13
BAB II IMPEDANSI SURJA KAWAT TANAH DAN MENARA
II.1 UMUM
Saluran transmisi lebih tinggi dibandingkan objek di sekelilingnya, karena itu saluran transmisi memiliki resiko besar untuk terkena sambaran petir. Untuk mengatasi hal tersebut
maka saluran transmisi dilengkapi dengan kawat tanah yang diletakkan di atas kawat penghantar dan dihubungkan langsung ke bumi melalui elektroda pembumian yang terpasang pada kaki-kaki
menara.. Pada saluran transmisi, kawat-kawat penghantar didukung oleh menara yang bentuknya
disesuaikan dengan konfigurasi saluran transmisi tersebut. Jenis-jenis bangunan penopang saluran transmisi yang dikenal adalah menara baja, tiang baja, tiang beton bertulang dan tiang
kayu. Tiang baja atau tiang beton bertulang maupun tiang kayu biasanya digunakan pada
saluran yang tegangannya relatif rendah yaitu di bawah 70 kV, sedangkan untuk saluran tegangan tinggi atau tegangan ekstra tinggi digunakan menara baja. Menara baja terbuat dari baja
yang bagian-bagian kakinya mempunyai pondasi sendiri-sendiri, sedang tiang baja mempunyai satu pondasi untuk semua bagian kakinya. Pada Gambar 2.1 ditunjukkan beberapa bentuk
menara baja dan konfigurasi penghantar saluran transmisi.
Universitas Sumatera Utara
14
R S
T S
T R
R S
T R
S T
S T
R R
T S
T1 S1
R1 R1
S1 T1
a b
c a Konfigurasi horizontal b Konfigurasi delta c Saluran ganda
Gambar 2.1 Bentuk menara dan konfigurasi penghantar transmisi hantaran udara
II.2 Teori Gelombang Berjalan
Jika konduktor dihubungkan dengan sumber tegangan, maka seluruh konduktor tersebut tidak langsung bertegangan. Masih diperlukan beberapa saat untuk dapat merasakan tegangan ini
pada suatu titik dalam sistem yang mempunyai jarak tertentu dari sumber tegangan tersebut. Proses ini sama dengan peluncuran sebuah gelombang tegangan yang merambat sepanjang
konduktor dengan kecepatan tertentu yang disebut juga dengan gelombang berjalan. Gelombang ini akan mengalami perubahan bila mencapai titik peralihan, sehingga terdapat perbedaan dengan
gelombang asal.
II.2.1 Gelombang Berjalan pada Titik Peralihan
Bila gelombang berjalan menemui titik peralihan, misalnya: hubungan terbuka, hubungan singkat dan perubahan impedansi, maka sebagian gelombang itu akan dipantulkan dan sebagian
lain akan diteruskan ke bagian lain dari titik tersebut seperti ditunjukkan pada gambar 1.
1
1 Hutauruk, T.S., “Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja”, Erlangga, Jakarta, 1991
Universitas Sumatera Utara
15 Pada titik peralihan itu sendiri, besar tegangan dan arus bervariasi dari nol sampai dua
kali besar tegangan gelombang yang datang. e
1
e
1
e
1
z
2
z
1
Gambar 2.2. Perbedaan impedansi pada titik peralihan
dimana : e
1
= gelombang datang e
1
’ = gelombang pantulan
e
1
” = gelombang terusan
Misalkan sebuah gelombang datang e
1
merambat pada saluran dengan impedansi surja z
1
dan menemui titik peralihan T seperti pada gambar 2. Bila gelombang datang e
1
mencapai titik peralihan, sebagian akan dipantulkan yaitu e
1 ’
, dan sebagian lagi akan diteruskan, yaitu e
2 ’’
,...,e
k ’’
,...,e
n ’’
pada kawat z
2
,...,z
k
,...,z
n
.
