1 Abstrak : Arrester merupakan sebuah peralatan yang sangat penting dalam perlindungan terhadap gangguan petir. Jadi permodelan arrester sangat diperlukan untuk menganalisa kemampuan arrester dengan menggunakan perangkat lunak komputer. Tugas akhir ini menganalisa efek stray capacitance yang timbul pada arrester terhadap kinerja arrester 150kV. Stray capacitance yang timbul didapatkan dengan menggunakan Finite Element Methods (FEM) standar IEC. Dengan menggunakan metode tersebut didapatkan nilai stray capacitance dari arrester tersebut sebesar 733,3 pF. Hasil perhitungan tersebut akan digunakan untuk mensimulasikan kinerja arrester tersebut.
Hasil simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Electromagnetic Transients Program (EMTP) menunjukkan bahwa stray capacitance tersebut berpengaruh pada kecepatan arrester dalam meredam gangguan yang terjadi. Tapi kejadian tersebut tidak berpengaruh terhadap besarnya tegangan sisa yang dihasilkan, dengan didapatkan besarnya nilai error yang terjadi akibat adanya stray capacitance untuk gangguan petir sebesar 350 kV bernilai antara 0,06 % sampai 0,16 %, sedangkan untuk gangguan petir sebesar 500 kV bernilai antara 0,004 % sampai dengan 0,08 %.
Kata kunci : Lightning Arrester, Stray Capacitance, Finite Element Methods (FEM), Electromagnetic Transients Program (EMTP)
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Indonesia termasuk negara tropis, sehingga Indonesia memiliki intensitas sambaran petir yang cukup tinggi. Sambaran petir yang mengenai sistem tenaga listrik akan menimbulkan tegangan lebih. Tegangan lebih ini akan membahayakan peralatan apabila dibiarkan mengalir pada sistem dan tersalurkan ke beban. Tegangan lebih yang
terjadi akibat sambaran petir dapat dipotong dengan arrester sehingga tidak membahayakan peralatan yang terhubung dengannya.
Arrester petir memiliki kemampuan mengamankan peralatan listrik dari gangguan surja petir. Alat pengaman ini memiliki nilai tahanan non-linier pada setiap tingkat tegangan dan arus. Data yang terdapat pada datasheet menunjukkan bahwa alat ini memiliki karakteristik dinamis yang penting untuk koordinasi proteksi khususnya proteksi surja petir.
Pada penelitian ini menganalisa dan memodelkan kinerja sebuah arrester 150 kV yang dipengaruhi oleh stray
capacitance terhadap gangguan gelombang petir yang mengakibatkan tegangan lebih di mana dapat merusak suatu peralatan listrik dengan mengunakan bantuan EMTP
(Electromagnetic Transients Program) dan MATLAB.
B. Permasalahan
Adapun permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah:
Seberapa besar efek yang ditimbulkan akibat adanya
stray capacitance terhadap kinerja dari sebuah arrester 150 kV dan pengaruhnya terhadap sistem.
II. METODOLOGI DAN PROSEDUR SIMULASI
A. Petir
Petir merupakan kejadian alam yang biasa terjadi ketika hujan badai disertai guntur dan kadang-kadang pada badai salju, badai debu, letusan gunung berapi, serta pada ledakan nuklir. Kilat yang terjadi ketika hujan badai berasal dari muatan listrik yang timbul dari aliran udara di dalam awan. Terjadinya suatu kilat atau petir didahului oleh adanya awan petir yang pada kejadiannya kita kenal dengan thunderstorm (hujan angin ribut disertai petir dan guruh).
Pelepasan muatan listrik dapat terjadi di dalam awan, antara awan dengan awan, dan antara awan dengan bumi tergantung dari kemampuan udara dalam menahan beda potensial yang terjadi.
Jenis sambaran petir dibedakan menjadi: 1. Sambaran Langsung
Apabila kilat menyambar langsung pada kawat fasa (untuk saluran tanpa kawat tanah) atau
STUDI PENGARUH STRAY CAPACITANCE TERHADAP
KINERJA ARRESTER TEGANGAN TINGGI 150 KV DENGAN
FINITE ELEMENT METHODS (FEM)
Septian Ahadiatma, I Gusti Ngurah Satriyadi H,ST,MT, Dr.Eng. I Made Yulistya N,ST,M.Sc
2 pada kawat tanah (untuk saluran dengan kawat tanah)
2. Sambaran Tidak Langsung (Sambaran Induksi) Merupakan sambaran titik lain yang letaknya jauh tetapi obyek terkena pengaruh dari sambaran sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada obyek tersebut.
