BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Indonesia merupakan negara dengan iklim tropis. Dengan letak geografis Indonesia yang dikelilingi oleh lautan, maka Indonesia berpeluang untuk memiliki kerapatan petir (ligtning) yang tinggi. Kerapatan petir yang terjadi di Indonesia mencapai 10 sambaran/km 2 /tahun (Haryono, 2011). Kondisi ini menjadi salah satu permasalahan utama yang terjadi pada sistem jaringan listrik khususnya di Indonesia. Dengan tingginya peluang terjadinya petir di Indonesia, perlu adanya penelitian yang mendalam berkaitan dengan fenomena petir tersebut. Sistem kelistrikan di Indonesia memiliki dua bagian utama yang tidak dapat dipisahkan, yaitu penyedia dan pengguna (konsumen). Dari sisi penyedia terdapat peralatan yang berfungsi menghasilkan daya listrik dan peralatan lain yang menunjang keberhasilan pihak penyedia dalam memenuhi kebutuhan konsumen daya listrik. Peralatan pada sisi penyedia yang sangat penting dalam proses pembangkitan daya listrik adalah transformator. Oleh karena itu berbagai upaya dilakukan untuk melindungi transformator dari gangguan yang dapat membahayakannya. Salah satu gangguan yang perlu diperhatikan yaitu gangguan petir. Dalam implementasi jaringan listrik, penanggulangan gangguan petir menjadi perhatian penting untuk dapat memenuhi kebutuhan konsumen. Gangguan petir mampu mempengaruhi kinerja peralatan listrik, khususnya transformator. Sehingga perlindungan terhadap transformator harus dilakukan agar suplai daya listrik terhadap konsumen tetap berlangsung meskipun terjadi gangguan. Dengan mengamankan transformator maka peralatan utama penghasil daya listrik dapat terselamatkan. Gangguan yang disebabkan oleh sambaran petir dapat mengakibatkan kerugian yang besar pada pihak penyedia layanan kelistrikan. Gangguan tersebut dapat menyebabkan adanya penambahan muatan listrik dalam jangka waktu 1
tertentu. Penambahan muatan ini menimbulkan kenaikan tegangan dan arus pada jaringan listrik, sehingga pada jaringan listrik timbul tegangan dan arus lebih berbentuk gelombang impuls dan merambat ke ujung-ujung jaringan. Jika tegangan/arus lebih atau surja petir sampai pada suatu gardu, maka tegangan/arus lebih tersebut dapat merusak isolasi peralatan gardu yang akhirnya akan merusak peralatan kelistrikan yang lebih penting, khususnya transformator. Oleh karena itu perlu dipasang alat pelindung agar surja petir yang sampai di gardu tidak melebihi kekuatan isolasi peralatan gardu. Bentuk gelombang hasil sambaran petir, baik sambaran langsung maupun tidak langsung terhadap sistem daya listrik sangat sulit diprediksi. Salah satu parameter gelombang surja adalah waktu muka (front time) yang berubah-ubah. Perubahan ini selain karakteristik asli petir sendiri, juga dapat dipengaruhi oleh adanya impedans saluran yang dilewati oleh gelombang surja. Semakin panjang saluran yang dilewati gelombang surja petir, maka akan mengakibatkan perubahan pada karakteristik gelombang yang dihasilkan, salah satunya adalah front time (Haddad dan Warne, 2004). Nilai waktu puncak (time to peak) surja petir yang didefinisikan oleh Arismunandar (1975) adalah kurang dari 45 µs. Gelombang dengan waktu puncak lebih dari 45 µs merupakan representasi dari surja hubung (switching surge) dan surja sementara (temporary surge). Berbagai standard juga menyatakan nilai waktu muka (front time) dan waktu ekor (tail time) yang berbeda-beda. Standard impuls petir yang biasa digunakan sesuai dengan standard IEC (International Electrotechnical Comission), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), dan JIS (Japan Industrial Standards) adalah 1.2/50 µs, untuk Jerman dan Inggris standard impuls adalah 1/50 µs, sedangkan Amerika Serikat menggunakan standard impuls 1.5/40 µs. Perbedaan nilai front time pada beberapa standard tersebut menjadi latar belakang penelitian ini. Peralatan pelindung gelombang impuls harus mampu bekerja dengan baik untuk menanggulangi gangguan gelombang impuls petir yang memiliki variasi front time. 2
