Arrester dan pada 20 kv
Arrester pada 20 kv
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Gardu distribusi merupakan salah satu komponen dari suatu sistem distribusi yang berfungsi
untuk menghubungkan jaringan ke konsumen atau untuk mendistribusikan tenaga listrik pada
konsumen tegangan menengah maupun konsumen tegangan rendah. Sehingga gardu distribusi
termasuk komponen terpenting dalam suatu sistem distribusi. Komponen terpenting pada gardu
distribusi adalah trafo. Trafo tersebut berfungsi sebagai penurun tegangan (step down
transformer), yang menurunkan tegangan 20 kV (tegangan menengah) menjadi 400/230 V
(tegangan rendah). Karena trafo terhubung dengan saluran udara 20 kV dan penempatannya di
tempat terbuka sehingga pada trafo dapat terjadi gangguan tegangan lebih akibat sambaran petir
secara langsung atau sambaran petir tidak langsung (induksi). Sambaran petir akan menimbulkan
tegangan lebih yang tinggi melebihi kemampuan isolasi trafo sehingga dapat menyebabkan
kerusakan isolasi yang fatal. Untuk mencegah terjadinya hal tersebut maka setiap pemasangan
trafo distribusi 20 kV pada setiap gardu distribusi selalu dilengkapi dengan lightning arrester.
Pemasangan lightning arrester pada setiap gardu berbeda penempatan atau kedudukannya.
Penempatan lightning arrester dapat mempengaruhi kinerja lightning arrester tersebut dalam
memproteksi trafo dan peralatan lainnya pada gardu distribusi.
1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan
Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :
1.
Syarat untuk memenuhi pelaksanaan proyek akhir pada jurusan teknik elektro program diploma
di sekolah tinggi teknik PLN
2.
Untuk mengetahui bagaimana pengaruh dari pemasangan lightning arrester pada gardu distribusi
dalam memproteksi peralatan yang ada di gardu distribusi.
Adapun manfaat yang dapat diambil dari pembahasan proyek akhir ini adalah :
1.
Menambah pengalaman dalam bidang kelistrikan yaitu dengan cara membandingkan teori yang
didapat di bangku kuliah dengan praktek yang terjadi di lapangan
2.
Memberikan sumbangan pikiran dan wawasan yang bermanfaat buat orang lain.
1.3 Rumusan Masalah
Dari latar belakang didapatkan permasalahan sebagai berikut :
1.
Bagaimana kinerja arrester dalam memproteksi peralatan yang terdapat dalam gardu distribusi?
2.
Apa saja yang harus diperhatikan dalam pemilihan Lightning Arrester ?
1.4 Batasan Masalah
Sistem pengaman pada gardu distribusi memiliki banyak macam jenis pengaman. Ruang
lingkup permasalahanya sangat luas, agar dalam pembahasannya tidak terlalu meluas maka perlu
adanya pembatasan masalah.
Pada laporan akhir ini penulis membatasi masalah dan mengambil pokok penulisan tentang
penggunaan lightning arrester sebagai pengaman gardu distribusi.
1.5 Metodologi Penelitian
Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:
a.
Studi Literatur
Berupa studi kepustakaan dan kajian dari berbagai sumber pustaka yang relevan mendukung
dalam penulisan tugas akhir ini.
b.
Studi Observasi
Terjun langsung ke lapangan untuk mempelajari obyek yang dipilih. Sehubungan dengan hal-hal
tersebut, dalam pencarian dan pengumpulan data-data dilakukan dengan cara:
a.
Mengadakan wawancara dengan pihak yang bersangkutan
b.
Memadukan data hasil penelitian dengan teori yang ada.
c.
Studi Bimbingan
Dalam hal ini penulis melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing
yang telah ditunjuk oleh pihak Jurusan program DIII Teknik Elektro STT PLN Jakarta dan
teman-teman sesama mahasiswa.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan tugas akhir ini akan dibagi dalam beberapa bagian sebagai berikut :
BAB I
: PENDAHULUAN
Pembahasan mengenai pendahuluan yang menyangkut latar belakang, tujuan dan manfaat,
rumusan masalah, batasan masalah, metodologi dan sistematika penulisan.
BAB II
: GARDU DISTRIBUSI DAN SALURAN UDARA TEGANGAN
MENENGAH
Pada bab ini membahas tentang gardu distribusi dan saluran udara tegangan menengah dan
peristiwa sambaran petir.
BAB III
: PEMASANGAN LIGHTNING ARRESTER PADA GARDU DISTRIBUSI
Pembahasan mengenai Lightning Arrester, jenis – jenisnya,dan pemilihan lightning arrester.
BAB IV
: PENUTUP
Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan proyek akhir ini
BAB II
GARDU DISTRIBUSI DAN SALURAN UDARA TEGANGAN MENENGAH
2.1 Gardu Distribusi
2.1.1 Umum
Pengertian umum Gardu Distribusi tenaga listrik yang paling dikenal adalah suatu bangunan
gardu listrik berisi atau terdiri dari instalasi perlengkapan hubung bagi tegangan menengah
(PHB-TM), transformator distribusi (TD) dan perlengkapan hubung bagi tegangan rendah (PHBTR) untuk memasok kebutuhan tenaga listrik bagi para pelanggan baik dengan tegangan
menengah (TM 20 kV) maupun tegangan rendah (TR 220/380V).
2.1.2 Macam-macam gardu distribusi
Dilihat dari fungsinya, secara garis besar gardu distribusi dapat digolongkan kedalam :
1.
Gardu umum
Gardu distribusi yang menyalurkan energi listrik untuk kepentingan umum.
Gambar 2.1 Gardu Distribusi Umum
2.
Gardu khusus
Gardu distribusi yang menyalurkan energy listrik untuk konsumen tunggal.
Gambar 2.2 Gardu Distribusi Khusus Pelanggan TM
3.
Gardu Hubung
Gardu hubung berfungsi menerima daya listrik dari gardu induk yang telah diturunkan menjadi
tegangan menengah dan menyalurkan atau membagi daya listrik tanpa merubah tegangannya
melalui jaringan distribusi primer (JTM) menuju gardu atau transformator distribusi.
Gambar 2.3 Gardu Hubung (GH)
Lebih lanjut gardu distribusi umum dilihat dari konstruksinya dibagi menjadi :
1.
Gardu beton
Gardu distribusi jenis beton dibangun permanen pada lokasi yang telah ditentukan. Umumnya
gardu beton dibangun untuk konsumen khusus atau daerah perkotaan yang sudah mantap
planaloginya.
Seluruh komponen utama instalasi yaitu transformator dan peralatan switching/proteksi,
terangkai didalam bangunan sipil yang dirancang, dibangun dan difungsikan dengan konstruksi
pasangan batu dan beton (masonrywall building).
Konstruksi ini dimaksudkan untuk pemenuhan persyaratan terbaik bagi keselamatan
ketenagalistrikan
Gambar 2.4 Bagan satu garis gardu distribusi beton.
2.
Gardu kios
Gardu tipe ini adalah bangunan prefabricated terbuat dari konstruksi baja, fiberglass atau
kombinasinya, yang dapat dirangkai di lokasi rencana pembangunan gardu distribusi. Pada
mulanya gardu kios ini dibuat dengan cara menutup semua peralatan gardu seperti trafo, alat
pemisah, pemutus dan perlengkapan TM/TR lainnya dalam kios metal sehingga gardu ini juga
dinamai dengan gardu metal enclosed. Terdapat beberapa jenis konstruksi, yaitu kios kompak,
kios modular dan kios bertingkat. Gardu ini dibangun pada tempat-tempat yang tidak
diperbolehkan membangun gardu beton.
Karena sifat mobilitasnya, maka kapasitas transformator distribusi yang terpasang terbatas.
Kapasitas maksimum adalah 400 kVA, dengan 4 jurusan tegangan rendah.
Gambar 2.5 Denah Gardu Kios
3.
Gardu Portal
Gardu portal adalah gardu trafo yang secara keseluruhan instalasinya dipasang pada 2 buah tiang
atau lebih.
Umumnya konfigurasi Gardu Tiang yang dicatu dari SUTM adalah T section dengan peralatan
pengaman Pengaman Lebur Cut-Out (FCO) sebagai pengaman hubung singkat transformator
dengan elemen pelebur (pengaman lebur link type expulsion) dan Lightning Arrester (LA)
sebagai sarana pencegah naiknya tegangan pada transformator akibat surja petir.
Gambar 2.6 Gardu Portal
4.
Gardu Cantol
Pada gardu distribusi tipe cantol, transformator yang terpasang adalah transformator dengan daya
≤ 100 kVA Fase 3 atau Fase 1. Transformator terpasang adalah jenis CSP (Completely Self
Protected Transformer) yaitu peralatan switching dan proteksinya sudah terpasang lengkap
dalam tangki transformator. Perlengkapan perlindungan transformator tambahan LA (Lightning
Arrester) dipasang terpisah dengan penghantar pembumiannya yang dihubung langsung dengan
badan transformator. Perlengkapan Hubung Bagi Tegangan Rendah (PHB-TR) maksimum 2
jurusan.
Gambar 2.7. Gardu Tipe Cantol.
2.2 Transformator distribusi
2.2.1 Teori Dasar Transformator
Transformator adalah suatu peralatan listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi
listrik dari suatu rangkain listrik ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gendengan/kopling
magnit dan berdasarkan perinsip elektromagnit.
Gambar 2.8. Transformator.
Transformator terdiri dari beberapa jenis yaitu transformator tegangan, transformator arus,
transformator distribusi, dan transformator daya. transformator tegangan dan arus bisanya
digunakan sebagai alat bantu pengukuran dan sebagai alat bantu proteksi, yang penggunaanya
bersama-sama. sedangkan untuk pasokan beban menggunakan transformator distribusi dan
transformator daya.
2.2.2 Prinsip kerja transformator distribusi
Transformator merupakan suatu alat listrik / mesin listrik statis yang di gunakan untuk
mentransformasikan daya atau energi listrik arus bolak balik dari tegangan menengah ke
tegangan rendah atau sebaliknya pada frekuensi yang sama melalui suatu gandengan magnet dan
berdasarkan prinsip induksi elektromagnet.
Prinsip kerja Transformator adalah berdasarkan hukum ampere dan hukum faraday yaitu arus
listrik dapat menimbulkan medan magnet dan sebaliknya medan magnet dapat menimbulkan
arus listrik, jika pada salah satu kumparan pada Transformator diberi arus bolak balik maka
jumlah garis gaya magnet berubah – ubah akibatnya pada sisi primer terjadi induksi, sisi
sekunder menerima garis gaya magnet dari sisi primer yang jumlahnya berubah ubah pula, maka
disisi sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara dua ujung terdapat beda tegangan.
Transformator daya berfungsi untuk menyalurkan energi listrik sekaligus menaikan atau
menurunkan tegangan. Misalnya transformator pada system pembangkit tenaga listrik adalah
untuk menaikan tegangan keluaran generator. Selanjutnya energy listrik tersebut disalurkan
melalui system transmisi ke gardu induk. Pada transformator di gardu induk, tegangan tinggi di
turunkan ke tegangan menengah yang kemudian disalurkan ke gardu distribusi. Sedangkan di
gardu distribusi transformator berfungsi sebagai penurun tegangan dari tegangan menengah 20
Kv ke tegangan rendah 380 v, sehingga bisa dipergunakan oleh konsumen tegangan rendah.
