JETri, Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 PROTEKSI PETIR PADA TRANSISI SALURAN UDARA DAN BAWAH TANAH TEGANGAN MENENGAH 20 kv Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh Dosen-Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti Jakarta Abstract This paper summarizes the main results of a study aimed at determining the maximum lightning overvoltages in branchless underground feeder protected by metal-oxide arresters. The study has two parts. Initially, it is performed assuming an ideal behavior of all components: the goal is to gain insight into the physical phenomenon. This will be useful to understand the main results obtained in the second part, where an advanced model is used for representing arresters. Keywords: Lightning, Surge Arresters, Underground Cables 1. Pendahuluan Kerusakan saluran kabel bawah tanah pada umumnya disebabkan oleh sambaran petir (Abduh, 1998; Abduh, 2000). Oleh karena itu, proteksi pada saluran ini menjadi bagian yang penting dalam distribusi tenaga listrik. Untuk mengatasi kerusakan pada kabel, diperlukan cara yang tepat untuk menjaga tingkat proteksi. Cara ini diperlukan untuk menentukan tegangan lebih maksimum pada saluran tersebut dengan akurasi yang tepat. Menjaga tingkat proteksi merupakan bagian yang sulit karena petir memiliki intensitas yang bermacam-macam. Oleh karena itu, kalkulasi dan simulasi komputer dalam tingkat proteksi perlu ditingkatkan. Gambar 1. menunjukkan skema dari transisi saluran udara-bawah tanah. Sambaran petir mengenai setiap titik pada saluran yang mendekati titik transisi. Gelombang berjalan yang dihasilkan oleh sambaran petir menyebar ke saluran bawah tanah. Tegangan lebih maksimum dan gelombang berjalan yang dihasilkan oleh sambaran petir akan menjadi penyebab utama kerusakan pada saluran bawah tanah. Hal ini dapat direduksi apabila terdapat suatu sistem proteksi yang tepat. Tegangan dalam komponen saluran bawah tanah dapat dihasilkan dengan menginduksikan tegangan lebih maksimum yang dihasilkan oleh sambaran petir ke dalam jaringan (Chowdhuri, 1996; Martinez & Molina, 2000).
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 OVERHEAD LINE LIGHTING STROKE RISER POLE UNDERGROUND CABLE T1 T2 T3 T4 STROKE Gambar 1. Transisi Saluran Udara-Bawah Tanah Beberapa skema dirancang untuk melindungi saluran bawah tanah (Martinez & Molina, 2000; Lat, 1987) diantaranya dengan menggunakan arrester berbagai jenis seperti; riser pole only, riser pole, open point, riser pole, open point, dan mid-point. Pembahasan mengenai proteksi gelombang saluran bawah tanah bertujuan untuk menyelidiki tegangan lebih yang diakibatkan oleh sambaran petir yang terdapat dalam cabang-cabang saluran yang diproteksi oleh metal-oxide arresters. Selain itu, juga bertujuan untuk menganalisis komponen-komponen dalam tenaga listrik yang berhubungan dengan sambaran petir. Rancangan untuk proteksi saluran bawah tanah ditunjukkan dalam bentuk skema. Dari rancangan ini, dihasilkan suatu analisis. Diharapkan munculnya suatu teori yang bisa diaplikasikan dalam bentuk simulasi dan diperoleh suatu hasil yang akurat untuk arrester dan selanjutnya dapat disimulasikan secara digital. 2. Pemodelan Keefektifan skema proteksi pada saluran bawah tanah ditentukan oleh beberapa komponen: 1. Saluran dan kabel digambarkan dengan gelombang berjalan satu fasa yang teratur. 2
Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh, Proteksi Petir Pada Transisi Saluran Udara Dan Bawah 2. Transformer bisa digambarkan sebagai kapasitansi ke ground; dalam analisa ini, transformer digambarkan dalam bentuk open circuit. 3. Sumber arus listrik digunakan untuk menggambarkan sambaran petir. 4. Bentuk ideal dari metal-oxide arrester menunjukkan impedansi tak berhingga untuk tegangan yang lebih rendah dari discharge voltage dan menjaga tegangan pada terminal agar tetap konstan dimana discharge voltage telah dicapai. 5. Arrester yang terdapat dalam pole digambarkan dalam bentuk parameter reaktansi. Ketelitian penempatan arrester dalam proteksi petir ditentukan oleh performa sistem dengan mempertimbangkan pengaruh gelombang depan dari impuls yang terjadi (Sakshaug, 1979). Beberapa model (Matinez & Molina, 2000) telah digunakan, dan hasilnya menunjukkan adanya peningkatan arus sebagai fungsi waktu gelombang ekor. Berdasarkan diskusi diatas, dapat diasumsikan bahwa arus listrik yang melewati arrester dapat diabaikan untuk tegangan yang rendah dibanding dengan tegangan percikan (discharge voltage) dan jika jumlah maksimum gelombang yang muncul di arrester lebih besar daripada discharge voltage, atau pun jumlah gelombang maksimum yang disebarkan lebih banyak, maka akan terjadi pembatasan pada discharge voltage. Efek dari jumlah gelombang maksimum yang disebarkan dapat dianalisis dengan asumsi bahwa gelombang impuls yang terjadi tidak mengalami penyimpangan, tetapi pada gelombang lain, terutama yang berbentuk relief, dapat membangkitkan arus petir yang besar (Baker, 1990). Bila suatu kali tegangan arrester digabungkan dengan jumlah dari discharge voltage, tegangan ini tidak berubah sedikitpun meskipun jumlahnya menurun dibawah tegangan discharge. Selama terjadinya proses transisi yang dibentuk oleh sambaran petir, gelombang yang dipantulkan akan muncul pada posisi arrester, dan tentunya analisis gelombang ini dapat dilakukan dengan anggapan bahwa point ini di short-circuit. 3. Analisis Analisis dapat dilakukan apabila tidak terjadi gangguan di saluran udara dalam jarak yang tak berhingga. Beberapa faktor kecuraman gelombang udara pada arus listrik yang ditimbulkan oleh sambaran petir, jarak arrester, sistem tegangan dapat mempengaruhi kelebihan tegangan 3
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 maksimum pada kabel. Cara untuk membedakan efek dari setiap faktorfaktor diatas dapat dianalisis dengan asumsi berikut: 1. Jarak dari kawat yang menghubungkan arrester dengan line dan ground, maupun dengan pengaruh sistem tegangan, diabaikan. 2. Arrester yang terdapat pada riser pole dimasukkan ke dalam perhintungan. 3. Pengaruh dari sistem tegangan dimasukkan. Selanjutnya, untuk memudahkan analisis, maka dilakukan perbedaan pada sistem jalur ganda dan bentuk gelombang. 4. Jalur Ganda 4.1. Arrester utama dan sistem tegangan diabaikan Ketika sambaran petir mengenai konduktor, 2 gelombang berjalan akan terbentuk. Bila salah satu gelombang berjalan pada saluran menuju arrester, refleksi serta refraksi gelombang dimulai. Refraksi gelombang yang berjalan menuju open terminal kemudian direfleksikan dimana tidak terjadi perubahan sinyal dan kembali ke titik transisi. Gelombang baru yang direfleksikan serta direfraksikan akan terbentuk. 4.2. Pengaruh arrester Arus listrik yang ditimbulkan petir dikeluarkan melewati saluran-saluran arrester dan menghasilkan sebuah tegangan dimana tegangan tersebut dapat menjadi bagian dari tegangan arrester. Standar yang tepat digunakan untuk menghitung tegangan tersebut secara terbatas menggambarkan saluran sebagai induktor dan menganggap bahwa gelombang discharge arus dihasilkan dari arus yang berasal dari sambaran petir. Penjelasan diatas dapat diasumsikan bahwa jika kabel lebih panjang dari jarak kritis, maka tegangan maksimum pada titik transisi akan menjadi: Vdis + Ldi/dt (1) Berdasarkan skema proteksi, tegangan lebih maksimum yang dihasilkan oleh saluran akan menjadi berbeda. a. Dengan sebuah arrester pada riser pole, tegangan maksimum dibentuk oleh open point dan nilai tegangan maksimum akan menjadi 2 kali berdasarkan perhitungan. b. Jika arrester kedua dipindahkan ke open point, analisis sesuai dengan penjelasan di atas. Tegangan maksimum akan terbentuk dari suatu titik ke titik tengah. 4
Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh, Proteksi Petir Pada Transisi Saluran Udara Dan Bawah c. Bila arrester pengganti dipindahkan ke titik tengah, maka gelombang akan menyebar ke bagian yang lain. Untuk masalah yang lebih umum, analisis yang dilakukan tidak sederhana. Beberapa aspek yang harus dipertimbangkan: a. Jika jarak kabel lebih pendek dari jarak kritis, gelombang yang dipantulkan akan mencapai transition point ketika tegangan yang melewati arrester lebih rendah dari discharge voltage. b. Jika kabel sedikit lebih pendek dari jarak kritis, gelombang yang dipantulkan mungkin akan mencapai transition point sebelum tegangan pada point ini diturunkan ke discharge voltage. c. Sekalipun jarak kabel lebih panjang dari jarak kritis, tegangan puncak pada transition point bisa lebih tinggi dari perhitungan. d. Jika kabel diproteksi oleh tiga arrester dan second section lebih pendek dari jarak kritis, tegangan maksimum pada first section akan memiliki nilai puncak yang lebih tinggi dari perhitungan. 4.3. Sistem Tegangan dimasukkan ke dalam perhitungan Dengan menganggap bahwa arus postif dari petir menyambar saluran udara pada saat dimana sitem tegangan negatif. Arrester tidak akan berubah menjadi konduktor sebelum tegangan yang ditimbulkan oleh sambaran petir diganti oleh sistem tegangan negatif. Kemudian gelombang yang menyebar dari titik transisi menjadi lebih tinggi dari tegangan puncak (pada titik ini). Ternyata, hal buruk terjadi ketika petir menyambar pada saat dimana sistem tegangan berada pada puncak negatif. Analisis perhitungan dalam bentuk sederhana terjadi jika jarak kabel lebih panjang dari jarak kritis. Nilai puncak pada titik transisi selalu (Vdis + Ldi/dt), saat nilai puncak dari gelombang positif yang menyebar dari titik transisi dapat dihitung dengan (Vsys + Vdi s +L di/dt), menjadi Vsys sistem tegangan pada saat tersebut ketika petir menyambar saluran. Berdasarkan skema diatas maka dapat dirumuskan: 1. Jika tidak terdapat arrester pada open point, tegangan puncak menjadi ganda; bagaimanapun, bila sistem tegangan negatif, tegangan puncak pada open point menjadi: 2(Vsys + Vdi s +L di/dt) Vsys (2) 2. Jika arrester terdapat pada open point, tegangan puncak pada point ini akan berubah menjadi discharge voltage, dan puncak maksimum akan 5
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 dimulai di certain point, tidak perlu sama jauhnya dari kedua terminal, mencapai sebuah perhitungan. 1.5(Vsys + Vdi s) + L di/dt Vsys (3) 3. Jika arrester lain terdapat pada mid-point, tegangan pada kedua midpoint dan open point, arrester akan menjadi discharge voltage, bagaimanapun, tegangan puncak pada setiap bagian akan berbeda: (Vsys + Vdi s) + L di/dt Vsys pada first section 1.5 Vdi s pada second section 5. Bentuk Gelombang Bentuk gelombang dengan jalur ganda tidak menampilkan bentuk yang akurat untuk arus yang ditimbulkan oleh sambaran petir. Meskipun tidak terdapat bentuk gelombang pada saat keadaan transien, kemampuan program emtp-like dapat digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang yang lebih jelas. Critical length dapat digunakan sebagai konsep yang berguna, bagaimanapun nilai ini harus dihitung dari nilai maksimum. Dengan mengasumsikan bahwa jarak kabel lebih panjang dari jarak kritis, maka didapat suatu penyelesaian yang sama dengan perhitungan pada jalur ganda: 1. Tegangan puncak pada titik transisi dapat diperkirakan (Vsys + Vdi s +L di/dt). 2. Tegangan puncak ganda yang terdapat pada kabel diproteksi oleh sebuah arrester pada riser pole. 3. Ketika arrester kedua ditempatkan pada open point, tegangan maksimum dapat dihitung dengan persamaan (2), meskipun tegangan ini tidak akan selalu dimulai dari tengah kabel. 4. Jika arrester ketiga ditempatkan pada mid-point, maka tegangan lebih maksimum pada first dan second section dapat dihitung berdasarkan persamaan (2) dan (3). 6. Penggunaan Arrester Terbaru Karena sifat metal-oxide model arrester terbaru yang non linear, maka analisis tegangan maksimum dapat dilakukan berdasarkan simulasi 6
