LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
ANALISIS USIA ARRESTER PADA JARINGAN DISTRIBUSI TERHADAP SAMBARAN KILAT DENGAN MENGGUNAKAN
ATP-EMTP
Studi Kasus PLN Ranting Medan Johor Oleh :
META SINAGA NIM : 090402006
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada Tanggal 15 Bulan Januari Tahun 2014 di depan penguji : 1. Ketua Penguji : Yulianta Siregar, S.T., M.T.
2. Anggota Penguji : Syiska Yana, S.T., M.T. Disetujui Oleh:
Pembimbing Tugas Akhir
(Ir. Zulkarnaen Pane, M.T.) NIP : 19570720 198303 1 001
Diketahui Oleh:
Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU
ABSTRAK
Sistem tenaga listrik dalam keadaan beroperasi sering mengalami
gangguan, umumnya gangguan petir yang dapat mengakibatkan terganggunya
penyaluran tenaga listrik ke konsumen. Lightning Arrester merupakan peralatan yang digunakan untuk melindungi peralatan sistem tenaga dari gangguan
sambaran petir pada jaringan distribusi. Arester tidak selamanya bekerja dengan
sempurna sebagaimana seharusnya ketika diterpa arus petir. Kondisi ini
memungkinkan arester gagal bekerja, dimana selain mengganggu sistem yang
dilindungi, kegagalan ini juga mempengaruhi performa dari arester itu sendiri
yang akan berpengaruh pada usia arester.
Dalam Tugas Akhir ini, penulis menghitung kemungkinan kegagalan
arester bekerja dan usia arester pada saluran tegangan menengah 20 kV Ranting
Medan Johor dengan tipe arester yang digunakan adalah arester metal oksida (MOA).
Berdasarkan hasil perhitungan memperlihatkan bahwa probabilitas
kegagalan arester sebesar 0.73479 × 10 dan usia yang mampu dicapai arester untuk kondisi kerapatan sambaran rata-rata sejak tahun 2008 hingga 2012 adalah
6 tahun 10 bulan 28 hari.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Allah Bapa di dalam Yesus Kristus untuk segala
hal yang telah dianugerahkan kepada Penulis, sehingga Penulis dapat
menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul :
ANALISIS USIA ARESTER PADA JARINGAN DISTRIBUSI TERHADAP SAMBARAN KILAT DENGAN MENGGUNAKAN ATP-EMTP
Studi Kasus PLN Ranting Medan Johor
Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk
menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik
Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Selama masa kuliah sampai penyelesaian Tugas Akhir ini, Penulis banyak
mendapat dukungan, bimbingan, maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu
penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Ayahanda K. Sinaga, Ibunda R. Situmorang, Kakek U. Situmorang yang
kini dalam kenangan dan Nenek M. Sihotang yang selalu memberi
dukungan, doa dan menyediakan segala keperluan selama perkuliahan
hingga penyelesaian Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas
nasehat, bimbingan, dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini
dan telah menjadi sosok inspirasi dalam kehidupan perkuliahan penulis
3. Bapak Yulianta Siregar ST, MT dan Ibu Syiska Yana ST, MT selaku
Dosen Penguji yang telah memberikan pengarahan dan saran dalam
menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ir. Pernantin Tarigan, M.Sc selaku Dosen Wali Penulis yang selama
perkuliahan telah memberi banyak nasehat dan arahan.
5. Bapak Ir.Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik
Elektro FT USU dan Bapak Rahmad Fauzi ST, MT selaku Sekretaris
Departemen Teknik Elektro FT USU.
6. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Kepala Laboratorium Tegangan Tinggi
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara
yang telah membimbing Penulis selama menjadi Asisten di Laboratorium
Tegangan Tinggi.
7. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan
seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara atas segala bantuannya.
8. Tante Asnahria, Tante Juan, Uda Juan, Tulang Charles dan Tulang
Yusnita. Dan juga Saudara-saudari Penulis : Harmoko yang kini dalam
kenangan, Trini Arta Uli, Juan Pratama, Gresia Sari, dan Anggita Violin,
yang selalu menguatkan, mengingatkan untuk semangat dan memberi
penghiburan disaat Penulis dalam keadaan terpuruk.
David A, Nicholas, Samson, Jesayas, Thanks, Candra, Daniel, Lamcan,
Nico, Frans, Reza, Oloni, yang telah banyak memberi dukungan dan
bantuan saat proses pengurusan data hingga penulisan Tugas Akhir ini.
10. Teman-teman Asisten Laboratorium Tegangan Tinggi, Wangto, Join,
Raymond, dan Kentrik.
11. Keluarga Besar Ikatan Mahasiswa Teknik Elektro dan semua pengurus
IMTE 2013-2014.
12. Abang- Kakak dan Adik-adik elektro yang sudah memberi dukungan dan
bantuan terkhusus bang Albert ’06 dan iqnatius ’10 yang mengajari menggunakan ATP-EMTP, bang Frans ’06 dan bang Mitro ’06 yang telah memberi banyak referensi buku, bang Christian ’08, kak Elis ’08, Afron ’10, Chandra ’10, Angel ’10 dan Sylvester ’10, Riko ’11, Biondi ’11, Albert ’11, Joseph ‘11 yang banyak memberi dorongan dan bantuan lainnya.
