SISTEM PROTEKSI TERHADAP SAMBARAN PETIR LANGSUNG (DIRECT STRIKE) KE GARDU INDUK Sudut Lindung Menara Transmisi Dan Gardu Induk Proteksi Sistem Tenaga EP3076 Disusun Oleh : Bryan Denov (18013003) Aulia Nadira (18013019) Abi Munajad (18013020) Ichwaldo Haries Sendyartha (18013 021) Haidar Ahmad Daffa (18013024) Andy Daniel Pandapotan Tarigan (18013038) Achmad Miftahul Ulum (18013045) TEKNIK TENAGA LISTRIK SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG BANDUNG 2016
Abstrak Indonesia merupakan Negara tropis yang karena memiliki semua syarat terbentuknya petir, menjadi Negara yang mempunyai hari guruh tertinggi di dunia. Oleh karena itu sistem proteksi terhadap sambaran petir menjadi penting. Terutama untuk objek vital nasional seperti Gardu Induk Bandung Selatan yang menyalurkan daya untuk bumi pasundan dengan sistem transimis 500 kv dan 150 kv. Karakteristik petir Indonesia berbeda dengan karakteristik petir Negara sub-tropis. Oleh karena itu, diperlukan rancangan khusus pada sistem proteksi petir. Sistem proteksi ini harus bisa mencakup proteksi sambaran langsung pada gardu maupun pada tiang transmisi. Perlindungan dapat dilakukan menggunakan tiang finial ataupun kawat tanah dengan sebelumnya memperhitungkan sudut lindung dari karakteristik petir tropis. Perhitungan nilai tahanan maupun induktansi peralatan gardu dan sistem proteksinya juga diperlukan agar dapat diperkirakan berapa nilai tegangan petir yang akan mengganggu sistem proteksi pada gardu induk. Kata kunci: sambaran langsung, gardu induk, tiang transmisi 1. TUJUAN PRAKTIKUM Memahami konsep sistem proteksi terhadap sambaran langsung pada gardu induk dan menara transimisi. Menghitung sudut lindung sistem proteksi eksternal pada gardu induk dan menara transmisi dengan metoda bola gelinding. Memahami cara pengukuran dan mengukur tahanan pentanahan gardu induk dan menara. Menghitung nilai induktansi dan tegangan lebih pada menara akibat sambaran langsung menggunakan data lapangan & kurva Induktansi tower. 2. PENDAHULUAN Petir merupakan pelepasan muatan listrik di udara, yang dapat terjadi diantara awan-awan, antara pusat-pusat muatan didalam awan tersebut, dan antara awan dan tanah.lebih banyak pelepasan muatan (discharge)terjadi antara awan-awan dan di dalam awan itu sendiri dari pada pelepasan muatan yang terjadi antara awan ke tanah, tetapi petir awan-tanah ini sendiri sudah cukup besar untuk dapat menyebabkan terjadinya kerusakan pada benda-benda di permukaan tanah. Petir merupakan proses alam yang tejadi di atmosfer pada waktu hujan (thunder storm). Muatan akan terkonsentrasi di dalam awan atau bagian dari awan dan muatan yang berlawanan akan timbul pada permukaan tanah dibawahnya. Jika
muatan bertambah, beda potensial antara awan dan tanah akan naik, maka kuat medan di udara pun akan naik. Jika kuat medan ini melebihi kuat medan diantara awan-awan tersebut maka akan terjadi pelepasan muatan. Bahaya tegangan labih yang dapat terjadi pada sistem tenaga (hantaran udara, menara, gardu induk) dapat berupa sambaran langsung dan sambaran tak langsung. Petir menjadi permasalahan tersendiri saat ini utamanya didunia kelistrikan karena petir mampu menggangu penyaluran energi listrik baik pada jaringan transmisi dan distribusi listrik serta merusak berbagai komponen/peralatan yang terdapat pada stasiun-stasiun listrik/gardu induk. Untuk itu sebagai engineer, kami harus memiliki kemampuan dalam mengatasi gangguan utamanya yang dapat menghambat kontinuitas transmisi energi listrik yang diakibatkan oleh sambaran petir baik