SIMULASI TEGANGAN LEBIH AKIBAT SAMBARAN PETIR TERHADAP PENENTUAN JARAK MAKSIMUM UNTUK PERLINDUNGAN PERALATAN PADA GARDU INDUK

ABSTRACT

SIMULATION OF OVERVOLTAGE DUE TO LIGHTNING STRIKES TO THE DETERMINATION OF THE MAXIMUM DISTANCE FOR THE

EQUIPMENT PROTECTION IN SUBSTATIONS

By

Ayu Sintianingrum

Electrical energy is an important factor for sustaining life and community activities. In the process of distribution of electrical energy from substations to consumers is often have a obstacle. The one of obstacle of the transmission lines and the distribution caused by lightning strikes occurring in the power system. Lightning strikes that occur in substations will cause a large increase overvoltage at the equipment in the substation.

To determine the placement of arrester done by calculations and next doing overvoltage simulation of lightning strike using software Alternative Transients Program (ATP). Simulations doing by varying the flow of lightning striking and different front time of lightning also a safe maximum distance of arrester and transformer. The analysis was performed by a comparison of the two lightning front time also the lightning current variation.

From the simulation results and analysis showing that the lightning front time variation causing a voltage change which the voltage at the front time of 1.2 μs is higher than the voltage at the front time of 2 μs, this is because the time to reach the top will faster with a little lightning front time. Besides that, getting the result comparison of the voltage change before and after going through arrester. On the results of this study arrester and transformer maximum distance suggested is 29,4 m.

ABSTRAK

SIMULASI TEGANGAN LEBIH AKIBAT SAMBARAN PETIR TERHADAP PENENTUAN JARAK MAKSIMUM UNTUK

PERLINDUNGAN PERALATAN PADA GARDU INDUK

Oleh

Ayu Sintianingrum

Energi listrik merupakan faktor penting untuk menunjang kehidupan dan kegiatan masyarakat. Dalam proses penyaluran energi listrik dari gardu induk ke konsumen seringkali terjadi gangguan. Gangguan yang terjadi pada saluran transmisi dan distribusi salah satunya disebabkan oleh sambaran petir yang terjadi pada sistem tenaga listrik. Sambaran petir yang terjadi pada gardu induk akan menyebabkan kenaikan tegangan lebih yang besar pada peralatan di gardu induk.

Untuk penentuan jarak maksimum arrester dilakukan dengan melakukan perhitungan yang selanjutnya dilakukan simulasi tegangan lebih akibat sambaran petir menggunakan software Alternative Transients Program (ATP). Simulasi dilakukan dengan memvariasikan arus petir yang menyambar serta waktu muka petir yang berbeda dan penentuan rating arrester dan jarak aman arrester dan transformator. Analisis dilakukan dengan melakukan perbandingan terhadap kedua waktu muka petir serta perubahan variasi arus petir.

Dari hasil simulasi dan analisis diketahui bahwa perubahan waktu muka petir menyebabkan perbedaan perubahan tegangan yaitu tegangan pada waktu muka petir 1,2 μs lebih besar dibandingkan tegangan pada waktu muka petir 2 μs, hal ini dikarenakan waktu untuk mencapai puncak akan semakin cepat dengan semakin kecil waktu muka petir. Selain itu diperoleh perbandingan perubahan tegangan pada saat sebelum arester dan setelah melalui arester. Pada hasil penelitian ini diperoleh jarak maksimum arrester dan transformator yang disarankan yaitu sebesar 29,4 m.

SIMULASI TEGANGAN LEBIH AKIBAT SAMBARAN PETIR

TERHADAP PENENTUAN JARAK MAKSIMUM UNTUK

PERLINDUNGAN PERALATAN PADA GARDU INDUK

Oleh

AYU SINTIANINGRUM

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar

SARJANA TEKNIK

pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Bandar Lampung, pada tanggal 17 Desember 1992, anak ketiga dari empat bersaudara, dari pasangan Holid Yudianto, S.E. dan Rosnani.

Adapun riwayat pendidikan penulis adalah: TK Setia Kawan Panjang Bandar Lampung (1997-1998), SDN 1 Panjang Utara Bandar Lampung (1998-2004), SMPN 27 Bandar Lampung (2004-2007) dan SMAN 1 Bandar Lampung (2007-2010). Pada tahun 2010, penulis terdaftar sebagai Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Kupersembahkan kepada :

Ibunda dan Ayahanda yang telah

membesarkan diriku dengan

penuh kasih sayang dan cinta.

Nenenda Hj. Apuroh (Almh) yang

sangat menyayangiku.

Kakak-kakakku serta Adikku

yang sangat kucintai.

” Manfaatkan

lah setiap kesempatan menjadi

kesuksesan dan kunci sukses adalah kegigihan dalam

memperbaiki diri dan kesungguhan untuk

SANWACANA

Puji dan syukur Penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas nikmat dan karunia serta ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi yang berjudul “Simulasi Tegangan Lebih Akibat Sambaran Petir Terhadap Penentuan Jarak Maksimum Untuk Perlindungan Peralatan Pada Gardu Induk”. Penulisan skripsi ini dimaksudkan guna memenuhi syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Universitas Lampung.

Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyatakan penghargaan dan ucapan terima kasih, terutama kepada:

1. Bapak Prof. Dr. Drs. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung;

2. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulfan, S.T., M.Sc. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung;

3. Bapak Dr. Eng. Yul Martin, S.T., M.T. selaku Pembimbing Utama yang telah membimbing dan mengarahkan penulis selama penulisan Skripsi ini;

x

5. Bapak Dr. Herman Halomoan Sinaga, S.T., M.T. selaku Penguji Utama yang telah memberikan saran dan masukan yang sangat berarti bagi penyempurnaan Skripsi ini;

6. Bapak Herri Gusmedi, S.T, M.T. selaku Pembimbing Akademik;

7. Ibu Dr. Eng. Dikpride Despa, S.T., M.T. selaku Kepala Laboratorium Teknik Pengukuran Besaran Elektrik Universitas Lampung;

8. Seluruh staf di Gardu Induk Teluk Betung Tragi Tarahan Bandar Lampung yang telah memberikan data-data yang sangat penulis butuhkan dalam penyusunan Skripsi ini;

9. Seluruh staf Tata Usaha Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung yang telah memberikan banyak bantuan dan kemudahan dalam proses penyusunan skripsi ini;

10.Keluarga penulis tercinta : Ayahku Holid Yudianto, S.E. dan Ibuku Rosnani yang sangat kucintai, kakak-kakakku dr. Helmi Ismunandar, dr. Rani Himayani, Rudi Heriansyah, S.T., Hema Meilani, S.Farm.Apt. serta adikku tersayang Puranti Ramadhani, yang senantiasa memberikan kasih sayang, semangat dan do’a yang sangat berarti dalam proses penyelesaian skripsi ini; 11.Rekan-rekan Teknik Elektro: Devy, Kiki, Muth, Novia, Dian, Reza, Rahmad,

Joelisca, Jefri, Seto, Victor, Andri, Radi, Ahmad Surya, Anwar, Derry, serta teman-teman seperjuangan angkatan 2010 Teknik Elektro Unila yang selalu mendukung dan menjadi penyemangatku di kampus;

xi

13.Semua pihak yang tidak mungkin penulis sebutkan namanya satu persatu, yang telah ikut serta membantu dalam penyelesaian laporan ini;

Mengingat kemampuan yang masih sangat terbatas, penulis yakin dan percaya bahwa skripsi ini masih banyak mengandung kelemahan. Oleh karena itu saran dan masukan yang sifatnya membangun dari semua pihak sangat diharapkan, demi kebaikan bersama. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi diri pribadi, dan berguna bagi kita semua, serta dapat bermanfaat untuk kemajuan Teknik Elektro Universitas Lampung. Semoga Allah SWT selalu memberikan kemudahan dan jalan bagi kita semua.

Bandar Lampung, Desember 2015 Penulis

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR GAMBAR... xiv

DAFTAR TABEL... xvi

I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang... 1

B. Tujuan... 3

C. Manfaat... 3

D. Batasan Masalah... 4

E. Hipotesa... 4

F. Sistematika Penulisan... 5

II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Landasan Teori A. Fenomena Petir... 6

B. Tegangan Lebih Surja Petir…... 7

C. Arrester ……...………... 9

D. Menara Transmisi... 11

E. Gardu Induk... 12

F.Jarak Maksimum Arrester dan Transformator... 14

xiii

III. METODEPENELITIAN

A. Tempat Penelitian... ... 20

B. Data Penelitian... 20

C. Prosedur Penelitian... 23

D. Diagram Segaris Sederhana Gardu Induk... 34

E. Alur Penelitian... 35

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Perhitungan... ... 37

B. Simulasi ATPDraw... ... 38

C. Analisa Hasil Simulasi... 40

D. Protection Margin…...………... 49

E. Perhitungan Jarak Arrester-Transformator………... 49

F. Perbandingan Nilai Tegangan Transformator dan BIL Transformator... 51

G. Rangkaian Dasar Arrester Simulasi... 55

H. Perbandingan Tegangan Tanpa Arrester………... 57

V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan... 68

B. Saran………... 69

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1. Sambaran Petir dari Awan ke Bumi……….. 6 2.2. Tegangan Surja akibat Sambaran Petir... 8

2.3. Arrester Jenis Seng Oksida………... 10

2.4.

Bentuk Menara dan Konfigurasi Penghantar Transmisi Hantaran

Udara... 11 2.5.

2.6. 2.7.

Arrester Gardu Induk Teluk Betung……….

Gardu Induk Teluk Betung... Arrester dan Transformator Sejarak S...

12 13 14 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9.

MainWindow ATP………

Menara Jenis A... Menara Jenis B... Menara Jenis C... Model Menara Transmisi... Model Kawat Tanah... Model Kawat Fasa... Sistem Pentanahan Driven Rod Empat Batang Konduktor... Model Pentanahan Menara...

xv 3.10. 3.11. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. Model Arrester………..

Diagram Segaris Gardu Induk... Rangkaian Simulasi Dengan Arrester... Hubungan Besar Arus Petir dengan Tegangan pada Gardu Induk Untuk Impuls Petir 1,2/50μs... Hubungan Besar Arus Petir dengan Tegangan pada Gardu Induk Untuk Impuls Petir 2/50μs... Hubungan Besar Waktu Muka Petir dengan Tegangan pada Menara

Transmisi di Fasa C………...

Jarak Arrester –Transformator……….

Perbandingan BIL Transformator di Fasa C………. Rangkaian Pengujian Arester... Hasil Simulasi Rangkaian Dasar Arester... Rangkaian Simulasi Tanpa Arrester………..

Hasil Simulasi Waktu Muka 1,2 μs………... Perbandingan Saat Terpasang Arrester Dan Tanpa Arrester Di Fasa C Dengan Waktu Muka Petir 1,2/50 μs……….... Hasil Simulasi Pada Waktu Muka 2 μs………. Perbandingan Saat Terpasang Arrester Dan Tanpa Arrester Di Fasa C Dengan Waktu Muka Petir 2/50 μs………...

