BAB II
SISTEM JARINGAN DISTRIBUSI
2.1 Petir atau Halilintar
Petir atau halilintar adalah gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan di mana di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan biasanya disebut kilat yang beberapa saat kemudian disusul dengan suara menggelegar sering disebut Guruh. Perbedaan waktu kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan kecepatan cahaya.
Gambar 2.1 Petir
Petir merupakan gejala alam yang bisa kita analogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap netral). Seperti yang sudah diketahui kapasitor adalah sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang bisa menyimpan energi sesaat (energy storage). Petir juga dapat terjadi dari awan ke awan (intercloud), dimana salah satu awan bermuatan negatif dan awan lainnya bermuatan positif.
Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi atau dengan awan lainnya. Proses terjadinya muatan pada awan karena dia bergerak terus menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara.
Petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada keadaan tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif, maka petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan.
2.1.1 Proses terjadinya Petir
Teori yang secara luas dapat diterima tentang petir yaitu bahwa awan terdiri dari daerah bermuatan positif dan negatif. Pusat-pusat muatan ini menginduksikan muatan berpolaritas berlawanan ke awan terdekat atau ke bumi. Gradien potensial di udara antara pusat-pusat muatan di awan atau antara awan dan bumi tidak seragam tapi gradient tersebut timbul pada bagian konsentrasi muatan tinggi. Ketika gradient tegangan tinggi pada titik konsentrasi muatan dari awan melebihi harga tembus udara yang terionisasi, maka udara di daerah konsentrasi tekanan tinggi mengionisasi atau tembus (breakdown).
Muatan dari pusat muatan mengalir ke dalam kanal terionisasi, mempertahankan gradient tegangan tinggi pada ujung kanal dan melanjutkan proses tembus listrik. Sambaran petir ke bumi mulai ketika suatu muatan sepanjang pinggir awan menginduksikan suatu muatan lawan ke bumi.
Kemudian akan timbul lidah petir arah bawah menyebar dari awan ke bumi. Begitu lidah petir mendekati bumi, sambaran kearah atas terbentuk, biasanya dari titik tertinggi disekitarnya. Bila lidah petir kearah atas dan kearah bawah bertemu, suatu hubungan awan ke bumi terbentuk dan energi muatan awan dilepaskan ke dalam tanah.
Terdapat beberapa definisi dari petir, antara lain:
a) Fenomena alam yang merupakan Pelepasan muatan elektrostatis yang berasal dari badai Guntur.
b) Pelepasan muatan ini disertai dengan pancaran cahaya dan radiasi elektromagnetik lainnya.
c) Arus listrik yang melewati saluran pelepasan muatan tadi dengan cepat memanaskan udara dan berkembang sebagai plasma yang menimbulkan gelombang bunyi yang bergetar ( guntur ) di atmosfir
2.1.2 Pelepasan Muatan Elektrostatis
Arus listrik yang mengalir tiba-tiba dan sangat cepat karena adanya kelebihan muatan listrik yang tersimpan pada sebuah benda yang isolator ke benda yang berbeda potensial , misalnya tanah.
Badai Guntur disebut juga badai listrik, merupakan suatu karakter cuaca dimana terjadi petir dan guntur, biasanya disertai dengan hujan lebat, hujan es.
Plasma adalah istilah ilmu fisika, Gas yang terionisasi sehingga fase materinya berbeda dengan gas itu sendiri.
Guntur adalah bunyi dari getaran gelombang yang disebabkan oleh petir yang memanaskan udara sampai 30.000oC. Udara yang sangat panas itu mengembang dengan cepat dan mengerut ketika dingin. Proses ini menimbulkan gelombang bunyi.
Awan, pada umumnya kurang lebih mengandung listrik. Secara mekanik, thermodinamika, energi kimia diubah menjadi energi listrik dengan kutub yang terpisah. Kebanyakan petir memiliki fase waktu, antara lain:
1) Fase Waktu Pertumbuhan, sekitar 10 - 20 menit 2) Fase Waktu Puncak, sekitar 15 - 30 menit 3) Fase Waktu Menghilang, sekitar 30 menit
Dalam kondisi cuaca yang normal, perbedaan potensial antara permukaan bumi dengan ionosphere adalah sekitar 200.000 sampai 500.000 Volts, dengan arus sekitar 2x10-12 Amperes/m2 . Perbedaan potensial ini diyakini memberikan kontribusi dalam distribusi badai petir (Thunderstorm) di seluruh dunia.
