TUGAS AKHIR
PENGARUH IMPEDANSI SURJA PEMBUMIAN MENARA
TRANSMISI TERHADAP TEGANGAN LENGAN MENARA
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh :
NIM : 050402095
WINDY ROLAND TOBING
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PENGARUH IMPEDANSI SURJA PEMBUMIAN MENARA
TRANSMISI TERHADAP TEGANGAN LENGAN MENARA
Oleh
NIM : 050402095 Windy Roland Tobing
Disetujui oleh :
Dosen Pembimbing I, Dosen Pembimbing II,
Ir. Bonggas L. Tobing
NIP : 194708171975031002 NIP : 195707201983031001 Ir. Zulkarnaen Pane
Diketahui oleh : Pelaksana Tugas Harian
Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
NIP : 194610221973021001 Prof. DR. Ir. Usman Ba’afai
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus atas kasih dan penyertaan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul :
PENGARUH IMPEDANSI SURJA PEMBUMIAN MENARA TRANSMISI
TERHADAP TEGANGAN LENGAN MENARA
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Bonggas L. Tobing sebagai Dosen Pembimbing Utama dan Ir. Zulkarnaen Pane sebagai Dosen Pembimbing Kedua Tugas Akhir penulis yang sangat besar bantuannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Kasmir Tanjung sebagai Dosen Wali penulis selama menyelesaikan pendidikan di kampus USU.
3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai sebagai Pelaksana Tugas Harian Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai Sekretaris Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
6. Kedua orang tua Bistok Tobing dan Roida br. Tampubolon dan adik penulis Paul dan Fernando yang tidak pernah berhenti memberi dukungan, semangat dan doanya kepada penulis dengan segala pengorbanan dan kasih sayang yang tidak ternilai besarnya.
7. Teman-teman stambuk’05 yang tidak bisa penulis sebutkan namanya satu persatu, atas kebersamaan dan dukungan yang diberikan.
8. Teman seperjuangan dari Jl. Pembangunan terkhusus buat Marhon, Lamringan dan Hans selama 4 tahun lebih bersama-sama.
9. Teman terbaik Aron, Ester, Golda, Goldy, Grace, Gusty, Jonathan, Marhon, Tiurmaida.
10.Yang terkasih Grace Sinaga yang selalu memberi semangat, dukungan yang intens dan doanya buat selesainya Tugas Akhir ini.
Penulis meyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan.
Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Medan, April 2010 Penulis
ABSTRAK
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
BAB I PENDAHULUAN ... 1
I.1 Latar Belakang ... 1
I.2 Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 2
I.3 Batasan Masalah ... 2
I.4 Metodologi Penelitian ... 3
I.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II IMPEDANSI SURJA MENARA DAN PEMBUMIAN ... 6
II.1 Umum ... 6
II.2 Metode Pembumian Menara Transmisi ... 7
II.2.1 Driven Ground ... 8
II.2.2 Counterpoise ... 9
II.3 Impedansi Surja Menara ... 9
BAB III TEGANGAN LENGAN MENARA ... 14
III.1 Umum ... 14
III.2 Teori Gelombang Berjalan ... 14
III.2.1 Teori Gelombang Berjalan pada Titik Peralihan ... 15
III.2.2 Bentuk dan Spesifikasi Gelombang Berjalan ... 18
III.3 Menghitung Tegangan Lengan Menara ... 20
BAB IV PERHITUNGAN TEGANGAN LENGAN MENARA PADA MENARA NOMOR 4 TRANSMISI TITI KUNING - BERASTAGI ... 25
IV.1 Umum ... 25
IV.2 Perhitungan Impedansi Surja Elektroda Pembumian Menara ... 26
IV.2.1 Perhitungan Impedansi Surja Pembumian untuk Berbagai Panjang Elektroda Pembumian ... 28
IV.2.2 Perhitungan Impedansi Surja Pembumian untuk Berbagai Jarak Pemisah antar Elektroda Pembumian... 29
IV.3. Perhitungan Tegangan Lengan Menara ... 31
IV.3.1 Perhitungan Tegangan Lengan Menara untuk Berbagai Panjang Elektroda Pembumian ... 35
IV.3.2 Perhitungan Tegangan Lengan Menara untuk Berbagai Jarak Pemisah antar Elektroda Pembumian ... 36
IV.4.1 Pengaruh Panjang Elektroda Pembumian terhadap
Impedansi Surja Pembumian ... 38 IV.4.2 Pengaruh Jarak Pemisah antar Elektroda Pembumian
terhadap Impedansi Surja Pembumian... 40 IV.4.3 Pengaruh Panjang Elektroda terhadap
Tegangan Lengan Menara ... 42 IV.4.4 Pengaruh Jarak Pemisah antar Elektroda Pembumian
terhadap Tegangan Lengan Menara... 44
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 46
V.1 Kesimpulan ... 46 V.2 Saran ... 46
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR
2.1. Bentuk menara dan konfigurasi penghantar transmisi hantaran udara... 6
2.2. Penampang menara transmisi ... 9
2.3. Rangkaian ekivalen impedansi surja pembumian satu elektroda batang ... 11
