STUDI PENGARUH STRAY CAPACITANCE TERHADAP KINERJA ARRESTER TEGANGAN TINGGI 15 KV DENGAN FINITE ELEMENT METHODS (FEM) Septian Ahadiatma, I Gusti Ngurah Satriyadi H,ST,MT, Dr.Eng. I Made Yulistya N,ST,M.Sc Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Abstrak : Arrester merupakan sebuah peralatan yang sangat penting dalam perlindungan terhadap gangguan petir. Jadi permodelan arrester sangat diperlukan untuk menganalisa kemampuan arrester dengan menggunakan perangkat lunak komputer. Tugas akhir ini menganalisa efek yang timbul pada arrester terhadap kinerja arrester 15kV. Stray yang timbul didapatkan dengan menggunakan Finite Element Methods (FEM) standar IEC. Dengan menggunakan metode tersebut didapatkan nilai dari arrester tersebut sebesar 733,3 pf. Hasil perhitungan tersebut akan digunakan untuk mensimulasikan kinerja arrester tersebut. Hasil simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Electromagnetic Transients Program (EMTP) menunjukkan bahwa tersebut berpengaruh pada kecepatan arrester dalam meredam gangguan yang terjadi. Tapi kejadian tersebut tidak berpengaruh terhadap besarnya tegangan sisa yang dihasilkan, dengan didapatkan besarnya nilai error yang terjadi akibat adanya untuk gangguan petir sebesar 35 kv bernilai antara,6 % sampai,16 %, sedangkan untuk gangguan petir sebesar 5 kv bernilai antara,4 % sampai dengan,8 %. Kata kunci : Lightning Arrester, Stray Capacitance, Finite Element Methods (FEM), Electromagnetic Transients Program (EMTP) I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Indonesia termasuk negara tropis, sehingga Indonesia memiliki intensitas sambaran petir yang cukup tinggi. Sambaran petir yang mengenai sistem tenaga listrik akan menimbulkan tegangan lebih. Tegangan lebih ini akan membahayakan peralatan apabila dibiarkan mengalir pada sistem dan tersalurkan ke beban. Tegangan lebih yang terjadi akibat sambaran petir dapat dipotong sehingga tidak membahayakan peralatan yang terhubung dengannya. Arrester petir memiliki kemampuan mengamankan peralatan listrik dari gangguan surja petir. Alat pengaman ini memiliki nilai tahanan non-linier pada setiap tingkat tegangan dan arus. Data yang terdapat pada datasheet menunjukkan bahwa alat ini memiliki karakteristik dinamis yang penting untuk koordinasi proteksi khususnya proteksi surja petir. Pada penelitian ini menganalisa dan memodelkan kinerja sebuah arrester 15 kv yang dipengaruhi oleh terhadap gangguan gelombang petir yang mengakibatkan tegangan lebih di mana dapat merusak suatu peralatan listrik dengan mengunakan bantuan EMTP (Electromagnetic Transients Program) dan MATLAB. B. Permasalahan Adapun permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah: Seberapa besar efek yang ditimbulkan akibat adanya terhadap kinerja dari sebuah arrester 15 kv dan pengaruhnya terhadap sistem. II. METODOLOGI DAN PROSEDUR SIMULASI A. Petir Petir merupakan kejadian alam yang biasa terjadi ketika hujan badai disertai guntur dan kadang-kadang pada badai salju, badai debu, letusan gunung berapi, serta pada ledakan nuklir. Kilat yang terjadi ketika hujan badai berasal dari muatan listrik yang timbul dari aliran udara di dalam awan. Terjadinya suatu kilat atau petir didahului oleh adanya awan petir yang pada kejadiannya kita kenal dengan thunderstorm (hujan angin ribut disertai petir dan guruh). Pelepasan muatan listrik dapat terjadi di dalam awan, antara awan dengan awan, dan antara awan dengan bumi tergantung dari kemampuan udara dalam menahan beda potensial yang terjadi. Jenis sambaran petir dibedakan menjadi: 1. Sambaran Langsung Apabila kilat menyambar langsung pada kawat fasa (untuk saluran tanpa kawat tanah) atau 1