sambaran pada saluran transmisi atau gardu induk. Kemampuan yang dimiliki tentunya tidak sebatas kemampuan secara teori yang diperoleh melalui perhitungan dikelas akan tetapi juga kemampuan dilapangan yang salah satunya dapat diperoleh melalui kunjungan lapangan ke gardu induk tegangan ekstra tinggi 500 kv dan gardu induk tegangan tinggi 150 kv di Bandung Selatan yang dioperasikan oleh PT. PLN. Adapun tujuan praktikum pada kunjungan lapangan di modul ini yaitu : - Memahami konsep sistem proteksi terhadap sambaran langsung pada gardu induk dan menara transimisi - Menghitung sudut lindung sistem proteksi eksternal pada gardu induk dan menara transmisi dengan metoda bola gelinding - Memahami cara pengukuran dan mengukur tahanan pentanahan gardu induk dan menara - Menghitung nilai induktansi dan tegangan lebih pada menara akibat sambaran langsung menggunakan data lapangan & kurva Induktansi tower. 3. TEORI DASAR 3.1 Proteksi Terhadap Sambaran Langsung Sistem proteksi eksternal yang lebih dikenal orang awam dengan sebutan penangkal petir adalah instalasi yang dipasang untuk mencegah, menghindari atau mengurangi dampak dari sambaran petir langsung pada objek yang dilindunginya. Secara umum komponen sistem proteksi ini adalah : air terminal/finial, down conductor dan sistem grounding. Ketiga komponen ini ditemukan pada gardu induk dan menara transmisi, sebagai salah satu peralatan proteksi terhadap tegangan lebih petir. Sambaran langsung pada peralatan gardu
atau menara transmisi dapat menyebabkan kerusakan atau penuaan isolasi peralatan yang dapat berdampak pada terhentinya pelayanan daya dalam waktu lama. Untuk itu pada gardu atau menara transmisi dilengkapi oleh kawat tanah / finial/rod dan sistem pentanahan yang baik. Bentuk air terminal adalah batang tegak yang dikenal dengan franklin rod atau batang mendatar/kawat tanah mendatar. Keduanya dipasang sedemikian rupa agar sambaran petir mengenainya dan bukan peralatan yang harus dilindunginya untuk kemudian disalurkan ke tanah melalui down conductor. Down conductor adalah saluran arus petir ke tanah. Biasanya penghantar turun ini mengikuti konstruksi menara atau busbar yang ada pada gardu yang. Ada juga yang menggunakan konduktor lain baik bare conductor atau kabel untuk keamanan dan mengurangi tegangan jatuh pada konduktor tersebut. Sedangkan bentuk sistem pentanahan adalah pentanahan vertikal/rod, pentanahan horizontal yang ditanam >50 cm dibawah permukaan tanah atau kombinasi keduanya. Dalam standar ini juga disebutkan bahwa bentuk dan dimensi sistem grounding lebih penting dari pada nilai pentanahannya, namun nilai pentanahan yang kecil sangat direkomendasikan. Sistem pentanahan ini dibuat sedemikian rupa dengan tujuan keamanan personil, proteksi arus gangguan, proteksi petir dan untuk kesesuaian elektromagnetik peralatan elektronik. Sistem Pentanahan didalam gardu induk bentuknya adalah mesh atau jaring dengan 2x2 meter tertanam 50-100 cm didalam tanah yang mencakup seluruh GI, dengan tujuan keamanan personil (tegangan langkah dan sentuh minimum), menjaga agar jika tejadi short circuit pada sistem akan cepat menjalankan relai dan CB serta menjaga elevasi tegangan yang homogen pada peralatan diseluruh GI. Pada GI tertentu grounding dibuat mesh sampai beberapa tiang terakhir sebelum masuk GI. 3.2 Metode Bola Gelinding Perhitungan Radius Sambar Petir ntuk daerah tropis yaitu sebagai berikut : ( ) Sedangkan ntuk daerah sub-tropis (berdasar IEC 62305/2006) yaitu sebagai berikut : ( ) di mana i adalah nilai arus dalam satuan kilo Ampere.