2.3 Saluran Udara Tegangan Menengah
2.3.1 Umum
Jaringan distribusi yang tergelar di alam bebas dimana banyak gangguan – gangguan listrik
yang dialaminya seperti petir, pohon, atau binatang. Saluran udara untuk dirancang dengan
memperhatikan keperluan listrik dan mekanis. Rancangan mekanis melibatakan tekanan dan
perhitungan lentur, rancangan penopang dan lengan-lengan pemegang. Penopang harus cukup
kokoh untuk menahan beban angin yang bekerja pada penopang, penghantar, isolator, lengan
pemegang dan lain-lain. Rancangan listrik melibatkan pemilihan tegangan pemilihan saluran,
pengaturan tegangan dan pemilihan alat pengaman. Penentuan tata letak diusahakan agar mudah
mendekati untuk pengawasan dan pemeliharaan sedapat mungkin hendaklah dipasang didekat
jalan.
2.3.2 Proteksi Jaringan
Tujuan daripada suatu sistem proteksi pada saluran udara tegangan menengah (SUTM)
adalah mengurangi sejauh mungkin pengaruh gangguan pada penyaluran tenaga listrik serta
memberikan perlindungan yang maksimal bagi operator, lingkungan dan peralatan dalam hal
terjadinya gangguan yang menetap (permanen).
Sistem proteksi pada SUTM memakai :
a.
Relai hubung tanah dan relai hubung singkat fasa‐fasa untuk kemungkinan gangguan penghantar
dengan bumi dan antar penghantar.
b.
Pemutus Balik Otomatis PBO (Automatic Recloser), Saklar Seksi Otomatis SSO (Automatic
Sectionaizer). PBO dipasang pada saluran utama, sementara SSO dipasang pada saluran
pencabangan, sedangkan di Gardu Induk dilengkapi dengan auto reclosing relay.
c.
Lightning Arrester (LA) sebagai pelindung kenaikan tegangan peralatan akibat surja petir.
Lightning Arrester dipasang pada tiang awal/tiang akhir, kabel Tee–Off (TO) pada jaringan dan
gardu transformator serta pada isolator tumpu.
d.
Pembumian bagian konduktif terbuka dan bagian konduktif extra pada tiap‐tiap 4 tiang atau
pertimbangan lain dengan nilai pentanahan tidak melebihi 10 Ohm.
e.
Kawat tanah (shield wire) untuk mengurangi gangguan akibat sambaran petir langsung.
Instalasi kawat tanah dapat dipasang pada SUTM di daerah padat petir yang terbuka.
f.
Penggunaan Fused Cut–Out (FCO) pada jaringan pencabangan.
g.
Penggunaan Sela Tanduk (Arcing Horn)
2.4. Sambaran Petir
+
-+
-
+
Muatan
negatif
+ Muatan positif
+
+
+
+
AWAN
BUMI
Gambar 2.9. Peristiwa terjadinya petir
Petir adalah pelepasan muatan yang terjadi antara awan, dalam awan atau antara awan
dengan tanah. dimana dalam awan terdapat muatan positif dan muatan negatif, jika muatan ini
senama bertemu maka akan terjadi tarik menarik yang dapat menimbulkan lendakan/kilat
diawan, begitu juga kalau muatan negatif dan muatan positif dekat akan terjadi tolak menolak,
juga akan terjadi ledakan/kilat.
Bumi adalah sebagai gudang muatan positif maupun negatif, jika pelepasan muatan dari petir
dekat dengan bumi, maka akan terjadi sambaran petir kebumi. Seperti terlihat pada
gambar 2.9.diatas.
Bila petir mengenai langsung kepenghantar SUTM, kemungkinan besar penghantar tersebut
akan putus karena gelombang petir yang menimbulkan tegangan impuls melebihi BIL (Basic
Insulation Level) dari penghantar SUTM. Kalau petir yang mengenai SUTM bukan sambaran
langsung tetapi induksi dari petir, gerak dari gelombang petir itu menjalar ke segala arah dengan
perkataan lain terjadi gelombang berjalan sepanjang Jaringan yang menuju suatu titik lain yang
dapat menetralisir arus petir tersebut yaitu menuju ketitik pentanahan.
Kelebihan tegangan yang disebabkan petir disebabkan oleh sambaran langsung atau
sambaran tidak langsung (induksi) dapat dijelaskan sebagai berikut:
·
Sambaran Langsung
Sambaran langsung yang mengenai rel dan peralatan Peralatan adalah yang paling hebat diantara
gelombang berjalan lainnya yang datang ke Peralatan. Sambaran langsung menyebabkan
tegangan lebih yang sangat tinggi yang tidak mungkin dapat ditahan oleh isolasi yang ada (>
BIL)
·
Sambaran Induksi
Bila terjadi sambaran kilat ke tanah di dekat saluran maka akan terjadi fenomena transien yang
diakibatkan oleh medan elektromagnetis dari kanal kilat. Fenomena kilat ini terjadi pada kawat
penghantar. Akibat dari kejadian ini timbul tegangan lebih dan gelombang berjalan yang
merambat pada kedua sisi kawat tempat sambaran berlangsung. Tegangan induksi dapat
berubah-ubah tergantung dari keadaannya, secara umum besar tegangan lebih akibat sambaran
induksi antara 100 – 200 kV, muka gelombangnya (Wave front) lebih dari 10 μs dan ekor
gelombang (wave tail) 50 – 100 μs, dimana gelombang ini sebagai ancaman bagi peralatan
distribusi.
Bentuk gelombang surja petir (tegangan impuls) terlihat pada gambar 2.10. dibawah ini, dengan
Tf (waktu muka gelombang) , Tt (waktu ekor gelombang) dan U (tegangan puncak). Untuk
sambaran langsung besarnya Tf = 1.2 μs, Tf = 50 μs dan tegangan puncak U = mendekati 300
kV, sambaran induksi besar Tf = 10 μs ,Tt = 50 – 100 μs dan U = 100 – 200 kV
Gambar 2.10. Tegangan impuls petir standar(IEC Publ.60-2,1973)
Dimana :
Tf
= waktu muka gelombang (OA) (μs) Tf = 1,2 μs
Tt = waktu ekor gelombang (OB) (μs)
U
2.5
Tt = 50 μs
= tegangan puncak (kV)
Tegangan Lebih dengan Frekuensi Jala-jala
Tegangan lebih dengan frekuensi jala-jala dibagi atas:
·
Penutupan / pembukaan trafo yang tidak bersamaan
·
Kenaikan tegangan dari fasa sehat pada waktu gangguan satu fasa ke tanah pada sistem.
· Tegangan yang terjadi akibat beban lepas.
· Hubungan kabel tanpa beban
Meskipun banyak macamnya, tetapi pada umumnya tegangan abnormal yang terjadi pada
sistem tenaga listrik diperkirakan tidak sebesar surja petir dan surja hubung, sehingga
perencanaan isolasi peralatan kebanyakan didasarkan pada kedua surja ini.
2.6
Kerusakan Akibat Kelebihan Tegangan
·
Tegangan tembus luar (External Flashover) merusak isolator, bagian permukaan peralatan.
Ini disebabkan oleh amplitude gelombang datang.
·
Tegangan tembus dalam ( Internal Flashover ), merusak isolasi utama dari peralatan ketanah,
merusak isolasi antara bagian-bagian dalam peralatan (isolasi antara gulungan dari trafo). Ini
disebabkan oleh kecuraman gelombang datang.
·
Tegangan tembus luar dan dalam ( Internal and External Flashover) yang mungkin terjadi
akibat osilasi yang terjadi pada peralatan. Ini disebabkan oleh kecuraman gelombang datang
dengan ekor gelombang yang panjang.
2.7
Penanggulangan Kelebihan Tegangan
Untuk memberikan perlindungan pada peralatan terhadap kelebihan tegangan berupa surja
petir maka dipasang alat pelindung (Protective Device).
Alat pelindung terhadap kelebihan tegangan berfungsi melindungi peralatan sistem tenaga
listrik dengan cara membatasi kelebihan tegangan yang datang dan mengalirkan ke tanah.
Berhubungan dengan fungsinya itu, maka alat pelindung harus dapat menahan tegangan sistem
dalam waktu yang tak terbatas dan harus dapat melewatkan surja arus ke tanah tanpa mengalami
kerusakan.
Alat pelindung yang baik mempunyai perbandingan perlindungan atau protective ratio yang
tinggi, yaitu perbandingan antara tegangan surja maksimum yang diperbolehkan sewaktu
pelepasan (discharge) dan tegangan sistem maksimum yang ditahan sesudah pelepasan terjadi.
BAB III
PEMASANGAN LIGHTNING ARRESTER PADA GARDU DISTRIBUSI
3.1
Lightning Arrester
Lightning arrester adalah suatu alat yang digunakan untuk melindungi peralatan listrik
terhadap sambaran petir. Dipasang pada atau dekat peralatan yang dihubungkan dari fasa
konduktor ke tanah. Lightning arrester membentuk jalan yang mudah dilalui petir atau surja,
sehingga tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada peralatan. Jalan pintas tersebut harus
sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran daya sistem 50 Hz. Pada kerja normal,
lightning arrester berfungsi sebagai isolator dan bila terkena sambaran petir akan berlaku sebagai
konduktor yang mengalirkan petir ke bumi. Setelah petir hilang, lightning arrester harus cepat
kembali menjadi isolator, sehingga pemutus tenaga (PMT) tidak sempat membuka. Pada kondisi
normal (tidak terkena petir), arus bocor lightning arrester tidak boleh melebihi 2 mA. Apabila
melebihi angka tersebut berarti kemungkinan besar lightning arrester mengalami kerusakan.
Gambar 3.1. Lightning Arrester
Pemasangan lightning arrester yang dipergunakan untuk mengamankan transformator tenaga:
(a)
(b)
Gambar 3.2. a) pemasangan lightning arrester yang salah. b) pemasangan lightning arrester yang
benar.
·
Pemasangannya seperti gambar 3.2.a diatas adalah salah karena kalau terjadi gelombang
berjalan karena petir di penghantar SUTM, akan mengakibatkan pantulan antara penghantar yang
masuk ke transformator tenaga dan arrester.
·
Pemasangan seperti terlihat pada gambar 3.2.b adalah betul, kalau terjadi gelombang berjalan
dari petir di penghantar SUTM, maka ada choping dari arrester sehingga tegangan petir menjadi
kecil yang masuk ke trafo, choping arrester dapat dilihat pada gambar 3.3 dibawah ini.
Sebaiknya kawat tanah dari kabel di sambung dengan kawat pentanahan dari arrester, kalau
terjadi gelombang petir hasil choping dari arrester yang masih masuk kesistem masih dibawah
BIL trafo maupun generator, dan pengaman generator terutama AVR tidak sempat bekerja
Chopping oleh Arrester.
dimana pada Arrester mengalir arus petir.
Gelombang petir
teg petir
Waktu (ms)
Gambar 3.3. Tegangan Impuls Petir Di Choping Oleh Arrester
3.1.1
Jenis Lightning Arrester
Lightning arrester terdiri dari dua jenis yaitu jenis Ekspulasi dan jenis Tahanan Tak Linear.
1.
