Analisis Usia Arrester Pada Jaringan Distribusi Terhadap Sambaran Kilat Dengan Menggunakan Atpemtp Studi Kasus PLN Ranting Medan Johor

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