B. Gelombang Berjalan
Gambar 1 Spesifikasi gelombang berjalan
a. Puncak (crest) gelombang, E (kV) yaitu amplitudo maksimum dari gelombang.
b. Waktu muka gelombang, t1(mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Dalam praktek ini diambil 10%E sampai 90%E.
c. Ekor gelombang, yaitu bagian di belakang puncak. d. Waktu ekor gelombang, t2(mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai titik 50%E pada ekor gelombang.
C. Surge Arrester
Surge arrester adalah alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir. Ia berlaku sebagai jalan pintas (by-pass) sekitar isolasi. Arester membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat atau petir, sehingga tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada peralatan.
Dalam menentukan rating lightning arrester, yang perlu diketahui antara lain adalah tegangan tertinggi sistem dan koefisien pentanahan. Tegangan tertinggi sistem umumnya diambil 110 % dari harga tegangan nominal sistem. Tegangan pengenal lightning arrester diperoleh dari :
Tegangan rms fasa ke fasa x 1,10 x koefisien pentanahan Untuk sistem yang diketanahkan langsung, koefisien pentanahannya = 0,8. Sedangkan sistem yang tidak diketanahkan langsung, koefisien pentanahannya = 1,0.
Maka untuk sistem tegangan 150 kV, rating arester yang dipakai adalah :
a. sistem yang ditanahkan secara langsung : Ur = (150 x 1.1 x 0.8)
= 132 kV
b. sistem yang tidak ditanahkan secara langsung : Ur = (150 x 1.1 x 1.0)
= 165 kV
D. Finite Element Methods
Metode elemen hingga atau finite element method adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan differensial partial maupun penyelesaian persamaan integral. Pada awalnya metode elemen hingga banyak diaplikasikan untuk menyelesaikan
permasalahan dalam bidang teknik sipil, aeronautika dan mekanik. Selain itu metode ini juga dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dalam bidang elektrostatis dan magnetostatis.
Dasar dari metode elemen hingga adalah membagi area kerja menjadi elemen – elemen kecil yang jumlahnya berhingga, sehingga dapat di hitung reaksi akibat beban pada kondisi batas (boundary condition) yang diberikan. Dari elemen – elemen tersebut dapat disusun persamaan – persamaan matrik yang bisa di selesaikan secara numerik dan hasilnya menjadi jawaban dari kondisi beban yang diberikan pada area kerja tersebut. Dalam menggunakan metode elemen hingga, tantangan utamanya adalah membuat persamaan yang mendekati persamaan yang akan diselesaikan dan persamaan tersebut harus stabil secara numerik, yang artinya error dari data input dan perhitungan intermediate tidak terakumulasi sehingga menyebabkan hasil perhitungan tidak berguna.
E. Simulasi Program
Pengamatan dilakukan pada sebuah sistem transmisi sederhana dengan mensimulasikan kondisi jaringan pada saat terjadi sambaran petir di salah satu saluran fasanya. Gangguan petir yang digunakan adalah sebesar 350 kV dan 500 kV, dengan beberapa bentuk model petir.
Dalam melakukan simulasi pertama – tama mencari besarnya stray capacitance yang timbul pada sebuah arrester 132 kV dengan membuat modelnya dengan menggunakan pdetool pada MATLAB.
Gambar 2 Dimensi surge arrester EXLIM-P 132 kV
Dengan mengasumsikan jarak antara arrester dengan tanah sejauh 2 meter. Gambar model arrester pada pdetool untuk simulasi adalah sebagai berikut :
Gambar 3 Permodelan arrester EXLIM-P 132 kV
Setelah didapatkan besarnya stray capacitance yang timbul, maka dilanjutkan dengan mensimulasikannya pada
3 EMTP. Model rangkaian yang digunakan adalah model rangkaian Narong Mungkung . Rangkaian model yang dibuat dibatasi oleh asumsi-asumsi sebagai berikut :
1. Sambaran petir terjadi pada salah satu penghantar fasa.
2. Simulasi dengan memvariasikan tegangan petir dan model petir yang digunakan, yaitu : model petir dengan bentuk surja tipikal (1.2/50 µs), model petir dengan front time yang pendek (1/4 µs ), model petir dengan front time sedang (8/20 µs) dan model petir dengan front time yang panjang (30/60 µs).