Expulsion Type Lightning Arrester (Protector Tube)
Arrester ini merupakan tabung yang terdiri dari :
·
Dinding tabung yang terbuat dari bahan yang mudah menghasilkan gas jika dilalui arus (bahan
fiber).
·
Sela batang (external series) yang biasanya diletakkan pada isolator porselin, untuk mencegah
arus mengalir dan membakar fiber pada tegangan jala-jala setelah gangguan diatasi.
·
Sela pemutus bunga api diletakkan didalam tabung salah satu elektroda dihubungkan ketanah.
Gambar 3.4. Elemen-elemen lightning arrester jenis ekspulsi
Setiap kawat phasa mempunyai tabung pelindung. Pada waktu tegangan terpa melalui sela
batang dan sela bunga api maka impedansi tabung akan menjadi rendah sehingga arus terpa dan
arus sistem mengalir ketanah. Tegangan diantara saluran dengan tanah turun setelah tembus
terjadi.
Bagaimanapun arus yang mengalir akan membakar fiber dan menghasilkan gas yang
bergerak cepat kearah lubang pembuangan dibagian bawah arrester.Tekanan gas ini akan
mematikan bunga api pada saat arus melalui titik nol pertamanya. Waktu pemadaman busur api
ini hanya setengah atau satu siklus sehingga RRV (Rate of Recovering Voltage) lebih lambat
dari rate of rise kekuatan dielektrik isolasi. Beda waktu ini cukup pendek untuk dapat dibaca
oleh rele pelindung sehingga CB (Circuit Breaker) tetap bekerja (tertutup) dan pelayanan daya
tidak terganggu. Segera setelah gas ditekan keluar dan api menjadi padam sistem dapat bekerja
kembali dengan normal.
1.
·
Kelemahan dan kerugian lightning arrester type expulsi
Terbatas pada sistem yang mempunyai besar arus sistem kurang dari 1/3 dari besarnya arus
terpa. Karena arus yang sangat besar menyebabkan fiber habis terbakar dan arus yang terlalu
kecil tidak mampu menghasilkan cukup gas pada tabung untuk mematikan busur api.
·
Karena setiap arrester bekerja, permukaan tabung akan rusak karena terbakar maka arrester ini
mempunyai batasan pada jumlah operasinya dimana arrester ini masih dapat berfungsi dengan
baik.
·
Walaupun termasuk pemotong terpa yang murah karena kemampuannya memotong arus
ikutan namun sama sekali tidak cocok untuk perlindungan peralatan-peralatan gardu yang mahal
karena V-T (Tegangan – Waktu) karakteristiknya yang buruk.
2.
Pemakaian lightning arrester jenis Expulsi:
·
Umumnya dipakai untuk melindungi isolator transmisi. V-T karakteristik dari arrester ini
lebih datar daripada isolator sehingga dapat mudah dikoordinasikan untuk melindungi isolator
dari tembus permukaan.
·
Dipakai pada tiang transmisi sebelum memasuki peralatan untuk memotong arus terpa yang
datang sehingga berfungsi mengurangi kerja dari arrester di gardu.
·
Pada trafo-trafo kecil di pedesaan dimana pemotong petir tipe tahanan tak linear sangat mahal
dan pemakaian sela batang akan memberikan perlindungan yang cukup.
·
Pada tiang transmisi tertentu yang sangat tinggi (misalnya penyeberangan sungai) dimana
kemungkinan disambar petir cukup tinggi.
3.
Jenis-jenis lightning arrester type expulsi:
·
Jenis Transmisi digunakan pada jaringan transmisi untuk melindungi isolator
·
Jenis Distribusi digunakan untuk melindungi trafo pada jaringan-jaringan distribusi dan
peralatan-peralatan distribusi.
2.
1.
Non Linear Type Lightning Arrester (Arrester Tipe Tahanan Tak Linear).
Jenis Silicon Carbide ( SiC)
Arrester ini terdiri dari beberapa sela yang tersusun seri dengan piringan-piringan tahanan,
dimana tahanan ini mempunyai karakteristik sebagai berikut: harga tahanannya turun dengan
cepat pada saat arus terpa mengalir sehingga tegangan antara terminal arrester tidak terlalu besar
dan harga tahanan naik kembali jika arus terpa sudah lewat sehingga memotong arus ikutan pada
titik nol pertamanya. Sela api (sparks gap) dan tahanan disusun secara seri dan ditempatkan
didalam rumah porselen kedap air sehingga terlindung dari kelembapan, pengotoran dan hujan.
Distribusi tegangan yang tidak merata diantara celah sela api (sparks gap) menimbulkan
masalah.Untuk mengatasi ini dipasang kapasitor dan tahanan non linear paralel dengan sela
api.Pada daerah tegangan yang lebih tinggi kapasitor dan tahanan linear dihubungkan dengan
paralel dengan badan celah. Bila tegangan lebih menyebabkan loncatan bunga api pada celahcelah yang diserikan, arus akan sangat tinggi untuk mempercepat redanya tegangan lebih.
Tegangan tertinggi yang akan muncul pada penangkal petir adalah tegangan loncatan atau
tegangan yang terjadi pada tahanan tak linear pada saat lonjakan arus mengalir. Tegangan
loncatan bunga api terendah dari penangkal disebut tegangan loncatan pulsa bunga api seratus
persen(Maximum 100% Impulse Spark Over Voltage). Tegangan yang dibangkitkan tahanan
non linear pada saat arus loncatan mengalir disebut tegangan residu. Semakin rendah hargaharga ini semakin baik tingkat perlindungan pada peralatan.
Arus bocor yang mengalir melalui tahanan dalam dalam keadaan operasi normal dari sistem
tidak melebihi 0,1 mA. Arus ini sudah cukup untuk mempertahankan temperature dibagian
dalam arrester lima derajat lebih tinggi dari temperature sekeliling sehingga mencegah masuknya
uap air kebagian dalam arrester.Gambar arrester jenis ini diperlihatkan pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Elemen-elemen arrester jenis Silicon Carbide
2.
Jenis Metal Oxide ( MOV)
Gambar 3.6 Elemen-elemen arrester jenis Metal Okside
Arrester jenis Metal Oxide hanya terdiri dari unit-unit tahanan tak linear yang terhubung satu
sama lainnya tanpa memakai sela percik pada setiap unit.
Untuk arrester jenis Metal Oxide material tahanan tak linear pada dasarnya keramik yang
dibentuk dari oksida seng ( ZnO) dengan penambahan oksida lain. Bahan ini telah banyak
dipakai untuk perlindungan rangkaian-rangkaian yang bekerja pada beberapa kV sampai dengan
tegangan transmisi. Karena derajad ketidaklinearan yang tinggi, bahan ini memungkinkan
penyederhanaan dalam desain dan dapat memperbaiki penampilan dalam lingkungan tertentu.
3.
·
Jenis-jenis lightning arrester tipe tahanan tak linear
Jenis Gardu (Station Type) , jenis ini merupakan penangkap petir paling efisien dan mahal
yang umumnya digunakan untuk melindungi peralatan-peralatan penting pada gardu-gardu besar
( sistem dengan tegangan diatas 70 kV).
·
Jenis Hantaran (Line Type) , jenis ini lebih murah dan digunakan untuk melindungi gardu
dengan tegangan kerja dibawah 70 kV.
·
Penangkap petir jenis gardu untuk melindungi motor/generator, digunakan untuk sistem
dengan tegangan 2,2 kV sampai 15 kV.
·
Penangkap petir sekunder (Secondary Arrester) berguna untuk melindungi peralatan-peralatan
tegangan rendah dengan tegangan kerja sistem antara 120 V sampai 750 V.
3.1.2
1.
Tingkat Pengenal Dari Lightning Arrester (Rating Lightning Arrester)
Tegangan nominal atau tegangan pengenal
(Nominal Voltage Arrester) adalah tegangan dimana arrester masih dapat bekerja sesuai
dengan karakteristiknya. Arrester tidak dapat bekerja pada tegangan maksimum sistem yang
direncanakan, tetapi mampu memutuskan arus ikutan dari sistem secara efektif. Tegangan
pengenal dari arrester harus lebih tinggi dari tegangan phasa sehat ketanah, jika tidak demikian
maka arrester akan melewatkan arus ikutan sistem terlalu besar yang menyebabkan arrester rusak
akibat beban lebih termis (thermal overloading). Tegangan tertinggi sebagai berikut:
·
Tegangan sistem tertinggi (system highest voltage), umumnya diambil harga 110% dari harga
tegangan nominal sistem.
·
Koefisien pentanahan , didefenisikan sebagai perbandingan antara tegangan rms phasa sehat
ke tanah dalam keadaan gangguan pada tempat dimana arrester dipasang, dengan tegangan rms
phasa ke phasa tertinggi dari sistem dalam keadaan tidak ada gangguan. Jadi tegangan pengenal
dari arrester (arrester rating) adalah tegangan rms phasa ke phasa x 1.10 x koefisien pentanahan.
·
Sistem yang ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 0.8.Arrester disebut arrester
80%. Sistem yang tidak ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 1,0 .Arrester ini disebut
arrester 100%.
Arus Pelepasan Nominal ( Nominal Discharge Current )
Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan
untuk menentukan kelas dari arrester sesuai dengan :
·
Kemampuan melewatkan arus
·
Karakteristik Perlindungan
Bentuk gelombang arus pelepasan tersebut adalah :
a.
Menurut standar Inggris/Eropa (IEC) 8 μs / 20 μs
b.
·
Menurut standar Amerika 10 μs/ 20 μs dengan kelas
Kelas Arus 10 kA untuk perlindungan Peralatan besar dengan frekuensi sambaran petir yang
cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70 kV.
·
Kelas arus 5 kA untuk tegangan sistem dibawah 70 kV
·
Kelas 2,5 kV untuk gardu-gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah 22 kV.
·
Kelas arus 1,5 kA untuk melindungi trafo-trafo kecil.
3.
Tegangan Percik Impuls 100 % ( 100 % Impulse Spark Over Voltage)
Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal arrester sebelum
arrester itu bekerja. Bentuk gelombang impuls petir seperti gambar 3.7 adalah 1,2 μs/ 50 μs. Hal
ini menunjukkan bahwa jika tegangan puncak terpa petir yang datang mempunyai harga yang
lebih tinggi atau sama dengan tegangan percik minimum dari penangkal petir maka penangkap
petir ini akan bekerja memotong terpa petir tersebut dan mengalirkan ke tanah.
Gambar 3.7. Tegangan impuls petir standar(IEC Publ.60-2,1973)
Tegangan Sisa (Residual Voltage dari dischargeVoltage)/ Tegangan Kerja
Adalah tegangan yang timbul diantara terminal arrester pada saat arus pelepasan mengalir ke
tanah.Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu arrester tergantung kepada kecuraman
gelombang arus yang datang (di/dt dalam A/ μs) dan amplitudo dari arus pelepasan. Untuk
menentukan tegangan sisa ini digunakan impuls arus sebesar 8 μs/20 μs (standar IEC) dengan
harga puncak arus pelepasan 5 kA dan 10 kA.Untuk harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka
tegangan sisa ini tidak akan naik lebih tinggi lagi. Hal ini disebabkan karena karakteristik
tahanan yang tidak linear dari arrester.