13. Sahabat-sahabat terbaik Beswan 27 yang super unik, informatif, inspiratif
dan komunikatif yang selalu memberi semangat baru: Yassir, Teguh, dan
Andi.
14. Teman curhat dan menghibur Lusi, Tiurma, dan Lely.
15. Balai Besar BMKG dan PLN Ranting Medan Johor yang telah
memberikan fasilitas data untuk keperluan penyelesaian Tugas Akhir ini.
16. Serta untuk semua pihak yang tidak bisa disebutkan oleh Penulis satu per
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik
dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu, penulis mengharapkan
saran dan kritik dengan tujuan menyempurnakan isi dan analisa yang disajikan.
Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi Penulis dan Pembaca.
Medan, Desember 2013
Penulis
Meta Sinaga
DAFTAR ISI
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Tujuan Penulisan... 3
1.5 Manfaat Penulisan ... 3
II. TINJAUAN PUSTAKA... 4
2.1 Umum... 4
2.1.1 Arrester Akspulsi(Expulsion Type)... 6
2.1.2 Arrester Katup... 8
2.1.2.1 Arrester Katup Sela Pasif ... 9
2.1.2.2 Arrester Katup Sela Aktif... 9
2.1.2.3 Arrester Metal Oksida(MOA)... 10
2.1.3 Data Pengenal Arrester ... 12
2.2.2 Bentuk Gelombang... 17
2.2.3 Kerapatan Sambaran dan Arus Puncak Petir ... 18
2.2.4 Teori Perhitungan Probabilitas Kegagalan dan Usia Arrester... 20
III. METODOLODI PENELITIAN.………...……… 24
3.1 Tempat dan Waktu ... 24
3.2 Metode Penelitian... 24
3.3 Proses Pengambilan Data ... 25
3.4 Variabel yang Diamati ... 26
3.5 Simulasi Arus Petir Menggunakan Software ATP-EMTP ... 27
3.6 Proses Pengolahan Data ... 30
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN... 31
4.1 Umum... 31
4.2 Analisis Gangguan Petir Saluran Udara Tegangan Menengah ... 31
4.3 Analisis Simulasi Arus Petir ... 33
4.4 Analisis Probabilitas Kegagalan dan Usia Arrester ... 36
V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 39
5.1 Kesimpulan ... 39
5.2 Saran... 39
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Karakteristik Tahanan Katup ... 5
Gambar 2.2 Konstruksi Arrester Ekspulsi ... 7
Gambar 2.3 Konstruksi Arrester Katup ... 8
Gambar 2.4 Konstruksi Arrester Metal Oksida... 11
Gambar 2.5 Perbandingan MOA dengan SiC ... 12
Gambar 2.6 Tahapan Sambaran Petir ke Tanah... 16
Gambar 2.7 Bentuk Gelombang Impuls Petir Standar IEC ... 18
Gambar 2.8 Konfigurasi Jarak Sambaran Petir... 19
Gambar 3.1 Flowchart Simulasi... 27
Gambar 3.2 Single Line Diagram Jaringan Distribusi ... 28
Gambar 3.3 Rangkaian Ekivalen Arrester Metal Oksida... 28
Gambar 3.4 Rangkaian Simulasi Arrester Metal Oksida ... 30
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Konstanta Distribusi Frekuensi Kumulatif Gelombang Arus
Petir ... 21
Tabel 3.1 Karakteristik Arus A0 dan A1... 29
ABSTRAK
Sistem tenaga listrik dalam keadaan beroperasi sering mengalami
gangguan, umumnya gangguan petir yang dapat mengakibatkan terganggunya
penyaluran tenaga listrik ke konsumen. Lightning Arrester merupakan peralatan yang digunakan untuk melindungi peralatan sistem tenaga dari gangguan
sambaran petir pada jaringan distribusi. Arester tidak selamanya bekerja dengan
sempurna sebagaimana seharusnya ketika diterpa arus petir. Kondisi ini
memungkinkan arester gagal bekerja, dimana selain mengganggu sistem yang
dilindungi, kegagalan ini juga mempengaruhi performa dari arester itu sendiri
yang akan berpengaruh pada usia arester.
Dalam Tugas Akhir ini, penulis menghitung kemungkinan kegagalan
arester bekerja dan usia arester pada saluran tegangan menengah 20 kV Ranting
Medan Johor dengan tipe arester yang digunakan adalah arester metal oksida (MOA).
Berdasarkan hasil perhitungan memperlihatkan bahwa probabilitas
kegagalan arester sebesar 0.73479 × 10 dan usia yang mampu dicapai arester untuk kondisi kerapatan sambaran rata-rata sejak tahun 2008 hingga 2012 adalah
6 tahun 10 bulan 28 hari.