Pada lapisan atmosphere bertebaran gumpalan-gumpalan awan yang diantaranya terdapat awan yang bermuatan listrik. Awan bermuatan listrik tersebut terbentuk pada suatu daerah dengan persyaratan:
a. Kondisi udara yang lembab (konsentrasi air yang banyak) b. Gerakan angin ke atas
c. Terdapat inti Higroskopis
Kelembaban terjadi karena adanya pengaruh sinar matahari yang menyebabkan terjadinya penguapan air di atas permukaan tanah (daerah laut, danau). Sedangkan pergerakan udara ke atas disebabkan oleh adanya perbedaan tekanan akibat daerah yang terkena panas matahari bertekanan lebih tinggi atau karena pengaruh angin. Di samping itu terdapat Inti Higroskopis sebagai inti butir-butir air di awan akibat proses kondensasi. Ketiga unsure inilah yang diperlukan untuk menghasilkan awan guruh/awan Commulonimbus yang bermuatan negative yang karakteristiknya berbeda-beda sesuai dengan kondisi tempatnya. Muatan awan bawah yang negative akan menginduksi permukaan tanah menjadi positif maka terbentuklah medan listrik antara awan dan tanah (permukaan bumi). Semakin besar muatan yang terdapat di awan, semakin besar pula medan listrik yang terjadi dan bila kuat medan tersebut telah melebihi kuat medan tembus udara ke tanah, maka akan terjadi pelepasan muatan listrik sesuai dengan hokum kelistrikan, peristiwa inilah yang disebut petir.
Dengan letak geografis yang dilalui garis khatulistiwa, Indonesia beriklim tropis. Hal ini mengakibatkan Indonesia memiliki hari guruh rata-rata per tahun yang sangat tinggi.
Pada sistem tenaga listrik yang besar, atau bilamana Pembangkit Tenaga Listrik terletak jauh dari pemakai, maka tenaga listrik itu perlu diangkut melalui saluran transmisi, dan tegangannya harus dinaikkan menjadi tegangan tinggi (TT). Pada jarak yang sangat jauh malah diperlukan tegangan ekstra tinggi (TET). Menaikkan tegangan itu dilakukan di gardu induk (GI) dengan mempergunakan transformator penaik tegangan (step-up transformer).
Gambar 2.3 Step Up Transformer
Mendekati pusat pemakaian tenaga listrik, yang dapat merupakan suatu industri atau kota, tegangan tinggi diturunkan menjadi tegangan menengah (TM). Hal ini juga dilakukan pada suatu GI dengan mempergunakan transformator penurun tegangan (step down transformer).
Gambar 2.4 Step Down Transformer ( GI BSB Semarang )
Di Indonesia tegangan menengah adalah 20 kV. Saluran 20 kV ini menelusuri jalan-jalan di seluruh kota, dan merupakan sistem distribusi primer.
Sistem distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik secara keseluruhan, sistem distribusi ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya besar (Bulk Power Source) sampai ke konsumen.
Pada umumnya sistem distribusi tenaga listrik di Indonesia terdiri atas beberapa bagian, sebagai berikut :
• Gardu Induk (GI)
• Saluran Tegangan Menengah (TM)/ Distribusi Primer • Gardu Distribusi (GD)
• Saluran Tegangan Rendah (TR)
Gardu induk akan menerima daya dari saluran transmisi kemudian menyalurkannya melalui saluran distribusi primer menuju gardu distribusi. Sistem jaringan distribusi terdiri dari dua buah bagian yaitu jaringan distribusi primer dan jaringan distribusi sekunder.
1. Transformasi tenaga listrik tegangan tinggi yang satu ke tegangan tinggi yang lainnya atau ke tegangan menengah.
2. Pengukuran, pengawasan operasi serta pengaturan pengamanan dari sistem tenaga listrik. 3. Pengaturan daya ke gardu-gardu induk lain melalui tegangan tinggi dan gardu-gardu
distribusi melalui feeder tegangan menengah.