Umumnya tegangan sisa tidak akan melebihi BIL (Basic Insulation Level = Tingkat Isolasi
Dasar = TID) dari peralatan yang dilindungi walaupun arus pelepasan maksimum mencapai 65
kA hingga 100 kA.
Arus Pelepasan Maksimum (Maximum Discharge Current )
Adalah arus terpa maksimum yang dapat mengalir melalui penangkap petir setelah
tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari arrester.
6.
Tegangan Percikan Frekuensi Jala-jala ( Power Frequency Spark Over Voltage)
Arrester tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam (internal over voltage) dengan
amplitude yang rendah karena dapat membahayakan sistem.
Untuk alasan ini maka ditentukan tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum.
·
Menurut standar Inggris tegangan percikan jala-jala minimum = 1.6 x tegangan pengenal
arrester.
·
Menurut Standar IEC (International Electrotechnical Commision) tegangan percikan jala-jala
minimum adalah = 1.5 x tegangan pengenal arrester.
7.
Tegangan Percikan Akibat Pensaklaran (Spark Over Voltage by Switching Over Voltages)
Tegangan percik pada celah seri akibat terkenal gangguan tegangan lebih oleh proses
pensaklaran oleh peralatan penghubung (switchgear).Karakteristik gelombang impuls surja
hubung dinyatakan dengan 250 / 2500 μs.
3.2 Koordinasi Isolasi
Korelasi antara kemampuan isolasi peralatan listrik dengan alat pelindung (protective device)
sehingga isolasi dari peralatan terlindung dari bahaya tegangan lebih. Tujuan koordinasi isolasi
ini adalah untuk menciptakan suatu sistem yang bagian-bagiannya, masing-masing dan satu sama
lain mempunyai ketahanan isolasi yang sedemikian rupa sehingga dalam setiap kondisi operasi
kualitas pelayanan / penyediaan tenaga listrik dapat dicapai dengan biaya seminimum mungkin.
Koordinasi isolasi yang baik akan mampu menjamin :
·
Bahwa isolasi peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan
tegangan tidak normal yang mungkin timbul dalam sistem.
·
Bahwa isolasi peralatan akan gagal hanya jika terjadi tegangan lebih luar.
·
Bahwa jika kegagalan terjadi maka hanya pada tempat-tempat yang menimbulkan kerusakan
paling minimum.
Masalah koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut hal-hal sebagai berikut:
1.
Penentuan Isolasi Hantaran
Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan terjadinya tegangan
lebih petir (surja petir), tegangan lebih switching dan tegangan lebih dengan frekuensi jala-jala.
Dengan bertambahnya pengetahuan akan fenomena petir maka dimungkinkan untuk menentukan
keandalan sistem berdasarkan parameter-parameter petir yang telah diketahui tersebut.Isolasi
hantaran udara harus cukup tinggi untuk mencegah terjadi kegagalan oleh surja hubung dan
tegangan lebih frekuensi jala-jala dengan memperhitungkan pengaruh lingkungan/alam yang
dapat menurunkan tegangan tembus dari isolator.
Dalam praktek umumnya isolator hantaran udara masih dinaikkan harga tahanan isolasinya
dengan cara menambah beberapa piringan isolator lagi untuk mencegah kemungkinan isolator
rusak. Isolasi hantaran udara tidak berhubungan langsung dengan tingkat isolasi peralatan
didalam gardu. Walaupun demikian sangat menentukan didalam koordinasi isolasi karena
tegangan tembus impuls pada isolator hantaran udara menentukan tegangan impuls tertinggi
yang masuk ke gardu berupa gelombang berjalan.
2.
Tingkat Isolasi Dasar Peralatan Peralatan
Tingkat Isolasi Dasar (Basic Insulation Level) merupakan daya tahan terhadap tegangan
impuls standar yang masih dapat ditahan isolasi. Sebagian besar peralatan peralatan seperti
transformator, pemutus daya, saklar pemisah, transformator arus, transformator tegangan dibuat
dengan tingkat isolasi yang sama. Kecuali transformator yang diproduksi dengan tingkat isolasi
yang lebih rendah dengan alasan ekonomis dan transformator umumnya dilindungi langsung
oleh arrester.
Karena letaknya yang dekat dengan transformator, maka sebagian dari peralatan di gardu akan
terletak diluar daerah lindung dari arrester. Daerah lindung ditentukan oleh: ketahanan isolasi
dari peralatan, tegangan kerja dari penangkap petir dan jarak antara penangkap petir dengan
peralatan tersebut.
Peralatan – peralatan yang terletak diluar dari daerah lindung penangkap petir akan diberikan
Tingkat Isolasi Dasar yang satu tingkat lebih tinggi.Pada umumnya tingkat isolasi dari peralatan
gardu seperti pemutus daya busbar, saklar pemisah, trafo pengukuran mempunyai T.I.D 10 %
lebih tinggi dari TID trafo.Tingkat isolasi antara kutub-kutub pada saklar pemisah yang terbuka
harus 10-15 % lebih tinggi dari tingkat isolasi kutub tersebut ke tanah.
3.3
Pemilihan Lightning Arrester
Untuk penyederhanaan dalam pemilihan lightning arrester ditentukan langkah-langkah
sebagai berikut :
1.
Penentuan besarnya tegangan lebih satu phasa ke tanah atau tegangan lebih akibat kerja sistem
yang tidak normal pada lokasi dimana arrester dipasang. Tegangan lebih ini akibat gangguan satu
phasa ke tanah dapat menyebabkan kenaikan tegangan phasa sehat lainnya. Besarnya tegangan
ini tergantung dari karakteristik sistem dan jenis pentanahan sistem pada waktu gangguan terjadi.
2.
Perkiraan besarnya tegangan pengenal arrester pada frekuensi jala-jala. Jika tegangan tinggi
sistem dan koefisien pentanahan sudah diketahui maka tegangan pengenal dari arrester sudah
dapat dihitung secara kasar. Tegangan pengenal tidak boleh lebih rendah dari perkalian kedua
harga diatas. Misal: Tegangan sistem 20 kV ditanahkan efektif maka tegangan pengenal (110 %
x 20 kV) x 0,8 = 17.6 kV. Tegangan pengenal standar untuk sistem 20 kV adalah 17,6 kV.
3.
Memilih besarnya arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui arrester. Untuk
penangkap petir yang dipasang digardu berlaku :
................................................................(3.1)
dimana :
= arus pelepasan arrester
= tegangan gelombang datang/berdasarkan jumlah isolator terpasang.
= tegangan sisa /tegangan residual.
Z = impedansi saluran.
4.
Tegangan Pelepasan (Tegangan Kerja/Sisa Arrester) adalah karakteristik yang paling penting
dari arrester untuk perlindungan di Peralatan. Tegangan kerja penangkap petir ada dibawah T.I.D
peralatan yang dilindungi, maka dengan faktor keamanan yang cukup perlindungan peralatan
yang optimum dapat diperoleh. Tegangan kerja tergantung pada arus pelepasan arrester dan
kecuraman gelombang datang. Tegangan kerja arrester akan naik dengan naiknya arus pelepasan
tetapi kenaikan ini sangat dibatasi oleh tahanan tak linear dari arrester.
5.
Faktor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara T.I.D dari peralatan yang
dilindungi dengan tegangan kerja dari arrester. Pada waktu menentukan tingkat perlindungan
peralatan yang dilindungi oleh penangkap petir umumnya diambil harga 10 % diatas tegangan
kerja arrester tujuannya untuk mengatasi kenaikan tegangan pada kawat penghubung dan
toleransi pabrik.
Besarnya faktor perlindungan ini umumnya lebih besar atau sama dengan 20 % dari TID
peralatan arrester yang dipasang dekat dengan peralatan yang dilindungi.
Contoh:
Tegangan kerja arrester untuk sistem 220 kV adalah 649 kV perlindungan ini ditambah 10 %
untuk kawat penghubung, toleransi pabrik dan lain-lain sehingga tingkat perlindungan arrester
menjadi 713 kV, pilih TID peralatan sebesar 950 kV. Faktor perlindungan = (950 – 713 ) kV =
237 kV. Faktor perlindungan ini lebih besar dari 20% dari TID peralatan, sehingga arrester ini
sudah memberi faktor perlindungan yang baik.
6.
Jarak Lindung Arrester
Jarak lindung dari arrester ke peralatan yang dilindungi (dalam hal ini adalah transformator)
adalah :
.......................................................................(3.2)
dimana
L
:
= Jarak antara arrester dengan peralatan yang dilindungi (m)
= Tegangan ketahanan terhadap gelombang impuls dari peralatan yang dilindungi (kV)
=
tegangan kerja arrester (kV)
du/dt = Kecuraman dari gelombang yang datang (kV/μs) nilai berkisar antara 1000 kV/μs 2000 kV/μs.
V
= kecepatan propagasi geombang tegangan lebih ; 300 m/ μs untuk saluran udara,
150 m/ μs untuk kabel.
7.
Lokasi Pemasangan Arrester
Umumnya alat-alat pelindungan harus diletakkan sedekat mungkin dengan peralatan yang
akan dilindungi, terutama pada ujung distribusi dimana terdapat gardu atau trafo.
Karena biaya yang mahal maka tidak mungkin memasang arrester pada setiap peralatan di
gardu untuk melindungi peralatan tersebut. Hal ini tidak perlu dilakukan karena ada faktor
perlindungan dari alat pelindungan dari arrester, oleh karena itu hanya peralatan yang penting
saja yang dilengkapi dengan arrester. Transformator merupakan peralatan yang paling mahal
dan yang paling penting pada sebuah gardu. Jika trafo rusak maka perbaikan / pergantiannya
akan mahal, membutuhkan waktu yang lama, dan juga kerugian akibat terputusnya daya cukup
besar.
Selain itu trafo adalah ujung terminal dari suatu transmisi, tempat paling sering terjadi
pemantulan gelombang. Pada sistem diatas 220 kV TID dari transformator dapat diperendah
pada batas-batas yang diizinkan untuk memperkecil biaya isolasi. Karena alasan-alasan tersebut
diatas maka arrester pada peralatan umumnya dipasang pada terminal trafo daya.
Arrester berfungsi sebagai by-pass di sekitar lokasi yang membentuk jalan dengan mudah
dilalui oleh tegangan lebih ke sistim pentanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih
yang tidak merusak peralatan isolasi listrik. By-pass ini sedemikian rupa sehingga tidak
mengganggu aliran frequensi 50 Hz.
Pada keadaan normal arrester berlaku sebagai isolator, bila timbul gangguan surja, alat ini
berfungsi sebagai konduktor yang tahanannya relative rendah agar dapat mengalirkan arus yang
tinggi ke tanah. Setelah surja hilang, arrester dengan cepat kembali menjadi isolasi.
3.4
Posisi Pemasangan Lightning Arrester
1.
Pemasangan Lightning Arrester sebelum FCO
Keuntungannya :
·
Pengamanan terhadap surja petir tidak dipengaruhi oleh kemungkinan FCO putus.
Kerugiannya :
·
Kegagalan LA memadamkan sistem penyulang
·
Penghantar LA lebih panjang
2.
