ANALISIS BACK-FLASHOVER DENGAN MODEL MENARA CONSTANT-PARAMETER DISTRIBUTED LINE (CPDL) PADA SALURAN TRANSMISI 150 kV (GI Bukit Kemuning – GI Batu Raja)
ABSTRAK
ANALISIS BACK-FLASHOVER DENGAN MODEL MENARA
CONSTANT-PARAMETER DISTRIBUTED LINE (CPDL)
PADA SALURAN TRANSMISI 150 kV
(GI Bukit Kemuning – GI Batu Raja)
Oleh
Afriando Wirahadi
Fenomena back-flashover merupakan gangguan pada saluran udara tegangan
tinggi yang disebabkan oleh sambaran langsung (direct stroke) pada kawat tanah
dan menara. Back-flashover akan terjadi bila tegangan pada isolator saluran lebih
besar atau sama dengan tegangan kritis lompatan api isolator sehingga lompatan
api terjadi pada isolator tersebut.
Untuk menganalisis fenomena back-flashover sangat sulit dilakukan dengan
metode pengukuran secara langsung, oleh sebab itu dilakukan analisis melalui
simulasi dengan memodelkan parameter – parameter pada saluran transmisi,
diantaranya model menara, isolator saluran, kawat tanah, kawat fasa, dan sistem
pentanahan berdasarkan pemodelan IEEE Working Group. Pada penelitian ini
model parameter – parameter diatas disimulasikan dengan menggunakan
perangkat lunak EMTP/ATP versi 2005 dan menggunakan model menara yang
direkomendasikan di Jepang untuk penelitian surja petir, yaitu menggunakan
model menara Constant-Parameter Distributed Line (CPDL).
Arus petir minimum yang dapat menyebabkan back-flashover menggunakan
waktu muka dan waktu ekor standar IEEE 1,2 x 50 µs pada fasa A sebesar 20 kA,
fasa B sebesar 46 kA dan fasa C sebesar 116 kA. Sedangkan menggunakan
standar CIGRE 3 x 77,5 µs pada fasa A sebesar 18 kA, fasa B sebesar 45 kA dan
fasa C sebesar 97 kA. Berdasarkan perhitungan hasil simulasi jumlah sambaran
yang dapat mengakibatkan back-flashover pada fasa A sebanyak 5,98 sambaran
per 191,788 km/tahun, fasa B sebanyak 2,058 sambaran per 191,788 km/tahun
dan fasa C sebanyak 0,33 sambaran per 191,788 km/tahun.
Kata kunci: back-flashover, petir, EMTP/ATP
ABSTRACT
BACK-FLASHOVER ANALYSIS USING CONSTANT-PARAMETER
DISTRIBUTED LINE (CPDL) TOWER MODEL
OF 150 kV TRANSMISSION LINE
(Bukit Kemuning Substation–Batu Raja Substation)
By
Afriando Wirahadi
Back-flashover phenomenon is disturbances on the overhead transmission lines
which caused by direct stroke on the ground wire and towers. Back-flashover will
be occures in which voltage higher or same with the Insulator Critical Flashover,
the flashover happens on that insulator.
It is very difficult to back-flashover analisys which direct measuring methode, that
is reason to analyze with simulation by modelling the parameters on the
transmission lines such as, tower model, insulator model, grond wire, phase wire
and grounding system based on IEEE Working Group model. In this research the
parameters model that simulated by using EMTP/ATP Software 2005 version and
using using tower model which recommended in Japan for lighting surge analysis,
it is using Constant-Parameter Distributed Line (CPDL) tower model
Minimum lightning current that can cause back-flashover using front time and tail
time of the IEEE standard 1,2 x 50 μs on phase A of 20 kA, phase B of 46 kA and
phase C of 116 kA. While using front time and tail time of the CIGRE standard
3 x 77,5 μs on phase A of 18 kA, phase B of 45 kA and phase C of 97 kA. Based
on the calculation results of the simulation the number of strokes that can cause
back-flashover on phase A of 5.98 strokes per 191.788 km/year, phase B strokes
per 191.788 2.058 km/year, and phase C of 0.33 strokes per 191.788 km/year.
Keyword : back-flashover, Lighting, EMTP/ATP
V.
SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Berdasarkan hasil analisis dan simulasi rangkaian yang telah dilakukan maka
dapat diambil simpulan sebagai berikut :
1.
Arus petir minimum yang dapat menyebabkan back-flashover menurut
standar IEEE Tt x Tf = 1,2 x 50 µs pada fasa A saat amplitudo petir 20 kA,
fasa B terjadi saat amplitudo petir 46 kA dan fasa C terjadi saat amplitudo
petir 116 kA,
2.
Arus petir minimum yang dapat menyebabkan back-flashover menurut
standar CIGRE Tt x Tf = 3 x 77,5 µs pada fasa A saat amplitudo petir 18 kA,
fasa B terjadi saat amplitudo petir 45 kA dan fasa C terjadi saat amplitudo
petir 97 kA,
3.
Probabilitas terjadinya back-flashover fasa A sebesar 0,0110562, fasa B
sebesar 0,00380072, dan fasa C sebesar 0,0060812.
4.
Jumlah sambaran yang dapat mengakibatkan back-flashover pada fasa A
sebesar 3,12 gangguan per 100 km/tahun atau 5,98 gangguan per 191,788
km/tahun, fasa B sebesar 1,073 gangguan per 100 km/tahun atau 2,058
gangguan per 191,788 km/tahun, dan fasa C sebesar 0, 1716 gangguan per
100 km/tahun atau 0,33 gangguan per 191,788 km/tahun
88
5.
Fasa yang lebih dulu terjadi back-flashover akibat sambaran langsung (direct
stroke) pada kawat tanah adalah Fasa A atau Fasa yang paling dekat dengan
kawat tanah.
B. Saran
1.
Penelitian ini menggunakan data tahanan tanah sekunder atau hasil
pengukuran pihak PT. PLN (Persero), diharapkan penelitian selanjutnya
menggunakan data tahanan tanah primer yang diukur langsung.
2.
Penelitian ini tidak menganalisis dampak sambaran terhadap yang berada di
sisi kiri maupun sisi kanan dari menara yang tersambar. Jadi penulis juga
merekomendasikan untuk melanjutkan penelitian ini dan menambahkan
arrester surja pada saluran
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang dan Masalah
Petir adalah suatu fenomena alam yang disebabkan karena adanya peluahan
muatan elektrik di atmosfir yang memiliki arus sangat besar dan waktu yang
sangat singkat sehingga sulit untuk dikendalikan. Fenomena alam ini ditandai
dengan suara guruh dan kilatan cahaya yang diakibatkan oleh adanya peluahan
muatan dalam jumlah besar dan cepat. Ada dua tipe umum peluahan petir yaitu :
Petir yang terjadi antara awan dan permukaan tanah dan petir yang terjadi di
dalam awan dan antar awan.
Setiap peluahan petir yang terjadi di dalam awan, antar awan maupun dari awan
ke tanah, akan memunculkan radiasi elektrik dengan spektrum frekuensi sangat
lebar (dalam orde kHz hingga orde MHz).
Oleh sebab itu, petir seringkali menyebabkan gangguan pada saluran transmisi.
Gangguan petir pada saluran transmisi dapat berupa sambaran langsung (direct
stroke) dan sambaran tak langsung (indirect stroke) yang dapat menyebabkan
terganggunya saluran transmisi dalam menghantarkan daya listrik. Pada saluran
udara tegangan tinggi gangguan petir umumnya disebabkan oleh sambaran
langsung (direct stroke) sedangkan sambaran tak langsung (indirect stroke) sangat
kecil pengaruhnya terhadap sistem kerja saluran udara tegangan tinggi. Sambaran
2
tak langsung (indirect stroke) lebih berpengaruh terhadap saluran udara tegangan
menengah5.
Untuk melindungi kawat-kawat fasa dari sambaran petir pada menara dipasangkan
kawat tanah (ground wire). Gangguan yang disebabkan oleh sambaran langsung
(direct stroke) pada kawat tanah saluran udara tegangan tinggi adalah fenomena
back-flashover. Arus petir yang menyambar pada menara atau kawat tanah akan
menyebabkan gelombang berjalan sepanjang kawat tanah kemudian arus surja
petir akan mengalir ketanah melalui menara transmisi. Menara transmisi yang
pada keadaan normal mempunyai potensial yang sama dengan potensial bumi
akan mengalami kenaikan tegangan karena mengalirnya arus surja petir pada
impedansi surja menara, impedansi surja kawat, dan tahanan pengetanahan.
