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