Analisis Usia Arrester Pada Jaringan Distribusi Terhadap Sambaran Kilat Dengan Menggunakan Atpemtp Studi Kasus PLN Ranting Medan Johor

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR

ANALISIS USIA ARRESTER PADA JARINGAN DISTRIBUSI TERHADAP SAMBARAN KILAT DENGAN MENGGUNAKAN

ATP-EMTP

Studi Kasus PLN Ranting Medan Johor Oleh :

META SINAGA NIM : 090402006

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada Tanggal 15 Bulan Januari Tahun 2014 di depan penguji : 1. Ketua Penguji : Yulianta Siregar, S.T., M.T.

2. Anggota Penguji : Syiska Yana, S.T., M.T. Disetujui Oleh:

Pembimbing Tugas Akhir

(Ir. Zulkarnaen Pane, M.T.) NIP : 19570720 198303 1 001

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

(Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si.) NIP : 19540531 198601 1 002

ABSTRAK

Sistem tenaga listrik dalam keadaan beroperasi sering mengalami gangguan, umumnya gangguan petir yang dapat mengakibatkan terganggunya penyaluran tenaga listrik ke konsumen. Lightning Arrester merupakan peralatan yang digunakan untuk melindungi peralatan sistem tenaga dari gangguan sambaran petir pada jaringan distribusi. Arester tidak selamanya bekerja dengan sempurna sebagaimana seharusnya ketika diterpa arus petir. Kondisi ini memungkinkan arester gagal bekerja, dimana selain mengganggu sistem yang dilindungi, kegagalan ini juga mempengaruhi performa dari arester itu sendiri yang akan berpengaruh pada usia arester.

Dalam Tugas Akhir ini, penulis menghitung kemungkinan kegagalan arester bekerja dan usia arester pada saluran tegangan menengah 20 kV Ranting Medan Johor dengan tipe arester yang digunakan adalah arester metal oksida (MOA).

Berdasarkan hasil perhitungan memperlihatkan bahwa probabilitas kegagalan arester sebesar 0.73479 × 10 dan usia yang mampu dicapai arester untuk kondisi kerapatan sambaran rata-rata sejak tahun 2008 hingga 2012 adalah 6 tahun 10 bulan 28 hari.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Allah Bapa di dalam Yesus Kristus untuk segala hal yang telah dianugerahkan kepada Penulis, sehingga Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul :

ANALISIS USIA ARESTER PADA JARINGAN DISTRIBUSI TERHADAP SAMBARAN KILAT DENGAN MENGGUNAKAN ATP-EMTP

Studi Kasus PLN Ranting Medan Johor

Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Selama masa kuliah sampai penyelesaian Tugas Akhir ini, Penulis banyak mendapat dukungan, bimbingan, maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Ayahanda K. Sinaga, Ibunda R. Situmorang, Kakek U. Situmorang yang kini dalam kenangan dan Nenek M. Sihotang yang selalu memberi dukungan, doa dan menyediakan segala keperluan selama perkuliahan hingga penyelesaian Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas nasehat, bimbingan, dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dan telah menjadi sosok inspirasi dalam kehidupan perkuliahan penulis selama ini.

3. Bapak Yulianta Siregar ST, MT dan Ibu Syiska Yana ST, MT selaku Dosen Penguji yang telah memberikan pengarahan dan saran dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

4. Bapak Ir. Pernantin Tarigan, M.Sc selaku Dosen Wali Penulis yang selama perkuliahan telah memberi banyak nasehat dan arahan.

5. Bapak Ir.Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU dan Bapak Rahmad Fauzi ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU.

6. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Kepala Laboratorium Tegangan Tinggi Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara yang telah membimbing Penulis selama menjadi Asisten di Laboratorium Tegangan Tinggi.

7. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas segala bantuannya.

8. Tante Asnahria, Tante Juan, Uda Juan, Tulang Charles dan Tulang Yusnita. Dan juga Saudara-saudari Penulis : Harmoko yang kini dalam kenangan, Trini Arta Uli, Juan Pratama, Gresia Sari, dan Anggita Violin, yang selalu menguatkan, mengingatkan untuk semangat dan memberi penghiburan disaat Penulis dalam keadaan terpuruk.

David A, Nicholas, Samson, Jesayas, Thanks, Candra, Daniel, Lamcan, Nico, Frans, Reza, Oloni, yang telah banyak memberi dukungan dan bantuan saat proses pengurusan data hingga penulisan Tugas Akhir ini. 10. Teman-teman Asisten Laboratorium Tegangan Tinggi, Wangto, Join,

Raymond, dan Kentrik.

11. Keluarga Besar Ikatan Mahasiswa Teknik Elektro dan semua pengurus IMTE 2013-2014.

12. Abang- Kakak dan Adik-adik elektro yang sudah memberi dukungan dan bantuan terkhusus bang Albert ’06 dan iqnatius ’10 yang mengajari menggunakan ATP-EMTP, bang Frans ’06 dan bang Mitro ’06 yang telah memberi banyak referensi buku, bang Christian ’08, kak Elis ’08, Afron ’10, Chandra ’10, Angel ’10 dan Sylvester ’10, Riko ’11, Biondi ’11, Albert ’11, Joseph ‘11 yang banyak memberi dorongan dan bantuan lainnya.

13. Sahabat-sahabat terbaik Beswan 27 yang super unik, informatif, inspiratif dan komunikatif yang selalu memberi semangat baru: Yassir, Teguh, dan Andi.

