STUDI KARAKTERISTIK TRANSIEN LIGHTNING ARRESTER PADA TEGANGAN MENENGAH BERBASIS PENGUJIAN DAN SIMULASI

(1)

STUDI KARAKTERISTIK TRANSIEN

LIGHTNING ARRESTER PADA

TEGANGAN MENENGAH

BERBASIS PENGUJIAN DAN

SIMULASI

Bangkit Wahyudian Kartiko (2209100136)

Dosen Pembimbing:

Dr. Eng. I Made Yulistya Negara, ST.,M.Sc.

Ir. Arif Musthofa, MT.

(2)

Lightning Arrester

• Definisi Lightning Arrester

• Penggunaan Lightning Arrester

• Jenis-jenis Lightning Arrester

(3)

Cara Kerja Lightning Arrester

Lightning

arrester

parallel

dengan

transformator

Ketika arester bekerja, arester akan

melindungi peralatan dari akibat

sambaran petir dan menyalurkan arus

sambaran ke tanah

(4)

Latar Belakang

Topik utama yang dibahas pada tugas akhir :

Pengujian Lightning

Arrester

Simulasi Pemodelan

Lightning Arrester

Pemodelan arester

pada saluran distribusi

20 kV

Membandingkan dua

pemodelan arester

dengan datasheet

Pengujian

menggunakan beban

resistif 4,5 kΩ

Pengujian Tanpa

Beban

(5)

Tujuan

5

Pengujian + Simulasi

Mendapatkan

Karakteristik Lightning

Arrester

Mengevaluasi Kinerja Lightning

(6)

C

A

Objek Penelitian

Parameter

Tegangan

Discharge

“FOW PL”

Tegangan Discharge “LPL”

Tegangan

Discharge

“SPL”

Arus Impuls

10 kA 1,5 kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 500 A

Tegangan Discharge (kV)

53,5 40,9 43,4 45,9 50 56,3 36,8

Rating

Arester

Dimensi

A

B

C

kV rms

In cm In Cm In cm

15

17,1 43,3 5,8 14,8 8,4 21,3

(7)

karakteristik tahanan non liniernya ini

direpresentasikan dengan pendekatan berikut :

V-I Kareakteristik A0

V-I Kareakteristik A1

I (ampere) V (volt)

Z (Ω)

I (ampere) V (volt)

Z (Ω)

10 43750

4375 100

38437.5

384.375

100 48125

481.25 1000

42500

42.5 1000

52500

52.5 2000

44687.5 22.34375

2000

54375

27.1875 4000

46250

11.5625

4000

56250

14.0625 6000

46875

7.8125

6000

56875

9.479167 8000

47812.5 5.976563

8000

58437.5 7.304688 10000

48437.5

4.84375

10000

59375

5.9375 12000

48750

4.0625

12000

60312.5 5.026042 14000

49375

3.526786

14000

61562.5 4.397321 16000

49687.5 3.105469

16000

62500

3.90625 18000

50000

2.777778

18000

64062.5 3.559028 20000

50312.5 2.515625

20000

65625

3.28125

(8)

(9)

(10)

(11)

Rangkaian

Pembangkit

Tegangan Impuls

11

Pengosongan muatan

Rangkaian Pembangkit

Tegangan Impuls

(12)

Simulasi

Pemodelan

Lightning Arrester

Pemodelan IEEE W G 3.4.11

Pemodelan Pinceti-Giannattoni

(13)

Persamaan Pemodelan Lightning Arrester

13

Parameter

IEEE WG 3.4.11

Pinceti-Giannettoni

R

₀

R

₁

-

L

₀

L

₁

C

-





)

/

)

100 ((

d

n

1 M





)

/

)

65 ((

d

n

H

n

d

)

/

)



2 ,

0 ((



V_n r V r V T r V ) 20 / 8 ( ) 20 / 8 ( ) 2 / 1 ( 2 1 

H

n

d

)

/

)



15 ((



Vn r V r V T r V ) 20 / 8 ( ) 20 / 8 ( ) 2 / 1 ( 4 1 

pF

d

n

)

/

)

100 ((



d : Ketinggian dari arester (meter)

n : Faktor skala (jumlah kolom

parallel dari metal oxide pada

arester tersebut)

V

_n

: Rating tegangan arester

V

_r(1/T2)

: Tegangan discharge pada arus surge petir 10 kA

(1/T2 µs), dimana waktu penurunan tidak ditulis secara eksplisit

karena berbeda pabrikan berbeda nilai T2 nya.