Kata Kunci : lightning arrester, mekanisme sambaran petir, probabilitas
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Tingginya kebutuhan energi listrik membuat penyedia layanan listrik harus
meningkatkan sistem keandalan tenaga listrik, pelayanan, dan kontinuitas tenaga
listrik yang maksimal. Selama proses penyaluran tenaga listrik pada gardu
distribusi sering terjadi gangguan petir. Gangguan petir ini menyebabkan terjadi
tegangan lebih pada peralatan, sehingga pada gardu distribusi selalu diperlengkapi
dengan komponen pengaman gardu distribusi yakni arrester. Intensitas gangguan
petir yang cukup tinggi di Indonesia khususnya di sumatera utara akan
mempengaruhi keandalan dan usia arrester. Sebelumnya penelitian ini telah
dilakukan di Thailand pada jaringan distribusi 22 kV berkawat tanah dengan besar
probabilitas kegagalannya adalah 0.001557 dengan jarak antar tiang berarester 5
km dan 10 km dan usia arrester kira-kira 61 tahun untuk gangguan petir yang
menyambar kawat tanah dan 31 tahun untuk gangguan petir yang menyambar
kawat fasa [1].
Untuk itu Tugas Akhir ini akan membahas mengenai pengaruh jumlah
gangguan petir terhadap kegagalan arrester bekerja dan usia arrester berdasarkan
kerakteristik petir di Sumut dan arester yang digunakan pada jaringan distribusi 20
1.2. Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana usia arester pada jaringan distribusi terhadap probabilitas
kegagalan arester.
2. Bagaimana pengaruh jumlah hari guruh terhadap besar probabilitas kegagalan
kinerja arester.
1.3. Batasan Masalah
Untuk membatasi materi yang akan dibicarakan dalam tugas akhir ini
maka penulis perlu membuat batasan cakupan masalah yang akan dibahas. Hal ini
berguna supaya isi dan pembahasan dari tugas akhir ini menjadi lebih terarah dan
dapat mencapai hasil yang diharapkan. Maka penulis membatasi penulisan tugas
akhir ini sebagai berikut :
1. Usia Arester yang diteliti adalah usia arrester tipe MOA pada jaringan
distribusi 20 kV Ranting Medan Johor.
2. Jumlah hari guruh yang diambil dari BMKG Sumatera Utara untuk daerah
Medan dalam menentukan probabilitas kegagalan arester bekerja adalah
jumlah hari guruh tahun 2008 hingga 2012.
3. Tugas akhir ini mengabaikan perambatan gelombang akibat sambaran petir.
4. Sesuai dengan keadaan jaringan distribusi di Sumatera Utara yang tidak
menggunakan kawat tanah, maka pada tugas akhir ini perhitungan dengan
1.4. Tujuan Penulisan
Adapun tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui
pengaruh sambaran petir dengan parameter yang sudah ditentukan terhadap
usia arrester jaringan distribusi di Sumatera Utara.
1.5. Manfaat Penulisan
Adapun manfaat dari Tugas Akhir ini adalah :
1. Kita bisa mengetahui berapa lama usia suatu arester yang terpasang pada
jaringan distribusi sehingga dapat mengantisipasi kapan arester tersebut harus
diganti.
2. Tugas akhir ini dapat digunakan sebagai referensi untuk penelitian lainnya
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Umum
Lightning Arrester merupakan alat proteksi peralatan listrik terhadap
tegangan lebih yang disebabkan oleh petir atau surja hubung (switching surge).
Alat ini bersifat sebagai by-pass di sekitar isolasi yang membentuk jalan yang
mudah dilalui oleh arus kilat ke sistem pentanahan sehingga tidak menimbulkan
tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik.
By-pass ini harus sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran daya
sistem frekuensi 50 Hz. Pada keadaan normal, arrester berlaku sebagai isolator
dan bila timbul tegangan surja, alat ini bersifat sebagai konduktor yang
tahanannya relative rendah, sehingga dapat mengalirkan arus yang tinggi ke tanah.
Setelah surja hilang, arrester harus dapat dengan cepat kembali menjadi isolasi.
Pada pasarnya arrester terdiri dari 3 unsur [2]:
1. Elektroda
Elektroda ini adalah terminal dari arrester yang dihubungkan dengan
bagian yang bertegangan dibagian atas dan elektroda bawah dihubungkan ke
tanah.
2. Sela percik(spark gap)
Apabila terjadi tegangan lebih oleh sambaran petir atau surja hubung pada
busur api. Pada beberapa type arrester, busur api yang terjadi tersebut ditiup
keluar oleh tekanan gas yang ditimbulkan oleh tabung fiber yang terbakar.
3. Tahanan katup(valve resistor)
Tahanan yang dipergunakan dalam arrester ini adalah suatu jenis material yang
sifat tahanannya dapat berubah bila mendapatkan perubahan tegangan seperti
terlihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Karakteriktik Tahanan Katup [2]
Keterangan : A = Tahanan linear
B = Tahanan non linear
Vr = Residual voltage
Ada dua jenis arrester yakni arrester ekspulsi dan arrester katup [3].
Sebagai pengaman tegangan lebih pada jaringan distribusi, arrester harus memiliki
karakteristik berikut [4]:
1. Arrester tidak boleh bekerja pada keadaan normal
2. Arrester harus bekerja saat tegangan puncak surja lebih tinggi dari tegangan
yang mampu dipikul arrester.
3. Arrester harus mampu mengalirkan dan melawatkan arus surja ke tanah tanpa
merusak arrester itu sendiri.
4. Setelah gangguan dinetralisir, arus susulan akibat arus sistem harus segera
dipadamkan.