3.1. Perubahan impedansi pada titik peralihan ... 15
3.2. Titik peralihan ... 16
3.3. Spesifikasi gelombang berjalan ... 18
3.4. Gelombang kilat tipikal ... 19
3.5. Gambar potongan saluran transmisi ... 21
3.6. Diagram tangga untuk menghitung tegangan lengan menara ... 24
4.1. Kurva impedansi surja pembumian menara sebagai fungsi waktu ... 27
4.2. Kurva impedansi surja pembumian untuk berbagai panjang elektroda pembumian... 30
4.3. Kurva impedansi surja pembumian untuk berbagai jarak pemisah antar elektroda pembumian ... 30
4.4. Diagram tangga untuk menghitung tegangan lengan menara ... 33
4.5. Bentuk tegangan surja di lengan menara ... 34
4.6. Tegangan lengan menara untuk berbagai panjang elektroda pembumian ... 37
4.8. Kurva hubungan panjang elektroda dengan impedansi surja pembumian menara pada t = 1 μs ... 39 4.9. Kurva hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan impedansi surja
pembumian menara pada t = 1 μs ... 40 4.10. Kurva hubungan panjang elektroda dengan tegangan lengan menara
pada t = 1 μs ... 42 4.11. Kurva hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan tegangan lengan
DAFTAR TABEL
4.1. Impedansi surja pembumian menara sebagai fungsi waktu ... 27 4.2. Impedansi surja pembumian menara untuk berbagai panjang
elektroda pembumian ... 28 4.3. Impedansi surja pembumian menara untuk berbagai jarak pemisah
antar elektroda pembumian ... 29 4.4. Tegangan Lengan Menara ... 32 4.5. Tegangan lengan menara untuk berbagai panjang elektroda pembumian ... 35 4.6. Tegangan lengan menara untuk berbagai jarak pemisah antar
elektroda pembumian ... 36 4.7. Hubungan panjang elektroda dengan impedansi surja pembumian
menara pada t = 1 μs ... 38 4.8. Persentase penurunan impedansi surja pembumian pengaruh
penambahan panjang elektroda pembumian ... 39 4.9. Hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan impedansi surja
pembumian menara pada t = 1 μs ... 40 4.10. Persentase penurunan impedansi surja pembumian pengaruh penambahan
jarak pemisah elektroda pembumian ... 41 4.11. Hubungan panjang elektroda dengan tegangan lengan menara pada
t = 1 μs ... 42 4.12. Persentase penurunan tegangan lengan menara pengaruh penambahan
4.13. Hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan tegangan lengan
menara pada t = 1 μs ... 44 4.14. Persentase penurunan tegangan lengan menara pengaruh penambahan jarak
ABSTRAK
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Untuk menghindari sambaran petir langsung ke kawat fasa dipasang kawat tanah sebagai pelindung. Karena petir selalu mencari jalan yang terpendek untuk pelepasan muatan listriknya, maka kawat tanah itu harus diletakkan lebih tinggi dari kawat fasa sehingga dapat diharapkan sambaran petir akan selalu mengenai kawat tanah dan disalurkan ke tanah lewat menara.
I.2 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Adapun tujuan penelitian Tugas Akhir ini adalah :
1. Untuk mengetahui pengaruh impedansi surja pembumian terhadap bentuk tegangan pada lengan menara.
2. Untuk mengetahui pengaruh panjang dan jarak pemisah elektroda pembumian terhadap terhadap tegangan lengan menara.
Hasil yang diperoleh dapat dimanfaatkan untuk :
1. Menentukan batas ketahanan tegangan lompatan api isolator untuk harga impedansi surja pembumian tertentu.
2. Menentukan impedansi surja pembumian untuk ketahanan tegangan lompatan api isolator tertentu. Dengan demikian dapat ditentukan panjang dan jarak elektroda pembumian untuk impedansi surja yang diinginkan.
I.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah :
1. Bentuk gelombang petir di dalam penelitian ini adalah bentuk petir standar IEC (1,2/50 μs).
2. Arus kilat yang menyambar menara transmisi adalah 20 kA.
I.4 Metodologi Penelitian
Langkah-langkah yang dilakukan dalam studi ini adalah :
1. Mempelajari hubungan antara impedansi surja pembumian menara dengan konfigurasi elektroda pembumian.
2. Mempelajari hubungan antara tegangan lengan menara dengan impedansi surja pembumian menara dengan teori gelombang berjalan.
3. Mengumpulkan data yang diperlukan dari pihak PT PLN (Persero) PIKITRING SUAR mengenai konstruksi menara, konfigurasi elektroda pembumian dan isolator yang terpasang.
4. Mempelajari aplikasi perangkat lunak Microsoft Office Excel 2003 yang dapat menampilkan hubungan antara impedansi surja pembumian dengan tegangan lengan menara.