DAFTAR TABEL

I.

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Energi listrik merupakan faktor penting untuk menunjang kehidupan dan kegiatan masyarakat. Energi listrik yang dihasilkan pembangkit disalurkan melalui saluran transmisi ke gardu induk. Gardu induk memiliki peran penting dalam proses penyaluran energi listrik dari pembangkit sampai ke konsumen. Dalam proses penyaluran energi listrik dari gardu induk ke konsumen seringkali terjadi gangguan, salah satunya adalah masalah gangguan tegangan lebih transien. Tegangan lebih transiendapat disebabkan karena proses switching serta sambaran petir.

2

terhadap sambaran petir. Oleh karena itu diperlukan sistem perlindungan peralatan pada gardu induk terhadap sambaran petir yaitu menggunakan arrester yang biasa disebut sebagai penangkap petir, dimana tegangan surja akan dibatasi dibawah BIL peralatan.

Gardu Induk Teluk Betung merupakan gardu induk penurun tegangan dari tegangan tinggi 150 kV ke tegangan menengah 20 kV yang merupakan salah satu bagian penting dalam sistem distribusi kelistrikan di Lampung. Setiap peralatan pada Gardu Induk Teluk Betung harus selalu dalam kondisi yang baik, agar proses penyaluran energi listrik kepada konsumen akan tetap stabil. Arrester merupakan peralatan yang menjadi kunci dalam pengaman peralatan pada gardu induk terhadap sambaran petir. Salah satu hal yang perlu diperhatikan adalah penempatan arrester dan transformator di gardu induk. Penempatan arrester sedekat mungkin dengan peralatan dapat melindungi peralatan dari gangguan tegangan lebih transien. Saat terjadi gelombang berjalan yang menimbulkan tegangan lebih terhadap peralatan yang letaknya sedikit jauh dari arrester maka peralatan tersebut akan tetap terlindungi, bila jarak arrester masih dalam radius kerja proteksi.

3

B. Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah :

1. Membuat simulasi saluran transmisi serta arrester yang terpasang pada gardu induk.

2. Mengetahui besarnya tegangan lebih yang terjadi pada gardu induk setelah melalui arresterdan tanpa arrester.

3. Melakukan perhitungan jarak maksimum arrester dan transformator, serta tegangan pada transformator.

C. Manfaat

Manfaat yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah :

1. Dengan mengetahui nilai tegangan yang ditimbulkan impuls petir pada gardu induk, setelah melalui arrester dan tanpa arrester, dapat dijadikan perbandingan untuk penentuan sistem perlindungan gardu induk dari sambaran petir.

4

D. Batasan Masalah

Adapun dalam penelitian tugas akhir ini penulis mengambil batasan masalah pada penempatan arrester dalam jarak yang aman untuk melindungi transformator dari surja petir. Parameter yang digunakan adalah dengan variasi arus petir dan waktu muka petir.

Penentuan jarak aman maksimum transformator-arrester terhadap sambaran petir pada gardu induk dilihat dari nilai tegangan yang tiba pada gardu induk saat melalui arrester dan dilakukan perbandingan tanpa menggunakan arrester dengan menggunakan bantuan software Alternative Transients Program (ATP). Kemudian pada penelitian ini tidak membahas mengenai gelombang berjalan serta tidak membahas mengenai sistem koordinasi isolasi.

E. Hipotesa

5

F. Sistematika Penulisan

Dalam penulisan laporan Tugas Akhir ini terbagi dalam lima bab, yaitu : BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan tentang latar belakang masalah, tujuan, batasan masalah, hipotesa dan sistematika penulisan.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini mengemukakan landasan teori yang berisi teori–teori dasar yang berkaitan dengan penelitian yang dilakukan.

BAB III. METODE PENELITIAN

Bab ini berisi waktu dan tempat penelitian dilakukan di Gardu Induk Teluk Betung dan juga prosedur penelitian, serta alur penelitian.

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi data penelitian, hasil simulasi rangkaian penelitian serta pembahasan berdasarkan hasil simulasi.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang pokok-pokok kesimpulan yang didapat melalui perhitungan dan pembahasan.

DAFTAR PUSTAKA

Berisi kumpulan referensi yang dijadikan sebagai sumber bahan acuan dalam penulisan laporan tugas akhir ini.

LAMPIRAN

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Landasan Teori A. Fenomena Petir

Proses awal terjadi petir disebabkan karena adanya awan bermuatan di atas bumi. Pembentukan awan bermuatan disebabkan karena adanya kelembaban udara dan adanya gerakan udara keatas (up draft). Kelembaban udara timbul oleh pengaruh sinar matahari yang kemudian akan menyebabkan penguapan air dan uap air tersebut akan naik karena gerakan up draft. Proses up draft yang terjadi terus menerus akan membentuk awan bermuatan seperti gambar 2.1. ditunjukkan ilustrasi sambaran petir dari awan ke bumi.

7

Setelah timbul awan bermuatan, selanjutnya kristal-kristal es yang terdapat pada awan bermuatan tersebut saat terkena angin akan mengalami gesekan sehingga muatan pada kristal es tidak menjadi netral seperti sebelumnya, maka pada awan tersebut terdapat muatan positif (+) dan negative (-). Muatan positif pada awan berkumpul dibagian atas awan, sedangkan muatan negatif berada dibagian bawah awan. Permukaan bumi dianggap memiliki muatan positif sehingga muatan-muatan negatif yang berada di awan akan tertarik menuju muatan positif yang berada di bumi. Saat terjadi proses pengaliran muatan dari awan ke bumi ini yang kemudian disebut sebagai petir.

