Tegangan Kritis Disruptif Konduktor Berkas Bundle

26

2.8 Tegangan Kritis Disruptif

Tegangan kritis disruptif merupakan tegangan minimal yang dibutuhkan untuk terjadinya ionisasi pertama kali dipermukaan konduktor. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Peek’s, kekuatan dielektrik udara maksimum pada kondisi standar dengan tekanan udara 1 atm 760 mmHg, suhu 20 o C adalah 30 kVcm. Kekuatan dielektrik udara berbanding lurus dengan kepadatan udara sekitar. Besarnya kepadatan udara dapat di rumuskan [1]: = 0.386 273+ 2.5 dimana į = Kepadatan Udara p = Tekanan udara mmHg t = suhu udara o C Tegangan kritis disruptif atau juga kita sebut dengan tegangan awal terjadinya korona corona inception voltage dengan mempertimbangkan pengaruh konduktor, keseragaman, permukaan konduktor dan lingkungan untuk konduktor tunggal sebagaimana diteliti oleh Peek’s [5]: = 60 2.6 dimana Z = impedansi surja Ohm r = Jari-jari konduktor cm 27 Ec = medan listrik kritis di permukaan konduktor kVcm Dari persamaan diatas, menunjukan bahwa semakin kecil nilai jari-jari konduktor maka tegangan awalan terjadinya korona Vi akan semakin mengecil pula. Ada beberapa rumus empiris yang digunakan untuk menentukan medan listrik kritis Ec permukaan konduktor, diantaranya ialah: = 23 1 + 1.22 0.37 −1 1991 [6] 2.7 = 23 0.67 1 + 0.3 −1 1954 [7] 2.8 = 30 0.67 1 + 0.3 −1 2007 [5] 2.9 dimana į = Faktor kepadatan udara relatif bernilai 1 untuk medium udara m = Kondisi permukaan konduktor = 1 untuk permukaan licin = 0.93-0.98 untuk permukaan kasar, dan = 0.82-0.87 untuk kawat stranded d = diameter konduktor cm r = jari-jari konduktor cm