Salah satu metoda untuk menghitung daerah lindung dan sudut lindung sebuah air terminal adalah metoda bola gelinding rolling sphere method. Jarak sambar striking distance adalah jarak antara lidah petir ke bawah downward leader sesaat sebelum bersatu dengan lidah penyonsong upward leader pada titik sambar petir. Sudut lindung sebuah air terminal dapat diukur dengan menggambarkan daerah lindung dengan metoda bola gelinding dimana sudut lindung adalah sudut diantara garis singgung bola gelinding yang mengenai air terminal dengan permukaan tanah. Sudut lindung juga dapat didekati dengan dengan persamaan Hasse dan Wiesinger berikut ini : o h Sin 1 1 untuk h<r r dimana h adalah tinggi struktur dan r adalah jarak sambar. Sedangkan sudut lindung dua buah batang tegak yang terpisah sejarak S dapat didekati dengan :
o S cos 1 untuk S<2r. 2r Arus puncak petir yang digunakan dalam menentukan jarak sambar atau sudut lindung ditentukan dari tingkat proteksi yang diinginkan (lihat grafik hubungan antara presentase tingkat proteksi dengan besar arus puncak petir dibawah ini). Untuk keperluan engineering diambil arus puncak dengan statistik 50%. Misalkan arus puncak 40 ka dengan statistik 50% maka sistem proteksi melindungi 50% petir dengan arus > 40 ka, sedangkan 50% sisanya (<40 ka) tidak terproteksi. Statistik lain yang biasanya digunakan adalah 85%, 93%, 95% dan 99%. 3.3 Tegangan Lebih Petir Jika hantaran udara tersambar petir, maka tegangan pada titik sambar adalah:
4. Muatan yang dilepas oleh petir pada konduktor akan mengalir ke dua arah dalam bentuk gelombang berjalan. Jika: Î = 30 ka ; Z L = 300 Ω; Maka Sedangkan apabilan sambaran langsung mengenai menara akan menyebabkan terjadinya kenaikan tegangan yang dapat menyebabkan terjadinya Back Flash Over. Î s = arus petir L = induktansi menara R E = tahanan kaki menara l = tinggi menara Tiang dapat direpresentasikan sebagai impedansi surja atau induktansi. Bila tiang direpresentasikan sebagai induktansi, maka ada penyesuaian nilai tahanan pentanahan dan impedansi surja kawat tanah, yaitu : Z' g 2ZgZt dan Z 2Z g t R' o Z R t o Z t R o dimana Z g impedansi surja kawat tanah, Z t impedansi surja tower dan R o nilai tahanan pentanahan tower. Berikut ini kurva impedansi surja tower :
Untuk saluran tanpa kawat tanah (Z g = 0) maka : V I Z t R o di I.R' o L dt Jika kawat tanah di sambar petir maka arus tersebut sebagian akan dialirkan ke tiang. Besar tegangan lebih yang timbul adalah : V C.I Z R C I.R' L t o o di dt dimana untuk saluran dengan satu kawat tanah : ln(b1 / a1) C ln(2.h / r) g dan untuk saluran dengan dua kawat tanah :
ln (b1.b 2 ) /(a1.a C ln(2.h / d.r) g 2 ) dimana a dan b adalah jarak kawat tanah dengan kawat phasa serta dengan bayangannya. Berikut ini statistik kecuraman arus petir : Statistik kecuraman arus petir tropis dan sub-tropis 2 4 1 Pro ba bili tas 18 ka/us 5 30kA/us Kecuraman Arus Petir (1) Europe by Karl Berger, measured at Mt San Salvatore, Switzerland. (2) Indonesia by Reynaldo Zoro, measured at Mt Tangkuban Perahu 19 Bila tegangan lebih V yang terjadi pada kondisi diatas melebihi ketahanan isolatornya maka akan terjadi lewat denyar - flashover pada isolator. Untuk sambaran langsung pada tiang atau kawat tanah biasanya disebut lewat denyar balik - back flashover. 5. HASIL DAN ANALISIS 5.1 Sambaran Langsung Jarak sambar petir diperoleh melalui hubungan : r= 6,7 i 0,8.. (Persamaan 1) {Persamaan ini dipilih karena petir di Indonesia merupakan petir daerah Tropis} Di bawah ini merupakan Statistik arus puncak petir di beberapa lokasi termasuk Gunung Tangkuban Perahu Indonesia.
Berdasarkan kurva petir negatif yang diukur di Tangkuban Perahu, arus puncak untuk probabilitas 50% dan 85% secara berturut-turut adalah 40 ka dan 25 ka. Dengan menggunakan persamaan 1, maka diperoleh jarak sambar masing-masing petir adalah sebagai berikut: r 1 = 6,7 x 40 0,8 = 128,15 m r 2 = 6,7 x 25 0,8 = 87,98 m Daerah lindung masing-masing finial dapat dihitung dengan persamaan: α= Sin -1 (1- (h/r))... (Persamaan 2) Dengan tinggi finial h=30 m, dapat diperoleh nilai sudut Lindung (menggunakan Persamaan 2) : Probabilitas Petir Besar Arus Puncak Jarak Sambar Sudut Lindung 50% 40 ka 128,15 m 49,987 o 85% 25 ka 87,98 m 41,225 o Dengan menggunakan metode bola gelinding, untuk masing-masing statistik arus petir, dapat digambarkan daerah lindung dari Gardu Induk Bandung Selatan 500 kv maupun 150 kv.