e
1
e
1
z
1
e J
Z
1
p
Z
n
p
Z
n-1
p
Z
k
p
Z
2
p
Z
g
p T
e
’ n
e
’ n-1
e
’ k
e
’ 2
Zp Z
p e
Gambar 2.3 Titik peralihan
Universitas Sumatera Utara
16 Dimana:
e = tegangan pada titik sambungan J
e = tegangan pada titik peralihan T
Z
k
p = impedansi seri pada saluran k Zp
= impedansi di belakang titik sambungan J Z
p = impedansi di belakang titik peralihan T z
k
= impedansi surja saluran k Misalkan titik peralihan itu sebagai pusat koordinat, dan dimisalkan pula semua kawat
ideal, maka terdapat hubungan-hubungan : - gelombang datang :
1 1
1
z i
e = 2.1
- gelombang pantulan :
1
z i
e
1 1
− =
2.2
- gelombang terusan :
k k
k
z i
e =
2.3 Jumlah gelombang tegangan dan arus pada titik peralihan :
1 1
i i
i +
=
2.4
1 1
i p
Z e
e e
= +
= 2.5
Substitusi Persamaan 2.1 dan 2.2 ke Persamaan 2.4 dan 2.5 diperoleh :
1 1
1 1
1 1
z e
z e
i i
i −
= +
=
1 1
i Z
e e
e =
+ =
Universitas Sumatera Utara
17 z
e z
e Z
1 1
1 1
− =
Jadi, e
e z
Z e
e
1 1
1 1
1
− =
+
Gelombang pantulan :
1 1
1 1
e z
Z z
Z e
+ −
= 2.6
Dari e
e e
1 1
+ =
diperoleh
1 1
1 1
e z
Z z
Z e
e +
− +
=
Jadi tegangan total :
1 1
e z
Z Z
2 e
+ =
2.7 Untuk arus pantulan :
1 1
1 1
1 1
1
z e
z Z
z Z
z e
i ⋅
+ −
− =
− =
menurut hukum ohm,
1 1
1
z e
i =
, maka :
1 1
1 1
i z
Z z
Z i
+ −
− =
2.8 Maka arus total :
1 1
1
i z
Z z
2 i
+ =
2.9 Persamaan-persamaan 2.6 sampai dengan 2.9 disebut sebagai persamaan umum untuk
gelombang pantulan dan gelombang terusan. Dalam hal ini diperoleh :
1 1
z Z
z Z
+ −
= koefisien pantulan untuk tegangan
1 1
z Z
z Z
+ −
− = koefisien pantulan untuk arus
Universitas Sumatera Utara
18
1
z Z
Z 2
+ = koefisien terusan atau transmisi untuk tegangan
1 1
z Z
z 2
+ = koefisien terusan atau transmisi untuk arus
II.2.2 Bentuk dan Spesifikasi Gelombang
Bentuk gelombang berjalan digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.3 bentuk gelombang impuls
Standar IEC 1,2 50μs Spesifikasi dari gelombang berjalan :
a. Puncak gelombang, E kV, yaitu amplitudo maksimum dari gelombang.
b. Muka Gelombang, t
1
mikrodetik, yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Dalam hal ini diambil dari 30 E sampai 90 E, seperti yang ditunjukkan Gambar 3b.
c. Ekor gelombang, yaitu bagian dibelakang puncak. Panjang gelombang , t
2
mikrodetik, yaitu waktu dari permulaan sampai titik 50 E pada ekor gelombang.
d. Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang, positif atau negatif. Suatu gelombang berjalan surja dinyatakan sebagai:
E, t
1
t
2
Universitas Sumatera Utara
19 Rumus Umum bentuk gelombang berjalan secara sistematis dinyatakan dengan persamaan
e t = E e
-at
– e
-bt
dimana: E, a dan b adalah konstanta.
E e
-at
E e
-bt
E e
-at
- E e
-bt
waktu
Gambar 2.4. Bentuk Gelombang Petir
Untuk bentuk gelombang surja standard IEC 1.250 μs koefisien a = 1,426 x 10
4
s, dan b = 4,877 x 10
6
s .
II.3 Menghitung Impedansi Surja Kawat Tanah.
Perhitungan impedansi surja kawat tanah dibedakan dalam dua keadaan yaitu bila tidak ada korona dan yang kedua bila terjadi korona. Pada Saluran Udara Tegangan Tinggi SUTT
sampai 230 kV biasanya digunakan rumus – rumus tanpa korona sedangkan untuk Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi SUTET, 345 kV sampai 765 kV, dan pada Saluran Udara Tegangan
Ultra Tinggi SUTUT, di atas 765 kV selalu dianggap terjadi korona.
1. Bila tidak terjadi korona :
= r
h Z
t g
2 ln
60 untuk satu kawat tanah
2.10
Universitas Sumatera Utara
20
= r
a h
Z
t g
12
2 ln
60
untuk dua kawat tanah 2.11
2. Bila terjadi korona :
R h
r h
Z
t t
g
2 ln
. 2
ln 60
= untuk satu kawat tanah
2.12
2
12 11
Z Z
Z
g
+ =
untuk dua kawat tanah 2.13
dimana, Z
11
= impedansi surja sendiri dari satu kawat tanah Z
12
= impedansi surja bersama antara kedua kawat tanah =
12 12
ln 60
a b
lihat Gambar 2.5 R
= radius amplop korona dari kawat tanah, meter. r
= radius kawat tanah tanpa korona, meter. h
t
= tinggi rata-rata untuk kawat tanah, meter.
Bidang referensi
Kawat-kawat bayangan Kawat tanah
Kawat fasa 1
2
a
1
a
2
h
t
b
12
a
1
a
2
1 2
a
12
Gambar 2.5. Gambar potongan saluran transmisi
Universitas Sumatera Utara
21
II.4 Efek Peredaman