5. Dengan data yang ada ditampilkan bentuk gelombang tegangan pada lengan menara jika besar arus kilat 20 kA, 1,2/50 μs.
6. Ditampilkan gelombang tegangan lengan menara untuk beberapa panjang elektroda pembumian dengan jarak pemisah antar elektroda tertentu.
7. Ditampilkan gelombang tegangan lengan menara untuk beberapa jarak pemisah antar elektroda pembumian dengan panjang elektroda tertentu.
8. Dibuat kurva yang menunjukkan hubungan dari panjang elektroda pembumian dan nilai puncak tegangan lengan menara.
9. Dibuat kurva yang menunjukkan hubungan dari jarak pemisah antar elektroda pembumian dan nilai puncak tegangan lengan menara.
I.5 Sistematika Penulisan
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN
Bagian ini berisikan latar belakang, tujuan dan manfaat penelitian, batasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II IMPEDANSI SURJA MENARA DAN PEMBUMIAN
Bagian ini menjelaskan menara saluran udara tegangan tinggi, metode pembumian menara transmisi dengan driven ground dan counterpoise, impedansi surja menara dan impedansi surja pembumian menara.
BAB III TEGANGAN LENGAN MENARA
Bagian ini menguraikan tentang teori gelombang berjalan, bentuk dan spesifikasi gelombang berjalan dan langkah-langkah untuk menghitung tegangan pada lengan menara. BAB IV PENGARUH IMPEDANSI SURJA PEMBUMIAN MENARA
TRANSMISI TERHADAP TEGANGAN LENGAN MENARA
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
BAB II
IMPEDANSI SURJA MENARA DAN PEMBUMIAN
II.1 Umum
Pada saluran transmisi, kawat-kawat penghantar ditopang oleh menara yang bentuknya disesuaikan dengan konfigurasi saluran transmisi tersebut. Jenis-jenis bangunan penopang saluran transmisi yang dikenal adalah menara baja, tiang baja, tiang beton bertulang dan tiang kayu.
Tiang baja, tiang beton bertulang atau tiang kayu biasanya digunakan pada saluran yang tegangannya relatif rendah yaitu di bawah 70 kV, sedangkan untuk saluran tegangan tinggi atau tegangan ekstra tinggi digunakan menara baja. Menara baja terbuat dari baja yang bagian-bagian kakinya mempunyai pondasi sendiri-sendiri, sedang tiang baja mempunyai satu pondasi untuk semua bagian kakinya. Pada Gambar 2.1 ditunjukkan beberapa bentuk menara baja dan konfigurasi penghantar saluran transmisi.
R S T
S T
R
R S
T
R S
T
S
T R R
T S
T1
S1
R1
R1 S1 T1
(a) (b) (c)
Gambar 2.1 Bentuk menara dan konfigurasi penghantar transmisi hantaran udara
Saluran transmisi lebih tinggi dibandingkan objek di sekelilingnya, karena itu saluran transmisi memiliki resiko besar untuk terkena sambaran petir. Untuk mengatasi hal tersebut maka saluran transmisi dilengkapi dengan kawat tanah yang diletakkan di atas kawat penghantar dan dihubungkan langsung ke bumi melalui elektroda pembumian yang terpasang pada kaki-kaki menara. Jumlah kawat tanah biasanya satu atau dua buah tergantung dari konfigurasi saluran transmisi tersebut.
Sambaran petir pada puncak menara akan merambat sampai ke tanah melalui impedansi surja menara dan impedansi surja pembumian. Impedansi surja menara dipengaruhi oleh penampang menara transmisi sedang impedansi surja pembumian sangat dipengaruhi panjang dan jarak pemisah antar elektroda pembumian.
Saat petir menyambar menara atau kawat tanah, gelombang tegangan surja akan mengalir ke tanah melalui menara dan elektroda pembumian menara. Pembumian menara berguna untuk mengalirkan tegangan lebih ke bumi karena tegangan lebih tersebut sangat tidak diinginkan saat operasi transmisi sistem tenaga listrik. Untuk itu diupayakan sistem pembumian menara transmisi sebaik mungkin agar peralatan-peralatan tetap aman dari tegangan lebih surja.
II.2 Metode Pembumian Menara Transmisi
Ada dua metode yang biasa digunakan untuk pembumian menara transmisi yaitu :
1. Pembumian dengan menanam batang elektroda tegak lurus ke dalam tanah (Driven Ground).
s
II.2.1 Driven Ground
Bila menggunakan satu elektroda batang, tahanan kaki menara dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
L = panjang dari batang pengetanahan, meter. d = radius batang pengetanahan, meter.