Chairul G. Irianto & Syamsir Abduh, Proteksi Petir Pada Transisi Saluran Udara Dan Bawah digital. Selanjutnya, secara sederhana dapat dipahami keandalan dari setiap skema proteksi melalui perhitungan dan analisis lebih cermat lagi. Tegangan maksimum dapat terjadi pada titik transisi jika jarak kabel lebih panjang dari jarak kritisnya. Dapat pula diperkirakan nilai (Vdi s +L di/dt). Nilai ini (Vdis) tidak konstan berdasarkan gelombang arus discharge yang ditimbulkannya. Tetapi, nilai di/dt yang digunakan terkait dengan arus maksimum dapat dihitung. Dengan demikian, dari simulasi digital dapat diketahui beberapa hal: 1. Arus listrik yang ditimbulkan oleh sambaran petir, persentasenya sangat baik dimana discharge voltage melintasi arrester pada riser pole, ketika kabel diproteksi oleh lebih dari satu arrester. 2. Arus discharge yang melintasi posisi arrester pada mid-point dan open point tidak membentuk discharge voltage lebih baik daripada V10, yang digunakan untuk menunjukkan discharge voltage untuk arus 10 ka, 8/20 s. 3. Sistem tegangan ketika petir menyambar saluran tidak memberikan pengaruh pada semua titik ketika arrester ditempatkan. 4. Jika kabel diproteksi oleh sebuah arrester pada riser pole, tegangan lebih maksimum akan menjadi ganda yang dimulai pada riser pole ditambah sistem tegangan. 5. Ketika arrester ditempatkan pada open point, tegangan lebih maksimum dimulai dari mid-point. 6. Pada suatu point dimana tegangan lebih maksimum dibentuk, ketika arrester ketiga menempati mid-point dari kabel, berdasarkan dari beberapa faktor (nilai V10, bentuk gelombang arus discharge melintasi riser pole dari arrester, jarak dari tiap section kabel). 7. Kesimpulan Berdasarkan uraian di atas, maka dapat disimpulkan: 1. Tegangan lebih maksimum dan gelombang berjalan yang dihasilkan oleh sambaran petir pada titik transisi saluran udara-bawah tanah merupakan penyebab utama gangguan pada saluran distribusi tegangan menengah 20 kv bawah tanah. 2. Penempatan arrester secara tepat dalam jumlah tertentu (lebih banyak) akan menurunkan tegangan lebih di sepanjang salauran (kabel). 3. Jika kabel bawah tanah diproteksi dengan arrester maka gangguan yang terjadi pada saluran (kabel) akan menurun. 7
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 Daftar Pustaka 1. Abduh, S. 1998. Partial Discharge Test pada Terminasi Kabel XLPE 3 Inti Tipe Slip-On Tegangan Menengah 12/24 kv. Proceeding Seminar Nasional dan Workshop Teknik Tegangan Tinggi I, ITB, Bandung. 2. Abduh, S. 2000. Impuls Test pada Jointing Kabel Bawah Tanah XLPE Tipe Ciut Panas Tegangan Menengah 12/24 kv. Proceeding Proceeding Seminar Nasional dan Workshop Teknik Tegangan Tinggi III, UI, Jakarta.. 3. Baker, P. 1990. Voltage Quadrupling on a UD Cable. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 5 No. 1. 4. Chowdhuri, P. 1996. Electromagnetic Transients in Power System: John Wiley. 5. Lat, M. 1987. A Simplified Method for Surge Protection on Underground Distribution system with Metal-Oxide Arrestes. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 2, No. 4. 6. Martinez, J. and Molina, G. 2000. Surge Protection of Underground Distribution Cables. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol.15. No.2. 7. Sakshaug, E. 1979. Influence of Rate-of-Rise on Distribution Arrester Protective Characteristics. IEEE Trans. On Power Apparatus and systems, Vol.98, No.2. 8