pada kawat tanah (untuk saluran dengan kawat tanah) 2. Sambaran Tidak Langsung (Sambaran Induksi) Merupakan sambaran titik lain yang letaknya jauh tetapi obyek terkena pengaruh dari sambaran sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada obyek tersebut. B. Gelombang Berjalan Gambar 1 Spesifikasi gelombang berjalan a. Puncak (crest) gelombang, E (kv) yaitu amplitudo maksimum dari gelombang. b. Waktu muka gelombang, t1(mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Dalam praktek ini diambil 1%E sampai 9%E. c. Ekor gelombang, yaitu bagian di belakang puncak. d. Waktu ekor gelombang, t2(mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai titik 5%E pada ekor gelombang. C. Surge Arrester Surge arrester adalah alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir. Ia berlaku sebagai jalan pintas (by-pass) sekitar isolasi. Arester membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat atau petir, sehingga tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada peralatan. Dalam menentukan rating lightning arrester, yang perlu diketahui antara lain adalah tegangan tertinggi sistem dan koefisien pentanahan. Tegangan tertinggi sistem umumnya diambil 11 % dari harga tegangan nominal sistem. Tegangan pengenal lightning arrester diperoleh dari : Tegangan rms fasa ke fasa x 1,1 x koefisien pentanahan Untuk sistem yang diketanahkan langsung, koefisien pentanahannya =,8. Sedangkan sistem yang tidak diketanahkan langsung, koefisien pentanahannya = 1,. Maka untuk sistem tegangan 15 kv, rating arester yang dipakai adalah : a. sistem yang ditanahkan secara langsung : Ur = (15 x 1.1 x.8) = 132 kv b. sistem yang tidak ditanahkan secara langsung : Ur = (15 x 1.1 x 1.) = 165 kv D. Finite Element Methods Metode elemen hingga atau finite element method adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan differensial partial maupun penyelesaian persamaan integral. Pada awalnya metode elemen hingga banyak diaplikasikan untuk menyelesaikan 2 permasalahan dalam bidang teknik sipil, aeronautika dan mekanik. Selain itu metode ini juga dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dalam bidang elektrostatis dan magnetostatis. Dasar dari metode elemen hingga adalah membagi area kerja menjadi elemen elemen kecil yang jumlahnya berhingga, sehingga dapat di hitung reaksi akibat beban pada kondisi batas (boundary condition) yang diberikan. Dari elemen elemen tersebut dapat disusun persamaan persamaan matrik yang bisa di selesaikan secara numerik dan hasilnya menjadi jawaban dari kondisi beban yang diberikan pada area kerja tersebut. Dalam menggunakan metode elemen hingga, tantangan utamanya adalah membuat persamaan yang mendekati persamaan yang akan diselesaikan dan persamaan tersebut harus stabil secara numerik, yang artinya error dari data input dan perhitungan intermediate tidak terakumulasi sehingga menyebabkan hasil perhitungan tidak berguna. E. Simulasi Program Pengamatan dilakukan pada sebuah sistem transmisi sederhana dengan mensimulasikan kondisi jaringan pada saat terjadi sambaran petir di salah satu saluran fasanya. Gangguan petir yang digunakan adalah sebesar 35 kv dan 5 kv, dengan beberapa bentuk model petir. Dalam melakukan simulasi pertama tama mencari besarnya yang timbul pada sebuah arrester 132 kv dengan membuat modelnya dengan menggunakan pdetool pada MATLAB. Gambar 2 Dimensi surge arrester EXLIM-P 132 kv Dengan mengasumsikan jarak antara arrester dengan tanah sejauh 2 meter. Gambar model arrester pada pdetool untuk simulasi adalah sebagai berikut : Gambar 3 Permodelan arrester EXLIM-P 132 kv Setelah didapatkan besarnya yang timbul, maka dilanjutkan dengan mensimulasikannya pada