Bila batang elektroda dipararel, rumus di atas tetap dapat digunakan untuk menghitung tahanan kaki menara, bila variabel “d” diubah menjadi “A”. Nilai A tergantung dari penempatan masing-masing batang elektroda sebagai berikut :
Penempatan
2 Batang diletakan di mana saja sr
A= (2.2) 3 Batang diletakan membentuk segitiga
3 2 r s
A= (2.3) 4 Batang diletakan membentuk segi empat
4 212 s3r
A= ⋅ (2.4) dimana:
II.2.2 Counterpoise
Untuk daerah-daerah yang mempunyai lapisan tanah yang keras dan berbatu-batu atau daerah yang tahanan jenis tanahnya tinggi, elektroda batang tidak praktis digunakan. Bila digunakan sistem counterpoise, tahanan kaki menara secara teoritis dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
R =
⋅
ρ
ρ Coth L r
r Ohm (2.5)
dimana:
L = panjang kawat, meter.
ρ = tahanan jenis tanah, Ohm-meter. r = tahanan kawat, Ohm/meter.
II.3 Impedansi Surja Menara
Menurut Sargent dan Daveniza, impedansi surja menara dihitung berdasarkan penampang menara transmisi.(1)
Gambar 2.2 Penampang menara transmisi
Menara jenis A :
II.4 Impedansi Surja Elektroda Pembumian Menara Transmisi
Impedansi surja pembumian didefenisikan sebagai besarnya tegangan
surja/impuls dibagi dengan arus impuls petir
panjang konduktor yang ditanam maka makin besar induktansi sistem pembumianya. Komponen kapasitor dari sistem pembumian dapat diterangkan dari konduktor yang saat ini diinjeksi arus berarti konduktor tersebut bertegangan. Beda tegangan antara konduktor dengan titik nol referensi menyebabkan sifat kapasitansi dari sistem tersebut dengan media tanah yang mempunyai permitivitas ε. Dengan demikian impedansi pembumian dapat dibuat rangkaian ekivalennya seperti Gambar 2.3.
i(t)
L
R C
iR iC
Gambar 2.3 Rangkaian ekivalen impedansi surja pembumian
satu elektroda batang
Untuk empat batang elektrode pembumian yang diparalel masing-masing elektroda mempunyai panjang l dan radius r ditanam tegak lurus pada tanah yang mempunyai resistivitas tanah ρ homogen, maka elektroda bersama tanah akan mempunyai tahanan, induktansi dan kapasitansi yang besarnya adalah:
9
s = jarak antar batang elektroda, meter.
ρ = tahanan jenis tanah, Ohm-meter.
εr = permitivitas relatif tanah.
misalkan arus surja yang mengalir pada rangkaian seperti Gambar 2.3:
c
dengan Transformasi Laplace didapatkan :
V(t) =
Ketika arus impuls diinjeksikan ke sistem pembumian, impedansi impulsnya didefenisikan sebagai perbandingan tegangan yang dibangkitkan terhadap nilai arus pada suatu titik injeksi.
BAB III
TEGANGAN LENGAN MENARA
III.1 Umum
Ketika sambaran petir menerpa puncak menara, tegangan lebih berbentuk surja merambat sepanjang menara sampai ke pembumian menara. Adanya perbedaan impedansi surja pembumian menara dengan badan menara mengakibatkan adanya gelombang tegangan pantul dari dasar menara menuju puncak dan lengan menara. Kemudian dari puncak menara gelombang tegangan surja dipantulkan lagi ke pembumian menara. Dengan demikian akan terjadi pantulan berulang di pembumian dan puncak menara. Gelombang tegangan pantulan yang tiba di lengan menara disebut tegangan lengan menara. Berikut tegangan lengan menara dapat diturunkan dengan metode teori gelombang berjalan.
III.2 Teori Gelombang Berjalan
III.2. 1 Gelombang Berjalan pada Titik Peralihan
Bila gelombang berjalan menemui titik peralihan, misalnya: hubungan terbuka, hubungan singkat dan perubahan impedansi, maka sebagian gelombang itu akan dipantulkan dan sebagian lain akan diteruskan ke bagian lain dari titik tersebut.
Pada titik peralihan itu sendiri, besar tegangan dan arus bervariasi dari nol sampai dua kali besar tegangan gelombang yang datang.
e1 e1"
e1' z2
z1
Gambar 3.1 Perubahan impedansi pada titik peralihan
dimana :
e1 = gelombang datang e1’ = gelombang pantulan e1” = gelombang terusan
Misalkan sebuah gelombang datang e1 merambat pada saluran dengan impedansi surja z1 dan menemui titik peralihan T seperti pada Gambar 3.2. Bila gelombang datang e1 mencapai titik peralihan, sebagian akan dipantulkan yaitu e1’, dan sebagian lagi akan diteruskan, yaitu e2’’,...,ek’’,...,en’’ pada kawat z2,...,zk,...,zn.