Alat pelindung yang digunakan pada peralatan listrik terhadap tegangan/arus impuls akibat petir adalah arester. Arester merupakan alat yang berfungsi untuk memotong tegangan lebih yang merambat di jaringan. Terdapat dua jenis blok arester yang memiliki karakteristik berbeda yang dibedakan berdasarkan jenis varistor yang digunakan, yaitu blok metal oxide (ZnO) dan silicon carbide (SiC). Pada keadaan tegangan jaringan normal, arester berperan sebagai isolator. Tetapi ketika terjadi surja petir pada terminal arester maka arester akan berubah menjadi penghantar dan mengalirkan muatan surja petir tersebut ke tanah. Setelah tahun 1980an, arester SiC mulai digantikan oleh arester dengan teknologi baru, yaitu arester ZnO. Penggunaan arester ZnO dinilai lebih baik dibandingkan dengan arester SiC. Terdapat beberapa perbedaan antara arester SiC dan ZnO. Karakteristik V-I bahan varistor dapat membuat arester memiliki karakteristik khusus untuk melewatkan tegangan/arus lebih pada kondisi tegangan normal, serta memiliki nilai hambatan yang sangat kecil pada saat terjadi gangguan petir. Karakteristik nilai V-I pada arester ZnO lebih baik dibanding dengan arester SiC. Arester SiC memiliki sela udara yang mengakibatkan adanya tegangan gagal sela yang nilainya lebih tinggi dari tegangan residu, sedangkan arester ZnO dibuat tanpa sela sehingga tidak menghasilkan tegangan gagal sela. Arester SiC dengan maupun tanpa sela memiliki ukuran yang lebih panjang dari arester ZnO. Dampak dari panjang ukuran ini akan terlihat pada rating tegangan arester yang semakin tinggi. Pada arester SiC arus yang mengalir pada tegangan normal lebih tinggi dibanding arester ZnO. Semakin tinggi rating tegangan maka dapat menghasilkan arus yang semakin besar mengalir pada saat tegangan normal. Selain itu, arester SiC menghasilkan arus susulan setelah terjadinya gelombang surja yang mampu mempengaruhi kerja arester apabila terjadi surja susulan. Hal tersebut tidak terjadi pada arester ZnO, pada saat terjadi surja varistor ZnO akan memotong surja tersebut tanpa menghasilkan arus susulan, sehingga ketika terjadi surja susulan varistor ZnO akan bekerja tanpa dipengaruhi oleh adanya arus susulan seperti pada arester SiC. Dari penjelasan di atas perbedaan arester SiC dan ZnO dapat disederhanakan dengan melihat Tabel 1.1 di bawah. 3
Transformator merupakan peralatan yang sangat penting dalam proses pembangkitan tenaga listrik. Transformator perlu dilindungi dari gangguan surja petir karena selain memiliki peranan yang sangat penting, untuk mendapatkan transformator dengan pembangkitan optimal dan memiliki tahanan yang tinggi memerlukan biaya yang sangat mahal. Transformator memiliki parameter BIL (Basic Impulse Insulation Level) yang menjelaskan kemampuan transformator sendiri untuk bartahan dari tegangan impuls. Pada transformator 18 kv nilai BIL ditetapkan sebesar 95 kv pada karakteristik bentuk gelombang 1.2/50 µs. Seperti yang telah disebutkan di awal bahwa tujuan utama dari perlindungan transformator dalam sistem daya listrik adalash agar kebutuhan konsumen akan daya listrik terpenuhi. Pengaruh perubahan front time akan didapatkan dari hasil pengujian skala laboratorium yang akan dilaksanakan pada penelitian ini. Kedua bahan arester, ZnO dan SiC, akan diuji untuk mengetahui karakteristik perlindungan terhadap adanya tegangan impuls yang memiliki front time yang bervariasi. Hasil yang didapatkan akan digunakan sebagai sumber informasi berkaitan dengan kualitas perlindungan yang dihasilkan masing-masing arester. 1.2 Perumusan masalah Berdasar latar belakang masalah yang ada, maka dapat ditulis dalam perumusan masalah: Bagaimana pengaruh front time terhadap nilai dan karakteristik tegangan keluaran (tegangan residu) arester ZnO dan arester SiC. Bagaimana perbandingan karakteristik pelindungan arester ZnO dan arester SiC terhadap perubahan nilai front time. 1.3 Keaslian penelitian Berdasarkan latar belakang permasalahan yang telah disebutkan di atas, banyak penelitian yang dilakukan untuk menanggulangi bahaya gangguan surja yang terjadi pada arester. Blok silicon carbide (SiC) terlebih dahulu digunakan untuk penanggulangan bahaya petir. Sejak tahun 1980-an penggunaan arester SiC 4