3. Dilakukan pengukuran pada fasa A sisi primer trafo.
Gambar rangkaian model EMTP untuk simulasi adalah sebagai berikut :
Gambar 4 Model rangkaian arrester pada SUTT tanpa adanya efek stray
capacitance pada arrester
Gambar 5 Model rangkaian arrester pada SUTT dengan adanya efek stray
capacitance pada arrester
III. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN
A. Stray Capacitance Pada Arrester
Pada pemodelan arrester berikut, akan dicari besarnya medan elektrostatis yang timbul pada arrester saat dalam keadaan non-konduktif. Dimana dalam simulasi ini, arrester yang digunakan adalah arrester merk ABB tipe EXLIM-P 132 kV.
Gambar 6 Hasil running pdetool
Dari hasil running tersebut didapatkan beberapa parameter yang akan digunakan untuk mencari besarnya
stray capacitance yang timbul pada arrester tersebut. Pada tabel 1 dapat dilihat beberapa parameter yang didapatkan dari hasil running tersebut.
TABEL I
HASIL SIMULASI PDETOOL n Tegangan (V)
1 1732
2 13392
3 150000
Setelah didapatkan beberapa parameter yang diperlukan, maka dengan menggunakan persamaan yang dikeluarkan oleh IEC dapat dicari besarnya stray
capacitance yang timbul pada arrester tersebut.
Berikut adalah persamaan yang dikeluarkan oleh IEC :
Cୣ,୶=ሺU୶ାଵ− U୶ሻxC,୶ାଵ− ሺU୶− U୶ିଵሻxC,୶
U୶ … … … ሺ1ሻ
ሺx = 1,2, … , n − 1ሻ
Dimana :
Ux = Tegangan pada titik x
CMO,x = Kapasitansi pada bagian x
Ce,x = Stray capacitance dari tanah ke titik x
n = Nomor bagian
Untuk mencari nilai CMO,x dapat dicari dengan
mengacu pada persamaan untuk mencari besarnya kapasitansi total yang dimiliki oleh arrester tersebut. Dimana persamaan tersebut adalah sebagai berikut :
C = 100n
d pF … … … . ሺ2ሻ
Dimana :
d = Panjang keseluruhan arrester (meter) n = Jumlah kolom parallel
Gambar 7 Rangkaian ekivalen arrester EXLIM-P 132 kV dengan efek
stray capacitance
Dari persamaan 2 dapat dicari besarnya kapasitansi total yang dimiliki oleh arrester EXLIM-P, yaitu :
C = 100 1
2,585 pF
4 Dengan mengetahui besarnya kapasitansi total yang dimiliki oleh arrester 132 kV tersebut, dapat dicari besarnya kapasitansi tiap stack arresternya. Seperti diketahui pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa arrester tersebut terdiri dari dua buah stack arrester yang terpasang seri. Dengan menggunakan persamaan kapasitansi hubungan seri, maka besar kapasitansi untuk tiap stack arresternya yaitu :
1 C୲୭୲ୟ୪ = 1 Cଵ + 1 Cଶ … … … . . ሺCଵ= Cଶሻ 1 38,68= 2 Cଵ Cଵ= 77,36 pF
Dari persamaan 1, hasil running pdetool, dan besarnya nilai kapasitansi tiap stack arrester diatas, maka dapat dicari besarnya stray capacitance yang timbul, yaitu :
ܥ,ଵ= ሺܷଷ− ܷଶሻݔܥெை,ଷ− ሺܷଶ− ܷଵሻݔܥெை,ଶ ܷଶ =ሺ150000 − 13392ሻݔ77,36 − ሺ13392 − 1732ሻݔ77,36 13392 = 733,3ܨ
B. Pengaruh Stray Capacitance pada Arrester
Setelah didapatkan besarnya stray caacitance pada arrester. Dengan menggunakan program EMTP dilihat besarnya tegangan pada fasa A sisi primer trafo pada saat terjadi gangguan petir. Dengan membanding hasil yang didapat pada saat sebelum arrester diberikan efek stray
caacitance dan setelah diberikan efek tersebut, maka dapat terlihat seberapa besar pengaruh stray capacitance terhadap kinerja dari sebuah arrester 150 kV.