Dimana:
e = tegangan pada titik sambungan J e0 = tegangan pada titik peralihan T Zk(p) = impedansi seri pada saluran k
e1
Gambar 3.2 Titik peralihan
Misalkan titik peralihan itu sebagai pusat koordinat, dan dimisalkan pula semua kawat-kawat ideal, maka terdapat hubungan-hubungan :
- gelombang datang : 1
Substitusi Persamaan (3.1) dan (3.2) ke Persamaan (3.4) dan (3.5) diperoleh :
Gelombang pantulan : 1
1
Untuk arus pantulan :
1
Dalam hal ini diperoleh :
= koefisien pantulan untuk tegangan
1
− = koefisien pantulan untuk arus
1
+ = koefisien terusan atau transmisi untuk tegangan
1
+ = koefisien terusan atau transmisi untuk arus
III.2. 2 Bentuk dan Spesifikasi Gelombang Berjalan
Bentuk gelombang berjalan digambarkan sebagai berikut :
0,3
t1
t2
tegangan
Gambar 3.3 Spesifikasi gelombang berjalan
Spesifikasi dari gelombang berjalan :
a. Puncak gelombang, E (kV), yaitu amplitudo maksimum dari gelombang. (b) bentuk gelombang impuls
b. Muka Gelombang, t1 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Dalam hal ini diambil dari 30% E sampai 90% E, seperti yang ditunjukkan Gambar 3.3b.
c. Ekor gelombang, yaitu bagian dibelakang puncak.
Panjang gelombang , t2 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai titik 50% E pada ekor gelombang.
d. Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang, positf atau negatif.
Suatu gelombang berjalan (surja) dinyatakan sebagai: E, t1/t2
Ekspresi dasar dari gelombang berjalan secara sistematis dinyatakan dengan persamaan dibawah ini
e (t) = E (e-at – e-bt) dimana: E, a dan b adalah konstanta.
E e
-atE e
-btE e
-at- E e
-btwaktu
Gambar 3.4 Gelombang kilat tipikal
III. 3 Menghitung Tegangan Lengan Menara
Langkah-langkah perhitungan tegangan lengan menara adalah sebagai berikut:
1. Menghitung Impedansi Surja Kawat Tanah.
Perhitungan impedansi surja kawat tanah dibedakan dalam dua keadaan yaitu bila tidak ada korona dan yang kedua bila terjadi korona. Pada Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) sampai 230 kV biasanya digunakan rumus – rumus tanpa korona sedangkan untuk Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi (SUTET), 345 kV sampai 765 kV, dan pada Saluran Udara Tegangan Ultra Tinggi (SUTUT), di atas 765 kV selalu dianggap terjadi korona. (1)
(1). Bila tidak terjadi korona :
Z11 = impedansi surja sendiri dari satu kawat tanah
Z12 = impedansi surja bersama antara kedua kawat tanah
R = radius amplop korona dari kawat tanah, meter. r = radius kawat tanah tanpa korona, meter. ht = tinggi rata-rata untuk kawat tanah, meter.
Bidang referensi
Kawat-kawat bayangan Kawat tanah
Kawat fasa
1 2
a1 a2
ht
b12
a'1
a'2
1' 2'
a12
Gambar 3.5 Gambar potongan saluran transmisi
2. Menghitung Koefisien Terusan a pada Puncak Menara untuk Gelombang yang Datang dari Dasar Menara.
Koefisien terusan a dihitung dari persamaan :
t g
g
Z Z
Z a
2 2
+
3. Menghitung Koefisien Pantulan b pada Puncak Menara untuk Gelombang yang Datang dari Dasar Menara.
Koefisien pantulan adalah :
1
− =a
b (3.15) 4. Menghitung Tegangan pada Puncak Menara.
Tegangan pada puncak menara adalah :
kV
5. Menghitung Koefisien Pantulan d pada Dasar Menara untuk Gelombang yang Datang dari Puncak Menara.
Koefisien pantulan d dihitung dari :
t
Z = impedansi surja pembumian menara
6. Menghitung Tegangan Lengan Menara.
Vi = e0{e
-a(t1)
- e-b(t1)} + d e0{e
-a(t2-2tb)
- e-b(t2-2tb)}
+ b d e0{e
-a(t3-(2tb+2ta))
- e-b(t3-(2tb+2ta))} + b d2 e0{e
-a(t4-(4tb+2ta))
- e-b(t4-(4tb+2ta))}
+ b2 d2 e0{e
-a(t5-(4tb+4ta))
- e-b(t5-(4tb+4ta))} + b2 d3 e0{e
-a(t6-(6tb+4ta))
- e-b(t6-(6tb+4ta))}
+ b3 d3 e0{e-a(t7-(6tb+6ta)) - e-b(t7-(6tb+6ta))} + b3 d4 e0{e-a(t8-(8tb+6ta)) - e-b(t8-(8tb+6ta))}
+ b4 d4 e0{e-a(t9-(8tb+6ta)) - e-b(t9-(8tb+6ta))} + ... (3.18)
dengan syarat,
0≤ t1 ≤tp ; tb≤
t2
≤tp+tb ; 2tb+2ta≤ t3 ≤tp+2tb+2ta ; 4tb+2ta≤t4
≤tp+4tb+2ta ; 4tb+4ta≤ t5 ≤tp+4tb+4ta ; 6tb+4ta≤t6
≤tp+6tb+4ta ; 6tb+6ta≤t7
≤tp+6tb+6ta 8tb+6ta≤ t8 ≤tp+8tb+6ta 8tb+8ta≤ t9 ≤tp+8tb+8ta ;dst ...