Sambaran petir terdiri dari beberapa macam jenis [2]:

1 . Sambaran langsung terjadi saat petir menyambar secara langsung peralatan dalam gardu induk. Sambaran langsung menyebabkan tegangan lebih (overvoltage) yang sangat tinggi.

2. Sambaran induksi terjadi saat sambaran petir ke tanah yang dekat dengan peralatan sehingga timbul tegangan lebih dan gelombang berjalan di tempat terjadinya sambaran.

3. Sambaran dekat adalah gelombang berjalan yang datang menuju gardu induk dimana hanya berjarak beberapa kilometer dari titik sambaran ke gardu induk.

B. Tegangan Lebih Surja Petir

8

waktu yang terbatas. Tegangan lebih akibat petir disebut sebagai tegangan lebih luar atau natural overvoltage karena petir adalah peristiwa alamiah yang tidak dapat dikendalikan oleh manusia [1].

Saat terjadi sambaran petir pada sebuah saluran transmisi maka akan timbul kenaikan tegangan pada jaringan dan tegangan lebih surja kemudian akan merambat ke ujung jaringan seperti ditunjukkan pada gambar 2.2. dibawah ini

[16]

.

Gambar 2.2.Tegangan Surja akibat Sambaran Petir [16]

Surja petir merupakan tegangan lebih disebabkan oleh petir. Pada saat gardu induk mengalami tegangan lebih akibat surja petir, maka isolasi peralatan gardu akan mengalami kerusakan. Sehingga diperlukan peralatan pelindung agar tegangan surja yang tiba di gardu induk tidak melebihi kekuatan isolasi pada peralatan gardu [16].

9

Tegangan lebih dari sambaran petir yang timbul tinggi sekali, sehingga hampir tidak mungkin mengisolasikan peralatan sistem terhadap tegangan tersebut. Karena itu untuk pengamanan terhadap sambaran petir dipakailah kawat tanah tahanan tanah yang serendah mungkin yang tidak boleh lebih dari 5 ohm. Serta digunakan arrester untuk melindungi gardu induk dari gelombang merambat. Peralatan-peralatan sistem harus mempunyai ketahanan isolasi yang cukup, sesuai dengan sistem pengamanannya [2].

Pada keadaan tegangan jaringan normal, arrester berfungsi sebagai isolasi. Namun, saat tiba surja petir pada arester, maka arester akan berubah menjadi konduktor yang mengalirkan muatan surja petir tersebut ke tanah [16].

C. Arrester

10

1. Arrester Jenis Seng Oksida (ZnO)

Arrester jenis ini merupakan arrester yang tidak terdapat sela seri didalamnya dan memiliki satu atau lebih unit yang kedap udara dimana masing-masing unit diisi blok tahanan katup yang merupakan elemen aktif dari arrester. Gambar 2.3. berikut ini merupakan arrester jenis ZnO.

Gambar 2.3. Arrester Jenis Seng Oksida

Prinsip kerja arrester ini pada dasarnya sama dengan arrester katup. Arrester ini tidak memiliki sela seri sehingga sangat bergantung pada tahanan dalam arrester itu sendiri. Saat terkena petir, tahanan arrester akan turun sehingga menjadi konduktor dan mengalirkan petir ke bumi. Saat arus petir lewat, tahanan kembali naik dan arrester bersifat sebagai isolator.

High Voltage Terminal Grading Ring

11

D. Menara Transmisi

Menara transmisi digunakan untuk menopang kawat – kawat penghantar pada sebuah saluran transmisi. Saluran tegangan tinggi maupun ekstra tinggi menggunakan menara yang terbuat dari baja. Pada Gambar 2.4. ditunjukkan beberapa bentuk menara baja dan konfigurasi penghantar saluran transmisi.

Menara Jenis A Menara Jenis B Menara Jenis C Saluran Ganda Konfigurasi Delta Konfigurasi Horizontal

Gambar 2.4. Bentuk Menara dan Konfigurasi Penghantar Transmisi Hantaran Udara [17]

Pada gambar 2.4. dapat dilihat bentuk menara sesuai konfigurasi penghantar

menara transmisi. Pada konfigurasi saluran ganda dapat dilihat terdapat 2 buah

penghantar fasa. Pada konfigurasi delta, penghantar fasa R S T tersusun seperti

bentuk delta. Sedangkan pada konfigurasi horizontal penghantar fasa R S T

tersusun secara horizontal. Pada BAB III. Metode Penelitian dapat dilihat rumus

untuk menghitung impedansi surja menara transmisi berdasarkan jenis

penampang menaranya. Berdasarkan jenis penampang menaranya maka menara

12

dengan konfigurasi delta diasumsikan sebagai menara jenis B, dan menara

dengan konfigurasi horizontal diasumsikan sebagai menara jenis C, hal ini

dikarenakan bentuk penampang menara tersebut dapat dikatakan hampir sama

sesuai dengan konfigurasi penghantar fasa menara.

E. Gardu Induk

Tegangan yang dibangkitkan dari generator terbatas dalam orde belasan kilovolt, sedangkan transmisi membutuhkan tegangan dalam orde puluhan sampai orde ratusan kilovolt, untuk menaikkan tegangan diperlukan transformator daya step up. Tegangan transmisi dalam puluhan sampai ratusan kilovolt, sedangkan konsumen membutuhkan sampai dua puluhan kilovolt, sehingga di antara transmisi dan konsumen di butuhkan transformator daya step down. Gambar 2.5. berikut ini memperlihatkan arester yang terpasang pada gardu induk Teluk Betung.