Fenomena back-flashover terjadi bila tegangan pada isolator saluran lebih besar
atau sama dengan tegangan kritis lompatan api (critical flashover) isolator
sehingga lompatan api terjadi pada isolator tersebut
Tugas akhir ini akan menganalisis terjadinya fenomena back-flashover pada
isolator saluran udara tegangan tinggi 150 kV GI Bukit Kemuning – GI Batu Raja
menggunakan pemodelan EMTP/ATP dengan pemodelan menara transmisi yang
direkomendasikan di Jepang.
5
Sambaran tak langsung (indirect stroke) menimbulkan induksi elektromagnetik sehingga lebih
berpengaruh terhadap saluran tegangan menengah karena tegangannya lebih rendah, sedangkan
pada saluran tegangan tinggi, induksi yang diakibatkan oleh Sambaran tak langsung (Indirect
stroke) tidak begitu besar dampaknya terhadap saluran. Dikutip dari Buku Pengantar Teknik
Eksperimental Tegangan Tinggi Dieter Kind tahun 1993.
3
B. Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1.
Memodelkan parameter – parameter pada saluran transmisi berdasarkan IEEE
Working Group, diantaranya model menara menggunakan model menara
Constant-Parameter Distributed Line (CPDL), isolator saluran, kawat tanah,
kawat fasa, dan sistem pentanahan.
2.
Mengetahui besarnya arus petir minimum yang dapat menyebabkan
terjadinya back-flashover serta nilai tegangan dan waktu back-flashover.
3.
Mengetahui fasa yang yang lebih dulu terjadi back-flashover saat terjadinya
sambaran langsung (direct stroke) pada kawat tanah.
4.
Mengetahui probabilitas dan jumlah sambaran yang dapat menyebabkan
back-flashover pada kawat fasa.
C.
Kerangka Teoritis
Dalam penelitian ini parameter – parameter pada sistem saluran transmisi,
diantaranya menara transmisi, isolator saluran, kawat tanah, kawat fasa, dan
sistem pentanahan dimodelkan berdasarkan IEEE Working Group. Model menara
menggunakan model yang direkomendasikan di Jepang untuk penelitian surja
petir, yaitu menggunakan model menara Constant-Parameter Distributed Line
(CPDL) 1.
1
Menara yang digunakan adalah menara model M. Ishii untuk menara dobel sirkuit untuk analisis
surja petir. Impedansi menara dibagi menjadi 4 (empat) bagian, yaitu Zt1, Zt2, Zt3, dan Zt4 dan
memeprhitungkan kecepatan propagasi sepanjang menara. Lihat dari jurnal A Methode Of Lighting
Surge Analysis Recommended in Japan Using EMTP oleh Ametani A dan Kawamura tahun 2005.
4
Model parameter – parameter diatas disimulasikan dengan menggunakan
perangkat lunak EMTP/ATP versi 2005 untuk mendapatkan kurva tegangan
impuls pada isolator saat kawat tanah diberi arus surja petir.
Fenomena back-flashover akan terjadi bila tegangan pada isolator saluran lebih
besar atau sama dengan tegangan kritis lompatan api isolator sehingga lompatan
api terjadi pada isolator tersebut.
Penelitian ini mengabaikan adanya fenomena corona dan kondisi di setiap menara
transmisi di sepanjang saluran dianggap sama.
D.
Hipotesis
Lompatan api balik (back-flashover) akan berpeluang lebih besar terjadi bila
amplitudo arus surja petir semakin tinggi dan waktu muka gelombang impuls-nya
semakin panjang atau semakin lama. Dan isolator yang paling berpeluang dapat
terjadi lompatan api balik (back-flashover) adalah isolator yang terletak pada
lengan paling atas atau yang paling dekat dengan kawat tanah. Hal ini disebabkan
saat kawat tanah tersambar petir, arus surja petir lebih dulu mengenai lengan
paling atas yang berdekatan dengan kawat tanah sehingga isolator pada lengan ini
lebih dulu merasakan akibat dari sambaran tersebut.