2.1.1. Arrester Ekspulsi(Expulsion Type)
Konstruksi arrester jenis ekspulsi diperlihatkan pada Gambar 2.2. Arrester
jenis ekspulsi mempunyai sela luar dan sela dalam yang ditempatkan di dalam
Gambar 2.2. Konstruksi Arrester Ekspulsi [3]
Pemakaian arrester ini terbatas pada sistem bertegangan sampai 33 kV.
Arrester ini dapat digunakan untuk melindungi transformator distribusi
bertegangan 3 – 15 kV, tetapi belum memadai untuk melindungi trafo daya. Keuntungan arrester ekspulsi sebagai berikut:
1. Harganya tidak begitu mahal karena konstruksinya yang sederhana.
2. Kinerjanya lebih baik daripada jenis sela batang karena dapat memadamkan
arus susulan sendiri.
3. Karakteristikv–tarrester ini lebih baik dari sela batang. 4. Pemasangannya mudah
Sela luar Konduktor transmisi
Sela dalam Tabung serat
Elektroda Saluran
Kerugian arrester ekspulsi sebagai berikut:
1. Arrester harus diganti setelah beberapa kali bekerja karena gas yang
dikeluarkan setiap bekerja akan mengakibatkan sebagian material tabung
terkelupas.
2. Arrester ini tidak dapat ditempatkan berdampingan dengan peralatan yang
akan dilindungi karena terdapat gas buangan ketika bekerja.
2.1.2. Arrester Katup
Arrester katup terdiri dari arrester sela pasif, arrester sela aktif dan arrester
tanpa sela percik atau yang dikenal dengan arrester metal oksida. Kostruksi
arrester katup diperlihatkan pada Gambar 2.3.
2.1.2.1. Arrester Katup Sela Pasif
Arrester katup sela pasif terdiri dari sela percik, resistor tak – linear, dan isolator tabung. Sela percik dan resistor tak – linear di tempatkan dalam tabung isolasi yang tertutup, sehingga kerja arrester ini tidak dipengaruhi oleh keadaan
udara sekitar.
Resistor tak – linear terbuat dari beberapa piring silikon karbida (silicon carbide) yang terhubung seri. Nilai resistansi resistor pada arrester ini sangat besar ketika melewatkan arus lemah, namun nilai resistansinya akan sangat rendah
ketika dilewati arus kuat. Karakteristik arus dan tegangan resistor tak – linear dinyatakan oleh Persamaan 2.1.
= ……….……....(2.1)
Dimana nilai α untuk silikon berkisar antara 2 – 6, sedangkan nilai K bergantung pada ukuran dan bentuk geometris piring silikon karbida.
2.1.2.2. Arrester Katup Sela Aktif
Konstruksi arrester katup sela aktif hampir sama dengan arrester katup sela
pasif. Arrester katup sela aktif terdiri dari sela utama, kumparan, sela bantu dan
resistor tak – linear yang dimasukkan dalam tabung isolasi porselen. Saat tegangan impuls tiba di terminal arrester katup sela aktif yang membuat sela
terminal kumparan yang akan mengakibatkan sela bantu tembus dan dialiri arus
petir.
Setelah arus petir menjadi nol, maka arus susulan berfrekuensi daya akan
mengalir pada kumparan disebabkan impedansi kumparan yang berubah menjadi
sangat rendah pada frekuensi daya. Akibatnya busur api pada sela bantu tidak
stabil dan akhirnya padam. Arus yang mengalir pada kumparan akan
membangkitkan medan magnet yang akan menerpa busur api pada sela utama,
membuat lintasan busur api semakin panjang dan suhunya berkurang. Sehingga
saat arus susulan bernilai nol, busur api pada sela utama padam. Pemadaman
busur api inilah yang membedakan antara arrester katup sela aktif dengan arrester
katup sela pasif.
Dalam aplikasi arrester katup sela aktif pada jaringan bertegangan tinggi
selalu ditambahkan satu atau lebih set ‘sela utama – kumparan– sela bantu’ atau dengan menggunakan resistor tak–linear sebagai pengganti sela bantu.
2.1.2.3. Arrester Metal Oksida(MOA)
Arrester atau yang juga sering dikatakan sebagai penangkal petir adalah
alat pelindung peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir yang sifatnya
sebagai by-pass di sekitar isolasi yang membentuk jalan yang mudah dilalui oleh
arus kilat ke sistem pentanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang
tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik.
Arrester metal oksida merupakan arrester yang banyak digunakan sejak
Adalah besar puncak tegangan impuls yang terjadi diantara kedua terminal
arrester ketika arrester tersebut menyalurkan arus impuls. Jenis arus impuls
dalam menentukan tegangan sisa adalah:
a. Arus impuls hubung–buka : (30-100) / (60-200) µs,i≤ 2 kA b. Arus impuls petir : 8/20 µs,i≤ 40 kA
c. Arus impuls tinggi : 4/10 µs,i≤ 100 kA, umumnya pada arrester 65 dan 100 kA
Tegangan ini harus di bawah tegangan ketahanan terhadap tegangan impuls.
4. Arus peluahan maksimum
Adalah nilai puncak tertinggi dari arus impuls 5/10 μ s yang dapat dialirkan arrester tanpa merusak arrester. Dewasa ini, arus peluahan maksimum arrester
dirancang 100 kA untuk gardu dan 65 kA untuk arrester jenis saluran.