Gambar 8 Tegangan phasa A sisi primer trafo sebelum dipasang arrester untuk petir 350 kV (1,2/50 µs)
Gambar 9 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester tanpa efek stray capacitance untuk petir 350 kV (1,2/50 µs)
Gambar 10 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester dengan efek stray capacitance untuk petir 350 kV (1,2/50 µs)
Dapat dilihat dari gambar 8, 9 dan 10 tidak dapat terlihat jelas bahwa adanya stray capacitance pada arrester berpengaruh pada kemampuan arrester tersebut dalam meredam gangguan yang terjadi. Maka untuk mengetahui efek stray capacitance tersebut dilakukan pengukuran untuk mendapatkan nilai tegangan puncak yang terjadi pada phasa A sisi primer trafo. Dalam pengukuran didapatkan besarnya tegangan puncak untuk arrester tanpa pengaruh
stray capacitance sebesar 311470 volt dan saat arrester dipengaruhi oleh efek stray capacitance menjadi sebesar 312310 volt, dimana saat arrester tidak terpasang besarnya tegangan yaitu sebesar 831250 volt.
TABEL II
PENGARUH STRAY CAPACITANCE UNTUK GANGGUAN PETIR 350 KV Model petir Sebelum efek stray capacitance (V) Setelah efek stray capacitance (V) Error (%) 1.2/50 µs 311470 312310 0,16160683 1/4 µs 289010 289220 0,04392019 8/20 µs 307620 307900 0,05393951 30/60 µs 328180 328360 0,06437308
Tabel 2 adalah perbandingan tegangan yang terukur pada fasa A sisi primer trafo untuk gangguan petir 350 kV. Dapat terlihat pada tabel bahwa error yang dapat ditimbulkan dengan adanya efek stray capacitance tersebut berkisar antara 0,043 % hingga 0,161 %.
Gambar 11 Grafik besar tegangan pada phasa A trafo setelah terjadi gangguan petir 350 kV.
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30[ms] 0,35 -300 -150 0 150 300 450 600 750 900 [kV]
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30[ms] 0,35 -200 -100 0 100 200 300 400 [kV]
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30[ms]0,35 -200 -90 20 130 240 350 [kV] 260000 280000 300000 320000 340000 1 2 3 4 dengan arrester tanpa efek stray capacitance dengan arrester dan efek stray capacitance
5 Keterangan :
1 = model surja tipikal (1,4/50µs) 2 = model front time pendek (1/4µs) 3 = model front time sedang (8/20µs) 4 = model front time panjang (30/60µs)
Untuk lebih memperlihatkan seberapa besar efek stray
capacitance tersebut pada kinerja arrester. Maka simulasi dilakukan kembali dengan memakai gangguan petir sebesar 500 kV dengan model petir yang sama.
Gambar 12 Tegangan phasa A sisi primer trafo sebelum dipasang arrester untuk petir 500 kV (1,2/50 µs)
Gambar 13 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester tanpa efek stray capacitance untuk petir 500 kV (1,2/50 µs)
Gambar 14 Tegangan phasa A sisi primer trafo setelah dipasang arrester dengan efek stray capacitance untuk petir 500 kV (1,2/50 µs)
Dengan cara yang sama dilakukan pengukuran untuk mendapatkan nilai tegangan puncak yang terjadi pada phasa
A sisi primer trafo. Sehingga dapat dilihat efek stray
capacitance tersebut. Dalam pengukuran didapatkan besarnya tegangan puncak untuk arrester tanpa pengaruh
stray capacitance sebesar 334000 volt dan saat arrester dipengaruhi oleh efek stray capacitance menjadi sebesar 334660 volt, dimana saat arrester tidak terpasang besarnya tegangan yaitu sebesar 1123200 volt.
TABEL III
PENGARUH STRAY CAPACITANCE UNTUK GANGGUAN PETIR 500 KV Model petir Sebelum efek stray capacitance (V) Setelah efek stray capacitance (V) Error (%) 1.2/50 µs 334000 334660 0,083628991 1/4 µs 300990 301110 0,016422384 8/20 µs 323870 324120 0,031532611 30/60 µs 352950 352970 0,004433902
Tabel 3 adalah perbandingan tegangan yang terukur pada fasa A sisi primer trafo untuk gangguan petir 500 kV. Dapat terlihat pada tabel bahwa error yang dapat ditimbulkan dengan adanya efek stray capacitance tersebut berkisar antara 0,004 % hingga 0,083 %.