5.1.1 Sambaran Langsung pada GI 500 kv a. Daerah lindung untuk Sambaran Petir Statistik 50% Layout tampak samping
Layout tampak atas
b. Daerah lindung untuk Sambaran Petir Statistik 85% Layout tampak samping
Layout tampak atas
Analisis: Berdasarkan gambar daerah lindung dari tampak depan, samping dan atas, dapat dilihat bahwa GI 500 kv Bandung Selatan beserta komponen di dalamnya sudah terlndungi dengan baik. Dibawah ini merupakan denah GI 500 kv: Tampak atas Tampak samping Dengan statistik arus puncak petir untuk probabilitas 50% dan 85% yang telah dimodelkan dengan pemodelan perlindungan gardu Induk dari sambaran petir langsung menggunakan metode bola gelinding, dapat
dilihat bahwa seluruh komponen-komponen seperti trafo,arrester, disconnecting switch, circuit breaker, trafo arus berada pada daerah lindung tiang penangkal petir. Pada pemodelan juga dapat dilihat bahwa daerah lindung untuk statistik 50% memiliki cakupan yang lebih luas dibandingkan statistik 85%. Hal ini sesuai dengan hubungan antara sudut lindung dengan r dan i dari petir. Penggunaan probabilitas disesuaikan dengan kebutuhan level keketatan proteksi dari daerah yang ingin dilindungi. Penggunaan probabilitas yang tinggi digunakan untuk desain perlindungan dari daerah yang membutuhkan tingkat proteksi yang ketat, misal penggunaan statistik probabilitas sambaran petir 85% untuk daerah oil dan gas serta penggunaan statistik probabilitas sambaran petir 95% untuk daerah Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir. 5.1.2 Sambaran Langsung pada GI 150 kv Denah G1 150 kv tampak atas
Daerah lindung untuk Sambaran Petir Statistik 50% tampak atas
Analisis: Pada GI 150 kv, proteksi terhadap sambaran langsung menggunakan kawat tanah yang disusun secara mesh. Berdasarkan data layout tampak atas kawat tanah yang digunakan pada GI 150kV ini, terlihat bahwa kawat tanah ini menghubungkan beberapa menara di gardu. Dengan adanya kawat tanah, tinggi menara penangkal petir tidak harus setinggi perlindungan yang hanya menggunakan menara finial. Jumlah kawat tanah paling tidak ada satu buah diatas kawat fasa, namun pada gardu ini di setiap menara dipasang dua - tiga buah. Pemasangan yang hanya satu buah untuk dua penghantar akan membuat sudut perlindungan menjadi besar sehingga kawat fasa mudah tersambar petir. Jarak antara ground wire dengan kawat fasa di tower adalah sebesar jarak antar kawat fasa, namun pada daerah tengah gawangan dapat mencapai 120% dari jarak tersebut. Setelah digambarkan daerah lindung gardu tampak atas dan samping untuk sambaran petir untuk statistik 50 %, seluruh komponen gardu yang meliputi trafo, arrester, DS, CB, Busbar, dan kawat fasa terlindungi dengan baik. Dibawah dapat dilihat ilustrasi daerah lindung dengan menggunakan overhead groundwire. 5.2 Sambaran Langsung pada Menara Transmisi 5.2.1 Sambaran Langsung pada Menara Transmisi 500 kv Untuk mendapatkan nilai jarak sambar petir kita gunakan persamaan: r= 6,7( i^0,8).. (Persamaan 1) data diperoleh jarak sambar masing-masing petir adalah sebagai berikut: r 1 = 6,7 x 40 0,8 = 128,15 m r 2 = 6,7 x 25 0,8 = 87,98 m Daerah lindung masing-masing finial dapat dihitung dengan persamaan:
α= Sin -1 (1- (h/r))... (Persamaan 2) Dengan tinggi menara transmisi h=70 m, dapat diperoleh nilai sudut Lindung (menggunakan Persamaan 2) : probabilitas Besar arus jarak sambar sudut lindung petir puncak 50% 40k 128.15 m 26.986 o 85% 25k 88m 11.803 o 5.2.2 Sambaran Langsung pada Menara Transmisi 150 kv Untuk sambaran pada menara transmisi 150 kv dilakukan perhitungan dengan cara yang sama. Dengan tinggi menara transmisi h=32.5 m maka akan didapatkan nilai sudut lindung probabilitas petir besar puncak arus jarak sambar sudut lindung 50% 40 ka 128.15 m 48.279 o 85% 25 ka 88m 39.1 o 5.3 