ANALISIS BACK-FLASHOVER DENGAN MODEL MENARA
CONSTANT-PARAMETER DISTRIBUTED LINE (CPDL)
PADA SALURAN TRANSMISI 150 kV
(GI Bukit Kemuning – GI Batu Raja)
Oleh
Afriando Wirahadi
Fenomena back-flashover merupakan gangguan pada saluran udara tegangan
tinggi yang disebabkan oleh sambaran langsung (direct stroke) pada kawat tanah
dan menara. Back-flashover akan terjadi bila tegangan pada isolator saluran lebih
besar atau sama dengan tegangan kritis lompatan api isolator sehingga lompatan
api terjadi pada isolator tersebut.
Untuk menganalisis fenomena back-flashover sangat sulit dilakukan dengan
metode pengukuran secara langsung, oleh sebab itu dilakukan analisis melalui
simulasi dengan memodelkan parameter – parameter pada saluran transmisi,
diantaranya model menara, isolator saluran, kawat tanah, kawat fasa, dan sistem
pentanahan berdasarkan pemodelan IEEE Working Group. Pada penelitian ini
model parameter – parameter diatas disimulasikan dengan menggunakan
perangkat lunak EMTP/ATP versi 2005 dan menggunakan model menara yang
direkomendasikan di Jepang untuk penelitian surja petir, yaitu menggunakan
model menara Constant-Parameter Distributed Line (CPDL).
Arus petir minimum yang dapat menyebabkan back-flashover menggunakan
waktu muka dan waktu ekor standar IEEE 1,2 x 50 µs pada fasa A sebesar 20 kA,
fasa B sebesar 46 kA dan fasa C sebesar 116 kA. Sedangkan menggunakan
standar CIGRE 3 x 77,5 µs pada fasa A sebesar 18 kA, fasa B sebesar 45 kA dan
fasa C sebesar 97 kA. Berdasarkan perhitungan hasil simulasi jumlah sambaran
yang dapat mengakibatkan back-flashover pada fasa A sebanyak 5,98 sambaran
per 191,788 km/tahun, fasa B sebanyak 2,058 sambaran per 191,788 km/tahun
dan fasa C sebanyak 0,33 sambaran per 191,788 km/tahun.
Kata kunci: back-flashover, petir, EMTP/ATP
ABSTRACT
BACK-FLASHOVER ANALYSIS USING CONSTANT-PARAMETER
DISTRIBUTED LINE (CPDL) TOWER MODEL
OF 150 kV TRANSMISSION LINE
(Bukit Kemuning Substation–Batu Raja Substation)
By
Afriando Wirahadi
Back-flashover phenomenon is disturbances on the overhead transmission lines
which caused by direct stroke on the ground wire and towers. Back-flashover will
be occures in which voltage higher or same with the Insulator Critical Flashover,
the flashover happens on that insulator.
It is very difficult to back-flashover analisys which direct measuring methode, that
is reason to analyze with simulation by modelling the parameters on the
transmission lines such as, tower model, insulator model, grond wire, phase wire
and grounding system based on IEEE Working Group model. In this research the
parameters model that simulated by using EMTP/ATP Software 2005 version and
using using tower model which recommended in Japan for lighting surge analysis,
it is using Constant-Parameter Distributed Line (CPDL) tower model
Minimum lightning current that can cause back-flashover using front time and tail
time of the IEEE standard 1,2 x 50 μs on phase A of 20 kA, phase B of 46 kA and
phase C of 116 kA. While using front time and tail time of the CIGRE standard
3 x 77,5 μs on phase A of 18 kA, phase B of 45 kA and phase C of 97 kA. Based
on the calculation results of the simulation the number of strokes that can cause
back-flashover on phase A of 5.98 strokes per 191.788 km/year, phase B strokes
per 191.788 2.058 km/year, and phase C of 0.33 strokes per 191.788 km/year.
Keyword : back-flashover, Lighting, EMTP/ATP
V.
SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Berdasarkan hasil analisis dan simulasi rangkaian yang telah dilakukan maka
dapat diambil simpulan sebagai berikut :
1.