Z(t)
BAB IV
PERHITUNGAN TEGANGAN LENGAN MENARA PADA
MENARA NOMOR 4 TRANSMISI TITI KUNING - BERASTAGI
IV.1 Umum
Pada sub-bab II.4 dijelaskan bahwa salah satu cara memperkecil impedansi surja pembumian adalah dengan memperpanjang batang elektroda pembumian atau menambah jarak pemisah antar elektroda pembumian.
Berikut ini akan dipaparkan pengaruh impedansi surja pembumian pada suatu menara, yaitu menara no.4 transmisi 150 kV saluran Titi Kuning-Berastagi.
Data teknis dari menara tersebut adalah sebagai berikut: 1. Konstruksi menara
• Tinggi menara : 44,8 m
• Lebar kaki menara : 6,926 m 2. Kawat tanah
• Jumlah : 2 buah
• Radius : 12,5 mm
3. Elektroda Pembumian
• Sistim pembumian : driven ground
• Panjang elektroda : 1,5 m
• Diameter : 5 cm
IV.2 Perhitungan Impedansi Surja Elektroda Pembumian Menara
Untuk menghitung impedansi surja pembumian menara pertama sekali dihitung resistansi, kapasitansi dan induktansi elektroda pembumian dengan menggunakan Persamaan 2.9, 2.10 dan 2.11.
Dengan jenis tanahnya adalah jenis Tanah Liat dan Tanah Ladang tahanan jenis tanahnya 100 Ωm dan permitivitas relatif tanah 10, untuk satu elektroda batang pembumian pada masing – masing kaki menara.
Resistansi :
R =
Induktansi :
L = 3 7
Kapasitansi :
Setelah diperoleh nilai R, L dan C selanjutnya dihitung impedansi surja pembumian menara dengan bentuk gelombang surja 1,2/50μs. Dengan menggunakan Persamaan 2.16 dipeloleh impedansi surja pembumian menara sebagai fungsi waktu seperti ditunjukkan pada Tabel 4.1 dengan a = 1,426 x 104 /s dan b = 4,877 x 106 /s.
Tabel 4.1 Impedansi surja pembumian menara
sebagai fungsi waktu
Impedansi surja pembumian dapat ditampilkan dalam bentuk kurva seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1 berikut ini:
-10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
IV.2.1 Perhitungan Impedansi Surja Pembumian Menara untuk Berbagai
Panjang Elektroda Pembumian
Sama seperti perhitungan diatas, berikut ini akan dihitung impedansi surja pembumian dengan menambah panjang elektroda pembumian dari 1,5 meter menjadi 12, 15 dan 20 meter seperti ditunjukkan pada Tabel 4.2 dengan jarak pemisah antar elektroda pembumian adalah 6,926 meter dan koefisien yang berhubungan dengan tanah dianggap tetap dan ditampilkan kurva masing-masing impedansi surja pada Gambar 4.2.
IV.2.2 Perhitungan Impedansi Surja Pembumian Menara untuk Berbagai
Jarak Pemisah antar Elektroda Pembumian
Berikut ini akan dihitung impedansi surja pembumian dengan menambah jarak pemisah antar elektroda pembumian dari 6,926 meter menjadi 7,926 ; 8,926 dan 9,926 meter seperti ditunjukkan pada Tabel 4.3 dengan panjang elektroda adalah 1,5 meter dan koefisien yang berhubungan dengan tanah dianggap tetap dan ditampilkan kurva masing-masing impedansi surja pada Gambar 4.3.
Kurva impedansi surja dari t=0,5 s/d 208 mikrodetik
t (mikrodetik) Z(t) ohm
t (mikrodetik) Z(t) ohm
t (mikrodetik) Z(t) ohm
t (mikrodetik) Z(t) ohm
Series1 Series2 Series3 Series4
. . . .200
Kurva impedansi surja dari t=0,5 s/d 208 mikrodetik
Gambar 4.2 Kurva impedansi surja pembumian untuk berbagai panjang elektroda pembumian
Kurva impedansi surja dari t=0,1 s/d 0,5 mikrodetik
IV.3 Perhitungan Tegangan Lengan Menara
Setelah diperoleh nilai impedansi surja pembumian menara maka tegangan lengan menara dapat dihitung dengan prosedur yang telah disebutkan pada sub-bab III.3. Dalam perhitungan berikut arus puncak kilat diambil 20 kA.
