23 BAB III PERALATAN PROTEKSI TERHADAP TEGANGAN LEBIH 3.1 Pendahuluan Gangguan tegangan lebih yang mungkin terjadi pada Gardu Induk dapat disebabkan oleh beberapa sumber gangguan tegangan lebih. Perlindunga terhadap gangguan tegangan lebih akibat sambaran petir pada sistem tenaga listrik mencakup perlindungan Gardu Induk serta perlindungan hantaran udara. Pemasangan peralatan perlindungan yang dipasang pada saluran udara dimaksud untuk mencegah atau membatasi besarnya gelombang berjalan yang memasuki Gardu Induk. Peralatan proteksi ini berfungsi untuk melindungi peralatan tenaga listrik dengan cara membatasi surja tegangan lebih yang datang dan mengalirkannya ke tanah. Berhubung dengan fungsinya tersebut, maka peralatan proteksi harus dapat menahan tegangan sistem 50 Hz untuk waktu yang tak terbatas dan harus dapat melewatkan surja arus ke tanah dengan tidak merusaknya. Selain itu, sebuah alat pelindung yang baik harus memiliki suatu rasio yang tinggi, dalam pengertian perbandingan antara tegangan surja maksimum yang diperbolehkan pada waktu pelepasan dan tegangan sistem 50 Hz maksimal yang dapat ditahan sesudah pelepasan terjadi. Peralatan peralatan proteksi untuk melindungi peralatan Gardu Induk dari tegangan lebih adalah : sela batang (Rod Gap), sela sekring (fuse Gap), sela control (control Gap), arrester jenis ekspulsi (Type Lightning Arrester), dan arrester jenis katup (Valve Type Lightning Arrester).
24 3.2 Sela Batang Sela batang merupakan alat pelindung surja yang paling sederhana tetapi paling kuat dan kokoh. Sela batang ini jarang digunakan pada rangkaian yang penting karena tidak dapat memutuskan arus susulan. Artinya, jika terjadi percikan karena tegangan lebih, api (arc) timbul terus meskipun tegangan lebihnya sudah tidak ada. Oleh sebab itu, rangakaian harus diputuskan terlebih dahulu untuk menghentikan percikan api tersebut. Karena hal tersebut, maka sela batang ini digunakan sebagai pelindung cadangan dalam hal arrester dilepaskan dari saluran karena kerusakan atau karena sebab lain. Gambar 3.1 Sela Batang. Sela batang ini biasanya dipasang pada : Bushing isolator dari trafo Pada isolator hantaran udara, berupa tanduk api (arcing horn) Pemutus daya (circuit breaker) Meskipun sela batang sangat murah dan sederhana, sela ini mempunyai batasan batasan dalam penggunaannya : Sela batang tidak berfungsi jika gelombang datang mempunyai tegangan yang curam. Sela batang tidak bisa memutuskan arus susulan. Sela batang bias meleleh akibat energi panas dengan temperatur tinggi yang dilepas melalui bunga api.
25 3.3 Sela Sekring Sela sekring adalah sela batang yang dihubungkan secara seri dengan sekring yang digunakan untuk menginterupsikan arus susulan (power follow current) sehingga sirkuit breaker tidak prlu membuka. Sela sekring ini mempunyai karakteristik tembus yang sama dengan sela batang. Meskipun sela sekring ini menghindarkan adanya pemutusan rangakaian sebagai akibat percikan, sela sekring tetap memerlukan penggantian dan perawatan sekring yang telah dipakai. 3.4 Sela Kontrol Sela kontrol terdiri dari dua buah sela yang diatur sedemikian rupa sehingga karakteristiknya lebih baik dari sela batang. Sela control ini dapat dipakai sebagai perlindungan cadangan atau sekunder. 3.5 Arrester Arrester adalah alat perlindungan bagi sistem peralatan tenaga listrik terhadap surja petir. Arrester ini berfungsi sebagai jalan pintas ( by pass ) disekitar isolasi. Arrester membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat sehingga tidak timbul tegangan lebih pada peralatan. Jalan pintas tersebut harus didesain sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran sistem. Pada kerja normal arrester ini bekerja sebagai isolator dan bila timbul surja, arrester berfungsi sebagai konduktor. Setelah surja hilang, arrester haru dengan cepat menjadi isolator, sehingga pemutus daya tidak sempat membuka. Arrester ini dapat memutuskan arus susulan tanpa menimbulkan gangguan. Arrester terdiri dari dua jenis : 3.5.1 Arrester Jenis Ekspulsi atau Tabung Pelindung Arrester jenis ini pada prinsipnya terdiri dari : a) Dinding tabung yang terbuat dari bahan yang mudah menghasilkan gas jika dialiri listrik.