EMTP. Model rangkaian yang digunakan adalah model rangkaian Narong Mungkung. Rangkaian model yang dibuat dibatasi oleh asumsi-asumsi sebagai berikut : 1. Sambaran petir terjadi pada salah satu penghantar fasa. 2. Simulasi dengan memvariasikan tegangan petir dan model petir yang digunakan, yaitu : model petir dengan bentuk surja tipikal (1.2/5 µs), model petir dengan front time yang pendek (1/4 µs ), model petir dengan front time sedang (8/2 µs) dan model petir dengan front time yang panjang (3/6 µs). 3. Dilakukan pengukuran pada fasa A sisi primer trafo. Gambar rangkaian model EMTP untuk simulasi adalah sebagai berikut : Dari hasil running tersebut didapatkan beberapa parameter yang akan digunakan untuk mencari besarnya yang timbul pada arrester tersebut. Pada tabel 1 dapat dilihat beberapa parameter yang didapatkan dari hasil running tersebut. TABEL I HASIL SIMULASI PDETOOL n Tegangan 1 1732 2 13392 3 15 Setelah didapatkan beberapa parameter yang diperlukan, maka dengan menggunakan persamaan yang dikeluarkan oleh IEC dapat dicari besarnya yang timbul pada arrester tersebut. Berikut adalah persamaan yang dikeluarkan oleh IEC : C, = U U xc, U U xc, 1 x=1,2,,n 1 U Gambar 4 Model rangkaian arrester pada SUTT tanpa adanya efek pada arrester Dimana : U x = Tegangan pada titik x C MO,x = Kapasitansi pada bagian x C e,x = Stray dari tanah ke titik x n = Nomor bagian Untuk mencari nilai C MO,x dapat dicari dengan mengacu pada persamaan untuk mencari besarnya kapasitansi total yang dimiliki oleh arrester tersebut. Dimana persamaan tersebut adalah sebagai berikut : C =1 n d pf. 2 Dimana : d = Panjang keseluruhan arrester (meter) n = Jumlah kolom parallel Gambar 5 Model rangkaian arrester pada SUTT dengan adanya efek pada arrester III. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN A. Stray Capacitance Pada Arrester Pada pemodelan arrester berikut, akan dicari besarnya medan elektrostatis yang timbul pada arrester saat dalam keadaan non-konduktif. Dimana dalam simulasi ini, arrester yang digunakan adalah arrester merk ABB tipe EXLIM-P 132 kv. Gambar 6 Hasil running pdetool 3 Gambar 7 Rangkaian ekivalen arrester EXLIM-P 132 kv dengan efek Dari persamaan 2 dapat dicari besarnya kapasitansi total yang dimiliki oleh arrester EXLIM-P, yaitu : C =1 1 2,585 pf =38,68 pf
Dengan mengetahui besarnya kapasitansi total yang dimiliki oleh arrester 132 kv tersebut, dapat dicari besarnya kapasitansi tiap stack arresternya. Seperti diketahui pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa arrester tersebut terdiri dari dua buah stack arrester yang terpasang seri. Dengan menggunakan persamaan kapasitansi hubungan seri, maka besar kapasitansi untuk tiap stack arresternya yaitu : 1 C = 1 C + 1 C.. C =C 1 38,68 = 2 C C =77,36 pf Dari persamaan 1, hasil running pdetool, dan besarnya nilai kapasitansi tiap stack arrester diatas, maka dapat dicari besarnya yang timbul, yaitu :, =,, = 15 13392 77,36 13392 1732 77,36 13392 = 733,3 B. Pengaruh Stray Capacitance pada Arrester Setelah didapatkan besarnya caacitance pada arrester. Dengan menggunakan program EMTP dilihat besarnya tegangan pada fasa A sisi primer trafo pada saat terjadi gangguan petir. Dengan membanding hasil yang didapat pada saat sebelum arrester diberikan efek caacitance dan setelah diberikan efek tersebut, maka dapat terlihat seberapa besar pengaruh terhadap kinerja dari sebuah arrester 15 kv. 9 75 6 45 3 15-15 -3 Gambar 8 Tegangan phasa A sisi primer trafo sebelum dipasang arrester untuk petir 35 kv (1,2/5 