5. Arus nominal
Adalah besar puncak arus impuls 8/20 µs menurut standar, dan digunakan
untuk mengklasifikasikan arrester. Puncak arus nominal umumnya adalah:
a. 2,5 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal 36 kV
b. 5 kA, digunakan untuk sistem bertegangan pengenal 132 kV
c. 10 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal 3–360 kV, dan d. 20 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal diatas 360 kV
Adalah besar tegangan efektif frekuensi daya yang membuat terjadinya
percikan di sela arester. Tegangan percik frekuensi daya harus cukup tinggi
agar sela arester tidak terpercik jika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah
maupun pada saat terjadi operasi hubung-buka. Biasanya tegangan percik
frekuensi daya ditetapkan≥ 1,5 kali tegangan pengenalarrester. 7. Tegangan percik impuls petir maksimum
Adalah puncak tegangan maksimum impuls 1,2/50 μ s, yang membuat sela arrester pasti terpercik atau bekerja. Misalnya ada suatu arrester tegangan
percik impuls maksimum 65 kV – 1,2/50 μ s, sebanyak 5 kali, maka sela arrester akan terpercik 5 kali.
8. Frekuensi pengenal
Sama dengan frekuensi sistem dimana arrester dipasang.
Petir adalah mekanisme pelepasan muatan listrik di udara yang dapat
terjadi di dalam awan, antara awan, awan dengan udara, dan antara awan dengan
tanah. Antara awan dengan permukaan bumi dapat dianalogikan seperti dua
keping lempeng bermuatan, dimana lempeng pertama adalah awan dan lempeng
kedua adalah bumi. Terjadinya muatan pada awan diakibatkan adanya pergerakan
awan secara teratur dan terus menerus yang membuat awan terpolarisasi sehingga
muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi, sedangkan muatan positif
berkumpul pada sisi yang lainnya.
Muatan listrik pada awan ini akan menimbulkan beda potensial antara
awan dengan bumi yang akan menimbulkan medan listrik antara awan dan bumi.
Jika medan listrik antara awan dengan bumi lebih besar daripada kekuatan
dielektrik udara yang mengantarai awan dengan bumi, maka akan terjadi
pelepasan muatan pertama yaknipilot leader. Pada ujungpilot leader akan terjadi proses ionisasi sehingga terjadi pelepasan kedua yang disebut downward leader.
Pada ujung downward leader terjadi lagi pelepasan muatan hingga semakin mendekati bumi yang disebutleader.
Saat leader semakin mendekati bumi, terjadi medan listrik yang sangat tinggi antara ujung leader dengan bumi, yang membuat terjadi penumpukan muatan di ujung suatu objek yang berada dipermukaan bumi. Sehingga muatan
Sambaran langsung adalah kilat yang menyambar langsung pada kawat
fasa ( untuk saluran tanpa kawat tanah) atau pada kawat tanah (untuk saluran
dengan kawat tanah). Pada saluran udara tegangan menengah diasumsikan bahwa
pada saluran dengan kawat tanah tidak ada kegagalan perisaian. Hal ini
dikarenakan tinggi kawat diatas tanah relative rendah ( 10 - 13 meter ) dan juga
karena dengan sudut perisaian yang biasanya lebih kecil dari 60 sudah dapat
dianggap semua sambaran kilat mengenai kawat tanah, jadi tidak ada kegagalan
perisaian. Untuk itu dalam tugas akhir ini akan dibahas tentang gangguan
sambaran langsung pada saluran udara tegangan menengah tanpa kawat tanah.
Saat kilat menyambar kawat tanah atau kawat fasa maka akan timbul arus
besar dan sepasang gelombang berjalan yang merambat ke kawat. Arus yang
besar ini dapat membahayakan peralatan – peralatan yang ada pada saluran. Besarnya arus atau tegangan akibat sambaran ini tergantung pada besarnya arus
kilat, waktu muka dan jenis tiang saluran. Karena saluran tegangan menengah
tidak begitu tinggi diatas tanah, maka jumlah sambaran langsungpun relative
rendah. Makin tinggi tegangan sistem makin tinggi tiangnya, dan makin besar
pula jumlah sambaran ke saluran itu.
2.2.2. Bentuk Gelombang
Bentuk gelombang tidak selalu sama. Hal ini dikarenakan pengaruh
= .
Dimana :
α = Sudut perisaian untuk gangguan sambaran langsung jaringan distribusi ( 60 )
w = Panjang isolator (cm)
Xs = Daerah yang tidak terlindungi oleh perisaian (m)
Sehingga berdasarkan Gambar 2.8, maka:
= + ………...(2.6)
Maka besar probabilitas petir menyambar kawat fasa adalah [1]:
= ………...(2.7)
2.2.4. Teori Perhitungan Probabilitas Kegagalan dan Usia Arester
Tidak selamanya arester bekerja sebagaimana mestinya saat ada arus surja
petir ataupun arus surja hubung. Kegagalan arester beroperasi bukan hanya
membuat peralatan terganggu namun juga rusak, dan hal ini juga mempengaruhi
kinerja dan ketahanan arester. Berdasarkan kondisi ini maka probabilitas
kegagalan kinerja arester dapat dihitung dengan menggunakan persamaan – persamaan berikut. Dimana selain besar arus petir yang menyambar, durasi
sambaran petir merupakan salah satu parameter terpenting yang harus diketahui.