13

[image:30.595.172.452.245.491.2]

Semua perlengkapan yang terpasang di sisi sekunder dan primer ini harus mampu memikul tegangan tinggi. Transformator daya beserta perlengkapannya yang disebut sebagai gardu induk[16]. Gambar 2.6. menunjukkan sebuah gardu induk yaitu gardu induk teluk betung beserta peralatannya.

Gambar 2.6. Gardu Induk Teluk Betung

14

didistribusikan ke gardu distribusi. Gardu induk dapat juga dibagi atas lokasi instalasinya, yaitu gardu induk pasangan dalam dimana setiap peralatan tegangan tinggi terpasang di dalam dan gardu induk pasangan luar dimana setiap peralatan tegangan tinggi terpasang di luar ruangan.

F. Jarak Maksimum Arrester dan Transformator

Terdapat beberapa metoda yang digunakan untuk menentukan jarak maksimum yang diizinkan antara arrester dan transformator yang dilindungi, salah satunya metoda pantulan berulang. Pada gambar 2.7. menunjukkan penempatan arrester dan transformator dengan jarak S.

[image:31.595.113.498.418.669.2]

Gambar 2.7. Arrester dan Transformator Sejarak S S

15

Metoda pantulan berulang merupakan metoda pendekatan yang digunakan untuk menentukan jarak maksimum arrester dan peralatan, dan untuk menentukan panjang maksimum dari kabel penghubung peralatan dengan saluran transmisi. Metode ini dapat digunakan untuk menghitung jarak aman maksimum antara arrester dan transformator, sehingga dalam penempatan arrester berada pada posisi yang tepat dan dapat melindungi peralatan, dalam hal ini yaitu transformator. Berikut ini adalah persamaan untuk metoda pantulan berulang[5] :

Ep = Ea + 2 A S/v

Dimana : Ea = tegangan percik arrester

Ep = tegangan pada jepitan transformator

A = de/dt = kecuraman gelombang datang, dan dianggap konstan

16

2.2. Penelitian Mengenai Arrester

17

2. Penelitian oleh Saengsuwan dan Thipprasert dalam “Lightning Arrester Modelling Using ATP-EMTP”,membahas mengenai pemodelan lightning arrester menggunakan ATP/EMTP yang mendeskripsikan analisis operasi dari surja arrester metal oxida dari model IEEE W.G. 3.4.11 dan Pincetti menggunakan ATP-EMTP. Pada waktu muka standar, presentase error dari model IEEE lebih tinggi daripada model Pincetti. Pada kondisi switching overvoltage presentase error IEEE hampir sama seperti model Pincetti [13]. Perbedaannya dimana unjuk kerja arrester yang digunakan adalah pada 220 volt dan penelitian ini akan membahas arrester pada jaringan tegangan tinggi.

3. Penelitian oleh Violeta Chis et all, mengenai ”Simulation Of Lightning Overvoltages With ATP-EMTP And PSCAD/EMTDC”[18]

18

4. Penelitian oleh Sapto Nugroho dalam “Analisis Pengaruh Tegangan Induksi Akibat Sambaran Petir Tak Langsung di Penyulang Badai 20 kV

PLN Cabang Tanjung Karang Menggunakan Simulasi EMTP”

mendeskripsikan tentang pengaruh tegangan induksi dengan jarak tertentu di saluran udara tegangan menengah terhadap besar ketahanan impuls isolasi. Penelitian dilakukan dengan menggunakan jarak sambaran yang bervariasi yaitu pada 30 m dan 50 m dari titik saluran dan arus sambaran balik petir yang digunakan dimulai dari 10 kA kemudian ke 50 kA hingga 100 kA. Simulasi pada penelitian ini dilakukan dengan memodelkan penyulang Badai 20 kV PLN Cabang Tanjung Karang sebanyak 10 tiang. Pengaruh dari induksi tegangan dari saluran diukur melalui voltmeter yang terpasang pada titik awal, titik tengah dan titik akhir saluran. Pada simulasi dilakukan pemasangan arester dengan jarak pemasangan antara 300 m sampai 400 m pada saluran. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa semakin jauh jarak sambaran maka semakin kecil nilai tegangan induksi, serta pemasangan arester dengan jarak 300 m cukup efektif untuk mengurangi tegangan lebih akibat sambaran petir tak langsung[10]. Perbedaan pada penelitian ini ialah simulasi sambaran petir menyambar terlebih dahulu pada menara transmisi dan merambat menuju gardu induk.

19

III. METODE PENELITIAN

A. Tempat Penelitian

Penelitian tugas akhir ini dilakukan di Gardu Induk 150 KV Teluk Betung Tragi Tarahan, Bandar Lampung, Provinsi Lampung.

B. Data Penelitian

Untuk mendukung terlaksananya penelitian ini maka diperlukan berbagai macam data peralatan yang terdapat pada Gardu Induk Teluk Betung. Data peralatan-peralatan tersebut antara lain:

1. Data Menara Transmisi

 Bahan tiang : Besi Galvanis

 Tinggi menara : 31 m

 Jenis Konduktor : ACSR

 Diameter konduktor : 240 mm2

 Inom konduktor : 645 A

2. Data Kawat Tanah

 Tipe konduktor : Tembaga

 Diameter : 1,3 cm

21

3. Data Kawat Fasa

 Tipe konduktor : Aluminium

 Diameter : 3 cm

4. Data Sistem Pentanahan Menara

 Jenis sistem pentanahan : Driven rod empat batang konduktor

 Panjang konduktor : 5 m

 Diameter konduktor : 1,3 cm

 Resistivitas tanah : 50 Ωm

 Jarak antara konduktor (S1) : 10 m

 Jarak antara konduktor (S2) : 10 √2 m

 Tahanan rata-rata : 2,3Ω

5. Data Isolator Saluran

 Bahan isolator : Kaca, Keramik

 Jumlah : 11 piring isolator

 Panjang rentengan : 1,606 m

 BIL : 750 KV

6. Data Lightning Arrester

 Manufacturer : BOWTHORPE EMP LIMITED MBA 4-150

 Frequency : 50 Hz

7. Data Current Transformer

 Manufacturer : GEC ALSTHOM BALTEAU QDR 170

 Standard : IEC 185

 Nominal voltage : 150 kV

22

 Frequency : 50 Hz

 BIL : 750 kV

8. Data Voltage Transformer

 Manufacturer : GEC ALSTHOM BALTEAU CCV 170

 Standard : IEC 186

 Nominal voltage : 150 kV

 Highest system voltage : 170 kV

 Frequency : 50 Hz

 BIL : 750 kV

9. Data Transformator Daya

 Manufacturer : UNINDO

 Rated voltage in KV : 150 KV

 Rated current : 161,7/230,9

 Connection : star

 Rated power frequency : 275 KV withstand voltage

 Rated lightning impulse withstand : 750 KV voltage 1,2/50 mikro-sec

23

C. Prosedur Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan perhitungan untuk menghitung nilai variabel yang akan dimasukkan pada simulasi dan selanjutnya dilakukan simulasi menggunakan software Alternative Transiens Program (ATP). ATP merupakan sistem program universal yang digunakan untuk simulasi digital terhadap gejala fenomena transien serta sifat elektromekanis dalam sistem tenaga elektrik. Dengan program digital ini, jaringan yang kompleks dan sistem kontrol dapat disimulasikan [12]. Software ATP dipilih untuk penelitian ini karena ATP memiliki fitur-fitur yang lengkap untuk simulasi tegangan lebih transien, namun dengan sistem operasi user yang tidak terlalu kompleks dan data yang dimasukkan dalam program simulasi dapat menggunakan data yang real sehingga hasil yang didapat akan lebih mendekati keadaan yang sebenarnya.

ATP memiliki kemampuan pemodelan yang luas dan fitur penting tambahan selain perhitungan transien. ATP memprediksi variabel kepentingan dalam jaringan tenaga listrik sebagai fungsi waktu, biasanya dimulai oleh beberapa gangguan. ATP memiliki banyak model termasuk motor, transformator, surja arrester, saluran transmisi, dan kabel.

24

TACS (Transien Analysis of Control Systems) adalah modul simulasi untuk analisis domain waktu sistem kontrol yang awalnya dikembangkan untuk simulasi kontrol HVDC konverter. Untuk TACS, digunakan sistem diagram blok kontrol. Interface antara jaringan listrik dan TACS dilakukan dengan pertukaran sinyal seperti node tegangan, saklar arus, resistansi variasi waktu serta tegangan dan sumber arus.

Kemampuan untuk modul program TACS and MODELS memungkinkan pemodelan sistem kontrol dan komponen dengan karakteristik nonlinear seperti busur api dan korona. Sistem dinamis tanpa jaringan listrik juga dapat disimulasikan dengan menggunakan pemodelan sistem kontrol TACS dan MODELS. Gambar 3.1. berikut ini akan memperlihatkan tampilan pada software ATP.

[image:41.595.126.498.436.715.2]

25

Gangguan simetris atau tidak simetris dapat dibuat, seperti surja petir dan beberapa jenis operasi switching. Model pada ATP terdiri dari komponen sebagai berikut : element R,L,C, saluran transmisi, dan kabel, resistansi nonlinear dan induktansi, transformator, surge arrester, saklar, dioda, thyristor, triacs, mesin sinkron 3 fasa.

Adapun prosedur dalam penelitian ini yaitu : 1. Penyiapan Data-Data dan Spesifikasi Peralatan

Data-data yang diperlukan dalam penelitian ini adalah konfigurasi menara transmisi, sistem pentanahan, isolator saluran, data kawat konduktor, BIL peralatan pada Gardu Induk 150 KV Teluk Betung, serta data spesifikasi setiap peralatan yang terdapat pada switchyard Gardu Induk 150 KV Teluk Betung. 2. Perhitungan Parameter Saluran

Perhitungan yang akan dilakukan adalah sebagai berikut : a. Impedansi Surja Menara

[image:42.595.266.365.521.675.2]

Impedansi surja menara dihitung menurut rumus-rumus Sargent dan Daveniza [7]:

[image:43.595.255.371.82.209.2]

26

Gambar 3.3. Menara Jenis B [5]

Gambar 3.4. Menara Jenis C [5]

Pada Gambar 3.2. diperlihatkan penampang menara pada menara jenis A. Impedansi surja menara untuk menara jenis A :

Pada Gambar 3.3. diperlihatkan penampang menara pada menara jenis B. Impedansi surja menara untuk menara jenis B :

27

Dimana :

= 60 ln + 90 - 60

= 60 ln + 90 - 60

Pada Gambar 3.4. diperlihatkan penampang menara pada menara jenis C. Impedansi surja menara untuk menara jenis C :

= 60 [ln √

Dimana : = Impedansi surja menara, ohm = Tinggi menara, meter

= Impedansi dengan ketebalan menara,ohm

= Impedansi dengan jarak antar kaki menara,ohm = Jarak kawat antar menara, meter

Jenis menara dan perhitungan yang digunakan pada penelitian ini adalah menara jenis A karena menara transmisi yang digunakan merupakan SUTT 150 kV dengan data menara seperti yang terdapat pada lampiran.

b. Menghitung Impedansi Surja Kawat Tanah

Untuk 1 Kawat Tanah

Zg = 60 √ ...3.4.

c. Perhitungan Nilai Koefisien a Pada Puncak Menara Untuk Gelombang Datang Dari Dasar Menara

a =

28

d. Menghitung Koefisien Pantulan b Pada Puncak Menara

b = a – 1 ...3.6.

e. Menghitung Tegangan Puncak Menara

E =

s =

arus kilat, kA ...