Gambar 2.5 Sistem Tenaga Listrik
Tenaga listrik disalurkan ke masyarakat melalui jaringan distribusi. Oleh sebab itu jaringan distribusi merupakan bagian jaringan listrik yang paling dekat dengan masyarakat. Tegangan distribusi primer yang dipakai PLN adalah 20 kV, 12 kV, 6 kV.
Pada saat ini, tegangan distribusi primer yang cenderung dikembangkan oleh PLN adalah 20 kV. Tegangan pada jaringan distribusi primer, diturunkan oleh gardu distribusi menjadi tegangan rendah yang besarnya adalah 380/220 V, dan disalurkan kembali melalui jaringan tegangan rendah kepada konsumen. Dalam operasi sistem tenaga listrik sering terjadi gangguan – gangguan yang dapat mengakibatkan terganggunya penyaluran tenaga listrik ke konsumen.
Bermacam - macam bentuk konfugurasi jaringan yang berbeda diambil untuk bermacam - macam jaringan transmisi, subtransmisi dan distribusi, yang menunjukkan jumlah kebutuhan daya dan keamanan jaringan. Misalnya, jaringan transmisi utama membawa daya yang besar untuk banyak konsumen ini lebih penting daripada jaringan distribusi tegangan rendah di jalan karena bila jaringan utama mengalami gangguan konsumen yang menderita lebih banyak. Karenanya biasanya dipakai jaringan loop untuk rangkaian ini.
Jaringan ini memberikan kapasitas siap yang lebih besar dari yang biasanya dipakai untuk distribusi tegangan rendah untuk mencatu rumah tangga. Sebagai tambahan terhadap aspek keandalan konsumen yang banyak dan tentunya banyak titik catu pada jaringan tegangan rendah ini berarti untuk memenuhi catu tegangan untuk tiap konsumen terakhir terhambat karena mahal.
Untuk saluran catu yang panjang di pedesaan keandalannya sering kali dapat diperbaiki dengan menggunakan titik dalam bentuk rangkaian pemutus arus yang akan memutus satu bagian dari saluran dan mencegah seluruh - saluran catu terputus dari sumber daya.
Sistem distribusi akan lebih efektif bila digunakan bentuk atau tipe sistem distribusi yang berbeda – beda mengingat disesuaikan dengan keadaan beban maupun dengan hal - hal yang mempengaruhi sistem dan di dalam pemilihan tipe sistem distribusi tidak terlepas dari persyaratan - persyaratan yang harus dipenuhi sebagai berikut :
Kontinuitas pelayanan yang baik tidak sering terjadi pemutusan. Keandalan yang tinggi antara lain meliputi :
- Kapasitas daya yang memenuhi.
- Tegangan yang selalu konstan dan nominal. - Frekwensi yang selalu konstan.
Fleksibel dalam pengembangan dan perluasan tidak hanya bertitik tolak pada kebutuhan beban sesaat tetapi kemungkinan pengembangan beban yang harus dilayani.
Tegangan jatuh yang sekecil mungkin.
Pertimbangan ekonomis menyangkut perhitungan untung rugi baik secara komersial maupun dalam rangka penghematan anggaran yang tersedia.
Saluran udara digunakan pada pemasangan di luar bangunan, direnggangkan pada isolator-isolator di antara tiang-tiang sepanjang beban yang dilalui suplai tenaga listrik,mulai gardu induk sampai ke pusat beban ujung akhir.
Gambar 2.6 Saluran Udara Tegangan Menengah
Jaringan udara direncanakan untuk kawasan dengan kepadatan beban rendah atau sangat rendah, misalnya pinggiran kota, kampung/kota kota kecil dan tempat tempat - tempat yang jauh serta luas dengan beban tersebar. Seringkali digunakan untuk melayani daerah yang sedang berkembang sebagai tahapan sementara. Kota kota besar dengan mayoritas perumahan kebanyakan menggunakan jaringan udara.
Bahan yang banyak dipakai untuk kawat penghantar adalah tembaga dan alumunium. Secara teknis, tembaga lebih baik daripada aluminium karena memiliki daya hantar arus yang lebih tinggi. Namun karena harga tembaga yang tinggi, lagipula memiliki kecenderungan untuk senantiasa naik, kian lama pemakaian kawat alumunium lebih banyak dipakai. Apalagi kawat tembaga sering menjadi sasaran pencurian karena dapat diolah untuk pembuatan barang barang lain yang laku di pasaran.