26 b) Sela batang (external series gap) yang biasanya diletakan pada isolator porselin, untuk mencgah arus mengalir dan membakar fiber pada tegangan jala jala setelah gangguan diatasi. c) Sela pemutus bunga api yang diletakan di dalam tabung, salah satu elektroda dihubungkan ke tanah. Gambar 3.2 Arrester Jenis Ekspulsi. Pada waktu tegangan surja melewati sela batang dan sela bunga api, maka impedansi tabung akan menjadi rendah sehingga arus surja akan mengalir ke tanah. Arus yang mengalir akan membakar fiber dan menghasilkan gas yang bergerak cepat ke arah lubang pembuangan di bagian bawah arrester. Tekanan gas ini akan mematikan bunga api pada saat arus melalui titik nol pertamanya. Waktu pemadaman busur api ini hanya 1 / 2 atau 1 cycle sehingga RRV (Rate of Recovering Voltage) lebih lambat dari rate of rise kekutan dielektrit dari isolasi. Beda waktu ini cukup pendek untuk dibaca oleh rele pelindung. Sehingga Circuit Breaker tetap bekerja (tertutup) dan pelayanan daya tidak terganggu. Setelah api padam, sistem kembali ke keadaan normal.
27 Kerugian dari arrester jenis ekspulsi adalah : Arus yang sangat besar akan menyebabkan fiber habis terbakar dan arus yang terlalu kecil tidak cukup untuk menghasilkan gas pada tabung untuk mematikan bunga api. Setiap arrester bekerja, permukaan tabung akan rusak karena terbakar. 3.5.2 Arrester Jenis Katup Pada dasarnya arrester ini terdiri dari dua unsur, yaitu : sela api (spark gap) dan tahanan tak linear atau tahanan kran (valve resistor) yang keduanya dihubungkan secara seri (Gambar 3.3). Batas atas dan batas bawah dari tegangan percikan ditentukan oleh tegangan sistem maksimum dan oleh tingkat isolasi peralatan yang dilindungi. Sebenarnya arrester ini terdiri dari tiga unsur, yaitu sela api, tahanan non linear dan sistem pengaturan atau pembagi tegangan (Grading system). Gambar 3.3 Arrester Jenis Katup Tahanan non linier mempunyai sifat khusus bahwa tahanannya kecil sekali bila tegangan dan arusnya besar. Proses pengecilan tahanan berlangsung cepat sekali yaitu selama tegangan lebih mencapai harga puncaknya. Dalam hal ini tegangan lebih mengakibatkan penurunan drastis dari pada tahanan sehungga jatuh tegangannya dibatasi meskipun arusnya besar. Bila tahanan dari sebuah
28 arrester mempunyai nilai yang tetap, maka jatuh tegangannya menjadi besar sekali sehingga maksud untuk memotong tegangan lebih tidak terlaksana. Bila tegangan lebih telah habis dan yang ada hanya tegangan normal, tahanannya naik lagi. Arus susulan ini akhirnya dimatikan oleh sela api pada waktu tegangan sistemnya mencapai titik nol yang pertama, sehingga alat ini bekerja sebagai sebuah kran yang menutup arus. Arus susulan tidak selalu terjadi setiap kali arrester bekerja, ada atau tidaknya tergantung pada saat terjadinya tegangan lebih. Karakteristik arus tegangan dari tahanan kran terlihat pada gambar 3.4. Gambar 3.4 Krakteristik Arus Tegangan dari Tahanan Katup Kerugian dari arrester jenis katup adalah : Tidak bereaksi cukup cepat dalam mendeteksi gelombang datang dengan muka yang sangat curam yang menuju ke Gardu. Arrester katup ini dibagi ke dalam tiga jenis : 1. Arrester katup jenis gardu Umumnya dipakai untuk melindungi alat alat yang mahal pada rangakaian rangkaian dari 2.400 V sampai 287 kv dan lebih tinggi. Kapasitas arus pelepasannya tinggi (tidak kurang dari 100 ka, dengan gelombang 5 x 10 µs) Dipakai untuk melindungi gardu dan trafo tenaga.