14. Teman curhat dan menghibur Lusi, Tiurma, dan Lely.

15. Balai Besar BMKG dan PLN Ranting Medan Johor yang telah memberikan fasilitas data untuk keperluan penyelesaian Tugas Akhir ini. 16. Serta untuk semua pihak yang tidak bisa disebutkan oleh Penulis satu per

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik dengan tujuan menyempurnakan isi dan analisa yang disajikan. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi Penulis dan Pembaca.

Medan, Desember 2013 Penulis

Meta Sinaga NIM. 090402006

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI... vi

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... ix

I. PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah... 2

1.4 Tujuan Penulisan... 3

1.5 Manfaat Penulisan ... 3

II. TINJAUAN PUSTAKA... 4

2.1 Umum... 4

2.1.1 Arrester Akspulsi(Expulsion Type)... 6

2.1.2 Arrester Katup... 8

2.1.2.1 Arrester Katup Sela Pasif ... 9

2.1.2.2 Arrester Katup Sela Aktif... 9

2.1.2.3 Arrester Metal Oksida(MOA)... 10

2.1.3 Data Pengenal Arrester ... 12

2.2.2 Bentuk Gelombang... 17

2.2.3 Kerapatan Sambaran dan Arus Puncak Petir ... 18

2.2.4 Teori Perhitungan Probabilitas Kegagalan dan Usia Arrester... 20

III. METODOLODI PENELITIAN.………...……… 24

3.1 Tempat dan Waktu ... 24

3.2 Metode Penelitian... 24

3.3 Proses Pengambilan Data ... 25

3.4 Variabel yang Diamati ... 26

3.5 Simulasi Arus Petir Menggunakan Software ATP-EMTP ... 27

3.6 Proses Pengolahan Data ... 30

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN... 31

4.1 Umum... 31

4.2 Analisis Gangguan Petir Saluran Udara Tegangan Menengah ... 31

4.3 Analisis Simulasi Arus Petir ... 33

4.4 Analisis Probabilitas Kegagalan dan Usia Arrester ... 36

V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 39

5.1 Kesimpulan ... 39

5.2 Saran... 39

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Karakteristik Tahanan Katup ... 5

Gambar 2.2 Konstruksi Arrester Ekspulsi ... 7

Gambar 2.3 Konstruksi Arrester Katup ... 8

Gambar 2.4 Konstruksi Arrester Metal Oksida... 11

Gambar 2.5 Perbandingan MOA dengan SiC ... 12

Gambar 2.6 Tahapan Sambaran Petir ke Tanah... 16

Gambar 2.7 Bentuk Gelombang Impuls Petir Standar IEC ... 18

Gambar 2.8 Konfigurasi Jarak Sambaran Petir... 19

Gambar 3.1 Flowchart Simulasi... 27

Gambar 3.2 Single Line Diagram Jaringan Distribusi ... 28

Gambar 3.3 Rangkaian Ekivalen Arrester Metal Oksida... 28

Gambar 3.4 Rangkaian Simulasi Arrester Metal Oksida ... 30

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Konstanta Distribusi Frekuensi Kumulatif Gelombang Arus Petir ... 21 Tabel 3.1 Karakteristik Arus A0 dan A1... 29 Tabel 4.1 Tabel Hasil Data Simulasi Arus Petir dan Waktu-Ekor... 35

ABSTRAK

Sistem tenaga listrik dalam keadaan beroperasi sering mengalami gangguan, umumnya gangguan petir yang dapat mengakibatkan terganggunya penyaluran tenaga listrik ke konsumen. Lightning Arrester merupakan peralatan yang digunakan untuk melindungi peralatan sistem tenaga dari gangguan sambaran petir pada jaringan distribusi. Arester tidak selamanya bekerja dengan sempurna sebagaimana seharusnya ketika diterpa arus petir. Kondisi ini memungkinkan arester gagal bekerja, dimana selain mengganggu sistem yang dilindungi, kegagalan ini juga mempengaruhi performa dari arester itu sendiri yang akan berpengaruh pada usia arester.

Dalam Tugas Akhir ini, penulis menghitung kemungkinan kegagalan arester bekerja dan usia arester pada saluran tegangan menengah 20 kV Ranting Medan Johor dengan tipe arester yang digunakan adalah arester metal oksida (MOA).

Berdasarkan hasil perhitungan memperlihatkan bahwa probabilitas kegagalan arester sebesar 0.73479 × 10 dan usia yang mampu dicapai arester untuk kondisi kerapatan sambaran rata-rata sejak tahun 2008 hingga 2012 adalah 6 tahun 10 bulan 28 hari.

Kata Kunci : lightning arrester, mekanisme sambaran petir, probabilitas kegagalan arester

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Tingginya kebutuhan energi listrik membuat penyedia layanan listrik harus meningkatkan sistem keandalan tenaga listrik, pelayanan, dan kontinuitas tenaga listrik yang maksimal. Selama proses penyaluran tenaga listrik pada gardu distribusi sering terjadi gangguan petir. Gangguan petir ini menyebabkan terjadi tegangan lebih pada peralatan, sehingga pada gardu distribusi selalu diperlengkapi dengan komponen pengaman gardu distribusi yakni arrester. Intensitas gangguan petir yang cukup tinggi di Indonesia khususnya di sumatera utara akan mempengaruhi keandalan dan usia arrester. Sebelumnya penelitian ini telah dilakukan di Thailand pada jaringan distribusi 22 kV berkawat tanah dengan besar probabilitas kegagalannya adalah 0.001557 dengan jarak antar tiang berarester 5 km dan 10 km dan usia arrester kira-kira 61 tahun untuk gangguan petir yang menyambar kawat tanah dan 31 tahun untuk gangguan petir yang menyambar kawat fasa [1].