2.9 Saluran Transmisi

Secara umum saluran transmisi disebut dengan suatu sistem tenaga listrik yang membawa arus yang mencapai ratusan kiloampere. Energi listrik dibawa 28 oleh konduktor melalui saluran transmisi dari pusat-pusat pembangkit tenaga listrik kepada pemakai tenaga listrik consumer . Tegangan pada saluran transmisi ini disalurkan melalui kawat penghantar yang ditopang oleh menara atau tiang penyangga yang tinggi yang terbuat dari campuran baja yang disesuaikan dengan posisi atau daerah dengan jarak tertentu. Saluran transmisi di zaman modern sekarang ini bukan hanya digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik tetapi juga dapat digunakan untuk saluran transmisi komunikasi seperti PLC Power Line Carrier dan data isyarat. Tetapi kemampuan transmisi dari suatu saluran dengan tegangan tertentu tidak dapat ditetapkan dengan pasti karena kemampuan ini masih tergantung lagi pada batasan-batasan thermal dari penghantar dan jatuh tegangan yang diperbolehkan. Pada umumnya saluran transmisi dalam penggunaannya dapat dibagi dua: 1. Saluran hantaran udara Overhead Lines 2. Saluran hantaran bawah tanah Underground Cable Pemilihan penggunaan saluran transmsi tergantung kepada suatu daerah yang akan dipasang. Biasanya untuk daerah yang penduduknya agak jarang dengan jarak yang cukup panjang digunakan saluran hantaran udara tegangan tinggi, sedangkan untuk pertumbuhan penduduknya yang padat maka pada daerah tersebut lebih cocok digunakan saluran hantaran bawah tanah. Selain itu saluran transmisi juga memiliki jenis yang berbeda-beda berdasarkan sirkitnya, yakni saluran tranmsisi sirkit tunggal dan saluran transmisi sirkit ganda, seperti yang ditunjukan oleh gambar dibawah ini. 29 a b Gambar 2.7 a Saluran Transmisi Tunggal, b Saluran Tranmsisi Ganda Komponen Utama Saluran Hantaran Udara : A. Menara atau tiang transmisi Pada suatu Sistem Tenaga Listrik, energi listrik yang dibangkitkan dari pusat pembangkit listrik ditransmisikan ke pusat-pusat pengatur beban melalui suatu saluran transmisi, saluran transmisi tersebut dapat berupa saluran udara atau saluran bawah tanah, namun pada umumnya berupa saluran hantaran udara. Energi listrik yang disalurkan lewat saluran transmisi udara pada umumnya menggunakan kawat telanjang sehingga mengandalkan udara sebagai media isolasi antara kawat penghantar tersebut dengan benda sekelilingnya, dan untuk menyanggahmerentangkan kawat penghantar dengan ketinggian dan jarak yang aman bagi manusia dan lingkungan sekitarnya, kawat-kawat penghantar tersebut dipasang pada suatu konstruksi bangunan yang kokoh, yang biasa disebut menara tower . 30 Konstruksi menara besi baja merupakan jenis konstruksi saluran transmisi tegangan tinggi SUTT ataupun saluran transmisi tegangan ekstra tinggi SUTET yang paling banyak digunakan di jaringan PLN Gambar 2.7, karena mudah dirakit terutama untuk pemasangan di daerah pegunungan dan jauh dari jalan raya, harganya yang relatif lebih murah jika dibandingkan dengan penggunaan saluran bawah tanah serta pemeliharaannya yang mudah. Jenis-jenis Menara Transmisi, menurut Konstruksinya, antara lain: a Latice Tower b Tubular Steel Pole c Concrete Pole d Wooden Pole Gambar 2.8 Jenis-jenis Menara Transmisi 31 B. Isolator-isolator Jenis isolator yang digunakan pada saluran transmisi adalah jenis porselin atau gelas. Menurut penggunaan dan konstruksinya dikenal 3 jenis isolator yaitu : a Isolator jenis pasak 22-33 KV b Isolator jenis pos saluran 22-33KV c Isolator gantung Gambar 2.9 Jenis-jenis Isolator Pada Saluran Transmisi Isolator jenis pasak dan isolator jenis pos-saluran digunakan pada saluran transmisi dengan tegangan kerja relatif lebih rendah kurang dari 22-33 kV, sedangkan isolator jenis gantung dapat digandeng menjadi rentengan atau rangkaian isolator yang jumlahnya dapat disesuaikan dengan kebutuhan. Pada saluran transmisi 275 kV Pangkalan Susu-Binjai dan tegangan maksimum yang diperbolehkan V m 300 kV digunakan 16 15+1 spare isolator piring [2]. 32 C. Kawat penghantar Jenis-jenis kawat penghantar yang biasa yang digunakan pada saluran transmisi adalah: a Tembaga dengan konduktivitas 100 Cu 100 b Tembaga dengan koduktivitas 97,5 Cu 97,5 c Almunium dengan konduktivitas 61 Al 61 Kawat penghantar Almunium terdiri dari beberapa jenis, yaitu : i. AAC : “ All Aluminium Conductor ”yaitu kawat penghantar yang seluruhnya terbuat dari almunium. ii. AAAC : “ All-Aluminium Alloy Conductor “ yaitu kawat penghantar yang seluruhnya terbuat dari campuran almunium. iii. ACSR : “ Aluminium Conductor Steel Reinforced ” yaitu kawat penghantar almunium dengan inti kawat baja. iv. ACAR : “ Aluminium Conductor Alloy Reinforced ” yaitu kawat penghantar almunium yang diperkuat dengan logam campuran. Gambar 2.10 Jenis-jenis Kawat Transmisi Listrik 33 Pada umumnya saluran transmisi yang ada di Indonesia menggunakan jenis kawat penghantar jenis ACSR. Karena kawat tembaga mempunyai tahanan yang lebih kecil, namun berat dan harga yang lebih mahal dari almunium. Untuk memperbesar kuat tarik dari almunium maka digunakan campuran almunium almunium alloy . D. Kawat tanah Kawat tanah atau ground wires juga disebut dengan kawat pelindung shield wires gunanya untuk melindungi kawat-kawat penghantar atau kawat fasa terhadap sambaran petir, untuk itu kawat tanah ini harus dipasang diatas kawat fasa. Sebagian kawat tanah umumnya dipakai kawat baja steel wires yang lebih murah tetapi tidaklah jarang pula digunakan ACSR. Awalnya kawat tanah dimaksudkan sebagai perlindungan terhadap sambaran tidak langsung sambaran induksi di sekitar kawat fasa transmisi. Akan tetapi dikemudian hari dari hasil- hasil pengalaman dan teori, penyebab utama yang menimbulkan gangguan transmisi tegangan tinggi 70 kV dan lebih adalah sambaran petir langsung.