telah tergeser oleh arester ZnO. Dalam penelitian Miller dkk (1991), Lenk (2006), Kannus dan Lathi (2005), dan Goedde dkk (2000) dituliskan bahwa arester ZnO dinilai lebih handal dalam melakukan perlindungan terhadap surja petir, atau lebih baik dibanding arester SiC. Dengan adanya banyak penelitian yang menyebutkan bahwa arester ZnO lebih baik dari arester SiC, maka penggantian secara besar-besaran arester SiC ke arester ZnO telah dilakukan di tingkat perusahaan sampai wilayah yang lebih luas. Walaupun demikian proses penggantian tersebut memerlukan waktu yang tidak sebentar dan memerlukan banyak pertimbangan dalam proses penggantiannya, seperti faktor biaya dan tingkat kesulitan operasi arester ZnO (Kanashiro, 2010). Pada penggunaan SiC sebagai blok arester terdapat kekurangan dengan adanya arus susulan yang muncul setelah terjadinya petir atau adanya impuls tegangan/arus yang melewati arester (Haddad dan Warne, 2004). Adanya sela busur api, yang merupakan desain dari SiC, mengakibatkan tegangan lebih dapat menyebabkan aliran arus melalui arester. Namun ketika tegangan kembali pulih ke tegangan sistem, kekuatan dielektrik antar sela busur api harus cepat naik, jika terlambat maka akan menyebabkan busur api muncul kembali. Kemudian diperkenalkan metal oxide (ZnO) sebagai elemen penghambat tak linear yang lebih baik. Pada penelitiannya, Haryono (2011) menyebutkan bahwa arus yang mengalir pada blok SiC dalam keadaan tegangan normal adalah sekitar 0,1 A, dan blok ZnO lebih kecil, sekitar 2 ma. Pengujian terhadap kedua arester di atas juga dilakukan oleh (Petit dkk, 1986) dan memberikan kesimpulan bahwa arester ZnO memiliki kelebihan dalam kehandalan, perlindungan, kemampuan menyerap energi, dan unjuk kerja dalam keadaan berkontaminasi. Lenk (2006) melakukan pengujian karakteristik kinerja SiC sampai batas kritis dan membandingkan dengan arester ZnO dan menyediakan penaksiran terhadap permasalahan kinerja arester SiC pada sistem tegangan tinggi agar permasalahan yang ada dapat diselesaikan. Salah satu metode yang digunakan untuk meneliti karakeristik arester adalah dengan metode simulasi. Penelitian yang dilakukan oleh IEEE group 5
(1992), Fernandez dan Diaz (2001), Kijoyo (2010), Lovric dkk, (2011), dan Bayadi (2008) menggunakan metode simulasi dengan menggunakan model arester ZnO untuk mendapatkan karakteristik perlindungan arester ZnO yang mendekati karakteristik yang sebenarnya. Dari hasil simulasi pada penelitian Kijoyo (2010) dan Lovric (2011) dapat disimpulakan bahwa adanya penggunaan front time yang tidak sesuai standard pada impuls arus menunjukkan perubahan pada besarnya waktu, arus maksimum yang diterima oleh beban, tegangan bus yang mengalami gangguan, dan juga tegangan transiennya. Perubahan tersebut didasarkan dari hasil teoritis yang disimulasikan menggunakan tool yang tersedia. Pembentukan impuls arus sebagai masukan dalam pengujian terhadap arester dapat dibuat dengan menggunakan kombinasi rangkaian R, L, dan C (Gamlin, 2004). Pengaruh perubahan nilai R, L, dan C terhadap bentuk gelombang impuls yang dihasilkan ditunjukan pada penelitian Haryono (2011) dan Gamlin (2004) yang menunjukkan perubahan bentuk gelombang yang dihasilkan. Dari penelitian yang telah ada sebelumnya diyakini bahwa penelitian berkaitan dengan pengukuran tegangan residu arester dengan menggunakan front time yang sama sesuai standard dalam bentuk simulasi pengujian karakteristik telah banyak dilakukan. Pengujian skala laboratorium terhadap arester ZnO dan SiC pada arester 18 kv dengan menggunakan front time impuls tegangan yang bervariasi untuk mengetahui karakteristik perlindungan, khususnya tegangan residu yang ada pada kedua blok tersebut belum pernah dilakukan sebelumnya, sehingga dalam penelitian ini akan dilakukan pengujian arester terhadap surja tegangan dengan front time yang bervariasi. 1.4 Tujuan Penelitian Penelitian yang akan dilakukan ini memiliki tujuan: Mengetahui pengaruh front time terhadap nilai dan karakteristik tegangan residu yang dihasilkan oleh arester SiC dan ZnO. 6
Mengetahui perbandingan karakteristik perlindungan arester SiC dan ZnO akibat perubahan nilai front time. 1.5 Manfaat Penelitian Dalam pertumbuhan energi listrik yang positif, peran ZnO serta SiC pada sebuah arester sangat penting dalam upaya untuk melindungi peralatan listrik, seperti transformator dan peralatan listrik lainnya, dari gangguan yang terjadi. Jika unjuk kerja dari kedua blok ZnO dan SiC pada arester dapat diketahui dengan baik, bahaya dari gangguan-gangguan yang terjadi, khususnya gangguan petir dan penyaklaran, akan dapat diatasi dengan baik sehingga kerugian yang dialami pemilik sistem kelistrikan serta konsumen sistem kelistrikan akibat sambaran petir dapat dikurangi. Investasi negara dalam pembangunan sistem kelistrikan juga dapat dijaga karena aset sistem kelistrikan dapat dilindungi dari sambaran petir yang dapat merusak sistem kelistrikan. Hasil penelitian ini juga nantinya diharapkan dapat dipergunakan untuk memperkaya ilmu pengetahuan, terlebih lagi yang berkaitan dengan penggunaan arester ZnO serta SiC. 7