1. Menghitung impedansi surja kawat tanah untuk dua kawat tanah, Persamaan 3.11
Zg =
2. Menghitung impedansi surja menara, Persamaan 2.6
Zt =
(
)
3. Menghitung koefisien terusan a dan pantulan b, Persamaan 3.14, 3.15
a =
4. Menghitung tegangan puncak menara, Persamaan 3.16
e0 =
5. Menghitung tegangan lengan menara, Persamaan 3.23
Untuk menghitung tegangan lengan menara dapat ditunjukkan dari diagram tangga seperti pada Gambar 4.4.
tb =
x = jarak puncak menara dengan lengan menara paling bawah
Dengan Persamaan 3.18 diperoleh tegangan lengan menara
Vi = e0
dengan syarat:
0 ≤ t1≤ 200 ; 0,20 ≤ t2≤ 200,20 ; 0,30 ≤ t3≤ 200,30 ; 0,50 ≤ t4≤ 200,50 ; 0,60 ≤ t5≤ 200,60 ; 0,80 ≤ t6≤ 200,80
Z(t)
Tegangan di lengan menara untuk setiap waktu dapat dilihat dalam Tabel 4.4. Dari Tabel 4.4 dapat ditampilkan bentuk tegangan surja di lengan menara seperti pada Gambar 4.5.
0 200 400 600 800 1000 1200
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
t (mikrodetik) Vi (kV)
IV.3.1.Perhitungan Tegangan Lengan Menara untuk Berbagai Panjang
Elektroda Pembumian
Pada Tabel 4.5 ditunjukkan hasil perhitungan tegangan lengan menara untuk impedansi surja pembumian berbagai panjang elektroda pembumian dalam Tabel 4.2 dan ditampilkan kurva masing-masing tegangan lengan menara pada Gambar 4.6.
Tabel 4.5 Tegangan lengan menara untuk
IV.3.2.Perhitungan Tegangan Lengan Menara untuk Berbagai Jarak Pemisah
antar Elektroda Pembumian
Pada Tabel 4.6 ditunjukkan hasil perhitungan tegangan lengan menara untuk impedansi surja pembumian berbagai jarak pemisah antar elektroda pembumian dalam Tabel 4.3 dan ditampilkan kurva masing-masing tegangan lengan menara pada Gambar 4.7.
Tabel 4.6 Tegangan lengan menara untuk
Gambar 4.6 Tegangan lengan menara untuk berbagai panjang elektroda pembumian
IV.4 Analisa Data
Dari hasil perhitungan impedansi surja dan tegangan lengan menara untuk berbagai panjang dan jarak pemisah elektroda pembumian dapat dilihat besar impedansi dan tegangan lengan menara pada setiap waktu. Untuk melihat pengaruh panjang elektroda dan jarak pemisah antar elektroda pembumian terhadap impedansi surja dan tegangan lengan menara diambil pada t=1,2 μs.
IV.4.1 Pengaruh Panjang Elektroda Pembumian terhadap Impedansi Surja
Pembumian
Dari Tabel 4.2 diambil hasil perhitungan pada t=1,2 μs untuk melihat pengaruh panjang elektroda pembumian terhadap impedansi surja pembumian seperti ditunjukkan Tabel 4.7. Dari tabel tersebut ditampilkan kurva hubungan panjang elektroda pembumian dengan impedansi surja pembumian pada Gambar 4.8.
Tabel 4.7 Hubungan panjang elektroda dengan impedansi surja pembumian menara pada t = 1,2 μs
Dengan menambah panjang elektroda pembumian akan diperoleh penurunan impedansi surja pembumian pada saat t=1,2 μs sebesar :
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
0 5 10 15 20
panjang (m) Z(t) (ohm)
Gambar 4.8 Kurva hubungan panjang elektroda dengan impedansi surja pembumian menara pada t = 1,2 μs
Persentase penurunan impedansi surja pembumian untuk setiap waktu dan persentase rata-rata ditunjukkan pada Tabel 4.8
Tabel 4.8 Persentase penurunan impedansi surja pembumian
IV.4.2 Pengaruh Jarak Pemisah antar Elektroda Pembumian terhadap
Impedansi Surja Pembumian
Dari Tabel 4.3 diambil hasil perhitungan pada t=1,2 μs untuk melihat pengaruh jarak pemisah antar elektroda pembumian terhadap impedansi surja pembumian seperti ditunjukkan Tabel 4.9. Dari tabel tersebut ditampilkan kurva hubungan panjang elektroda dengan impedansi surja pembumian pada Gambar 4.9.
Tabel 4.9 Hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan impedansi surja pembumian menara pada t = 1,2 μs
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
0 2 4 6 8 10 12
jarak (m) Z(t) (ohm)
Gambar 4.9 Kurva hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan
Dengan menambah jarak pemisah antar elektroda akan diperoleh penurunan impedansi surja pembumian pada saat t=1,2 μs sebesar :
Untuk jarak pemisah 7,926 meter : 100% 32,68% 284849522
, 3
211100969 ,
2 284849522 ,
3
= ×
−
Untuk jarak pemisah 8,926 meter : 100% 61,48% 284849522
, 3
265105544 ,
1 284849522 ,
3
= ×
−
Untuk jarak pemisah 9,926 meter : 100% 87,22% 284849522
, 3
419670294 ,
0 284849522 ,
3
= ×
−
Persentase penurunan impedansi surja pembumian untuk setiap waktu dan persentase rata-rata ditunjukkan pada Tabel 4.10.