3.7.

f. Perhitungan nilai Koefisien d Pada Dasar Menara Untuk Gelombang Datang Dari Puncak Menara

d =

R = Tahanan Kaki Menara, ohm ...3.8.

g. Menghitung Tegangan Pada Isolator

perhitungan dilakukan dengan diagram tangga :

Vi = e

o

{ (1- K) T + d {{ T

–

2 (

)}+ (b-Ka) (T -

+ d

2

b

[{T - 2(

)} + (b

Ka)( T

) + d

3

b

2

[{[{T - 2(

)}+

(b - Ka)( T

)}

...

3.9.

h. Perhitungan Lompatan Api Balik

V50% = (K1 + ) x 103 kV ...3.10.

Dimana : K1 = 0,4 W

= 0,71 W

29

i. Penentuan Rating Arrester

Setiap arrester memiliki beberapa hal yang diperlukan untuk menentukan rating arrester. Pada tugas akhir ini akan dibahas beberapa hal yang dapat digunakan sebagai pertimbangan penentuan rating arrester untuk gardu induk Teluk Betung. Hal yang menjadi penentuan rating arrester tersebut adalah tegangan pengenal arrester, arus pelepasan kerja arrester. Di bawah ini akan dijelaskan tegangan pengenal arrester dan arus kerja arrester dengan dimasukkan nilai parameternya.

1. Tegangan Pengenal Arrester

Untuk mencari besar nilai tegangan pengenal diperlukan untuk mengetahui tegangan tertinggi sistem dan koefisien pentanahan. Sistem yang digunakan diketanahkan secara efektif melalui arrester dan tidak melampaui 80% dari tegangan sistem. Sehingga diperoleh nilai tegangan pengenal arrester sebagai berikut[19] :

Uc = Tegangan sistem x 1,1 x koefisien pentanahan = 150 x 1,1 x 0,8

= 132 kV

2. Arus Kerja Arrester

30

yang digunakan sebesar 454 kV. Serta besar nilai impedansi surja pada lampiran A diperoleh 141,27 Ω.

Sehingga :

Ia =

=

= 15,47 kA

j. Perhitungan Tegangan Terminal Transformator[7]

TT = 1,15

3. Pembuatan Simulasi Saluran Transmisi dan Gardu Induk Teluk Betung

Setelah mendapatkan data dan spesifikasi peralatan maka data-data tersebut akan diolah dan selanjutnya akan dilakukan pemodelan menggunakan software ATP dimana hasil dari pemodelan tersebut selanjutnya akan dianalisis. Pemodelan yang dibuat adalah menara transmisi, kawat fasa, kawat tanah, arrester serta peralatan gardu induk.

a. Menara Transmisi

[image:48.595.291.332.88.125.2]

31

Gambar 3.5. Model Menara Transmisi

b. Kawat Tanah

Kawat tanah sering disebut juga sebagai kawat perisai (shielding wire) yang ditempatkan diatas kawat fasa pada sebuah saluran transmisi. Semakin dekat jarak antara kawat tanah dan kawat fasa maka akan semakin baik tingkat perlindungan. Pada Gambar 3.6. dibawah ini menunjukkan bentuk pemodelan kawat tanah pada simulasi ATP[3] :

Gambar 3.6. Model Kawat Tanah

c. Kawat Fasa

Pada saluran ganda tiga fasa terdapat dua konduktor paralel per fasa dan arus antara kedua konduktor terbagi rata. Gambar 3.7. dibawah ini menunjukkan bentuk pemodelan kawat fasa pada simulasi ATP[3]:

32

d. Sistem Pentanahan

Sistem pentanahan menara yang digunakan di Gardu Induk 150 KV Teluk Betung adalah sistem driven rod empat batang konduktor. Pada Gambar 3.8. menunjukkan sistem pentanahan driven rod empat batang konduktor.

S1

[image:49.595.197.351.205.348.2]

S2

Gambar 3.8. Sistem Pentanahan Driven Rod Empat Batang Konduktor

Dari gambar 3.8. dapat dilihat empat batang konduktor dengan panjang , dimana setiap konduktor memiliki radius dan ditanam tegak lurus dalam tanah, sehingga tahanan ( ), induktansi ( ), dan kapasitansi ( ) pada konduktor adalah [9] :

33

Dimana : = permitivitas relatif tanah = resistivitas tanah, ohm-meter

= jarak antara dua buah konduktor, meter

Gambar 3.9. dibawah ini menunjukkan bentuk pemodelan pentanahan menara pada simulasi ATP :

Gambar 3.9. Model Pentanahan Menara

e. Arrester

[image:50.595.249.399.467.560.2]

Untuk pemodelan dari lightning arrester pada ATP digunakan model dari standar IEEE WG.3.4.11 tahun 1992 seperti Gambar 3.10. berikut ini :

Gambar 3.10. Model Arrester

4. Analisis dan Pembahasan

34

D. Diagram Segaris Sederhana Gardu Induk

[image:51.595.157.457.218.274.2]

Untuk membuat pemodelan dari sebuah saluran transmisi dan gardu induk maka diperlukan mengetahui diagram segaris terlebih dahulu. Pada gambar 3.11. dibawah ini menunjukkan diagram segaris sederhana dari sebuah gardu induk :