2.9.1 Klasifikasi Saluran Transmisi

Sesuai dengan fungsi, kebutuhan dan tegangan kerjanya maka saluran transmisi dapat dikelompokkan dalam beberapa macam diantaranya : A. Klasifikasi Saluran Transmisi Berdasarkan Panjang Saluran Untuk keperluan analisa maka diagram pengganti biasanya dibagi dalam 3 kelas yaitu [3] : 34 a Transmisi Pendek 50 mi atau 80 km b Transmisi Menengah 150 mi atau 250 km c Transmisi Panjang 150 mi atau 250 km Klasifikasi saluran transmisi harus didasarkan atas besar kecilnya kapasitansi ke tanah. Maksudnya jika kapasitansi kecil maka arus bocor ke tanah kecil terhadap arus beban, sehingga kapasitansi ke tanah dapat diabaikan, hal ini dapat disebut dengan transmisi kawat pendek. Tetapi jika kapasitansi mulai besar sehingga tidak dapat diabaikan, namun belum begitu besar sehingga dapat dianggap sebagai kapasitansi terpusat lumped capacitance dan hal ini sering disebut dengan transmisi kawat menengah. Dan jika kapasitansi tersebut bernilai sangat besar dan tidak dapat dianggap sebagai kapasitansi terpusat dan harus dianggap terbagi merata sepanjang saluran maka hal ini dapat disebut dengan transmisi kawat panjang. B. Klasifikasi Saluran Transmisi Menurut Tegangan Nominal Di Indonesia standar tegangan transmisi adalah 66, 150, 380, dan 500 KV, dan klasifikasi menurut tegangan ini masih belum nyata. Tetapi di Negara-negara maju terutama dibidang transmisi listrik, seperti : USA, Rusia, Canada dimana tegangan pada saluran transmisi bisa mencapai 1000 KV. Berdasarkan EN 60071 klasifikasi tegangan dapat dikategorikan menjadi [8]: a Tegangan Rendah dibawah 1 kV b Tegangan Medium 1kV - 45 kV c Tegangan Tinggi 45kV – 200 kV d Tegangan Ekstra Tinggi 200 kV – 750 kV e Tegangan Ultra Tinggi diatas 800 kV 35

2.9.2 Parameter-Parameter Saluran Transmisi

Suatu saluran transmisi tenaga listik memiliki 4 empat parameter yang mempengaruhi sistem kerja suatu saluran tranmsisi itu sendiri. Adapun 4 empat parameter tersebut adalah resistansi, induktansi, kapasitansi, dan konduktansi.

2.9.2.1 Induktansi

Jika arus pada rangkaian berubah-ubah maka medan magnet yang ditimbulkan juga akan berubah-ubah dan apabila medan magnet yang ditimbulkan memiliki permeabilitas yang konstan maka banyaknya fluks gandeng berbanding lurus dengan arus sehingga tegangan imbasnya sebanding dengan kecepatan perubahan arus. Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : = � 2.10 dimana L = Induktansi Rangkaian H e = Tegangan Imbas V ∂i ∂t = kecepatan perubahan arus As Persamaan umum yang digunakan untuk menentukan besarnya induktansi saluran adalah [2]: � = 2. 10 −7 ln 2.11 dimana L = Induktansi saluran H 36 D m = Ekivalen atau geometric mean distance GMD antara kondukor dengan tanah in D s = Geometric Mean Radius GMR pada konduktor in