Untuk itu Tugas Akhir ini akan membahas mengenai pengaruh jumlah gangguan petir terhadap kegagalan arrester bekerja dan usia arrester berdasarkan kerakteristik petir di Sumut dan arester yang digunakan pada jaringan distribusi 20 kV PLN Ranting Medan Johor.

1.2. Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana usia arester pada jaringan distribusi terhadap probabilitas

kegagalan arester.

2. Bagaimana pengaruh jumlah hari guruh terhadap besar probabilitas kegagalan kinerja arester.

1.3. Batasan Masalah

Untuk membatasi materi yang akan dibicarakan dalam tugas akhir ini maka penulis perlu membuat batasan cakupan masalah yang akan dibahas. Hal ini berguna supaya isi dan pembahasan dari tugas akhir ini menjadi lebih terarah dan dapat mencapai hasil yang diharapkan. Maka penulis membatasi penulisan tugas akhir ini sebagai berikut :

1. Usia Arester yang diteliti adalah usia arrester tipe MOA pada jaringan distribusi 20 kV Ranting Medan Johor.

2. Jumlah hari guruh yang diambil dari BMKG Sumatera Utara untuk daerah Medan dalam menentukan probabilitas kegagalan arester bekerja adalah jumlah hari guruh tahun 2008 hingga 2012.

3. Tugas akhir ini mengabaikan perambatan gelombang akibat sambaran petir. 4. Sesuai dengan keadaan jaringan distribusi di Sumatera Utara yang tidak

menggunakan kawat tanah, maka pada tugas akhir ini perhitungan dengan menggunakan kawat tanah pada jaringan distribusi diabaikan.

1.4. Tujuan Penulisan

Adapun tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh sambaran petir dengan parameter yang sudah ditentukan terhadap usia arrester jaringan distribusi di Sumatera Utara.

1.5. Manfaat Penulisan

Adapun manfaat dari Tugas Akhir ini adalah :

1. Kita bisa mengetahui berapa lama usia suatu arester yang terpasang pada jaringan distribusi sehingga dapat mengantisipasi kapan arester tersebut harus diganti.

2. Tugas akhir ini dapat digunakan sebagai referensi untuk penelitian lainnya yang berhubungan dengan kegagalan kerja dan usia arester.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Umum

Lightning Arrester merupakan alat proteksi peralatan listrik terhadap tegangan lebih yang disebabkan oleh petir atau surja hubung (switching surge). Alat ini bersifat sebagai by-pass di sekitar isolasi yang membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat ke sistem pentanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik.

By-pass ini harus sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran daya sistem frekuensi 50 Hz. Pada keadaan normal, arrester berlaku sebagai isolator dan bila timbul tegangan surja, alat ini bersifat sebagai konduktor yang tahanannya relative rendah, sehingga dapat mengalirkan arus yang tinggi ke tanah. Setelah surja hilang, arrester harus dapat dengan cepat kembali menjadi isolasi.

Pada pasarnya arrester terdiri dari 3 unsur [2]: 1. Elektroda

Elektroda ini adalah terminal dari arrester yang dihubungkan dengan bagian yang bertegangan dibagian atas dan elektroda bawah dihubungkan ke tanah.

2. Sela percik(spark gap)

Apabila terjadi tegangan lebih oleh sambaran petir atau surja hubung pada arrester yang terpasang, maka pada sela percikan (spark-gap) akan terjadi loncatan

busur api. Pada beberapa type arrester, busur api yang terjadi tersebut ditiup keluar oleh tekanan gas yang ditimbulkan oleh tabung fiber yang terbakar.

3. Tahanan katup(valve resistor)

Tahanan yang dipergunakan dalam arrester ini adalah suatu jenis material yang sifat tahanannya dapat berubah bila mendapatkan perubahan tegangan seperti terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Karakteriktik Tahanan Katup [2]

Keterangan : A = Tahanan linear B = Tahanan non linear Vr = Residual voltage Is = Discharge current

Ada dua jenis arrester yakni arrester ekspulsi dan arrester katup [3]. Sebagai pengaman tegangan lebih pada jaringan distribusi, arrester harus memiliki karakteristik berikut [4]:

1. Arrester tidak boleh bekerja pada keadaan normal

2. Arrester harus bekerja saat tegangan puncak surja lebih tinggi dari tegangan yang mampu dipikul arrester.

3. Arrester harus mampu mengalirkan dan melawatkan arus surja ke tanah tanpa merusak arrester itu sendiri.

4. Setelah gangguan dinetralisir, arus susulan akibat arus sistem harus segera dipadamkan.

2.1.1. Arrester Ekspulsi(Expulsion Type)

Konstruksi arrester jenis ekspulsi diperlihatkan pada Gambar 2.2. Arrester jenis ekspulsi mempunyai sela luar dan sela dalam yang ditempatkan di dalam tabung serat, dimana keduanya terhubung seri.

Gambar 2.2. Konstruksi Arrester Ekspulsi [3]

Pemakaian arrester ini terbatas pada sistem bertegangan sampai 33 kV. Arrester ini dapat digunakan untuk melindungi transformator distribusi bertegangan 3 – 15 kV, tetapi belum memadai untuk melindungi trafo daya.

Keuntungan arrester ekspulsi sebagai berikut:

1. Harganya tidak begitu mahal karena konstruksinya yang sederhana.

2. Kinerjanya lebih baik daripada jenis sela batang karena dapat memadamkan arus susulan sendiri.

3. Karakteristikv_–tarrester ini lebih baik dari sela batang. 4. Pemasangannya mudah

Sela luar Konduktor transmisi

Sela dalam Tabung serat

Elektroda Saluran

Kerugian arrester ekspulsi sebagai berikut:

1. Arrester harus diganti setelah beberapa kali bekerja karena gas yang dikeluarkan setiap bekerja akan mengakibatkan sebagian material tabung terkelupas.