V

_r(8/20)

: Tegangan discharge pada arus surge petir 10 kA

(8/20 µs).

(14)

Pemodelan Saluran Distribusi

Yang digunakan

dalam simulasi

(15)

Data Saluran

15

Tiang

Panjang Penghantar (m)

PB180 - PB347

2586

PB347 – PA655

1119

PA655 - PA480

1193

PA480 - PA481

1630

Parameter

Nilai

R

_Line

/ fasa

0.000438 Ω/m

L AA

0.00109 mH/m

L BB

0.00109 mH/m

L CC

0.00109 mH/m

L AB

0.00016 mH/m

LBC

0.00016 mH/m

LAC

0.00002 mH/m

(16)

Pemodelan Lima Tiang Trafo Distribusi

Tiang 5 Tiang 4 Tiang 3 Tiang 2 Tiang 1

Pemodelan Tiang

(17)

Hasil Pengujian Tanpa Beban

17

V Charging (KV)

V out

Bentuk Gelombang

Arus (A)

VC1

VC2

(KV)

T1 (µs)

T2 (µs)

15 15 28,411 0,948 49,78 18,177 15 15 26,775 1,869 52,011 20,573 20 20 34,96 0,951 49,068 58,021 20 20 34,64 0,946 49,915 56,708 34 34 41,61 1,12 47,419 589,46 34 34 41,275 1,092 47,836 569,15 52 52 49,704 1,294 38,287 1229,9 52 52 49,431 1,273 38,318 1214,7 78 78 59,747 2,811 29,877 2305,7 78 78 59,296 2,862 30,217 2262,3 105 105 70,609 3,528 27,068 3563,2 105 105 69,877 3,802 27,116 3478,6

(18)

Gelombang Hasil Pengujian Tanpa Beban

Pengujian dengan

tegangan impuls

(

26,775 kV

) dan arus

yang dialirkan arester

(

20,573 A

)

Pengujian dengan

tegangan impuls

(

41,61 kV

) dan

26,775 kV

20,573 A

41,61 kV

589,46 A

(19)

Hasil Pengujian Berbeban

19

V Charging (KV) V out Bentuk

Gelombang Arus (A)* VC1 VC2 (KV) T1 (µs) T2 (µs) 33 33 41,23 1,102 46,964 544,08 33 33 41,106 1,096 52,163 533,21 50 50 50,968 2,07 36,763 1287,4 50 50 50,626 2,05 37,656 1270,4 67 67 59,429 2,92 29,452 1999,1 67 67 59,425 2,932 27,885 1990 87 87 70,367 3,938 24,165 3067,9 87 87 70,168 3,829 22,51 3072,1

(*) : Arus yang mengalir di arrester

V Charging (KV) V out Bentuk

Gelombang Arus (A)** VC1 VC2 (KV) T1 (µs) T2 (µs) 33 33 41,218 1,111 41,218 1081,2 33 33 41,14 1,095 41,14 1056,1 50 50 51,14 2,103 51,14 2612,5 50 50 51,03 2,109 51,03 2656 67 67 59,782 2,967 59,782 4065,4 67 67 59,392 3,024 59,392 4038,6 87 87 69,983 3,892 69,983 5754,8 87 87 69,941 4,155 69,941 5690,6

(20)

Gelombang Hasil Pengujian Berbeban

Pengujian dengan tegangan

impuls (

41,218 kV

) - arus

yang mengalir di beban

Pengujian dengan

tegangan impuls (

41,23

kV

) - arus yang dialirkan

arester (

544,08 A

)

41,23 kV

544,08 A

41,218 kV

(21)

Hasil Simulasi Pemodelan IEEE WG 3.4.11

21

PARAMETER

FOW PL

LPL

SPL

10 kA 1.5kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 500 A

V discharge (KV)

59,53

44,33

48,30

51,41

55,44

59,48

40,90

I petir (A)

10000 1500 3000 5000 10000 20000 500

I arester (A)