29 2. Arrester katup jenis saluran transmisi (line type) Dipakai untuk melindungi trafo distribusi. Dipakai pada sistem dengan tegangan 15 kv sampai 69 kv. Dapat menahan kapasitas arus 65.000 A dengan gelombang 5 x 10 us 3. Arrester jenis ditribusi (distribution type) Dipakai untuk melindungi trafo distribusi yang dipasang pada tiang. Dipakai pada peralatan dengan sistem tegangan 120 V sampai 750 V. Dapat menahan kapasitas arus 65.000 A dengan gelombang 5 x 10 us. Gambar 3.5 Hubungan Tegangan Tinggi Di Transformator 3.6.2 Arus Pelepasan Nominal ( Nominal Discharge Current ) Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan untuk menentukan kelas dari arrester yang sesuai dengan kemampuannya melewatkan arus. Untuk gelombang berjalan yang datang dari saluran, arus pelepasan dalam arrester ditentukan oleh tegangan maksimum yang diteruskan oleh isolasinya, oleh impedansi surja dari pada kawat, dan oleh karakteristik dari arrester, dapat dilukiskan dengan persamaan sebagai sebagai berikut :
30....(3.1) Dimana : I a = Arus pelepasan arrester ( ka/µs ) E = Besarnya tegangan surja yang datang ( Kv/µs) E a = Tegangan terminal arrester ( Kv ) Z = Impedansi surja (Ω) Dengan kecuraman gelombangnya :...(3.2) Menurut IEC, bentuk pelepasan arus gelombang adalah 8 us/ 20 us. Dengan kelas Arrester : Kelas arus 10 ka Untuk perlindungan Gardu Induk yang besar dengan frekuensi sambaran petir yang cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70 Kv. Kelas arus 5 ka Untuk tegangan sistem dibawah 40 kv. Kelas arus 2,5 ka Untuk gardu gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah 22 kv, dimana pemakaian kelas 5 ka tidak ekonomis lagi. Kelas arus 1,5 ka Untuk melindungi trafo trafo kecil di daerah daerah pedalaman.