2. Arrester ini tidak dapat ditempatkan berdampingan dengan peralatan yang akan dilindungi karena terdapat gas buangan ketika bekerja.

2.1.2. Arrester Katup

Arrester katup terdiri dari arrester sela pasif, arrester sela aktif dan arrester tanpa sela percik atau yang dikenal dengan arrester metal oksida. Kostruksi arrester katup diperlihatkan pada Gambar 2.3.

2.1.2.1. Arrester Katup Sela Pasif

Arrester katup sela pasif terdiri dari sela percik, resistor tak – linear, dan isolator tabung. Sela percik dan resistor tak – linear di tempatkan dalam tabung isolasi yang tertutup, sehingga kerja arrester ini tidak dipengaruhi oleh keadaan udara sekitar.

Resistor tak – linear terbuat dari beberapa piring silikon karbida (silicon carbide) yang terhubung seri. Nilai resistansi resistor pada arrester ini sangat besar ketika melewatkan arus lemah, namun nilai resistansinya akan sangat rendah ketika dilewati arus kuat. Karakteristik arus dan tegangan resistor tak – linear dinyatakan oleh Persamaan 2.1.

= ……….……....(2.1)

Dimana nilai α untuk silikon berkisar antara 2 – 6, sedangkan nilai K bergantung pada ukuran dan bentuk geometris piring silikon karbida.

2.1.2.2. Arrester Katup Sela Aktif

Konstruksi arrester katup sela aktif hampir sama dengan arrester katup sela pasif. Arrester katup sela aktif terdiri dari sela utama, kumparan, sela bantu dan resistor tak – linear yang dimasukkan dalam tabung isolasi porselen. Saat tegangan impuls tiba di terminal arrester katup sela aktif yang membuat sela utama terpercik, maka sela utama, kumparan dan resistor tak – linear akan mengalirkan arus petir ke tanah. Frekuensi tegangan impuls yang tinggi akan

terminal kumparan yang akan mengakibatkan sela bantu tembus dan dialiri arus petir.

Setelah arus petir menjadi nol, maka arus susulan berfrekuensi daya akan mengalir pada kumparan disebabkan impedansi kumparan yang berubah menjadi sangat rendah pada frekuensi daya. Akibatnya busur api pada sela bantu tidak stabil dan akhirnya padam. Arus yang mengalir pada kumparan akan membangkitkan medan magnet yang akan menerpa busur api pada sela utama, membuat lintasan busur api semakin panjang dan suhunya berkurang. Sehingga saat arus susulan bernilai nol, busur api pada sela utama padam. Pemadaman busur api inilah yang membedakan antara arrester katup sela aktif dengan arrester katup sela pasif.

Dalam aplikasi arrester katup sela aktif pada jaringan bertegangan tinggi selalu ditambahkan satu atau lebih set ‘sela utama – kumparan– sela bantu’ atau dengan menggunakan resistor tak–linear sebagai pengganti sela bantu.

2.1.2.3. Arrester Metal Oksida(MOA)

Arrester atau yang juga sering dikatakan sebagai penangkal petir adalah alat pelindung peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir yang sifatnya sebagai by-pass di sekitar isolasi yang membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat ke sistem pentanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik.

Arrester metal oksida merupakan arrester yang banyak digunakan sejak 1976 hingga saat ini [5]. Arrester ini tidak memiliki sela percik (gap udara

Adalah besar puncak tegangan impuls yang terjadi diantara kedua terminal arrester ketika arrester tersebut menyalurkan arus impuls. Jenis arus impuls dalam menentukan tegangan sisa adalah:

a. Arus impuls hubung–buka : (30-100) / (60-200) µs,i≤ 2 kA b. Arus impuls petir : 8/20 µs,i≤ 40 kA

c. Arus impuls tinggi : 4/10 µs,i≤ 100 kA, umumnya pada arrester 65 dan 100 kA

Tegangan ini harus di bawah tegangan ketahanan terhadap tegangan impuls. 4. Arus peluahan maksimum

Adalah nilai puncak tertinggi dari arus impuls 5/10 μ s yang dapat dialirkan arrester tanpa merusak arrester. Dewasa ini, arus peluahan maksimum arrester dirancang 100 kA untuk gardu dan 65 kA untuk arrester jenis saluran.

5. Arus nominal

Adalah besar puncak arus impuls 8/20 µs menurut standar, dan digunakan untuk mengklasifikasikan arrester. Puncak arus nominal umumnya adalah: a. 2,5 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal 36 kV

b. 5 kA, digunakan untuk sistem bertegangan pengenal 132 kV

c. 10 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal 3–360 kV, dan d. 20 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal diatas 360 kV

Adalah besar tegangan efektif frekuensi daya yang membuat terjadinya percikan di sela arester. Tegangan percik frekuensi daya harus cukup tinggi agar sela arester tidak terpercik jika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah maupun pada saat terjadi operasi hubung-buka. Biasanya tegangan percik frekuensi daya ditetapkan≥ 1,5 kali tegangan pengenalarrester.

7. Tegangan percik impuls petir maksimum

Adalah puncak tegangan maksimum impuls 1,2/50 μ s, yang membuat sela arrester pasti terpercik atau bekerja. Misalnya ada suatu arrester tegangan percik impuls maksimum 65 kV – 1,2/50 μ s, sebanyak 5 kali, maka sela arrester akan terpercik 5 kali.