9882,5 1412,8 2908,7 4906,2 9894,9 1988,4 418,2

I beban (A)

119,07 88,66 96,59 102,82 110,88 118,96 81,81

FOW PL (%)`

LPL (%)

SPL (%)

10 kA 1.5 kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 500 A

11,27

8,39

11,29

12,00

10,88

5,65

11,14

Tegangan Discharge

(22)

Hasil Simulasi Pemodelan

Pinceti-Giannettoni

Tegangan Discharge

Persentase Relative Error

PARAMETER

FOW PL

LPL

SPL

10 kA

1.5kA

3 kA

5 kA

10 kA

20 kA

500 A

V discharge (KV)

58,15

43,55

45,51

46,57

48,34

50,60

40,90

I petir (A)

10000 1500 3000 5000 10000 20000 500

I arester (A)

9901,8 1412,8 2909,0 4906,9 9903,4 19899,0 418,2

I beban (A)

126,74 87,12 91,02 93,14 96,69 101,17 81,81

FOW PL (%)

LPL (%)

SPL (%)

10 kA

1.5 kA

3 kA

5 kA

10 kA

20 kA

500 A

(23)

Perbandingan Tegangan Discharge

23

Rata-rata error tegangan discharge model arester Pinceti-Giannattoni

lebih kecil dibandingkan model arester IEEE W G 3.4.11

(24)

Hasil Simulasi Gelombang Tegangan

Discharge Front Of Wave Protection Level

(FOW PL)

(f ile IEEE15KV.pl4; x-v ar t) 0 5v :XX0001 10 15 20 [us] 25

0 10 20 30 40 50 60 [kV] 30 40 50 60 [kV]

IEEE WG 3.4.11

Pinceti-Giannettoni

59,53 kV

58,15 kV

(25)

Hasil Simulasi Gelombang Tegangan

Discharge Lightning Protection Level (LPL)

(IEEE WG 3.4.11)

25

(f ile IEEE15KV.pl4; x-v ar t) 0.00 0.05v :LOAD 0.10 0.15 0.20 [ms] 0.25

0 10 20 30 40 50 [kV] Arus petir 1.5 kA (8/20 µs)

0 10 20 30 40 50 [kV]

0 10 20 30 40 50 60 [kV]

(f ile IEEE15KV.pl4; x-v ar t) 0.00 0.05v :LOAD 0.10 0.15 0.20 [ms] 0.25 0 10 20 30 40 50 60 [kV]

Arus petir 3 kA (8/20 µs) _{Arus petir 5 kA (8/20 µs)}

Arus petir 10 kA (8/20 µs) Arus petir 20 kA (8/20 µs)

44,33 kV _{48,30 kV} _{51,41 kV}

(26)

Hasil Simulasi Gelombang Tegangan

Discharge Lightning Protection Level (LPL)

(Pinceti-Giannettoni)

Arus petir 1.5 kA (8/20 µs) _{Arus petir 3 kA (8/20 µs)} _{Arus petir 5 kA (8/20 µs)}

Arus petir 10 kA (8/20 µs) Arus petir 20 kA (8/20 µs)

(f ile PINCETI15.pl4; x-v ar t) 0.00 0.05v :LOAD 0.10 0.15 0.20 [ms] 0.25

0 10 20 30 40 50 [kV]

0 10 20 30 40 50 [kV] 30 40 50 [kV] 40 50 60 [kV] 43,55 kV 45,51 kV 46,57 kV 48,34 kV 50,60 kV

(27)

Hasil Simulasi Gelombang Tegangan

Discharge Switching Protection Level (SPL)

27

IEEE WG 3.4.11

Pinceti-Giannettoni

(f ile IEEE15KV.pl4; x-v ar t) v :LOAD

0 2 4 6 8 10 12 14 [ms] 16 0 10 20 30 40 50 [kV]

(f ile PINCETI15.pl4; x-v ar t) v :MOV 0 2 4 6 8 10 12 14 16

[ms] 0 10 20 30 40 50 [kV]

40,90 kV

(28)

Perbandingan Kurva Proteksi

(29)

Tegangan yang Terukur Sebelum

Pemasangan Arester

29

Arus Petir (KA)