Gambar 15 Grafik besar tegangan pada phasa A trafo setelah terjadi gangguan petir 500 kV.
Keterangan :
1 = model surja tipikal (1,4/50µs) 2 = model front time pendek (1/4µs) 3 = model front time sedang (8/20µs) 4 = model front time panjang (30/60µs)
IV. KESIMPULAN
Kesimpulan yang didapat dari analisis dan pembahasan perhitungan adalah :
1. Rating lightning arrester pada sistem 150 kV adalah 132 kV bila ditanahkan langsung dan 165 kV bila tidak ditanahkan langsung.
2. Dari perhitungan stray capacitance dengan metode elemen hingga didapatkan kapasitansi sebesar 733,3 pF untuk arrester tipe EXLIM-P 132 kV.
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30[ms]0,35 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 [MV]
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30[ms]0,35 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 [kV]
(f ile try .pl4; x-v ar t) v :3A
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30[ms] 0,35 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 [kV] 260000 270000 280000 290000 300000 310000 320000 330000 340000 1 2 3 4 dengan arrester tanpa efek stray capacitance dengan arrester dan efek stray capacitance
6 3. Stray capacitance memiliki efek yang cukup besar
dalam hal kecepatan arrester 132 kV dalam meredam gangguan yang terjadi, ini dapat dilihat dari perbedaan hasil running antara arrester sebelum efek stray capacitance dengan setelah efek tersebut. Dimana pada hasil running pada arrester yang diberi efek stray capacitance, puncak dari tegangan sisa yang dihasilkan lebih stabil, daripada sebelum diberi efek tersebut.
4. Efek stray capacitace tidak berpengaruh pada besarnya tegangan sisa yang dihasilkan oleh arrester 132 kV tersebut, dengan dibuktikannya persentase error yang terjadi pada arrester akibat adanya efek
stray capacitance adalah kurang dari 1 %.
5. Besarnya gangguan yang terjadi juga berpengaruh pada efek stray capacitance pada arrester dalam hal tegangan sisa yang dihasilkan. Dimana semakin besar gangguan yang terjadi, semakin kecil efek
stray capacitance tersebut pada kinerja arrester. Ini dapat dibuktikan pada tabel 2 dan tabel 3 dimana pada impuls yang sama besarnya persentase error pada gangguan petir 350 kV lebih besar dibandingkan persentase error pada gangguan petir 500 kV.
V. DAFTAR PUSTAKA
[1] T. S. Hutahuruk, “Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja”,Erlangga jakarta
[2] MATLAB R2007b Users' Manual. [3] ATPDRAW version 3.5 for Windows
9x/NT/2000/XP Users' Manual.
[4] Surge Arresters Buyers Guide Edition 7.3 2009-12, ABB.
[5] Zoro H Reynaldo . 2004. Proteksi Terhadap Tegangan Lebih Petir Pada sistem Tenaga Listrik. Catatan Kuliah, Departemen Teknik Elektro .ITB, Bandung.
[6] IEC 60099-4 International Standard Part 4, Metal oxide surge arresters without gaps for A.C. systems. [7] Mungkung, N., Wongcharoen., S., Tanes
Tanitteerapan, Saejao, C., Arunyasot, D.,’ Analysis of Lightning Surge Condition Effect on Surge Arrester in Electrical Power System by using ATP/EMTP Program’, World Academy of Science, Engineering and Technology 28, 2007.
[8] Valsalal, P., Usa, S., Udayakumar, K.,’ Effect of Stray Capacitance on Surge Arrester Performance’, Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2009 Vol I WCECS 2009, October 20-22, 2009, San Francisco, USA.
VI. RIWAYAT HIDUP
Septian Ahadiatma dilahirkan di Pasuruan, 12 September 1987. Penulis adalah putra kedua dari tiga bersaudara pasangan Basuki dan Mukiyati. Penulis memulai jenjang pendidikannya di TK PGRI 1 Pandaan dan melanjutkannya ke SDN 1 Kutorejo, Pandaan hingga lulus tahun 1999. Setelah itu penulis melanjutkan studinya di SLTP Negeri 1 Pandaan. Tahun 2002, penulis diterima sebagai murid SMA Negeri 1 Purwosari hingga lulus tahun 2005. Pada tahun yang sama penulis masuk ke Jurusan D3 Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya hingga lulus tahun 2008. Kemudian penulis melanjutkan studi program sarjana di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan NRP. 2208100653 dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga.