Pemasangan Lightning Arrester setelah FCO
Keuntungan :
·
Jika LA rusak atau gagal, FCO putus tidak memadamkan sistem
SUTM
Kerugiannya :
·
fuse link rentan terhadap surja petir
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Gardu distribusi merupakan salah satu komponen dari suatu sistem distribusi yang berfungsi
untuk menghubungkan jaringan ke konsumen atau untuk mendistribusikan tenaga listrik pada
konsumen tegangan menengah maupun konsumen tegangan rendah. Sehingga gardu distribusi
termasuk komponen terpenting dalam suatu sistem distribusi. Komponen terpenting pada gardu
distribusi adalah trafo. Trafo tersebut berfungsi sebagai penurun tegangan (step down
transformer), yang menurunkan tegangan 20 kV (tegangan menengah) menjadi 400/230 V
(tegangan rendah). Karena trafo terhubung dengan saluran udara 20 kV dan penempatannya di
tempat terbuka sehingga pada trafo dapat terjadi gangguan tegangan lebih akibat sambaran petir
secara langsung atau sambaran petir tidak langsung (induksi). Sambaran petir akan menimbulkan
tegangan lebih yang tinggi melebihi kemampuan isolasi trafo sehingga dapat menyebabkan
kerusakan isolasi yang fatal. Untuk mencegah terjadinya hal tersebut maka setiap pemasangan
trafo distribusi 20 kV pada setiap gardu distribusi selalu dilengkapi dengan lightning arrester.
Pemasangan lightning arrester pada setiap gardu berbeda penempatan atau kedudukannya.
Penempatan lightning arrester dapat mempengaruhi kinerja lightning arrester tersebut dalam
memproteksi trafo dan peralatan lainnya pada gardu distribusi.
1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan
Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :
1.
Syarat untuk memenuhi pelaksanaan proyek akhir pada jurusan teknik elektro program diploma
di sekolah tinggi teknik PLN
2.
Untuk mengetahui bagaimana pengaruh dari pemasangan lightning arrester pada gardu distribusi
dalam memproteksi peralatan yang ada di gardu distribusi.
Adapun manfaat yang dapat diambil dari pembahasan proyek akhir ini adalah :
1.
Menambah pengalaman dalam bidang kelistrikan yaitu dengan cara membandingkan teori yang
didapat di bangku kuliah dengan praktek yang terjadi di lapangan
2.
Memberikan sumbangan pikiran dan wawasan yang bermanfaat buat orang lain.
1.3 Rumusan Masalah
Dari latar belakang didapatkan permasalahan sebagai berikut :
1.
Bagaimana kinerja arrester dalam memproteksi peralatan yang terdapat dalam gardu distribusi?
2.
Apa saja yang harus diperhatikan dalam pemilihan Lightning Arrester ?
1.4 Batasan Masalah
Sistem pengaman pada gardu distribusi memiliki banyak macam jenis pengaman. Ruang
lingkup permasalahanya sangat luas, agar dalam pembahasannya tidak terlalu meluas maka perlu
adanya pembatasan masalah.
Pada laporan akhir ini penulis membatasi masalah dan mengambil pokok penulisan tentang
penggunaan lightning arrester sebagai pengaman gardu distribusi.
1.5 Metodologi Penelitian
Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:
a.
Studi Literatur
Berupa studi kepustakaan dan kajian dari berbagai sumber pustaka yang relevan mendukung
dalam penulisan tugas akhir ini.
b.
Studi Observasi
Terjun langsung ke lapangan untuk mempelajari obyek yang dipilih. Sehubungan dengan hal-hal
tersebut, dalam pencarian dan pengumpulan data-data dilakukan dengan cara:
a.
Mengadakan wawancara dengan pihak yang bersangkutan
b.
Memadukan data hasil penelitian dengan teori yang ada.
c.
Studi Bimbingan
Dalam hal ini penulis melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing
yang telah ditunjuk oleh pihak Jurusan program DIII Teknik Elektro STT PLN Jakarta dan
teman-teman sesama mahasiswa.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan tugas akhir ini akan dibagi dalam beberapa bagian sebagai berikut :
BAB I
: PENDAHULUAN
Pembahasan mengenai pendahuluan yang menyangkut latar belakang, tujuan dan manfaat,
rumusan masalah, batasan masalah, metodologi dan sistematika penulisan.
BAB II
: GARDU DISTRIBUSI DAN SALURAN UDARA TEGANGAN
MENENGAH
Pada bab ini membahas tentang gardu distribusi dan saluran udara tegangan menengah dan
peristiwa sambaran petir.
BAB III
: PEMASANGAN LIGHTNING ARRESTER PADA GARDU DISTRIBUSI
Pembahasan mengenai Lightning Arrester, jenis – jenisnya,dan pemilihan lightning arrester.
BAB IV
: PENUTUP
Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan proyek akhir ini
BAB II
GARDU DISTRIBUSI DAN SALURAN UDARA TEGANGAN MENENGAH
2.1 Gardu Distribusi
2.1.1 Umum
Pengertian umum Gardu Distribusi tenaga listrik yang paling dikenal adalah suatu bangunan
gardu listrik berisi atau terdiri dari instalasi perlengkapan hubung bagi tegangan menengah
(PHB-TM), transformator distribusi (TD) dan perlengkapan hubung bagi tegangan rendah (PHBTR) untuk memasok kebutuhan tenaga listrik bagi para pelanggan baik dengan tegangan
menengah (TM 20 kV) maupun tegangan rendah (TR 220/380V).
2.1.2 Macam-macam gardu distribusi
Dilihat dari fungsinya, secara garis besar gardu distribusi dapat digolongkan kedalam :
1.
Gardu umum
Gardu distribusi yang menyalurkan energi listrik untuk kepentingan umum.
Gambar 2.1 Gardu Distribusi Umum
2.
Gardu khusus
Gardu distribusi yang menyalurkan energy listrik untuk konsumen tunggal.
Gambar 2.2 Gardu Distribusi Khusus Pelanggan TM
3.
Gardu Hubung
Gardu hubung berfungsi menerima daya listrik dari gardu induk yang telah diturunkan menjadi
tegangan menengah dan menyalurkan atau membagi daya listrik tanpa merubah tegangannya
melalui jaringan distribusi primer (JTM) menuju gardu atau transformator distribusi.
Gambar 2.3 Gardu Hubung (GH)
Lebih lanjut gardu distribusi umum dilihat dari konstruksinya dibagi menjadi :
1.
Gardu beton
Gardu distribusi jenis beton dibangun permanen pada lokasi yang telah ditentukan. Umumnya
gardu beton dibangun untuk konsumen khusus atau daerah perkotaan yang sudah mantap
planaloginya.
Seluruh komponen utama instalasi yaitu transformator dan peralatan switching/proteksi,
terangkai didalam bangunan sipil yang dirancang, dibangun dan difungsikan dengan konstruksi
pasangan batu dan beton (masonrywall building).
Konstruksi ini dimaksudkan untuk pemenuhan persyaratan terbaik bagi keselamatan
ketenagalistrikan
Gambar 2.4 Bagan satu garis gardu distribusi beton.
2.
Gardu kios
Gardu tipe ini adalah bangunan prefabricated terbuat dari konstruksi baja, fiberglass atau
kombinasinya, yang dapat dirangkai di lokasi rencana pembangunan gardu distribusi. Pada
mulanya gardu kios ini dibuat dengan cara menutup semua peralatan gardu seperti trafo, alat
pemisah, pemutus dan perlengkapan TM/TR lainnya dalam kios metal sehingga gardu ini juga
dinamai dengan gardu metal enclosed. Terdapat beberapa jenis konstruksi, yaitu kios kompak,
kios modular dan kios bertingkat. Gardu ini dibangun pada tempat-tempat yang tidak
diperbolehkan membangun gardu beton.
Karena sifat mobilitasnya, maka kapasitas transformator distribusi yang terpasang terbatas.
Kapasitas maksimum adalah 400 kVA, dengan 4 jurusan tegangan rendah.
Gambar 2.5 Denah Gardu Kios
3.
Gardu Portal
Gardu portal adalah gardu trafo yang secara keseluruhan instalasinya dipasang pada 2 buah tiang
atau lebih.
Umumnya konfigurasi Gardu Tiang yang dicatu dari SUTM adalah T section dengan peralatan
pengaman Pengaman Lebur Cut-Out (FCO) sebagai pengaman hubung singkat transformator
dengan elemen pelebur (pengaman lebur link type expulsion) dan Lightning Arrester (LA)
sebagai sarana pencegah naiknya tegangan pada transformator akibat surja petir.
Gambar 2.6 Gardu Portal
4.
Gardu Cantol
Pada gardu distribusi tipe cantol, transformator yang terpasang adalah transformator dengan daya
≤ 100 kVA Fase 3 atau Fase 1. Transformator terpasang adalah jenis CSP (Completely Self
Protected Transformer) yaitu peralatan switching dan proteksinya sudah terpasang lengkap
dalam tangki transformator. Perlengkapan perlindungan transformator tambahan LA (Lightning
Arrester) dipasang terpisah dengan penghantar pembumiannya yang dihubung langsung dengan
badan transformator. Perlengkapan Hubung Bagi Tegangan Rendah (PHB-TR) maksimum 2
jurusan.
Gambar 2.7. Gardu Tipe Cantol.
2.2 Transformator distribusi
2.2.1 Teori Dasar Transformator
Transformator adalah suatu peralatan listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi
listrik dari suatu rangkain listrik ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gendengan/kopling
magnit dan berdasarkan perinsip elektromagnit.
Gambar 2.8. Transformator.
Transformator terdiri dari beberapa jenis yaitu transformator tegangan, transformator arus,
transformator distribusi, dan transformator daya. transformator tegangan dan arus bisanya
digunakan sebagai alat bantu pengukuran dan sebagai alat bantu proteksi, yang penggunaanya
bersama-sama. sedangkan untuk pasokan beban menggunakan transformator distribusi dan
transformator daya.
2.2.2 Prinsip kerja transformator distribusi
Transformator merupakan suatu alat listrik / mesin listrik statis yang di gunakan untuk
mentransformasikan daya atau energi listrik arus bolak balik dari tegangan menengah ke
tegangan rendah atau sebaliknya pada frekuensi yang sama melalui suatu gandengan magnet dan
berdasarkan prinsip induksi elektromagnet.
Prinsip kerja Transformator adalah berdasarkan hukum ampere dan hukum faraday yaitu arus
listrik dapat menimbulkan medan magnet dan sebaliknya medan magnet dapat menimbulkan
arus listrik, jika pada salah satu kumparan pada Transformator diberi arus bolak balik maka
jumlah garis gaya magnet berubah – ubah akibatnya pada sisi primer terjadi induksi, sisi
sekunder menerima garis gaya magnet dari sisi primer yang jumlahnya berubah ubah pula, maka
disisi sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara dua ujung terdapat beda tegangan.
Transformator daya berfungsi untuk menyalurkan energi listrik sekaligus menaikan atau
menurunkan tegangan. Misalnya transformator pada system pembangkit tenaga listrik adalah
untuk menaikan tegangan keluaran generator. Selanjutnya energy listrik tersebut disalurkan
melalui system transmisi ke gardu induk. Pada transformator di gardu induk, tegangan tinggi di
turunkan ke tegangan menengah yang kemudian disalurkan ke gardu distribusi. Sedangkan di
gardu distribusi transformator berfungsi sebagai penurun tegangan dari tegangan menengah 20
Kv ke tegangan rendah 380 v, sehingga bisa dipergunakan oleh konsumen tegangan rendah.