Faktor yang cukup penting diketahui dalam penggunaan arrester adalah
tegangan frekuensi daya tertinggi yang mungkin dipikul arrester. Tegangan ini
merupakan tegangan yang mempertahankan arus frekuensi daya (50 Hz) yang
Semakin besar arus petir maka arus frekuensi daya memiliki kemungkinan untuk
bernilai besar juga. Jika arus frekuensi daya ini besar dan berlangsung cukup lama
maka hal inilah yang memungkinkan arrester gagal bekerja dengan sebagaimana
mestinya.
Dalam tugas akhir ini tidak secara keseluruhan lamanya durasi sambaran
digunakan, melainkan waktu-ekor yang dijadikan variabel bebaslah yang
diteliti. Distribusi waktu-ekor ini dipengaruhi oleh probabilitas distribusi arus
puncak, yakni [9]:
=
( )
………(2.8)
Dimana terdapat ketentuan yakni [10]:
Untuk < 20 , = 61.1 = 1.33
dan > 20 , = 33.3 = 0.605
Dengan adanya Persamaan 2.8 tersebut, maka probabilitas waktu-ekor
dapat diperoleh dari persamaan [9,11]:
g( ) =− = . ………...(2.9)
Dimana merupakan konstanta berdasarkan observasi [11] yang
besarnya 0.85 dan nilai dapat diambil dari Tabel 2.1 [12].
Tabel 2.1. Konstanta Distribusi Frekuensi Kumulatif Gelombang Arus Petir
Berdasarkan persamaan – persamaan yang ada, maka probabilitas kegagalan arrester bekerja oleh sambaran ke fasa dapat dinyatakan dengan
persamaan berikut [9,11]:
= ∫ ∞ ∫ ∞ ( )
……...…..(2.10)
Dimana :
: Probabilitas kegagalan arrester
: Fungsi probabilitas kerapatan arus puncak
( ) : Fungsi probabilitas kerapatan nilai time-to-half dari gelombang arus
: Arus petir yang diperlukan untuk menyebabkan kegagalan untuk
nilai T50(Untuk nilai Time-to-half diperlihatkan oleh Tabel2.1).
: Waktu-ekor maksimum yang digunakan dalam simulasi (µs)
: Besar probabilitas petir menyambar kawat fasa
Jika jaringan distribusi tersebut menggunakan kawat tanah, maka
kemungkinan besar objek yang akan disambar oleh petir adalah kawat tanah
tersebut. Namun tidak menutup kemungkinan arrester akan gagal bekerja.
Kegagalan yang lebih dari 1 kali atau dapat dikatakan berkali –kali, akan mempengaruhi performa arrester yang lambat laun akan membuat usia arrester
semakin pendek. Usia rata – rata arrester yang dipengaruhi oleh kegagalannya dalam bekerja dinyatakan oleh persamaan berikut [9,11] :
Dimana :
= Usia arrester rata-rata (tahun)
= Jumlah sambaran petir ke saluran (berdasarkan standar IEEE)
(banyak/100km. tahun)
= Jarak antara arrester (km)
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu
Dalam proses pengerjaan Tugas Akhir ini dibutuhkan fasilitas data dari :
1. Balai Besar BMKG Jl. Ngumban Surbakti No. 15 Selayang II, terkait data
kerapatan sambaran petir untuk daerah Medan. Proses permohonan Fasilitas
data dimulai sejak 9 April 2013 dan dibalas pada 17 April 2013.
2. PLN Cabang Medan Sumatera Utara Jl. Listrik No.12, terkait data wilayah
yang sering mengalami gangguan akibat sambaran petir dan data arester yang
digunakan. Berdasarkan arahan dari PLN Cabang Medan Sumatera Utara Jl.
Listrik, saluran distribusi yang sering mengalami gangguan sambaran petir
adalah saluran distribusi 20 kV Ranting Medan Johor yang merupakan sistem
yang melayani konsumen Ranting Medan Selatan Namorambe. Surat
permohonan fasilitas data diberikan sejak 22 April 2013 dan dibalas 27 Mei
2013.
3.2. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini akan dilakukan pengumpulan data sambaran petir di
Medan Sumatera Utara 5 tahun terakhir dari BMKG Medan dan data tiang
Proses Pengambilan data yang diperlukan dalam penulisan Tugas Akhir
ini dimulai setelah surat permohonan fasilitas data direspon, yakni:
1. Balai Besar BMKG dimulai sejak tanggal 17 April hingga 1 Mei 2013.
Berdasarkan data yang didapat dari Badan Meteorologi, Klimatologi dan
Geofisika (BMKG) Balai Besar Wilayah I Medan, hari guruh (IKL) yang
dimiliki medan untuk 5 tahun terakhir dapat dilihat pada Lampiran 1..