8. Frekuensi pengenal

Sama dengan frekuensi sistem dimana arrester dipasang.

Petir adalah mekanisme pelepasan muatan listrik di udara yang dapat terjadi di dalam awan, antara awan, awan dengan udara, dan antara awan dengan tanah. Antara awan dengan permukaan bumi dapat dianalogikan seperti dua keping lempeng bermuatan, dimana lempeng pertama adalah awan dan lempeng kedua adalah bumi. Terjadinya muatan pada awan diakibatkan adanya pergerakan awan secara teratur dan terus menerus yang membuat awan terpolarisasi sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi, sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi yang lainnya.

Muatan listrik pada awan ini akan menimbulkan beda potensial antara awan dengan bumi yang akan menimbulkan medan listrik antara awan dan bumi. Jika medan listrik antara awan dengan bumi lebih besar daripada kekuatan dielektrik udara yang mengantarai awan dengan bumi, maka akan terjadi pelepasan muatan pertama yaknipilot leader. Pada ujungpilot leader akan terjadi proses ionisasi sehingga terjadi pelepasan kedua yang disebut downward leader. Pada ujung downward leader terjadi lagi pelepasan muatan hingga semakin mendekati bumi yang disebutleader.

Saat leader semakin mendekati bumi, terjadi medan listrik yang sangat tinggi antara ujung leader dengan bumi, yang membuat terjadi penumpukan muatan di ujung suatu objek yang berada dipermukaan bumi. Sehingga muatan yang berasal dari bumi bergerak menuju ujung leader. Titik pertemuan antara kedua aliran yang berbeda muatan ini disebut titik pukul (striking point) yang

Sambaran langsung adalah kilat yang menyambar langsung pada kawat fasa ( untuk saluran tanpa kawat tanah) atau pada kawat tanah (untuk saluran dengan kawat tanah). Pada saluran udara tegangan menengah diasumsikan bahwa pada saluran dengan kawat tanah tidak ada kegagalan perisaian. Hal ini dikarenakan tinggi kawat diatas tanah relative rendah ( 10 - 13 meter ) dan juga karena dengan sudut perisaian yang biasanya lebih kecil dari 60 sudah dapat dianggap semua sambaran kilat mengenai kawat tanah, jadi tidak ada kegagalan perisaian. Untuk itu dalam tugas akhir ini akan dibahas tentang gangguan sambaran langsung pada saluran udara tegangan menengah tanpa kawat tanah.

Saat kilat menyambar kawat tanah atau kawat fasa maka akan timbul arus besar dan sepasang gelombang berjalan yang merambat ke kawat. Arus yang besar ini dapat membahayakan peralatan – peralatan yang ada pada saluran. Besarnya arus atau tegangan akibat sambaran ini tergantung pada besarnya arus kilat, waktu muka dan jenis tiang saluran. Karena saluran tegangan menengah tidak begitu tinggi diatas tanah, maka jumlah sambaran langsungpun relative rendah. Makin tinggi tegangan sistem makin tinggi tiangnya, dan makin besar pula jumlah sambaran ke saluran itu.

2.2.2. Bentuk Gelombang

Bentuk gelombang tidak selalu sama. Hal ini dikarenakan pengaruh besarnya arus, kecuraman (kenaikan arus), serta lama waktu kejadian. Karena

= .

Dimana :

α = Sudut perisaian untuk gangguan sambaran langsung jaringan distribusi ( 60 )

w = Panjang isolator (cm)

Xs = Daerah yang tidak terlindungi oleh perisaian (m) Sehingga berdasarkan Gambar 2.8, maka:

= + ………...(2.6)

Maka besar probabilitas petir menyambar kawat fasa adalah [1]:

= ………...(2.7)

2.2.4. Teori Perhitungan Probabilitas Kegagalan dan Usia Arester

Tidak selamanya arester bekerja sebagaimana mestinya saat ada arus surja petir ataupun arus surja hubung. Kegagalan arester beroperasi bukan hanya membuat peralatan terganggu namun juga rusak, dan hal ini juga mempengaruhi kinerja dan ketahanan arester. Berdasarkan kondisi ini maka probabilitas kegagalan kinerja arester dapat dihitung dengan menggunakan persamaan – persamaan berikut. Dimana selain besar arus petir yang menyambar, durasi sambaran petir merupakan salah satu parameter terpenting yang harus diketahui.

Faktor yang cukup penting diketahui dalam penggunaan arrester adalah tegangan frekuensi daya tertinggi yang mungkin dipikul arrester. Tegangan ini merupakan tegangan yang mempertahankan arus frekuensi daya (50 Hz) yang durasinya akan selalu lebih lama dari pada durasi pada arus petir. Besar arus

Semakin besar arus petir maka arus frekuensi daya memiliki kemungkinan untuk bernilai besar juga. Jika arus frekuensi daya ini besar dan berlangsung cukup lama maka hal inilah yang memungkinkan arrester gagal bekerja dengan sebagaimana mestinya.

Dalam tugas akhir ini tidak secara keseluruhan lamanya durasi sambaran digunakan, melainkan waktu-ekor yang dijadikan variabel bebaslah yang diteliti. Distribusi waktu-ekor ini dipengaruhi oleh probabilitas distribusi arus puncak, yakni [9]:

=

( )

………(2.8)

Dimana terdapat ketentuan yakni [10]:

Untuk < 20 , = 61.1 = 1.33

dan > 20 , = 33.3 = 0.605

Dengan adanya Persamaan 2.8 tersebut, maka probabilitas waktu-ekor dapat diperoleh dari persamaan [9,11]:

g( ) =− = . ………...(2.9)

Dimana merupakan konstanta berdasarkan observasi [11] yang besarnya 0.85 dan nilai dapat diambil dari Tabel 2.1 [12].