2.9.2.2 Kapasitansi

Kapasitansi saluran transmisi didefinisikan sebagai akibat adanya beda potensial antar penghantar konduktor maupun penghantar dengan permukaan tanah, kapasitansi menyebabkan penghantar bermuatan seperti yang terjadi pada plat kapasitor bila terjadi beda potensial diantaranya. Kapasitansi antara penghantar adalah muatan perunit beda potensial. Kapasitansi antara penghantar sejajar adalah suatu konstanta yang tergantung pada ukuran dan jarak pemisah dan penghantar. Untuk saluran daya yang panjangnya kurang dari 80 km 50 mil, pengaruh kapasitansinya kecil dan biasanya dapat diabaikan. Untuk saluran- saluran yang lebih panjang dengan tegangan yang lebih tinggi, kapasistansinya menjadi bertambah tinggi. Persamaan umum untuk mencari nilai kapasitansi antara konduktor dengan ground dapat dijelaskan dibawah ini [2]: = 0.02413 log 2 � 2.12 dimana H = Jarak antara konduktor dengan tanah m r = Radius Konduktor cm 37

2.9.2.3 Resistansi

Resistansi penghantar saluran transmisi adalah penyebab terpenting dari rugi daya power loss pada saluran transmisi. Resistansi pada suatu konduktor arus searah dinyatakan dalam persamaan dibawah ini [2]: = � 2.13 dimana ρ = Resistivitas Penghantar Ohm.m l = Panjang m A = Luas Penampang m 2 Persamaan diatas digunakan untuk menghitung besarnya tahanan dari konduktor saluran transmisi. Akan tetapi, resistansi dari saluran transmisi tidaklah sama dengan persamaan di atas. Saat arus bolak-balik mengalir pada suatu konduktor, kepadatan arus tidak seragam pada seluruh permukaan kondoktor, melainkan lebih dekat ke permukaan atau yang disebut dengan peristiwa skin effect. Efek kulit ini sangat kecil untuk frekuensi yang rendah. Untuk penghantar- penghantar yang biasa digunakan, menentukan resitansi dapat dilakukan dengan menggunakan Catalog Conductor yang disediakan oleh pabrik yang terkait.

2.9.2.4 Konduktansi

Konduktansi antar penghantar atau antara penghantar dan tanah akan menyebabkan terjadinya arus bocor pada isolator-isolator dari udara melalui isolasi dan kabel. Karena kebocoran pada isolator saluran udara sangat kecil sehingga nilai konduktansi antar penghantar pada saluran dapat diabaikan. Alasan 38 untuk mengabaikan konduktansi adalah karena konduktansi ini selalu berubah- ubah yakni kebocoran pada isolator yang merupakan sumber utama. konduktansi berubah dengan cukup besar menurut atmosfer dan kotoran yang berkumpul pada isolator sepanjang saluran transmisi yang nantinya menjadi polutan.

2.9.3 Rangkaian Ekivalen Saluran Transmisi

Saluran Transmisi udara maupun saluran kabel bawah tanah dapat direpresentasikan sebagai rangkaian konstan yang terdistribusi merata seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.11. Resitansi, induktansi, kapasitansi dan kobocoran akibat konduktansi didistribusikan secara seragam pada sepanjang saluran. R Resistansi C Kapasitansi L Induktansi G Konduktansi R Resistansi C Kapasitansi L Induktansi G Konduktansi R Resistansi L Induktansi Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Transmisi Terdistribusi Merata [3]