2. PLN Ranting Medan Johor dimulai sejak 27 Mei sampai 11 Juni 2013.
Dimana data-data yang didapat adalah sebagai berikut:
a. Spesifikasi Saluran Udara Tegangan Menengah
Data material saluran udara tegangan menengah yang diperlukan dalam
tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
• Tegangan sistem : 20 kV
• Penghantar : AAAC 70–95 mm2
• Tiang penyangga : Beton 350 daN
• Tinggi Tiang : 12 m dari dalam tanah
• Cross Arm Steel : 2,4 meter
• Rating tegangan isolasi : Pin Pos 24 kV
• Frekuensi Daya : 50 Hz
• Ketahanan Impuls (BIL) : 125 kV
• Sistem Pentanahan : Pentanahan tiang
Arrester yang diteliti adalah arrester MOA dengan spesifikasi :
Tegangan pengenal : 25 kV
Arus pelepasan nominal 8/20μ s : 10 kA pk
Arus impuls curam 4/10μ s : 100 kA pk
Kapabilitas energi, 1 impuls : 1,5 kJ/kV pada MCOV
Tegangan operasi kontinu maksimum (MCOV) : 15,3 kV rms
3.4. Variabel yang Diamati
Variabel yang diamati dalam Tugas Akhir ini adalah panjang saluran
distribusi berarester dan karakteristik arester yang digunakan pada jaringan
tegangan menengah 20 kV secara umum oleh PLN Ranting Medan Johor, besar
3.5. Simulasi Arus Petir Menggunakan Software ATP - EMTP
Dalam Tugas Akhir ini, software ATP-EMTP digunakan untuk
memperoleh kenaikan besar nilai arus petir yang memungkinkan dengan
kondisi besar arus petir yang menyambar 24 kA, dan waktu ekor di atur mulai
30-500μ s[13]. Proses simulasi diperlihatkan olehflowchartpada Gambar 3.1.
Mulai
Gambar 3.2. S
A0 = Karakteristik A
A0
A1
Lo
Co
ar 3.2. Single Line Diagram Jaringan Distrib
angkaian ekivalen arester yang digunakan
r 3.3 dengan dua resistor non-linear A0 dan A1.
ar 3.3. Rangkaian Ekivalen Arrester Metal Ok
n data yang diperoleh dari PLN Ranting Medan J
nsi Jaringan sebesar 1 pF.
Resistor non-linear A0 dan A1 adalah komponen MOV tipe 92 pada
simulasi. Vref = 56 kV, tegangan residu pada rating arrester 10 kA. Karakteristik
arus A0 dan A1 diperlihatkan Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Karakteristik Arus A0 dan A1
A0 A1
A kV kA kV
20 46,5 0,98 46,33
50 49,3 2,45 49,21
100 52,1 4,9 52,01
200 56,0 9,8 55,86
400 63,6 19,6 63,42
Sehingga rangkaian yang dibuat pada simulasi diperlihatkan pada Gambar
3.4. Dengan memasukkan data- data sebagai berikut yang proses pemasukan
datanya dapat dilihat pada Lampiran 2 hingga 5:
1. Arus Impuls yang dimasukkan adalah 24 kA dengan nilai Tstart = 0 dan
Tstop= 500μ sdengan Tf= 30μ spada komponensurgetipe 15.
2. Kapasitansi jaringan = 1 pF dan Induktansi jaringan = 0,2μ H.
3. Vref =56 kV dan karakteristik resistor non-linear A0 dan A1 pada Tabel
4.3 untuk komponen MOV1 dan MOV2.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Umum
Pada bab II dan III telah diuraikan teori perhitungan gangguan sambaran
dan proses pengolahan datanya. Dengan mengikuti teori yang telah dijelaskan
tersebut, maka pada bab ini akan dilakukan perhitungan probabilitas kegagalan
kerja arester dan usia arester akibat tegangan lebih gangguan sambaran petir pada
saluran distribusi 20 kV3φ 100 kVAUnit Ranting Medan Johor.
4.2. Analisis Gangguan Petir Saluran Udara Tegangan Menengah
Berdasarkan data hari guruh pada Lampiran 1 sejak tahun 2008 hingga
2012 dimana IKLnya adalah 140, maka nilai pada Persamaan 2.3 dapat
dihitung sebagai berikut:
= 0,15
= 0,15 ∙ 140
= 21 sambaran
Dan,
= 8. .
= 8.24 .
Dengan didapatnya banyak jumlah sambaran diatas, maka banyaknya
jumlah sambaran petir ke jaringan dapat dihitung dengan Persamaan 2.3 dengan
perhitungan sebagai berikut :
= ∙ .
= 21 ∙ ( ) . .
= 21 ∙ 18.748
= 393.7sambaran/100km.tahun
Besar kegagalan perisaian yang membuat petir menyambar kawat fasa
dengan panjang isolator yang diberikan oleh PLN Ranting Medan Johor w = 30
cm dengan α 60adalah:
= (1 + sin( − ))
= 63.128 (1 + sin(60 − 30))
= 63.128 (1.5)
= 94.692m
Dengan jarak pemasangan antar arester dalam 1 tiang = 30 cm, maka :
= +
= 0.3 + 94.692
Berdasarkan gambar grafik hasil simulasi dianalisis bahwa semakin lama
waktu-ekor yang diatur maka kenaikan arus petir semakin tinggi. Dimana secara
4.4. Analisis Probabilitas Kegagalan dan Usia Arrester
Dengan menggunakan persamaan – persamaan pada sub-bab 2.2.4, maka dapat dihitung probabilitas kegagalan arrester.Untuk menghitung distribusi arus
kilat digunakan Persamaan 2.8 dengan ketentuan yang telah ditetapkan.