31 3.6.3 Tegangan Frekuesi Jala Jala (Power Frequensi Spark Over Voltage) Arrester tidak boleh bekerja pada gangguan tegangan lebih dalam amplitude yang rendah karena dapat membahayakan sistem. Untuk alasan ini maka ditentukan tegangan frekuensi jala jala minimum. Menurut standar IEC tegangan frekuensi jala jala minimum adalah : = 1,5 x tegangan pengenal arrester.(3.3) 3.6.4 Tegangan Percikan Impuls Maksimum (Maximum Impuls Spark Over Voltage) Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal arrester sebelum arrester tersebut bekerja. Hal ini menunjukan jika tegangan puncak surja petir yang datang mempunyai harga yang lebih tinggi atau sama dengan tegangan percikan maksimum dari arrester, maka arrester tersebut akan bekerja memotong surja petir dan mengalirkannya ke tanah. Tegangan percikan impuls maksimum untuk masing masing tegangan sistem dapat dilihat pada lampiran ( table 1). 3.6.5 Tegangan Sisa ( Residual Voltage ) Adalah tegangan yang timbul diantara terminal arrester pada saat arus petir mengalir ke tanah. Tegangan sisa dari suatu arrester tertentu tergantung pada kecuraman gelombang arus yang datang ( dalam A/µs) dan amplituda dari arus
32 pelepasan. Untuk harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka tegangan sisa ini tidak akan naik lebih tinggi lagi. Hal ini disebabkan karena karakteristik tahanan yang tidak linier dari arrester. Umunya tegangan sisa tidak akan melebihi TID (Tingkat Isolasi Dasar) atau BIL (Basic Insulation Level) daripada peralatan yang dilindungi. 3.6.6 Arus Pelepasan Maksimum (Maximum Discharge Current) Adalah arus surja maksimum yang dapat mengalir melalui arrester sebelum tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari arrester. 3.7 Koordinasi Isolator Koordinasi isolator didefinisikan sebagai korelasi antara kemampuan peralatan peralatan listrik dan rangkain listrik dari satu pihak dan alat alat proteksi di lain pihak yang dihubungkan sedemikian rupa sehingga isolasi dari peralatan peralatan tersebut terlindung dari bahaya bahaya tegangan lebih. Secara keseluruhan isolasi peralatan harus dikoordinasikan sedemikian rupa sehingga menjamin peralatan tersebut tetap aman ketika terjadi gangguan tegangan lebih. Koordinasi isolasi yang baik akan menjamin bahwa isolasi peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan tidak normal yang mungkin terjadi pada sistem. Masalah koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut : 1. Penentuan tingkat isolasi dari isolator hantaran. 2. Menentukan Tingkat Isolasi Dasar ( TID ) dari peralatan. 3. Pemilihan arrester.
33 3.7.1 Penentuan Isolasi Hantaran Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan terjadinya tegangan lebih petir, tegangan lebih switching dan tegangan lebih frekuensi jala jala. Isolator hantaran udara harus cukup tinggi untuk mencegah terjadinya kegagalan yang disebabkan oleh tegangan lebih switching dan tegangan lebih frekuensi jala jala dengan memperhatikan pengaruh lingkungan atau alam yang dapat menurunkan tegangan tebus dari isolator. Usaha Penanggulangan Terhadap Sambaran Petir Langsung Diantara tegangan lebih akibat petir, sambaran langsung pada rel suatu Gardu Induk atau saluaran transmisi dekat kepada Gardu Induk merupakan bahaya terbesar terhadap Gardu Induk itu. Lagi pula sukar sekali mengamankan Gardu Induk itu sepenuhnya dengan menggunakan arrester. Kejadian sambaran lansung itu memang sangat kecil, tetapi sekali ia terjadi, kerusakan yang ditimbulkannya sangat hebat sekali. Karena itu gardu gardu yang penting dan saluran saluran di dekatnya harus diamankan terhadap sambaran langsung dengan mengadakan perlindungan yang cukup dengan kawat tanah dan tahanan pengetanahan yang rendah. Usaha Penanggulangan Terhadap Gelombang yang Datang Dari Saluran Penanggulangan terhadap gelombang petir yang memasuki Gardu Induk dari saluran trnsmisi dilakukan dengan mengamankan peralatan terhadap tegangan lebih itu dengan menggunakan arrester dan dengan memberikan kepada peralatan itu kekuatan isolasi terhadap tegangan impuls, yang lebih besar dari tingkatan pengamanan arrester. 3.7.2 Tingkat Isolasi Dasar dan Tingkat Isolasi Dari Peralatan di Gardu Berdasarka kesepakatan komite bersama AIEE IEC NEMA, Tingkat Isolasi Dasar ( TID ) didefinisikan sebagai berikut : Tingkat Isolasi dasar