Gambar 3.11. Diagram Segaris Gardu Induk Keterangan :

a. Saklar Pembumian (ES)

b. Saklar Pemisah (DSB, DSL), berfungsi untuk memutus dan menutup rangkaian yang arusnya rendah.

c. Transformator Arus (CT), berfungsi untuk pengukuran arus yang besarnya ratusan ampere dan arus yang mengalir dalam jaringan tegangan tinggi. d. Circuit Breaker (CB) , berfungsi untuk memutuskan dan menutup jaringan

tanpa menyebabkan kerusakan pada pemutus daya.

k. Lightning Arrester (LA) , berfungsi sebagai pelindung sehingga tegangan lebih surja petir tidak melebihi batas isolasi.

f. Transformator Daya (TD)

35

E. Alur Penelitian

Keterangan Alur Penelitian :

[B] : Data spesifikasi dapat dilihat pada subbab B. Data Penelitian pada bab ini.

Mulai

Pengumpulan data-data awal : spesifikasi menara, konduktor saluran, isolator, sistem pentanahan menara, arrester [B]

Perhitungan pentanahan menara (R, L, C),

Pembuatan model simulasi menara transmisi dan Gardu Induk menggunakan software ATP

Hasil keluaran pada software ATP

Analisa dan Pembahasan

Selesai

Masukkan nilai saluran transmisi dan peralatan pada Gardu Induk pada software ATP

Simulasi dengan ATP

Perhitungan dari parameter saluran : Zt, Zg, a, b, E, d,

Vi

V. KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan untuk penentuan jarak maksimum arester terhadap sambaran petir pada gardu induk, maka dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu :

1. Tegangan lebih pada waktu muka petir 1,2/50 μs lebih besar dibandingkan nilai tegangan lebih pada saat waktu muka petir 2/50 μs disebabkan karena semakin kecil waktu muka petir maka waktu yang dibutuhkan untuk mencapai puncak tegangan semakin cepat.

2. Nilai tegangan transformator pada simulasi masih berada dibawah batas yang diizinkan yaitu dibawah 750 kV, hal ini disebabkan karena pengaruh pemasangan arrester yang terdapat pada ujung saluran dengan jarak aman maksimum.

69

B. Saran

Dari hasil analisis serta pembahasan pada penelitian ini, maka penulis memberikan saran sebagai berikut:

DAFTAR PUSTAKA

1. Arismunandar, A. 1984. Teknik Tegangan Tinggi. P.T. Pradnya Paramita. Jakarta.

2. Arismunandar, A. Kuwahara S. 1973. Teknik Tenaga Listrik Jilid 2. P.T. Pradnya Paramita. Jakarta.

3. Chabrol, A. McDonagh, N. 2013. Calculation Of Lightning Overvoltage Failure Rates For a Gas Insulated Substation. Paper. ESB International. Ireland.

4. Greenwood, Allan. 1970. Electrical Transients in Power Systems. John Wily & Inc. USA.

5. Hutauruk, T.S. 1989. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja. Erlangga. Jakarta.

6. IEEE Modelling Guidelines for Fast Front Transients. 1997. The Institute of Electrical and Electronics Engineers. New York.

7. J.A Martinez, P. Chowduri, R Irvani, A. Keri, D. Povh. 1998. “Modelling Guidelines For Very Fast Transients In Gas Insulated Substations”.

8. M.A, Sargent. M, Darveniza.1969. Tower Surge Impedance IEEE Trans Vol1.PAS-88. May. Hal. 680-687.

9. M. Pakpahan, Parouli. Khayam Umar. Ambara Guna, I.P.G. 2002. Impedansi Konduktor Pengetanahan Pada Kajian Tegangan Lebih

Akibat Petir. Seminar Nasional dan Workshop Tegangan Tinggi. Universitas Gajah Mada. Yogyakarta.

10.Nugroho, Sapto. 2005. Analisis Pengaruh Tegangan Induksi Akibat

Sambaran Petir Tak Langsung di Penyulang Badai 20 kV PLN

Cabang Tanjung Karang Menggunakan Simulasi EMTP. Tugas Akhir. Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung. Bandar Lampung.

11.Oramus, P. Florkowski, M. Influence of Various transmission Line Models on Lightning Overvoltages in Insulation Coordination Studies.

Seminarium. Korporacyne Centrum ABB. Krakow.

12.Prikler, László. Høidalen Hans Kr. 2009. ATPDraw for Windows 5.6. Norway.

13.Saengsuwan, T. Thipprasert W. 2004. Lightning Arrester Modeling Using ATP-EMTP. Paper. Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering Kasetsart University. Bangkok.

14.Setiawan, Agung. 2006. Karakteristik Unjuk Kerja Arrester ZnO

15.Syakur, Abdul. Agung Warsito. Liliyana Nilawati. 2009. Kinerja

Arrester Akibat Induksi Sambaran Petir pada Jaringan Tegangan

Menengah 20 KV. Paper. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. Semarang.

16.Tobing, Bonggas L. 2003. Peralatan Tegangan Tinggi. PT. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

17.Tobing, W Roland. 2010. Pengaruh Impedansi Surja Pembumian Menara Transmisi Terhadap Tegangan Lengan Menara. Tugas Akhir. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Medan.

18.Violeta, Chis. Cristina, Bala. Mihaela, Daciana Craciun. Simulation Of Lightning Overvoltages With ATP-EMTP And PSCAD/EMTDC. Paper. Department Of Mathematics And Computer Science. University Of Arad.