2.3 Saluran Udara Tegangan Menengah
2.3.1 Umum
Jaringan distribusi yang tergelar di alam bebas dimana banyak gangguan – gangguan listrik
yang dialaminya seperti petir, pohon, atau binatang. Saluran udara untuk dirancang dengan
memperhatikan keperluan listrik dan mekanis. Rancangan mekanis melibatakan tekanan dan
perhitungan lentur, rancangan penopang dan lengan-lengan pemegang. Penopang harus cukup
kokoh untuk menahan beban angin yang bekerja pada penopang, penghantar, isolator, lengan
pemegang dan lain-lain. Rancangan listrik melibatkan pemilihan tegangan pemilihan saluran,
pengaturan tegangan dan pemilihan alat pengaman. Penentuan tata letak diusahakan agar mudah
mendekati untuk pengawasan dan pemeliharaan sedapat mungkin hendaklah dipasang didekat
jalan.
2.3.2 Proteksi Jaringan
Tujuan daripada suatu sistem proteksi pada saluran udara tegangan menengah (SUTM)
adalah mengurangi sejauh mungkin pengaruh gangguan pada penyaluran tenaga listrik serta
memberikan perlindungan yang maksimal bagi operator, lingkungan dan peralatan dalam hal
terjadinya gangguan yang menetap (permanen).
Sistem proteksi pada SUTM memakai :
a.
Relai hubung tanah dan relai hubung singkat fasa‐fasa untuk kemungkinan gangguan penghantar
dengan bumi dan antar penghantar.
b.
Pemutus Balik Otomatis PBO (Automatic Recloser), Saklar Seksi Otomatis SSO (Automatic
Sectionaizer). PBO dipasang pada saluran utama, sementara SSO dipasang pada saluran
pencabangan, sedangkan di Gardu Induk dilengkapi dengan auto reclosing relay.
c.
Lightning Arrester (LA) sebagai pelindung kenaikan tegangan peralatan akibat surja petir.
Lightning Arrester dipasang pada tiang awal/tiang akhir, kabel Tee–Off (TO) pada jaringan dan
gardu transformator serta pada isolator tumpu.
d.
Pembumian bagian konduktif terbuka dan bagian konduktif extra pada tiap‐tiap 4 tiang atau
pertimbangan lain dengan nilai pentanahan tidak melebihi 10 Ohm.
e.
Kawat tanah (shield wire) untuk mengurangi gangguan akibat sambaran petir langsung.
Instalasi kawat tanah dapat dipasang pada SUTM di daerah padat petir yang terbuka.
f.
Penggunaan Fused Cut–Out (FCO) pada jaringan pencabangan.
g.
Penggunaan Sela Tanduk (Arcing Horn)
2.4. Sambaran Petir
+
-+
-
+
Muatan
negatif
+ Muatan positif
+
+
+
+
AWAN
BUMI
Gambar 2.9. Peristiwa terjadinya petir
Petir adalah pelepasan muatan yang terjadi antara awan, dalam awan atau antara awan
dengan tanah. dimana dalam awan terdapat muatan positif dan muatan negatif, jika muatan ini
senama bertemu maka akan terjadi tarik menarik yang dapat menimbulkan lendakan/kilat
diawan, begitu juga kalau muatan negatif dan muatan positif dekat akan terjadi tolak menolak,
juga akan terjadi ledakan/kilat.
Bumi adalah sebagai gudang muatan positif maupun negatif, jika pelepasan muatan dari petir
dekat dengan bumi, maka akan terjadi sambaran petir kebumi. Seperti terlihat pada
gambar 2.9.diatas.
Bila petir mengenai langsung kepenghantar SUTM, kemungkinan besar penghantar tersebut
akan putus karena gelombang petir yang menimbulkan tegangan impuls melebihi BIL (Basic
Insulation Level) dari penghantar SUTM. Kalau petir yang mengenai SUTM bukan sambaran
langsung tetapi induksi dari petir, gerak dari gelombang petir itu menjalar ke segala arah dengan
perkataan lain terjadi gelombang berjalan sepanjang Jaringan yang menuju suatu titik lain yang
dapat menetralisir arus petir tersebut yaitu menuju ketitik pentanahan.
Kelebihan tegangan yang disebabkan petir disebabkan oleh sambaran langsung atau
sambaran tidak langsung (induksi) dapat dijelaskan sebagai berikut:
·
Sambaran Langsung
Sambaran langsung yang mengenai rel dan peralatan Peralatan adalah yang paling hebat diantara
gelombang berjalan lainnya yang datang ke Peralatan. Sambaran langsung menyebabkan
tegangan lebih yang sangat tinggi yang tidak mungkin dapat ditahan oleh isolasi yang ada (>
BIL)
·
Sambaran Induksi
Bila terjadi sambaran kilat ke tanah di dekat saluran maka akan terjadi fenomena transien yang
diakibatkan oleh medan elektromagnetis dari kanal kilat. Fenomena kilat ini terjadi pada kawat
penghantar. Akibat dari kejadian ini timbul tegangan lebih dan gelombang berjalan yang
merambat pada kedua sisi kawat tempat sambaran berlangsung. Tegangan induksi dapat
berubah-ubah tergantung dari keadaannya, secara umum besar tegangan lebih akibat sambaran
induksi antara 100 – 200 kV, muka gelombangnya (Wave front) lebih dari 10 μs dan ekor
gelombang (wave tail) 50 – 100 μs, dimana gelombang ini sebagai ancaman bagi peralatan
distribusi.
Bentuk gelombang surja petir (tegangan impuls) terlihat pada gambar 2.10. dibawah ini, dengan
Tf (waktu muka gelombang) , Tt (waktu ekor gelombang) dan U (tegangan puncak). Untuk
sambaran langsung besarnya Tf = 1.2 μs, Tf = 50 μs dan tegangan puncak U = mendekati 300
kV, sambaran induksi besar Tf = 10 μs ,Tt = 50 – 100 μs dan U = 100 – 200 kV
Gambar 2.10. Tegangan impuls petir standar(IEC Publ.60-2,1973)
Dimana :
Tf
= waktu muka gelombang (OA) (μs) Tf = 1,2 μs
Tt = waktu ekor gelombang (OB) (μs)
U
2.5
Tt = 50 μs
= tegangan puncak (kV)
Tegangan Lebih dengan Frekuensi Jala-jala
Tegangan lebih dengan frekuensi jala-jala dibagi atas:
·
Penutupan / pembukaan trafo yang tidak bersamaan
·
Kenaikan tegangan dari fasa sehat pada waktu gangguan satu fasa ke tanah pada sistem.
· Tegangan yang terjadi akibat beban lepas.
· Hubungan kabel tanpa beban
Meskipun banyak macamnya, tetapi pada umumnya tegangan abnormal yang terjadi pada
sistem tenaga listrik diperkirakan tidak sebesar surja petir dan surja hubung, sehingga
perencanaan isolasi peralatan kebanyakan didasarkan pada kedua surja ini.
2.6
Kerusakan Akibat Kelebihan Tegangan
·
Tegangan tembus luar (External Flashover) merusak isolator, bagian permukaan peralatan.
Ini disebabkan oleh amplitude gelombang datang.
·
Tegangan tembus dalam ( Internal Flashover ), merusak isolasi utama dari peralatan ketanah,
merusak isolasi antara bagian-bagian dalam peralatan (isolasi antara gulungan dari trafo). Ini
disebabkan oleh kecuraman gelombang datang.
·
Tegangan tembus luar dan dalam ( Internal and External Flashover) yang mungkin terjadi
akibat osilasi yang terjadi pada peralatan. Ini disebabkan oleh kecuraman gelombang datang
dengan ekor gelombang yang panjang.
2.7
Penanggulangan Kelebihan Tegangan
Untuk memberikan perlindungan pada peralatan terhadap kelebihan tegangan berupa surja
petir maka dipasang alat pelindung (Protective Device).
Alat pelindung terhadap kelebihan tegangan berfungsi melindungi peralatan sistem tenaga
listrik dengan cara membatasi kelebihan tegangan yang datang dan mengalirkan ke tanah.
Berhubungan dengan fungsinya itu, maka alat pelindung harus dapat menahan tegangan sistem
dalam waktu yang tak terbatas dan harus dapat melewatkan surja arus ke tanah tanpa mengalami
kerusakan.
Alat pelindung yang baik mempunyai perbandingan perlindungan atau protective ratio yang
tinggi, yaitu perbandingan antara tegangan surja maksimum yang diperbolehkan sewaktu
pelepasan (discharge) dan tegangan sistem maksimum yang ditahan sesudah pelepasan terjadi.
BAB III
PEMASANGAN LIGHTNING ARRESTER PADA GARDU DISTRIBUSI
3.1
Lightning Arrester
Lightning arrester adalah suatu alat yang digunakan untuk melindungi peralatan listrik
terhadap sambaran petir. Dipasang pada atau dekat peralatan yang dihubungkan dari fasa
konduktor ke tanah. Lightning arrester membentuk jalan yang mudah dilalui petir atau surja,
sehingga tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada peralatan. Jalan pintas tersebut harus
sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran daya sistem 50 Hz. Pada kerja normal,
lightning arrester berfungsi sebagai isolator dan bila terkena sambaran petir akan berlaku sebagai
konduktor yang mengalirkan petir ke bumi. Setelah petir hilang, lightning arrester harus cepat
kembali menjadi isolator, sehingga pemutus tenaga (PMT) tidak sempat membuka. Pada kondisi
normal (tidak terkena petir), arus bocor lightning arrester tidak boleh melebihi 2 mA. Apabila
melebihi angka tersebut berarti kemungkinan besar lightning arrester mengalami kerusakan.
Gambar 3.1. Lightning Arrester
Pemasangan lightning arrester yang dipergunakan untuk mengamankan transformator tenaga:
(a)
(b)
Gambar 3.2. a) pemasangan lightning arrester yang salah. b) pemasangan lightning arrester yang
benar.
·
Pemasangannya seperti gambar 3.2.a diatas adalah salah karena kalau terjadi gelombang
berjalan karena petir di penghantar SUTM, akan mengakibatkan pantulan antara penghantar yang
masuk ke transformator tenaga dan arrester.
·
Pemasangan seperti terlihat pada gambar 3.2.b adalah betul, kalau terjadi gelombang berjalan
dari petir di penghantar SUTM, maka ada choping dari arrester sehingga tegangan petir menjadi
kecil yang masuk ke trafo, choping arrester dapat dilihat pada gambar 3.3 dibawah ini.
Sebaiknya kawat tanah dari kabel di sambung dengan kawat pentanahan dari arrester, kalau
terjadi gelombang petir hasil choping dari arrester yang masih masuk kesistem masih dibawah
BIL trafo maupun generator, dan pengaman generator terutama AVR tidak sempat bekerja
Chopping oleh Arrester.
dimana pada Arrester mengalir arus petir.
Gelombang petir
teg petir
Waktu (ms)
Gambar 3.3. Tegangan Impuls Petir Di Choping Oleh Arrester
3.1.1
Jenis Lightning Arrester
Lightning arrester terdiri dari dua jenis yaitu jenis Ekspulasi dan jenis Tahanan Tak Linear.
1.