34 adalah suatu tingkat referensi yang dinyatakan dalam tegangan puncak dengan standar bentuk gelombang dari 1,2 x 50 µs, sehingga isolasi dari peralatan peralatan listrik mempunyai karakteristik tahanan impuls sama atau lebih tinggi dari isolasi dasar tersebut. Untuk setiap tegangan sistem Tingkat Isolasi dasar telah ditentukan dengan internasional standar yang berlaku (Lihat table 1 pada lampiran) Sebagian besar peralatan di Gardu Induk seperti trafo, pemutus daya, saklar pemisah, trafo arus, trafo tegangan dibuat dengan tingkat isolasi yang sama. Kecuali trafo yang kadang kadang diproduksi dengan isolasi yang rendah dengan alasan ekonomis dan trafo umunya dilindungi langsung oleh arrester. Peralatan peralatan yang terletak di luar dari daerah lindung arrester akan di berikan TID satu tingkat lebih tinggi. Pada umumnya tingkat isolasi dari peralatan di gardu seperti pemutus daya, busbar, saklar pemisah, trafo pengukuran mempunyai TID 10 % lebih tinggi dari TID trafo. 3.7.3 Pemilihan dan Letak Arrester Untuk penyederhanaan dalam pemilihan arrester ditentukan terlebih dahulu langkah langkah yang diperlukan : a. Menentukan besarnya tegangan lebih satu phasa ke tanah atau tagangan lebih lain sebagai akibat kerja sistem yang tidak normal pada lokasi dimana arrester dipasang. b. Membuat perkiraan besarnya tegangan arrester (E a ). c. Memilih arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui arrester. d. Menentukan tegangan pelepasan maksimum (tegangan kerja, tegangan sisa) dari arrester untuk arus impuls dan jenis penangkap petir yang dipilih.
35 e. Menentukan tingkat ketahanan tegangan impuls gelombang penuh dari peralatan yang akan dilindungi (TID peralatan). f. Memastikan bahwa tegangan kerja arrester berada di bawah TID peralatan dengan faktor perlindungan yang cukup. g. Menentukan jarak perlindungan antara arrester dengan peralatan yang akan dilindungi. 3.7.3.1 Jarak antara Arrester dengan Alat yang Dilindungi Meskipun yang paling baik adalah menempatkan arrester sedekat mungkin dengan alat yang dilindungi, tetapi dalam praktek kadang kadang hal ini tidak dimungkinkan. Jika jarak itu terlalu jauh, tegangan abnormal yang sampai pada terminal dari peralatan akan lebih tinggi dari pada tegangan pelepasan arrester. Hubungan antara tegangan terminal dari alat yang di lindungi dan jarak dari arrester adalah sebagai berikut : E t = E a + 2.µ.x / v...(3.4) Dimana : E t = tegangan terminal dari peralatan yang dilindugi (kv) E a = tegangan pelepasan dari arrester (kv) µ = kecuramn gelombang dari gelombang yang dating (Kv/µs) V = kecepatan rambat gelombang yang dating (m/µs) X = jarak dari arrester kea lat yang dilindungi (m) Oleh karena itu, jarak x dalam persamaan di atas harus sekecil mungkin supaya E t tidak melebihi kekuatan isolasi alat.
36 3.7.3.2 faktor perlindungan (Protection Margin) Factor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara TID dari peralatan yang di lindungi dengan tegangan kerja dari arrester. Pada waktu menentukan tingkat perlindungan peralatan yang akan dilindungi oleh arrester umumnya diambil harga 10 % diatas tegangan kerja arrester, tujuannya untuk mengatasi kenaikan tegangan pada kawat penghubung dan toleransi pabrik. Besar factor perlindungan ini umumnya 20% dari TID peralatan untuk arrester yang dipasang dekat dengan peralatan yang akan dilindungi. Jika tidak diperoleh faktor perlindungan yang cukup, maka dipilih TID dari peralatan setingkat lebih tinggi atau memilih tegangan kerja arrester yang lebih rendah. Jadi, faktor perlindungan = TID peralatan tingkat perlindungan arrester.
37