Karena arus petir yang diberi dalam simulasi adalah 24 kA ( > 20 ), maka
berdasarkan ketetapan pada sub-bab 2.2.5 untuk distribusi arus kilat, nilai
= 0.605dan Ī = 33.3 , sehingga distribusi arus puncak adalah:
= 1
Dari perhitungan didapat besar probabilitas distribusi arus kilat adalah
eksponensial pangkat minus logaritma natural arus petir dibagi arus rata-rata pada
ketentuan yang telah ditetapkan dan berbanding terbalik dengan besar arus petir
yang diberikan.
Dengan menggunakan Persamaan 2.9, dan ketentuan nilai konstanta
yang diperoleh dari observasi yakni 0.85, maka besar nilai ( ) dapat dihitung
Dari perhitungan didapat besar probabilitas distribusi waktu-ekor 30-500
μ s dengan T50 = 89 μ s, sebesar 0.02589. Dimana nilai probabilitas distribusi
waktu ekor ini berbanding lurus dengan batas tertinggi waktu-ekor pangkat -1
Dengan didapatnya nilai dan ( ), maka probabilitas kegagalan
arester dapat dihitung dengan Persamaan 2.10 sebagai berikut :
= ∫ ∞ ∫ ∞ ( )
Berdasarkan perhitungan diatas besar nilai probabilitas kegagalan arester
bergantung pada integral probabilitas distribusi arus kilat , probabilitas petir
akan menyambar kawat fasa , dan probabilitas distribusi waktu ekor
( ). Dan dengan didapatnya nilai sebesar 0.73479 × 10 berdasarkan
perhitungan diatas dan nilai = 393.7, maka berdasarkan rata-rata banyaknya
sambaran yang menerpa arester sejak 2008 hingga 2012, usia arester dapat
dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.11, yakni sebagai berikut :
= ∙ ∙
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Setelah melakukan pengolahan data, perhitungan dan analisis maka dapat
disimpulkan bahwa :
1. Dengan menggunakan software ATP-EMTP sebagai simulasi arus petir,
probabilitas kegagalan arester bekerja adalah0.73479 × 10 .
2. Usia arester pada saluran tegangan menengah 20 kV dengan jarak antar
arester 500 m untuk lokasi jaringan di PLN Ranting Medan Johor dengan
kondisi kerapatan sambaran rata-rata yang diambil sejak tahun 2008
hingga 2012 adalah 6 tahun 10 bulan 28 hari
5.2. Saran
Untuk penelitian yang lebih maksimal, perlu dilakukan perbaikan
kekurangan yang terdapat pada penelitian Tugas Akhir ini. Beberapa saran yang
bisa diberikan untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut :
1. Tugas Akhir ini dapat dikembangkan dengan mencari besar nilai arus petir
yang terjadi di Sumatera Utara.
2. Tipe arester dan jarak jaringan yang digunakan dapat divariasikan sesuai
DAFTAR PUSTAKA
[1] Klairuang, N., Pobpron, W., &Horkierti, J., “Lifetime Analisys Of Distribution Arrester By Lightning Stroke”, Kasetsart University, Thailand.
[2] Hutauruk, T.S., “Gelombang Berjalan Dan Proteksi Surja”, Penerbit
Erlangga, Jakarta, 1988.
[3] Tobing, Bonggas, “Peralatan Tegangan Tinggi”, Edisi Ke-2, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2012.
[4] Frianto, “Pengaruh Impedansi Surja Pembumian Terhadap Gelombang Surja Yang Dilewatkan Pada Terminal Lightning Arrester Dengan Simulasi Software MATLAB”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik–USU, Medan, 2004.
[5] Buku Petunjuk Lightning Arrester PT.PLN Persero
[6] Francisco, “Perhitungan Jumlah Gangguan Pada Isolator Transmisi Akibat Sambaran Petir Langsung”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik–USU, Medan, 2012.
[7] Tobing, Bonggas, “Teknik Pengujian Tegangan Tinggi”, Edisi Ke-2, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2012.
[8] IEEE Standard 1243-1997, “IEEE Guide for Improving the Lightning
[9] M. Gracia, “An Improvement for the Selection of Surge Arresters
Based on the Evaluation of the Failure Probability”, IEEE Transaction
on Power Delivery, Vol.17, No.1, January, 2002.
[10] IEEE Standard C62.22-1991,“IEEE Guide for the Application of Metal
Oxide Surge Arrester for Alternating Current Systems”, 1991.
[11] M. Gracia, “Evaluation of the Failure Probability for Gapless Metal
Oxide Arresters”, IEEE Transaction on Power Delivery, 1999.
[12] K. Nakada, T. Yokota, S. Yokoyama, A. Asakawa, M. Nakamura, H.
Taniguchi and A. Hasimoto, “Energy Absorption of Surge Arrester on
Power Distribution Line due to Direct Lightning Strokes”, IEEE
Trans. On Power Delivery, Vol. 12, No. 4, 1997.
[13] IEEE Standard C62.11-1993, “IEEE Standard for Metal Oxide Surge
Lampiran 1. Tabel Hari Guruh (IKL) Stasiun
Medan
Tahun
2008 2009 2010 2011 2012
Jumlah Sambaran