2.10 Pemodelan Korona

Pada analisis ini pemodelan korona dapat dilakukan dengan menggunakan softwere ATPDraw dengan bentuk dasar terdiri dari komponen dioda, resistor dan kapasitor. Untuk memperkirakan penyebaran korona pada konduktor, pemodelan korona disambungkan pada titik pertemuan oleh beberapa bagian dari potongan saluran transmisi. Ab Kadir [9] mengusulkan pemodelan korona yang membagi 39 panjang saluran menjadi 50 m – 100 m untuk mendapatkan hasil analisis yang optimal, seperti ditunjukkan pada gambar dibawah. Gambar 2.12 Pemodelan Korona Pemodelan disimulasikan menggunakan surja petir dengan karakteristik yang berubah-ubah. Saluran transmisi dimodelkan dengan beberapa parameter transmisi yang terdistribusi merata dan dihubungkan dengan pemodelan korona yang dihubungkan pada setiap titik sambungan menggunakan dioda, resistor, kapasitor dan sumber DC yang terdapat pada software ATPDraw . Bentuk pemodelan korona dapat dilihat seperti pada Gambar 2.11. Resistor dan kapasitor merepresentasikan proses hilangnya energi akibat korona dan perubahan nilai kapasitansi pada saluran. Sementara itu sumber DC pada rangkaian merepresentasikan tegangan awalan korona. Nilai charging dari Cg kapasitansi Geometrik akan ditahan oleh komponen dioda D. 40

2.10.1 Pemodelan Korona Pada Saluran Transmisi

Lightning Surge Voltage kV Z Ground Legenda Line 50-100 meter Corona Model Surge Impedance Gambar 2.13 Pemodelan korona pada saluran transmisi [9] Gambar 2.13 diatas menunjukan representasi suatu saluran transmisi yang mengalami efek korona serta mendapat gangguan eksternal berupa sambaran petir langsung direct stroke . Tiap parameter transmisi dihubungkan secara seri satu dengan yang lainnya, sedangkan pemodelan korona dipasang paralel terhadap saluran setiap jarak 50-100 m. Impedansi surja pada ujung saluran merupakan nilai impedansi yang dilalui oleh surja, ketika konduktor dianggap bernilai sangat konduktif dengan mengabaikan nilai resistansi saluran. Impedansi surja juga dipengaruhi oleh konstanta L dan C yang merambat pada kawat penghantar, dimana kedua konstanta itu juga dipengaruhi oleh karakteristik dari kawat tersebut. 41 Impedansi surja untuk saluran hantaran udara adalah sebagai berikut [10]: = � = 60 ln 2 Ω 2.14 Dimana, r merupakan jari-jari kawat dan h adalah tinggi kawat dari atas permukaan tanah.

2.11 Konduktor Berkas Bundle

Konduktor berkas adalah konduktor yang terdiri dari dua konduktor atau lebih yang dipakai sebagai konduktor satu fasa dan dipisahkan oleh suatu alat yang disebut dengan spacer dengan jarak sebesar A cm. Konduktor berkas mulai efektif digunakan pada tegangan diatas 400 kV [3] [11]. Penggunaan konduktor berkas bertujuan untuk mengurangi risiko terjadinya korona dan meningkatkan kapasitas daya hantar saluran transmisi. A A A A a b c Gambar 2.14 Susunan Konduktor bundle a 2 subkonduktor, b3 subkonduktor, dan c 4 subkonduktor Untuk konduktor bundle berkas, Skilling and Dykes 1954 telah membuktikan rumus persamaan untuk jari-jari ekivalen r eq , yang dapat disubtitusikan untuk persamaan gradient tegangan permukaan konduktor. Untuk menghitung jari-jari ekivalen menurut Skilling and Dykes [7] ialah: 42 = 1+2 −1 sin � 2.15 ≈ 1 + 2 − 1 � dimana A = jarak antar subkonduktor berkas cm n = jumlah berkas yang terpasang Keuntungan menggunakan konduktor berkas antara lain: 1. Mengurangi reaktansi induktif saluran sehingga jatuh tegangan dapat diturunkan. 2. Mengurangi gradient tegangan permukaan konduktor sehingga dapat meningkatkan tegangan kritis korona dan mengurangi rugi-rugi daya korona, Audible Noise AN dan Radio Interference RI. Kerugian menggunakan konduktor berkas antara lain: 1. Meningkatkan berat total saluran sehingga berpengaruh pada konstruksi menara. 2. Meningkatkan Kapasitansi saluran. 3. Konstruksi isolator lebih rumit. 4. Meningkatkan investasi awal. 43 BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Umum