IV.4.3 Pengaruh Panjang Elektroda Pembumian terhadap Tegangan Lengan
Menara
Dari Tabel 4.5 diambil hasil perhitungan pada t=1,2 μs untuk melihat pengaruh panjang elektroda pembumian terhadap tegangan lengan menara seperti ditunjukkan Tabel 4.11. Dari tabel tersebut ditampilkan kurva hubungan panjang elektroda pembumian dengan impedansi surja pembumian menara pada Gambar 4.10.
Tabel 4.11 Hubungan panjang elektroda dengan
tegangan lengan menara pada t = 1,2 μs
Gambar 4.10 Kurva hubungan panjang elektroda dengan
Dengan menambah panjang elektroda akan diperoleh penurunan tegangan lengan menara pada saat t=1,2 μs sebesar :
Untuk panjang 12 meter : 100% 3,25%
58213955 ,
66
41315862 ,
64 58213955 ,
66
= ×
−
Untuk panjang 15 meter : 100% 14,54%
58213955 ,
66
90095799 ,
56 58213955 ,
66
= ×
−
Untuk panjang 20 meter : 100% 27,79%
58213955 ,
66
07745525 ,
48 58213955 ,
66
= ×
−
Persentase penurunan tegangan lengan menara untuk setiap waktu dan persentase rata-rata ditunjukkan pada Tabel 4.12.
Tabel 4.12 Persentase penurunan tegangan lengan menara
IV.4.4 Pengaruh Jarak Pemisah antar Elektroda Pembumian terhadap
Tegangan Lengan Menara
Dari Tabel 4.6 diambil hasil perhitungan pada t=1,2 μs untuk melihat pengaruh panjang elektroda pembumian terhadap tegangan lengan menara seperti ditunjukkan Tabel 4.13. Dari tabel tersebut ditampilkan kurva hubungan panjang elektroda pembumian dengan impedansi surja pembumian menara pada Gambar 4.11.
Tabel 4.13 Hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan
tegangan lengan menara pada t = 1,2 μs
Gambar 4.11 Kurva hubungan jarak pemisah antar elektroda dengan
Dengan menambah jarak pemisah antar elektroda akan diperoleh penurunan tegangan lengan menara pada saat t=1,2 μs sebesar :
Untuk jarak pemisah 7,926 meter : 100% 30,58%
58213955 ,
66
21852634 ,
46 58213955 ,
66
= ×
−
Untuk jarak pemisah 8,926 meter : 100% 57,83%
58213955 ,
66
07213803 ,
28 58213955 ,
66
= ×
−
Untuk jarak pemisah 9,926 meter : 100% 82,44%
58213955 ,
66
68908314 ,
11 58213955 ,
66
= ×
−
Persentase penurunan tegangan lengan menara untuk setiap waktu dan persentase rata-rata ditunjukkan pada Tabel 4.14.
Tabel 4.14 Persentase penurunan tegangan lengan menara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V.1. Kesimpulan
1. Dengan menambah panjang elektroda pembumian sampai 20 meter dengan jarak pemisah 6,926 meter dapat menurunkan tegangan lengan menar 32,36%. 2. Dengan menambah jarak pemisah antar elektroda sampai 9,926 meter dengan panjang elektroda 1,5 meter dapat menurunkan tegangan lengan menara 87,03%.
3. Memperkecil impedansi kaki menara lebih efektif dengan memperbesar jarak pemisah antar elektroda karena biaya untuk materialnya dan pengerjaannya lebih sedikit.
V.2. Saran
DAFTAR PUSTAKA
1. Hutauruk, T.S., “Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja”, Erlangga, Jakarta, 1991.
2. Lucas, J.R, ” High Voltage Engineering”, Sri Lanka,2001
3. Van der Sluis, Lou, “ Transients in Power Systems”, John Wiley & Son, New York, 2001.
4. Verma, R. Mukhedkar D, “Fundamental Consideration and Impuls Impedance of Grounding Grids”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. Pas-100, No.-3 March 1981.
5. Hutauruk, T.S., “Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan”, Erlangga, Jakarta, 1991.
6. Tobing, Bonggas L., “Peralatan Tegangan Tinggi”, Jakarta : Gramedia Pustaka Utama, 2003.
7. Rajagukguk, Managam, “ Analisis Transien Perilaku Sistem Pembumian Driven Rod”. Seminar Nasional & Workshop Tegangan Tinggi, 2002.
8. Pakpahan, Parouli, “Impedansi Konduktor Pengetanahan Pada Kajian Tegangan Lebih Akibat Petir”, Seminar Nasional & Workshop Tegangan Tinggi, 2002.
9. Hase, Yoshihide, “Handbook of Power Syetems Engineering”, John Wiley & Son.Ltd, 2007.