Tabel 2.1. Konstanta Distribusi Frekuensi Kumulatif Gelombang Arus Petir

Berdasarkan persamaan – persamaan yang ada, maka probabilitas kegagalan arrester bekerja oleh sambaran ke fasa dapat dinyatakan dengan persamaan berikut [9,11]:

= ∫ ∞ ∫ ∞ _{( )}

……...…..(2.10)

Dimana :

: Probabilitas kegagalan arrester

: Fungsi probabilitas kerapatan arus puncak

( ) : Fungsi probabilitas kerapatan nilai time-to-half dari gelombang arus : Arus petir yang diperlukan untuk menyebabkan kegagalan untuk

nilai T50(Untuk nilai Time-to-half diperlihatkan oleh Tabel2.1).

: Waktu-ekor maksimum yang digunakan dalam simulasi (µs) : Besar probabilitas petir menyambar kawat fasa

Jika jaringan distribusi tersebut menggunakan kawat tanah, maka kemungkinan besar objek yang akan disambar oleh petir adalah kawat tanah tersebut. Namun tidak menutup kemungkinan arrester akan gagal bekerja.

Kegagalan yang lebih dari 1 kali atau dapat dikatakan berkali –kali, akan mempengaruhi performa arrester yang lambat laun akan membuat usia arrester semakin pendek. Usia rata – rata arrester yang dipengaruhi oleh kegagalannya dalam bekerja dinyatakan oleh persamaan berikut [9,11] :

Dimana :

= Usia arrester rata-rata (tahun)

= Jumlah sambaran petir ke saluran (berdasarkan standar IEEE) (banyak/100km. tahun)

= Jarak antara arrester (km)

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Dalam proses pengerjaan Tugas Akhir ini dibutuhkan fasilitas data dari : 1. Balai Besar BMKG Jl. Ngumban Surbakti No. 15 Selayang II, terkait data

kerapatan sambaran petir untuk daerah Medan. Proses permohonan Fasilitas data dimulai sejak 9 April 2013 dan dibalas pada 17 April 2013.

2. PLN Cabang Medan Sumatera Utara Jl. Listrik No.12, terkait data wilayah yang sering mengalami gangguan akibat sambaran petir dan data arester yang digunakan. Berdasarkan arahan dari PLN Cabang Medan Sumatera Utara Jl. Listrik, saluran distribusi yang sering mengalami gangguan sambaran petir adalah saluran distribusi 20 kV Ranting Medan Johor yang merupakan sistem yang melayani konsumen Ranting Medan Selatan Namorambe. Surat permohonan fasilitas data diberikan sejak 22 April 2013 dan dibalas 27 Mei 2013.

3.2. Metode Penelitian

Dalam penelitian ini akan dilakukan pengumpulan data sambaran petir di Medan Sumatera Utara 5 tahun terakhir dari BMKG Medan dan data tiang jaringan distribusi beserta arrester yang digunakan .

Proses Pengambilan data yang diperlukan dalam penulisan Tugas Akhir ini dimulai setelah surat permohonan fasilitas data direspon, yakni:

1. Balai Besar BMKG dimulai sejak tanggal 17 April hingga 1 Mei 2013. Berdasarkan data yang didapat dari Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Balai Besar Wilayah I Medan, hari guruh (IKL) yang dimiliki medan untuk 5 tahun terakhir dapat dilihat pada Lampiran 1..

2. PLN Ranting Medan Johor dimulai sejak 27 Mei sampai 11 Juni 2013. Dimana data-data yang didapat adalah sebagai berikut:

a. Spesifikasi Saluran Udara Tegangan Menengah

Data material saluran udara tegangan menengah yang diperlukan dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

• Tegangan sistem : 20 kV

• Penghantar : AAAC 70–95 mm2

• Tiang penyangga : Beton 350 daN

• Tinggi Tiang : 12 m dari dalam tanah

• Cross Arm Steel : 2,4 meter

• Rating tegangan isolasi : Pin Pos 24 kV

• Frekuensi Daya : 50 Hz

• Ketahanan Impuls (BIL) : 125 kV

• Sistem Pentanahan : Pentanahan tiang

Arrester yang diteliti adalah arrester MOA dengan spesifikasi :

Tegangan pengenal : 25 kV

Arus pelepasan nominal 8/20μ s : 10 kA pk

Arus impuls curam 4/10μ s : 100 kA pk

Kapabilitas energi, 1 impuls : 1,5 kJ/kV pada MCOV Tegangan operasi kontinu maksimum (MCOV) : 15,3 kV rms

3.4. Variabel yang Diamati

Variabel yang diamati dalam Tugas Akhir ini adalah panjang saluran distribusi berarester dan karakteristik arester yang digunakan pada jaringan tegangan menengah 20 kV secara umum oleh PLN Ranting Medan Johor, besar gangguan arus petir yang menyambar dan lama waktu-ekornya.

3.5. Simulasi Arus Petir Menggunakan Software ATP - EMTP

Dalam Tugas Akhir ini, software ATP-EMTP digunakan untuk memperoleh kenaikan besar nilai arus petir yang memungkinkan dengan kondisi besar arus petir yang menyambar 24 kA, dan waktu ekor di atur mulai 30-500μ s[13]. Proses simulasi diperlihatkan olehflowchartpada Gambar 3.1.