Expulsion Type Lightning Arrester (Protector Tube)
Arrester ini merupakan tabung yang terdiri dari :
·
Dinding tabung yang terbuat dari bahan yang mudah menghasilkan gas jika dilalui arus (bahan
fiber).
·
Sela batang (external series) yang biasanya diletakkan pada isolator porselin, untuk mencegah
arus mengalir dan membakar fiber pada tegangan jala-jala setelah gangguan diatasi.
·
Sela pemutus bunga api diletakkan didalam tabung salah satu elektroda dihubungkan ketanah.
Gambar 3.4. Elemen-elemen lightning arrester jenis ekspulsi
Setiap kawat phasa mempunyai tabung pelindung. Pada waktu tegangan terpa melalui sela
batang dan sela bunga api maka impedansi tabung akan menjadi rendah sehingga arus terpa dan
arus sistem mengalir ketanah. Tegangan diantara saluran dengan tanah turun setelah tembus
terjadi.
Bagaimanapun arus yang mengalir akan membakar fiber dan menghasilkan gas yang
bergerak cepat kearah lubang pembuangan dibagian bawah arrester.Tekanan gas ini akan
mematikan bunga api pada saat arus melalui titik nol pertamanya. Waktu pemadaman busur api
ini hanya setengah atau satu siklus sehingga RRV (Rate of Recovering Voltage) lebih lambat
dari rate of rise kekuatan dielektrik isolasi. Beda waktu ini cukup pendek untuk dapat dibaca
oleh rele pelindung sehingga CB (Circuit Breaker) tetap bekerja (tertutup) dan pelayanan daya
tidak terganggu. Segera setelah gas ditekan keluar dan api menjadi padam sistem dapat bekerja
kembali dengan normal.
1.
·
Kelemahan dan kerugian lightning arrester type expulsi
Terbatas pada sistem yang mempunyai besar arus sistem kurang dari 1/3 dari besarnya arus
terpa. Karena arus yang sangat besar menyebabkan fiber habis terbakar dan arus yang terlalu
kecil tidak mampu menghasilkan cukup gas pada tabung untuk mematikan busur api.
·
Karena setiap arrester bekerja, permukaan tabung akan rusak karena terbakar maka arrester ini
mempunyai batasan pada jumlah operasinya dimana arrester ini masih dapat berfungsi dengan
baik.
·
Walaupun termasuk pemotong terpa yang murah karena kemampuannya memotong arus
ikutan namun sama sekali tidak cocok untuk perlindungan peralatan-peralatan gardu yang mahal
karena V-T (Tegangan – Waktu) karakteristiknya yang buruk.
2.
Pemakaian lightning arrester jenis Expulsi:
·
Umumnya dipakai untuk melindungi isolator transmisi. V-T karakteristik dari arrester ini
lebih datar daripada isolator sehingga dapat mudah dikoordinasikan untuk melindungi isolator
dari tembus permukaan.
·
Dipakai pada tiang transmisi sebelum memasuki peralatan untuk memotong arus terpa yang
datang sehingga berfungsi mengurangi kerja dari arrester di gardu.
·
Pada trafo-trafo kecil di pedesaan dimana pemotong petir tipe tahanan tak linear sangat mahal
dan pemakaian sela batang akan memberikan perlindungan yang cukup.
·
Pada tiang transmisi tertentu yang sangat tinggi (misalnya penyeberangan sungai) dimana
kemungkinan disambar petir cukup tinggi.
3.
Jenis-jenis lightning arrester type expulsi:
·
Jenis Transmisi digunakan pada jaringan transmisi untuk melindungi isolator
·
Jenis Distribusi digunakan untuk melindungi trafo pada jaringan-jaringan distribusi dan
peralatan-peralatan distribusi.
2.
1.
Non Linear Type Lightning Arrester (Arrester Tipe Tahanan Tak Linear).
Jenis Silicon Carbide ( SiC)
Arrester ini terdiri dari beberapa sela yang tersusun seri dengan piringan-piringan tahanan,
dimana tahanan ini mempunyai karakteristik sebagai berikut: harga tahanannya turun dengan
cepat pada saat arus terpa mengalir sehingga tegangan antara terminal arrester tidak terlalu besar
dan harga tahanan naik kembali jika arus terpa sudah lewat sehingga memotong arus ikutan pada
titik nol pertamanya. Sela api (sparks gap) dan tahanan disusun secara seri dan ditempatkan
didalam rumah porselen kedap air sehingga terlindung dari kelembapan, pengotoran dan hujan.
Distribusi tegangan yang tidak merata diantara celah sela api (sparks gap) menimbulkan
masalah.Untuk mengatasi ini dipasang kapasitor dan tahanan non linear paralel dengan sela
api.Pada daerah tegangan yang lebih tinggi kapasitor dan tahanan linear dihubungkan dengan
paralel dengan badan celah. Bila tegangan lebih menyebabkan loncatan bunga api pada celahcelah yang diserikan, arus akan sangat tinggi untuk mempercepat redanya tegangan lebih.
Tegangan tertinggi yang akan muncul pada penangkal petir adalah tegangan loncatan atau
tegangan yang terjadi pada tahanan tak linear pada saat lonjakan arus mengalir. Tegangan
loncatan bunga api terendah dari penangkal disebut tegangan loncatan pulsa bunga api seratus
persen(Maximum 100% Impulse Spark Over Voltage). Tegangan yang dibangkitkan tahanan
non linear pada saat arus loncatan mengalir disebut tegangan residu. Semakin rendah hargaharga ini semakin baik tingkat perlindungan pada peralatan.
Arus bocor yang mengalir melalui tahanan dalam dalam keadaan operasi normal dari sistem
tidak melebihi 0,1 mA. Arus ini sudah cukup untuk mempertahankan temperature dibagian
dalam arrester lima derajat lebih tinggi dari temperature sekeliling sehingga mencegah masuknya
uap air kebagian dalam arrester.Gambar arrester jenis ini diperlihatkan pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Elemen-elemen arrester jenis Silicon Carbide
2.
Jenis Metal Oxide ( MOV)
Gambar 3.6 Elemen-elemen arrester jenis Metal Okside
Arrester jenis Metal Oxide hanya terdiri dari unit-unit tahanan tak linear yang terhubung satu
sama lainnya tanpa memakai sela percik pada setiap unit.
Untuk arrester jenis Metal Oxide material tahanan tak linear pada dasarnya keramik yang
dibentuk dari oksida seng ( ZnO) dengan penambahan oksida lain. Bahan ini telah banyak
dipakai untuk perlindungan rangkaian-rangkaian yang bekerja pada beberapa kV sampai dengan
tegangan transmisi. Karena derajad ketidaklinearan yang tinggi, bahan ini memungkinkan
penyederhanaan dalam desain dan dapat memperbaiki penampilan dalam lingkungan tertentu.
3.
·
Jenis-jenis lightning arrester tipe tahanan tak linear
Jenis Gardu (Station Type) , jenis ini merupakan penangkap petir paling efisien dan mahal
yang umumnya digunakan untuk melindungi peralatan-peralatan penting pada gardu-gardu besar
( sistem dengan tegangan diatas 70 kV).
·
Jenis Hantaran (Line Type) , jenis ini lebih murah dan digunakan untuk melindungi gardu
dengan tegangan kerja dibawah 70 kV.
·
Penangkap petir jenis gardu untuk melindungi motor/generator, digunakan untuk sistem
dengan tegangan 2,2 kV sampai 15 kV.
·
Penangkap petir sekunder (Secondary Arrester) berguna untuk melindungi peralatan-peralatan
tegangan rendah dengan tegangan kerja sistem antara 120 V sampai 750 V.
3.1.2
1.
Tingkat Pengenal Dari Lightning Arrester (Rating Lightning Arrester)
Tegangan nominal atau tegangan pengenal
(Nominal Voltage Arrester) adalah tegangan dimana arrester masih dapat bekerja sesuai
dengan karakteristiknya. Arrester tidak dapat bekerja pada tegangan maksimum sistem yang
direncanakan, tetapi mampu memutuskan arus ikutan dari sistem secara efektif. Tegangan
pengenal dari arrester harus lebih tinggi dari tegangan phasa sehat ketanah, jika tidak demikian
maka arrester akan melewatkan arus ikutan sistem terlalu besar yang menyebabkan arrester rusak
akibat beban lebih termis (thermal overloading). Tegangan tertinggi sebagai berikut:
·
Tegangan sistem tertinggi (system highest voltage), umumnya diambil harga 110% dari harga
tegangan nominal sistem.
·
Koefisien pentanahan , didefenisikan sebagai perbandingan antara tegangan rms phasa sehat
ke tanah dalam keadaan gangguan pada tempat dimana arrester dipasang, dengan tegangan rms
phasa ke phasa tertinggi dari sistem dalam keadaan tidak ada gangguan. Jadi tegangan pengenal
dari arrester (arrester rating) adalah tegangan rms phasa ke phasa x 1.10 x koefisien pentanahan.
·
Sistem yang ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 0.8.Arrester disebut arrester
80%. Sistem yang tidak ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 1,0 .Arrester ini disebut
arrester 100%.
Arus Pelepasan Nominal ( Nominal Discharge Current )
Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan
untuk menentukan kelas dari arrester sesuai dengan :
·
Kemampuan melewatkan arus
·
Karakteristik Perlindungan
Bentuk gelombang arus pelepasan tersebut adalah :
a.
Menurut standar Inggris/Eropa (IEC) 8 μs / 20 μs
b.
·
Menurut standar Amerika 10 μs/ 20 μs dengan kelas
Kelas Arus 10 kA untuk perlindungan Peralatan besar dengan frekuensi sambaran petir yang
cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70 kV.
·
Kelas arus 5 kA untuk tegangan sistem dibawah 70 kV
·
Kelas 2,5 kV untuk gardu-gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah 22 kV.
·
Kelas arus 1,5 kA untuk melindungi trafo-trafo kecil.
3.
Tegangan Percik Impuls 100 % ( 100 % Impulse Spark Over Voltage)
Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal arrester sebelum
arrester itu bekerja. Bentuk gelombang impuls petir seperti gambar 3.7 adalah 1,2 μs/ 50 μs. Hal
ini menunjukkan bahwa jika tegangan puncak terpa petir yang datang mempunyai harga yang
lebih tinggi atau sama dengan tegangan percik minimum dari penangkal petir maka penangkap
petir ini akan bekerja memotong terpa petir tersebut dan mengalirkan ke tanah.
Gambar 3.7. Tegangan impuls petir standar(IEC Publ.60-2,1973)
Tegangan Sisa (Residual Voltage dari dischargeVoltage)/ Tegangan Kerja
Adalah tegangan yang timbul diantara terminal arrester pada saat arus pelepasan mengalir ke
tanah.Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu arrester tergantung kepada kecuraman
gelombang arus yang datang (di/dt dalam A/ μs) dan amplitudo dari arus pelepasan. Untuk
menentukan tegangan sisa ini digunakan impuls arus sebesar 8 μs/20 μs (standar IEC) dengan
harga puncak arus pelepasan 5 kA dan 10 kA.Untuk harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka
tegangan sisa ini tidak akan naik lebih tinggi lagi. Hal ini disebabkan karena karakteristik
tahanan yang tidak linear dari arrester.