Fasa

Tegangan (KV)

Tiang 1

Tiang 2

Tiang 3

Tiang 4

Tiang 5

1

A 47,10 158,82 214,98 207,06 206,98 B 17,90 132,95 214,98 182,87 181,24 C 21,70 152,27 214,98 208,70 208,50

5

A 155,60 713,90 1003,70 955,60 955,30 B 97,70 554,90 1003,70 431,06 380,50 C 116,90 642,00 1003,70 867,80 855,80

10

A 291,50 1408,60 1985,70 1891,20 189,07 B 161,85 911,90 1985,70 857,10 757,76 C 240,60 1277,30 1985,70 1713,50 1690,40

15

A 427,00 2102,70 2974,40 2827,10 2826,10 B 246,48 1366,10 2974,40 1283,90 1135,00 C 364,82 1914,70 2974,40 2566,60 2531,10

20

A 562,60 2797,00 3963,10 3762,85 3761,50 B 331,10 1820,20 3963,10 1710,80 1512,40 C 488,90 2551,00 3963,10 3419,50 3372,20

(30)

Respon Tegangan Sinusida Sebelum Arester

Dipasang

Arus Petir (KA)

Fasa

Tegangan (KV)

Tiang 1

Tiang 2

Tiang 3

C

25 22 23 20.5 20

(31)

Tegangan Tembus pada Isolator Tanpa

Perlindungan Arester

Arus Petir (KA)

Fasa

Tegangan (KV)

T1

T2

T3

Tegangan Tiang

331.6 1820.2 3963.1 17108 1512.4

(32)

Respon Tegangan Sinusida Setelah Arester

Dipasang

Arus Petir (KA)

Fasa

Tegangan (KV)

PB180

PB347

PA555

PA480

PA481

(33)

Bentuk Gelombang Sebelum Pemasangan

Arester

33

(file Saluran20kvarrester18kv2.pl4; x-var t) 0.0 0.4 v:PA555A 0.8 v:PA555B v:PA555C 1.2 1.6 [us] 2.0

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 [MV]

Respon tegangan (0 s - 1 s)

Respon tegangan (0 s - 2 µs)

Merah

:

Fasa A

Hijau

: Fasa B

Biru

: Fasa C

(34)

Aliran Arus yang Disalurkan Arester ke

Tanah

Arus Petir (kA)

Arus yang Diaalirkan Arrester (A

)

1 917,60

5 _4883,60

10 _9860,80

15 _14840,00

20 hampir semua arus petir mampu dialirkan arester ke

tanah dengan persentase lebih dari 90% dari arus petir

(35)

Bentuk Gelombang Setelah Pemasangan

Arester

35

(file Saluran20kvarrester18kv2.pl4; x-var t) v:PA555A v:PA555B v:PA555C

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 [s] 0.10 -30 -8 14 36 58 80 [kV]

Respon tegangan (0 s - 1 s)

(file Saluran20kvarrester18kv2.pl4; x-var t) v:PA555A v:PA555B v:PA555C

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 [ms] 0.5 -30 -8 14 36 58 80 [kV]

Respon tegangan (0 s – 0,5 ms)

Merah

:

Fasa A

Hijau

: Fasa B

Biru

: Fasa C

(36)

Kesimpulan

• Berdasarkan hasil pengujian, arester akan bekerja apabila pada

terminal arester mendeteksi tegangan ± 40 kV.

• Perbandingan error simulasi tegangan discharge kedua pemodelan

dengan nilai pada datasheet menunjukkan model arester

Pinceti-Giannettoni memiliki hasil error yang lebih kecil dibandingkan dengan

model arester IEEE W G 3.4.11

• Pada kondisi tiang tanpa perlindungan arester lonjakan tegangan yang

terjadi akibat sambaran petir pada kawat fasa mencapai nilai terendah

47,1 kV hingga nilai yang tertinggi mencapai 3,96 MV. Lonjakan

tegangan ini terjadi selama 20 ms kemudian berubah sinusoida dengan

osilasi yang tinggi mencapai 45 kV.

• Pemasangan arester pada saluran distribusi memberikan perlindungan

dari terjadinya tegangan lebih, sehingga nilai lonjakan tegangan pada

(37)