Arus petir minimum yang dapat menyebabkan back-flashover menurut
standar IEEE Tt x Tf = 1,2 x 50 µs pada fasa A saat amplitudo petir 20 kA,
fasa B terjadi saat amplitudo petir 46 kA dan fasa C terjadi saat amplitudo
petir 116 kA,
2.
Arus petir minimum yang dapat menyebabkan back-flashover menurut
standar CIGRE Tt x Tf = 3 x 77,5 µs pada fasa A saat amplitudo petir 18 kA,
fasa B terjadi saat amplitudo petir 45 kA dan fasa C terjadi saat amplitudo
petir 97 kA,
3.
Probabilitas terjadinya back-flashover fasa A sebesar 0,0110562, fasa B
sebesar 0,00380072, dan fasa C sebesar 0,0060812.
4.
Jumlah sambaran yang dapat mengakibatkan back-flashover pada fasa A
sebesar 3,12 gangguan per 100 km/tahun atau 5,98 gangguan per 191,788
km/tahun, fasa B sebesar 1,073 gangguan per 100 km/tahun atau 2,058
gangguan per 191,788 km/tahun, dan fasa C sebesar 0, 1716 gangguan per
100 km/tahun atau 0,33 gangguan per 191,788 km/tahun
88
5.
Fasa yang lebih dulu terjadi back-flashover akibat sambaran langsung (direct
stroke) pada kawat tanah adalah Fasa A atau Fasa yang paling dekat dengan
kawat tanah.
B. Saran
1.
Penelitian ini menggunakan data tahanan tanah sekunder atau hasil
pengukuran pihak PT. PLN (Persero), diharapkan penelitian selanjutnya
menggunakan data tahanan tanah primer yang diukur langsung.
2.
Penelitian ini tidak menganalisis dampak sambaran terhadap yang berada di
sisi kiri maupun sisi kanan dari menara yang tersambar. Jadi penulis juga
merekomendasikan untuk melanjutkan penelitian ini dan menambahkan
arrester surja pada saluran
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang dan Masalah
Petir adalah suatu fenomena alam yang disebabkan karena adanya peluahan
muatan elektrik di atmosfir yang memiliki arus sangat besar dan waktu yang
sangat singkat sehingga sulit untuk dikendalikan. Fenomena alam ini ditandai
dengan suara guruh dan kilatan cahaya yang diakibatkan oleh adanya peluahan
muatan dalam jumlah besar dan cepat. Ada dua tipe umum peluahan petir yaitu :
Petir yang terjadi antara awan dan permukaan tanah dan petir yang terjadi di
dalam awan dan antar awan.
Setiap peluahan petir yang terjadi di dalam awan, antar awan maupun dari awan
ke tanah, akan memunculkan radiasi elektrik dengan spektrum frekuensi sangat
lebar (dalam orde kHz hingga orde MHz).
Oleh sebab itu, petir seringkali menyebabkan gangguan pada saluran transmisi.
Gangguan petir pada saluran transmisi dapat berupa sambaran langsung (direct
stroke) dan sambaran tak langsung (indirect stroke) yang dapat menyebabkan
terganggunya saluran transmisi dalam menghantarkan daya listrik. Pada saluran
udara tegangan tinggi gangguan petir umumnya disebabkan oleh sambaran
langsung (direct stroke) sedangkan sambaran tak langsung (indirect stroke) sangat
kecil pengaruhnya terhadap sistem kerja saluran udara tegangan tinggi. Sambaran
2
tak langsung (indirect stroke) lebih berpengaruh terhadap saluran udara tegangan
menengah5.
Untuk melindungi kawat-kawat fasa dari sambaran petir pada menara dipasangkan
kawat tanah (ground wire). Gangguan yang disebabkan oleh sambaran langsung
(direct stroke) pada kawat tanah saluran udara tegangan tinggi adalah fenomena
back-flashover. Arus petir yang menyambar pada menara atau kawat tanah akan
menyebabkan gelombang berjalan sepanjang kawat tanah kemudian arus surja
petir akan mengalir ketanah melalui menara transmisi. Menara transmisi yang
pada keadaan normal mempunyai potensial yang sama dengan potensial bumi
akan mengalami kenaikan tegangan karena mengalirnya arus surja petir pada
impedansi surja menara, impedansi surja kawat, dan tahanan pengetanahan.