µs) 4 3 2 1-1 -2 Gambar 9 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester tanpa efek untuk petir 35 kv (1,2/5 µs) 4 35 24 13 2-9 -2 Gambar 1 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester dengan efek untuk petir 35 kv (1,2/5 µs) Dapat dilihat dari gambar 8, 9 dan 1 tidak dapat terlihat jelas bahwa adanya pada arrester berpengaruh pada kemampuan arrester tersebut dalam meredam gangguan yang terjadi. Maka untuk mengetahui efek tersebut dilakukan pengukuran untuk mendapatkan nilai tegangan puncak yang terjadi pada phasa A sisi primer trafo. Dalam pengukuran didapatkan besarnya tegangan puncak untuk arrester tanpa pengaruh sebesar 31147 volt dan saat arrester dipengaruhi oleh efek menjadi sebesar 31231 volt, dimana saat arrester tidak terpasang besarnya tegangan yaitu sebesar 83125 volt. TABEL II PENGARUH STRAY CAPACITANCE UNTUK GANGGUAN PETIR 35 KV Model petir Sebelum efek Setelah efek Error (%) 1.2/5 µs 31147 31231,1616683 1/4 µs 2891 28922,439219 8/2 µs 3762 379,5393951 3/6 µs 32818 32836,643738 Tabel 2 adalah perbandingan tegangan yang terukur pada fasa A sisi primer trafo untuk gangguan petir 35 kv. Dapat terlihat pada tabel bahwa error yang dapat ditimbulkan dengan adanya efek tersebut berkisar antara,43 % hingga,161 %. 34 32 3 28 26 1 2 3 4 tanpa efek dan efek Gambar 11 Grafik besar tegangan pada phasa A trafo setelah terjadi gangguan petir 35 kv.
Keterangan : 1 = model surja tipikal (1,4/5µs) 2 = model front time pendek (1/4µs) 3 = model front time sedang (8/2µs) 4 = model front time panjang (3/6µs) Untuk lebih memperlihatkan seberapa besar efek tersebut pada kinerja arrester. Maka simulasi dilakukan kembali dengan memakai gangguan petir sebesar 5 kv dengan model petir yang sama. 1,2 [MV] 1,,8,6,4,2, -,2 -,4 Gambar 12 Tegangan phasa A sisi primer trafo sebelum dipasang arrester untuk petir 5 kv (1,2/5 µs) 4 3 2 1-1 -2-3 Gambar 13 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester tanpa efek untuk petir 5 kv (1,2/5 µs) 4 3 2 1 A sisi primer trafo. Sehingga dapat dilihat efek tersebut. Dalam pengukuran didapatkan besarnya tegangan puncak untuk arrester tanpa pengaruh sebesar 334 volt dan saat arrester dipengaruhi oleh efek menjadi sebesar 33466 volt, dimana saat arrester tidak terpasang besarnya tegangan yaitu sebesar 11232 volt. TABEL III PENGARUH STRAY CAPACITANCE UNTUK GANGGUAN PETIR 5 KV Model petir Sebelum efek Setelah efek Error (%) 1.2/5 µs 334 33466,83628991 1/4 µs 399 3111,16422384 8/2 µs 32387 32412,31532611 3/6 µs 35295 35297,443392 Tabel 3 adalah perbandingan tegangan yang terukur pada fasa A sisi primer trafo untuk gangguan petir 5 kv. Dapat terlihat pada tabel bahwa error yang dapat ditimbulkan dengan adanya efek tersebut berkisar antara,4 % hingga,83 %. 34 33 32 31 3 29 28 27 26 1 2 3 4 Gambar 15 Grafik besar tegangan pada phasa A trafo setelah terjadi gangguan petir 5 kv. Keterangan : 1 = model surja tipikal (1,4/5µs) 2 = model front time pendek (1/4µs) 3 = model front time sedang (8/2µs) 4 = model front time panjang (3/6µs) tanpa efek dan efek -1 IV. KESIMPULAN -2-3 Gambar 14 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester dengan efek untuk petir 5 kv (1,2/5 µs) Dengan cara yang sama dilakukan pengukuran untuk mendapatkan nilai tegangan puncak yang terjadi pada phasa 5 Kesimpulan yang didapat dari analisis dan pembahasan perhitungan adalah : 1. Rating lightning arrester pada sistem 15 kv adalah 132 kv bila ditanahkan langsung dan 165 kv bila tidak ditanahkan langsung. 2. Dari perhitungan dengan metode elemen hingga didapatkan kapasitansi sebesar 733,3 pf untuk arrester tipe EXLIM-P 132 kv.