Umumnya tegangan sisa tidak akan melebihi BIL (Basic Insulation Level = Tingkat Isolasi
Dasar = TID) dari peralatan yang dilindungi walaupun arus pelepasan maksimum mencapai 65
kA hingga 100 kA.
Arus Pelepasan Maksimum (Maximum Discharge Current )
Adalah arus terpa maksimum yang dapat mengalir melalui penangkap petir setelah
tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari arrester.
6.
Tegangan Percikan Frekuensi Jala-jala ( Power Frequency Spark Over Voltage)
Arrester tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam (internal over voltage) dengan
amplitude yang rendah karena dapat membahayakan sistem.
Untuk alasan ini maka ditentukan tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum.
·
Menurut standar Inggris tegangan percikan jala-jala minimum = 1.6 x tegangan pengenal
arrester.
·
Menurut Standar IEC (International Electrotechnical Commision) tegangan percikan jala-jala
minimum adalah = 1.5 x tegangan pengenal arrester.
7.
Tegangan Percikan Akibat Pensaklaran (Spark Over Voltage by Switching Over Voltages)
Tegangan percik pada celah seri akibat terkenal gangguan tegangan lebih oleh proses
pensaklaran oleh peralatan penghubung (switchgear).Karakteristik gelombang impuls surja
hubung dinyatakan dengan 250 / 2500 μs.
3.2 Koordinasi Isolasi
Korelasi antara kemampuan isolasi peralatan listrik dengan alat pelindung (protective device)
sehingga isolasi dari peralatan terlindung dari bahaya tegangan lebih. Tujuan koordinasi isolasi
ini adalah untuk menciptakan suatu sistem yang bagian-bagiannya, masing-masing dan satu sama
lain mempunyai ketahanan isolasi yang sedemikian rupa sehingga dalam setiap kondisi operasi
kualitas pelayanan / penyediaan tenaga listrik dapat dicapai dengan biaya seminimum mungkin.
Koordinasi isolasi yang baik akan mampu menjamin :
·
Bahwa isolasi peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan
tegangan tidak normal yang mungkin timbul dalam sistem.
·
Bahwa isolasi peralatan akan gagal hanya jika terjadi tegangan lebih luar.
·
Bahwa jika kegagalan terjadi maka hanya pada tempat-tempat yang menimbulkan kerusakan
paling minimum.
Masalah koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut hal-hal sebagai berikut:
1.
Penentuan Isolasi Hantaran
Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan terjadinya tegangan
lebih petir (surja petir), tegangan lebih switching dan tegangan lebih dengan frekuensi jala-jala.
Dengan bertambahnya pengetahuan akan fenomena petir maka dimungkinkan untuk menentukan
keandalan sistem berdasarkan parameter-parameter petir yang telah diketahui tersebut.Isolasi
hantaran udara harus cukup tinggi untuk mencegah terjadi kegagalan oleh surja hubung dan
tegangan lebih frekuensi jala-jala dengan memperhitungkan pengaruh lingkungan/alam yang
dapat menurunkan tegangan tembus dari isolator.
Dalam praktek umumnya isolator hantaran udara masih dinaikkan harga tahanan isolasinya
dengan cara menambah beberapa piringan isolator lagi untuk mencegah kemungkinan isolator
rusak. Isolasi hantaran udara tidak berhubungan langsung dengan tingkat isolasi peralatan
didalam gardu. Walaupun demikian sangat menentukan didalam koordinasi isolasi karena
tegangan tembus impuls pada isolator hantaran udara menentukan tegangan impuls tertinggi
yang masuk ke gardu berupa gelombang berjalan.
2.
Tingkat Isolasi Dasar Peralatan Peralatan
Tingkat Isolasi Dasar (Basic Insulation Level) merupakan daya tahan terhadap tegangan
impuls standar yang masih dapat ditahan isolasi. Sebagian besar peralatan peralatan seperti
transformator, pemutus daya, saklar pemisah, transformator arus, transformator tegangan dibuat
dengan tingkat isolasi yang sama. Kecuali transformator yang diproduksi dengan tingkat isolasi
yang lebih rendah dengan alasan ekonomis dan transformator umumnya dilindungi langsung
oleh arrester.
Karena letaknya yang dekat dengan transformator, maka sebagian dari peralatan di gardu akan
terletak diluar daerah lindung dari arrester. Daerah lindung ditentukan oleh: ketahanan isolasi
dari peralatan, tegangan kerja dari penangkap petir dan jarak antara penangkap petir dengan
peralatan tersebut.
Peralatan – peralatan yang terletak diluar dari daerah lindung penangkap petir akan diberikan
Tingkat Isolasi Dasar yang satu tingkat lebih tinggi.Pada umumnya tingkat isolasi dari peralatan
gardu seperti pemutus daya busbar, saklar pemisah, trafo pengukuran mempunyai T.I.D 10 %
lebih tinggi dari TID trafo.Tingkat isolasi antara kutub-kutub pada saklar pemisah yang terbuka
harus 10-15 % lebih tinggi dari tingkat isolasi kutub tersebut ke tanah.
3.3
Pemilihan Lightning Arrester
Untuk penyederhanaan dalam pemilihan lightning arrester ditentukan langkah-langkah
sebagai berikut :
1.
Penentuan besarnya tegangan lebih satu phasa ke tanah atau tegangan lebih akibat kerja sistem
yang tidak normal pada lokasi dimana arrester dipasang. Tegangan lebih ini akibat gangguan satu
phasa ke tanah dapat menyebabkan kenaikan tegangan phasa sehat lainnya. Besarnya tegangan
ini tergantung dari karakteristik sistem dan jenis pentanahan sistem pada waktu gangguan terjadi.
2.
Perkiraan besarnya tegangan pengenal arrester pada frekuensi jala-jala. Jika tegangan tinggi
sistem dan koefisien pentanahan sudah diketahui maka tegangan pengenal dari arrester sudah
dapat dihitung secara kasar. Tegangan pengenal tidak boleh lebih rendah dari perkalian kedua
harga diatas. Misal: Tegangan sistem 20 kV ditanahkan efektif maka tegangan pengenal (110 %
x 20 kV) x 0,8 = 17.6 kV. Tegangan pengenal standar untuk sistem 20 kV adalah 17,6 kV.
3.
Memilih besarnya arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui arrester. Untuk
penangkap petir yang dipasang digardu berlaku :
................................................................(3.1)
dimana :
= arus pelepasan arrester
= tegangan gelombang datang/berdasarkan jumlah isolator terpasang.
= tegangan sisa /tegangan residual.
Z = impedansi saluran.
4.
Tegangan Pelepasan (Tegangan Kerja/Sisa Arrester) adalah karakteristik yang paling penting
dari arrester untuk perlindungan di Peralatan. Tegangan kerja penangkap petir ada dibawah T.I.D
peralatan yang dilindungi, maka dengan faktor keamanan yang cukup perlindungan peralatan
yang optimum dapat diperoleh. Tegangan kerja tergantung pada arus pelepasan arrester dan
kecuraman gelombang datang. Tegangan kerja arrester akan naik dengan naiknya arus pelepasan
tetapi kenaikan ini sangat dibatasi oleh tahanan tak linear dari arrester.
5.
Faktor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara T.I.D dari peralatan yang
dilindungi dengan tegangan kerja dari arrester. Pada waktu menentukan tingkat perlindungan
peralatan yang dilindungi oleh penangkap petir umumnya diambil harga 10 % diatas tegangan
kerja arrester tujuannya untuk mengatasi kenaikan tegangan pada kawat penghubung dan
toleransi pabrik.
Besarnya faktor perlindungan ini umumnya lebih besar atau sama dengan 20 % dari TID
peralatan arrester yang dipasang dekat dengan peralatan yang dilindungi.
Contoh:
Tegangan kerja arrester untuk sistem 220 kV adalah 649 kV perlindungan ini ditambah 10 %
untuk kawat penghubung, toleransi pabrik dan lain-lain sehingga tingkat perlindungan arrester
menjadi 713 kV, pilih TID peralatan sebesar 950 kV. Faktor perlindungan = (950 – 713 ) kV =
237 kV. Faktor perlindungan ini lebih besar dari 20% dari TID peralatan, sehingga arrester ini
sudah memberi faktor perlindungan yang baik.
6.
Jarak Lindung Arrester
Jarak lindung dari arrester ke peralatan yang dilindungi (dalam hal ini adalah transformator)
adalah :
.......................................................................(3.2)
dimana
L
:
= Jarak antara arrester dengan peralatan yang dilindungi (m)
= Tegangan ketahanan terhadap gelombang impuls dari peralatan yang dilindungi (kV)
=
tegangan kerja arrester (kV)
du/dt = Kecuraman dari gelombang yang datang (kV/μs) nilai berkisar antara 1000 kV/μs 2000 kV/μs.
V
= kecepatan propagasi geombang tegangan lebih ; 300 m/ μs untuk saluran udara,
150 m/ μs untuk kabel.
7.
Lokasi Pemasangan Arrester
Umumnya alat-alat pelindungan harus diletakkan sedekat mungkin dengan peralatan yang
akan dilindungi, terutama pada ujung distribusi dimana terdapat gardu atau trafo.
Karena biaya yang mahal maka tidak mungkin memasang arrester pada setiap peralatan di
gardu untuk melindungi peralatan tersebut. Hal ini tidak perlu dilakukan karena ada faktor
perlindungan dari alat pelindungan dari arrester, oleh karena itu hanya peralatan yang penting
saja yang dilengkapi dengan arrester. Transformator merupakan peralatan yang paling mahal
dan yang paling penting pada sebuah gardu. Jika trafo rusak maka perbaikan / pergantiannya
akan mahal, membutuhkan waktu yang lama, dan juga kerugian akibat terputusnya daya cukup
besar.
Selain itu trafo adalah ujung terminal dari suatu transmisi, tempat paling sering terjadi
pemantulan gelombang. Pada sistem diatas 220 kV TID dari transformator dapat diperendah
pada batas-batas yang diizinkan untuk memperkecil biaya isolasi. Karena alasan-alasan tersebut
diatas maka arrester pada peralatan umumnya dipasang pada terminal trafo daya.
Arrester berfungsi sebagai by-pass di sekitar lokasi yang membentuk jalan dengan mudah
dilalui oleh tegangan lebih ke sistim pentanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih
yang tidak merusak peralatan isolasi listrik. By-pass ini sedemikian rupa sehingga tidak
mengganggu aliran frequensi 50 Hz.
Pada keadaan normal arrester berlaku sebagai isolator, bila timbul gangguan surja, alat ini
berfungsi sebagai konduktor yang tahanannya relative rendah agar dapat mengalirkan arus yang
tinggi ke tanah. Setelah surja hilang, arrester dengan cepat kembali menjadi isolasi.
3.4
Posisi Pemasangan Lightning Arrester
1.
Pemasangan Lightning Arrester sebelum FCO
Keuntungannya :
·
Pengamanan terhadap surja petir tidak dipengaruhi oleh kemungkinan FCO putus.
Kerugiannya :
·
Kegagalan LA memadamkan sistem penyulang
·
Penghantar LA lebih panjang
2.
Pemasangan Lightning Arrester setelah FCO
Keuntungan :
·
Jika LA rusak atau gagal, FCO putus tidak memadamkan sistem
SUTM
Kerugiannya :
·
fuse link rentan terhadap surja petir