Fenomena back-flashover terjadi bila tegangan pada isolator saluran lebih besar
atau sama dengan tegangan kritis lompatan api (critical flashover) isolator
sehingga lompatan api terjadi pada isolator tersebut
Tugas akhir ini akan menganalisis terjadinya fenomena back-flashover pada
isolator saluran udara tegangan tinggi 150 kV GI Bukit Kemuning – GI Batu Raja
menggunakan pemodelan EMTP/ATP dengan pemodelan menara transmisi yang
direkomendasikan di Jepang.
5
Sambaran tak langsung (indirect stroke) menimbulkan induksi elektromagnetik sehingga lebih
berpengaruh terhadap saluran tegangan menengah karena tegangannya lebih rendah, sedangkan
pada saluran tegangan tinggi, induksi yang diakibatkan oleh Sambaran tak langsung (Indirect
stroke) tidak begitu besar dampaknya terhadap saluran. Dikutip dari Buku Pengantar Teknik
Eksperimental Tegangan Tinggi Dieter Kind tahun 1993.
3
B. Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1.
Memodelkan parameter – parameter pada saluran transmisi berdasarkan IEEE
Working Group, diantaranya model menara menggunakan model menara
Constant-Parameter Distributed Line (CPDL), isolator saluran, kawat tanah,
kawat fasa, dan sistem pentanahan.
2.
Mengetahui besarnya arus petir minimum yang dapat menyebabkan
terjadinya back-flashover serta nilai tegangan dan waktu back-flashover.
3.
Mengetahui fasa yang yang lebih dulu terjadi back-flashover saat terjadinya
sambaran langsung (direct stroke) pada kawat tanah.
4.
Mengetahui probabilitas dan jumlah sambaran yang dapat menyebabkan
back-flashover pada kawat fasa.
C.
Kerangka Teoritis
Dalam penelitian ini parameter – parameter pada sistem saluran transmisi,
diantaranya menara transmisi, isolator saluran, kawat tanah, kawat fasa, dan
sistem pentanahan dimodelkan berdasarkan IEEE Working Group. Model menara
menggunakan model yang direkomendasikan di Jepang untuk penelitian surja
petir, yaitu menggunakan model menara Constant-Parameter Distributed Line
(CPDL) 1.
1
Menara yang digunakan adalah menara model M. Ishii untuk menara dobel sirkuit untuk analisis
surja petir. Impedansi menara dibagi menjadi 4 (empat) bagian, yaitu Zt1, Zt2, Zt3, dan Zt4 dan
memeprhitungkan kecepatan propagasi sepanjang menara. Lihat dari jurnal A Methode Of Lighting
Surge Analysis Recommended in Japan Using EMTP oleh Ametani A dan Kawamura tahun 2005.
4
Model parameter – parameter diatas disimulasikan dengan menggunakan
perangkat lunak EMTP/ATP versi 2005 untuk mendapatkan kurva tegangan
impuls pada isolator saat kawat tanah diberi arus surja petir.
Fenomena back-flashover akan terjadi bila tegangan pada isolator saluran lebih
besar atau sama dengan tegangan kritis lompatan api isolator sehingga lompatan
api terjadi pada isolator tersebut.
Penelitian ini mengabaikan adanya fenomena corona dan kondisi di setiap menara
transmisi di sepanjang saluran dianggap sama.
D.
Hipotesis
Lompatan api balik (back-flashover) akan berpeluang lebih besar terjadi bila
amplitudo arus surja petir semakin tinggi dan waktu muka gelombang impuls-nya
semakin panjang atau semakin lama. Dan isolator yang paling berpeluang dapat
terjadi lompatan api balik (back-flashover) adalah isolator yang terletak pada
lengan paling atas atau yang paling dekat dengan kawat tanah. Hal ini disebabkan
saat kawat tanah tersambar petir, arus surja petir lebih dulu mengenai lengan
paling atas yang berdekatan dengan kawat tanah sehingga isolator pada lengan ini
lebih dulu merasakan akibat dari sambaran tersebut.