Mulai

Input Data Ip = 24 kA Tstart = 0 Tstop = 500 µs

C = 1 pf L = 0,2 µH Vref = 56 kV

A0 dan A1

Diproses dengan Software

ATP-EMTP

Konvergen

Ditampilkan plot xy grafik hubungan arus

dan waktu ekor

END

Ya

Tidak

Gambar 3.1. Flowchart Simulasi

Gambar 3.2. S

Dimana Rang ditunjukkan Gambar 3.3

Gambar 3.3

Dimana berdasarkan da Co = Kapasitansi J Lo = Induktansi J A0 = Karakteristik A

A0

A1

Lo

Co

ar 3.2. Single Line Diagram Jaringan Distrib

angkaian ekivalen arester yang digunakan r 3.3 dengan dua resistor non-linear A0 dan A1.

ar 3.3. Rangkaian Ekivalen Arrester Metal Ok

n data yang diperoleh dari PLN Ranting Medan J nsi Jaringan sebesar 1 pF.

nsi Jaringan sebesar 0,2μ H stik Arus MOV1

A0

A1

Lo

Co

ribusi

n dalam simulasi A1.

Oksida

Resistor non-linear A0 dan A1 adalah komponen MOV tipe 92 pada simulasi. Vref = 56 kV, tegangan residu pada rating arrester 10 kA. Karakteristik arus A0 dan A1 diperlihatkan Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Karakteristik Arus A0 dan A1

A0 A1

A kV kA kV

20 46,5 0,98 46,33 50 49,3 2,45 49,21

100 52,1 4,9 52,01

200 56,0 9,8 55,86

400 63,6 19,6 63,42

Sehingga rangkaian yang dibuat pada simulasi diperlihatkan pada Gambar 3.4. Dengan memasukkan data- data sebagai berikut yang proses pemasukan datanya dapat dilihat pada Lampiran 2 hingga 5:

1. Arus Impuls yang dimasukkan adalah 24 kA dengan nilai Tstart = 0 dan

Tstop= 500μ sdengan Tf= 30μ spada komponensurgetipe 15.

2. Kapasitansi jaringan = 1 pF dan Induktansi jaringan = 0,2μ H.

3. Vref =56 kV dan karakteristik resistor non-linear A0 dan A1 pada Tabel

4.3 untuk komponen MOV1 dan MOV2. 4. Probe currentuntuk mendapatkan data arus

L I

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Umum

Pada bab II dan III telah diuraikan teori perhitungan gangguan sambaran dan proses pengolahan datanya. Dengan mengikuti teori yang telah dijelaskan tersebut, maka pada bab ini akan dilakukan perhitungan probabilitas kegagalan kerja arester dan usia arester akibat tegangan lebih gangguan sambaran petir pada saluran distribusi 20 kV3φ 100 kVAUnit Ranting Medan Johor.

4.2. Analisis Gangguan Petir Saluran Udara Tegangan Menengah

Berdasarkan data hari guruh pada Lampiran 1 sejak tahun 2008 hingga 2012 dimana IKLnya adalah 140, maka nilai pada Persamaan 2.3 dapat dihitung sebagai berikut:

= 0,15 = 0,15 ∙ 140 = 21 sambaran Dan,

= 8. . = 8.24 . = 63.128m

Dengan didapatnya banyak jumlah sambaran diatas, maka banyaknya jumlah sambaran petir ke jaringan dapat dihitung dengan Persamaan 2.3 dengan perhitungan sebagai berikut :

= ∙ .

= 21 ∙ ( ) . . = 21 ∙ 18.748

= 393.7sambaran/100km.tahun

Besar kegagalan perisaian yang membuat petir menyambar kawat fasa dengan panjang isolator yang diberikan oleh PLN Ranting Medan Johor w = 30 cm dengan α 60adalah:

= (1 + sin( − ))

= 63.128 (1 + sin(60 − 30)) = 63.128 (1.5)

= 94.692m

Dengan jarak pemasangan antar arester dalam 1 tiang = 30 cm, maka :

= +

= 0.3 + 94.692 = 94.992m

Berdasarkan gambar grafik hasil simulasi dianalisis bahwa semakin lama waktu-ekor yang diatur maka kenaikan arus petir semakin tinggi. Dimana secara terperinci nilai-nilai kenaikan arus dan waktu-ekor diperlihatkan pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1. Tabel Hasil Simulasi Arus Petir dan Waktu-Ekor Arus Puncak (kA) Waktu-ekor (μ s) 2.8 30 3.8 40 4.9 50 6.1 60 8.7 80 10.2 90 11.7 100 14.9 120 20.7 150 27.6 180 33.1 200 35.7 210 45.3 240 48.8 250 56.6 270 69.9 300 85.6 330 104 360 125.6 390 133.6 400 150.9 420 180.5 450 215.2 480 238.8 500

4.4. Analisis Probabilitas Kegagalan dan Usia Arrester

Dengan menggunakan persamaan – persamaan pada sub-bab 2.2.4, maka dapat dihitung probabilitas kegagalan arrester.Untuk menghitung distribusi arus kilat digunakan Persamaan 2.8 dengan ketentuan yang telah ditetapkan. Karena arus petir yang diberi dalam simulasi adalah 24 kA ( > 20 ), maka berdasarkan ketetapan pada sub-bab 2.2.5 untuk distribusi arus kilat, nilai

= 0.605dan Ī = 33.3 , sehingga distribusi arus puncak adalah:

= 1

√ 2

( ⁄ )Ī

=

× . √ × . ( ⁄ . ) × .

=

. × √ . ( . ) × .

=

. ( . ) .

=

. . .

=

. .

=

.

