak antara arrester dan transformator = Kecepatan merambat gelombang
Apabila transformator dianggap jepitan terbuka, yaitu keadaan yang paling bahaya dan gelombang mencapai transformator maka akan terjadi pantulan total dan gelombang ini kembali ke kawat saluran dengan polaritas yang sama, waktu yang dibutuhkan oleh gelombang untuk merambat kembali ke arrester = 2 S/v. Bila arrester mulai memercik (sparkover) tegangan jepitan arrester : E a =At + A(t-2S/v).................................. (3.1) Bila waktu percik arrester t so, dihitung mulai gelombang itu pertama kali sampai ke arrester, maka dari persamaan di atas menjadi : t so =......................................... (3.2) Setelah terjadi percikan, maka arrester berlaku sebagai jepitan hubung singkat, dan menghasilkan gelombang sebesar :...................................... (3.3) Gelombang negatif ini akan merambat ke transformator, dan setelah pantulan pertama pada transformator terjadi, jumlah tegangan pada transformator menjadi Ep = 2At-2A(t-t so ) = 2A t so Atau = 2A Ep = Ea + 2AS/v................................... (3.4) Harga maksimum E p =2E a Bila tegangan tembus isolator trafo=e p(fo), maka E p(fo) harus lebih besar dari (Ea+2AS/v) agar diperoleh perlindungan yang baik. Untuk mengubah harga E p, cukup dengan mengubah S, yaitu semakin kecil S maka semakin kecil E p
3.10 Menentukan panjang kabel maksimum penghubung antara arrester dan transformator menurut Witzke-Bliss Untuk menghubungkan kawat transmisi ke gardu induk dapat dilakukan secara langsung atau melalui sepotong kabel. Pada sambungan kawat udara, arrester harus ditempatkan sedekat mungkin pada peralatan atau jarak maksimumnya dapat diperoleh dengan metode pantulan berulang. Bila digunakan sepotong kabel, arrester dipasang pada titik sambungan antara kawat transmisi dengan kabel atau bisa juga pada jarak tertentu ke titik sambungan kabel. Pemakaian sepotong kabel tersebut dapat menurunkan besar surja yang masuk ke peralatan atau transformator. Terjadinya pantulan berulang pada kabel menimbulkan tegangan yang tinggi pada titik sambungan dan dapat merusak isolasi kabel. Untuk perlindungan terhadap surja ini perlu dibedakan antara peralatan yang hanya mempunyai tingkat uji gelombang penuh, gelombang terpotong dan muka gelombang. Jadi peralatan dibagi dalam 2 kelas, yaitu: Kelas I : Peralatan switchgear, transformator distribusi jenis kering dan transformator daya Kelas II : Transformator berisolasi minyak da transformator pengukuran jenis kering dan yang diisi sesuatu cairan
Tabel 3.1 Panjang maksimum yang disarankan untuk peralatan kelas I Tingkat Isolasi Dasar Peralatan (kv) Pengenal Tegangan Arrester (*) (kv) Panjang kabel maksimum (kaki) Arrester Jenis Gardu Arrester Jenis Saluran Arrester Jenis Distribusi 45 3 NL 70 60 3 NL NL 6 NL 25 75 3 NL NL 6 NL 56 9 68 S 95 6 NL NL 9 NL 34 12 76 S 15 30 S 110 9 NL 76 12 NL 32 15 70 S 150 20 94 S 25 30 S 200 30 74 S 37 S S NL = tidak ada batas panjang kabel S = panjang kabel terlalu pendek untuk diperhitungkan (*) = pengenal arrester pada titik sambungan kabel
Tabel 3.2 Panjang kabel maksimum yang disarankan untuk peralatan kelas II Tingkat Isolasi Dasar Peralatan (kv) Pengenal Tegangan Arrester (*) (kv) Panjang kabel maksimum (kaki) Arrester Jenis Gardu Arrester Jenis Saluran Arrester Jenis Distribusi 60 3 NL NL 6 NL 68 75 3 NL NL 6 NL NL 9 NL 80 95 9 NL 75 12 NL 32 15 80 S 110 9 NL NL 12 NL 90 15 NL 30 150 20 NL 77 25 90 S 200 30 150 45 37 64 S NL = tidak ada batas panjang kabel S = panjang kabel terlalu pendek untuk diperhitungkan (*) = pengenal arrester pada titik sambungan kabel
3.11 Jarak maksimum antara arrester dan pemutus daya dan transformator menurut Clayton-Powell Penentuan jarak maksimum didasarkan atas : 1. Perlindungan didasarkan pada gelombang surja yang datang mempunyai laju kenaikan 500 kv per mikro detik. 2. Tegangan surja pada peralatan di sisi kawat transmisi dari arrester dibatasi sampai 1,15 TID. 3. Kapasitansi surja peralatan pada sisi kawat transmisi dari arrester diabaikan 4. Transformator dipresentasikan oleh suatu harga kapasitansi yang menghasilkan tegangan surja maksimum pada transformator. 5. Jarak pemisah didasarkan atas tegangan percik (spark voltage). 6. Panjang kawat arrester dari sadapan tanah diambil 10.66 meter (35 kaki) dan induktansinya 0,40 mikro-henry per kaki 7. Peralatan yang dilindungi dan arrester diketanahkan dengan suatu kisi-kisi (grid) pengetanahan bersama. 8. Gardu induk diberi perisaian terhadap sambaran langsung dan kawat transmisi juga dilindungi mulai dari gardu induk samapi titik di mana surja terjadi 9. Harga tegangan surja yang datang = 1,2 kali tingkat isolasi gelombang penuh dari saluran.
10. Tegangan yang masuk gardu induk mempunyai laju kenaikan yang tetap sampai tegangan percik arrester. 11. Hanya satu saluran transmisi yang memasuki gardu induk. Data name plate yang terpasang pada arrester : Pabrik : BBC Type : HLMN 136 Tegangan nominal Jenis pasangan : 136 kv : Luar Tahun pembuatan : 1982 Waktu maksimal Frekuensi : 8/20 sc : 50 Hz Gambar 3.12 Bentuk Fisik Arrester type HLMN