Tegangan Lebih Petir 5.3.1 Perhitungan dan Analisa Proteksi Tegangan Lebih Petir Statistik Kejadian 50% Menara Transmisi 150 kv Apabila petir menyambar menara terakhir sebelum masuk gardu 150 kv maka tegangan yang dirasakan akan bergantung terhadap resistansi dan induktansi menara. Untuk probabilitas 50% tegangan yang masuk dapat dirumuskan sebagai: V = R. i + L. = 0.02. + 13µH. 30 (arus dibagi 5 karena ada 2 kawat tanah) = 390.16 kv Pada menara transmisi dengan tegangan nominal 150 kv maka akan didapat tegangan pengenal sebesar 138 kv. Dari situ didapat bahwa peralatan akan tahan hingga 460 kv. Dapat disimpulkan bahwa apabila terjadi sambaran petir dengan probabilitas 50% pada menara transmisi terakhir sebelum masuk gardu 150 kv nilai tegangan yang masuk masih bisa ditahan oleh arrester. 5.3.2 Penyelesaian Kasus Pemasangan Konduktor BC 50 mm 2
Bila dari kawat tanah melalui menara dipasang konduktor BC 50mm 2 (L = 1 µh/m) yang diisolasikan dengan selang plastik maka akan berpengaruh ke nilai induktansi menara. Didapatkan nilai induktansi baru: L new = = = 9.285µH Dengan nilai induktansi baru dapat dicari tegangan yang terjadi di menara V = R. i + L. = 0.02. + 9.285µH. 30 (arus dibagi 6 = 278.68 kv karena ada 2 kawat tanah dan 1 konduktor BC) Dapat terlihat bahwa dengan penambahan konduktor BC 50mm 2 yang diisolasikan dengan selang plastik maka akan terjadi penurunan nilai induktansi yang juga berujung pada penurunan nilai tegangan yang masuk. Hal ini pada pengaplikasian secara langsung akan cukup berguna karena dengan tegangan masuk yang lebih kecil maka bukan saja GI akan lebih aman tetapi juga menjaga agar peralatan tidak mudah rusak dan lebih awet. 5.4 Pengukuran Tahanan Kaki Menara Transmisi Pengukuran nilai tahanan tanah menggunakan earth tester dilakukan dengan injeksi arus searah. Hal ini berarti nilai tahanan yang didapat hanya memperhitungkan nilai resistansi. Akibatnya, hasil menjadi kurang akurat. Sedangkan saat terjadi gangguan terdapat komponen arus impuls yang disebabkan oleh sambaran petir dan switching. Arus impuls ini seringkali tidak diperhitungkan dalam pengukuran nilai tahanan tanah. Pengukuran tahanan pentanahan dengan alat pengukur tahanan tanah analog (Earth tester). Untuk mendapatkan nilai resistansi(r) dari elektroda pentanahan, perlu memperhatikan parameter - parameter yang meliputi resistivitas tanah, dimensi elektroda pentanahan, dan ukuran elektroda pentanahan. Jika pengukuran dilakukan dengan memperhitungkan arus impuls, tidak hanya nilai resistansinya saja yang dihitung melainkan juga nilai induktansi dan kapasitansi.
Dengan : RG=RR= ( ( ) ) RG = RR = tahanan pentanahan (Ω) ρ = tahanan jenis tanah (Ω.m) = Ω.m L = panjang elektroda (m) = 20 m A = diameter elektroda (m) = 2 cm = 0.02 m Maka RG = RR = 0.19 mω Besar nilai induktansi dan kapasitansi batang elektroda pembumian adalah L = 2 Ɩ ln ( ) 10-7 C = 10-9 Dengan ɛ = konstanta dielektrik tanah = 4 untuk tanah kering maka L = 0.03 mh dan C = 0.5 nf maka total impendansi pentanahan adalah Z = R + jωl + 6. KESIMPULAN Sistem proteksi GITET Bandung Selatan menggunakan tiang finial pada tegangan 500 kv dan kabel fasa dengan topologi mesh untuk tegangan 150 kv Sistem proteksi tersebut dapat melindungi sambaran langsung pada GI 500 kv dan 150 kv sesuai dengan perhitungan bola gelinding Besar resistansi pentanahan DC menara transmisi adalah 0.02 Ω Perhitungan impedansi pentanahan harus memperhitungkan pengaruh arus impuls Penambahan konduktor dengan isolator dapat memperkecil nilai induktansi dan memperbanyak pembagian arus sehingga memperkecil tegangan yang masuk ke gardu induk. 7. DAFTAR PUSTAKA
1] Zoro, Reynaldo. 1987. Proteksi Sistem Tenaga I : Proteksi Terhadap Tegangan Lebih pada Sistem Tenaga Listrik. Bandung: Penerbit ITB.