× 0.863

= 0.023722

Dari perhitungan didapat besar probabilitas distribusi arus kilat adalah sebesar 0.023722, dimana probabilitas distribusi arus kilat ini sebanding dengan

eksponensial pangkat minus logaritma natural arus petir dibagi arus rata-rata pada ketentuan yang telah ditetapkan dan berbanding terbalik dengan besar arus petir yang diberikan.

Dengan menggunakan Persamaan 2.9, dan ketentuan nilai konstanta yang diperoleh dari observasi yakni 0.85, maka besar nilai ( ) dapat dihitung sebagai berikut :

( ) = . 1 + = 0.85

89 . .

500 .

1 + .

=

.

.

.

.

[ ( . ) . _]

=

_45.390.85

.

_{[1+ 4.336}0.39369_]2

=

0.85

45.39

.

0.39369

28.47

( ) = 0.02589

Dari perhitungan didapat besar probabilitas distribusi waktu-ekor 30-500 μ s dengan T50 = 89 μ s, sebesar 0.02589. Dimana nilai probabilitas distribusi

waktu ekor ini berbanding lurus dengan batas tertinggi waktu-ekor pangkat -1 dan berbanding terbalik dengan nilai T50.

Dengan didapatnya nilai dan ( ), maka probabilitas kegagalan arester dapat dihitung dengan Persamaan 2.10 sebagai berikut :

= ∫ ∞ ∫ ∞ _{( )}

= ∫ ∞ ∫ ∞0.023722 × 0.997 _0.02589 .

= ∫ 0.023651 ∞

× (0.02589) ∞

.

= ∫ ∞(− 0.567624) × (0.02589) .

= − ∫ ∞0.014696 .

= − |0.014696 | _.∞ = − (7.348 × 10 ) = 0.73479 × 10

Berdasarkan perhitungan diatas besar nilai probabilitas kegagalan arester bergantung pada integral probabilitas distribusi arus kilat , probabilitas petir akan menyambar kawat fasa , dan probabilitas distribusi waktu ekor

( ). Dan dengan didapatnya nilai sebesar 0.73479 × 10 berdasarkan perhitungan diatas dan nilai = 393.7, maka berdasarkan rata-rata banyaknya sambaran yang menerpa arester sejak 2008 hingga 2012, usia arester dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.11, yakni sebagai berikut :

= ∙ ∙

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Setelah melakukan pengolahan data, perhitungan dan analisis maka dapat disimpulkan bahwa :

1. Dengan menggunakan software ATP-EMTP sebagai simulasi arus petir, probabilitas kegagalan arester bekerja adalah0.73479 × 10 .

2. Usia arester pada saluran tegangan menengah 20 kV dengan jarak antar arester 500 m untuk lokasi jaringan di PLN Ranting Medan Johor dengan kondisi kerapatan sambaran rata-rata yang diambil sejak tahun 2008 hingga 2012 adalah 6 tahun 10 bulan 28 hari

5.2. Saran

Untuk penelitian yang lebih maksimal, perlu dilakukan perbaikan kekurangan yang terdapat pada penelitian Tugas Akhir ini. Beberapa saran yang bisa diberikan untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut :

1. Tugas Akhir ini dapat dikembangkan dengan mencari besar nilai arus petir yang terjadi di Sumatera Utara.

2. Tipe arester dan jarak jaringan yang digunakan dapat divariasikan sesuai dengan yang digunakan pada jaringan distribusi di tempat lain ataupun

DAFTAR PUSTAKA

[1] Klairuang, N., Pobpron, W., &Horkierti, J., “Lifetime Analisys Of Distribution Arrester By Lightning Stroke”, Kasetsart University, Thailand.

[2] Hutauruk, T.S., “Gelombang Berjalan Dan Proteksi Surja”, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988.

[3] Tobing, Bonggas, “Peralatan Tegangan Tinggi”, Edisi Ke-2, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2012.

[4] Frianto, “Pengaruh Impedansi Surja Pembumian Terhadap Gelombang Surja Yang Dilewatkan Pada Terminal Lightning Arrester Dengan Simulasi Software MATLAB”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik–USU, Medan, 2004.

[5] Buku Petunjuk Lightning Arrester PT.PLN Persero

[6] Francisco, “Perhitungan Jumlah Gangguan Pada Isolator Transmisi Akibat Sambaran Petir Langsung”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik–USU, Medan, 2012.

[7] Tobing, Bonggas, “Teknik Pengujian Tegangan Tinggi”, Edisi Ke-2, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2012.

[8] IEEE Standard 1243-1997, “IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines”, 1997.

[9] M. Gracia, “An Improvement for the Selection of Surge Arresters Based on the Evaluation of the Failure Probability”, IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.17, No.1, January, 2002.

[10] IEEE Standard C62.22-1991,“IEEE Guide for the Application of Metal Oxide Surge Arrester for Alternating Current Systems”, 1991.

[11] M. Gracia, “Evaluation of the Failure Probability for Gapless Metal Oxide Arresters”, IEEE Transaction on Power Delivery, 1999.

[12] K. Nakada, T. Yokota, S. Yokoyama, A. Asakawa, M. Nakamura, H. Taniguchi and A. Hasimoto, “Energy Absorption of Surge Arrester on Power Distribution Line due to Direct Lightning Strokes”, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 12, No. 4, 1997.

[13] IEEE Standard C62.11-1993, “IEEE Standard for Metal Oxide Surge Arrester for Alternating Current Power Circuits”, 1993.

Lampiran 1. Tabel Hari Guruh (IKL) Stasiun

Medan

Tahun

2008 2009 2010 2011 2012

Jumlah Sambaran