3. Stray memiliki efek yang cukup besar dalam hal kecepatan arrester 132 kv dalam meredam gangguan yang terjadi, ini dapat dilihat dari perbedaan hasil running antara arrester sebelum efek dengan setelah efek tersebut. Dimana pada hasil running pada arrester yang diberi efek, puncak dari tegangan sisa yang dihasilkan lebih stabil, daripada sebelum diberi efek tersebut. 4. Efek capacitace tidak berpengaruh pada besarnya tegangan sisa yang dihasilkan oleh arrester 132 kv tersebut, dengan dibuktikannya persentase error yang terjadi pada arrester akibat adanya efek adalah kurang dari 1 %. 5. Besarnya gangguan yang terjadi juga berpengaruh pada efek pada arrester dalam hal tegangan sisa yang dihasilkan. Dimana semakin besar gangguan yang terjadi, semakin kecil efek tersebut pada kinerja arrester. Ini dapat dibuktikan pada tabel 2 dan tabel 3 dimana pada impuls yang sama besarnya persentase error pada gangguan petir 35 kv lebih besar dibandingkan persentase error pada gangguan petir 5 kv. VI. RIWAYAT HIDUP Septian Ahadiatma dilahirkan di Pasuruan, 12 September 1987. Penulis adalah putra kedua dari tiga bersaudara pasangan Basuki dan Mukiyati. Penulis memulai jenjang pendidikannya di TK PGRI 1 Pandaan dan melanjutkannya ke SDN 1 Kutorejo, Pandaan hingga lulus tahun 1999. Setelah itu penulis melanjutkan studinya di SLTP Negeri 1 Pandaan. Tahun 22, penulis diterima sebagai murid SMA Negeri 1 Purwosari hingga lulus tahun 25. Pada tahun yang sama penulis masuk ke Jurusan D3 Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya hingga lulus tahun 28. Kemudian penulis melanjutkan studi program sarjana di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan NRP. 2281653 dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. V. DAFTAR PUSTAKA [1] T. S. Hutahuruk, Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja,Erlangga jakarta [2] MATLAB R27b Users' Manual. [3] ATPDRAW version 3.5 for Windows 9x/NT/2/XP Users' Manual. [4] Surge Arresters Buyers Guide Edition 7.3 29-12, ABB. [5] Zoro H Reynaldo. 24. Proteksi Terhadap Tegangan Lebih Petir Pada sistem Tenaga Listrik. Catatan Kuliah, Departemen Teknik Elektro.ITB, Bandung. [6] IEC 699-4 International Standard Part 4, Metal oxide surge arresters without gaps for A.C. systems. [7] Mungkung, N., Wongcharoen., S., Tanes Tanitteerapan, Saejao, C., Arunyasot, D., Analysis of Lightning Surge Condition Effect on Surge Arrester in Electrical Power System by using ATP/EMTP Program, World Academy of Science, Engineering and Technology 28, 27. [8] Valsalal, P., Usa, S., Udayakumar, K., Effect of Stray Capacitance on Surge Arrester Performance, Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 29 Vol I WCECS 29, October 2-22, 29, San Francisco, USA. 6