Karenanya kawat alumunium berinti baja (ASCR atau Alumunium Cable Steel Reinforced ) banyak dipakai untuk saluran udara tegangan tinggi maupun tegangan menengah. Sedangkan untuk saluran tegangan rendah banyak dipakai kawat alumunium telanjang ( AAC atau All Alumunium Cable). Kini untuk saluran udara banyak juga dipakai kawat udara alumunium punter berisolasi.
Penghantar pada sistem jaringan distribusi berfungsi untuk menghantarkan arus listrik dari suatu bagian ke instalasi atau bagian yang lain.
Penghantar ini harus memiliki sifat-sifat sebagai berikut : a. Memiliki daya hantar yang tinggi
b. Memilki kekuatan tarik yang tinggi c. Memiliki berat jenis yang rendah d. Memiliki fleksibilitas yang tinggi e. Tidak cepat rapuh
f. Memiliki harga yang murah Jenis-jenis bahan penghantar, antara lain :
• Kawat logam biasa, contohnya AAC ( All Alumunium Conductor )
Gambar 2.7 Penghantar AAAC
Beberapa pertimbangan untuk saluran udara dapat disebut seperti berikut : a) Keuntungan atau kelebihan berupa :
Investasi atau biaya untuk membangun saluran udara jauh lebih rendah dibanding dengan kabel tanah yaitu berbanding sekitar 1: 5,6 bahkan lebih tinggi untuk tegangan yang lebih tinggi.
Kawat untuk daerah - daerah yang lahannya merupakan batu,lebih mudah membuat lubang untuk tiang listrik daripada membuat jalur lubang bagi kabel tanah .
Terutama untuk tegangan extra tinggi, masing - masing fase dapat diletakkan cukup jauh terpisah.
Pemeliharaan lebih mudah dan mencari tempat saluran terganggu juga jauh lebih mudah .
b) Kerugian atau kekurangan pada saluran udara berupa:
Lebih mudah terganggu karena angin ribut, hujan, petir, maupun anak - anak yang main layang - layang.
Mengganggu pemandangan dan bahkan dianggap mengganggu lingkungan. Bilamana terjadi kawat putus dapat membahayakan manusia.
Khusus untuk tegangan tinggi,medan elektromagnetik yang berasal dari saluran udara sering dianggap berbahaya untuk keselamatan manusia.
2.3.2 Kontruksi Jaringan SUTM 20 kV
Peralatan yang utama dalam jaringan adalah tiang listrik, konduktor dan isolator. Untuk konstruksi lama tiang listrik ini dibuat dari besi baja sedangkan konstruksi baru dibuat dari beton.
2.3.2.1 Kontruksi CC1-A
Kontruksi ini untuk keadaan lurus atau membelok dengan sudut lebih kecil dari 15o. Dipakai pada tempat-tempat yang lurus dimana isolator hanya berfungsi sebagai penyangga konduktor. Gaya tarik horizontal hampir tidak ada.
Gambar 2.8 Kontruksi CC1-A Material :
• Center braket
• Bolt machine
• Washer, square
• Steel crossarm
• Steel braceBolt single upset, insulatedSpol insulator ansi
• Tie wire
• Locknuts
2.3.2.2 Kontruksi CC2-A
Kontruksi ini untuk keadaan lurus atau membelok pada tempat-tempat yang menyudut dengan sudut lebih besar dari 15o dan lebih kecil dari 60o dengan double crossarm.
Gambar 2.9 Kontruksi CC2-A Material :
• Line post insulator
• Center braket
• Washer, square
• Steel crossarm
• Steel braceBolt single upset, insulated Spol insulator ansi
• Tie wire
• Locknuts
2.3.2.3 Kontruksi CC-7
Dipakai pada tempat-tempat ujung akhir dari saluran udara tegangan menengah (SUTM) menggunakan single crossarm atau menggunakan double crossarm.
Gambar 2.10 Kontruksi CC-7 Material :
• Insulator suspension
• Bolt double arming 5/8’’
• Steel brace
• Insulator ansi, clevis sec
• Crossarm
• Dead end clamp primary
2.3.2.4 Kontruksi CC8
Dipakai pada tempat yang membelok dengan sudut lebih besar dari 60o. menggunakan single crossarm atau menggunakan double crossarm.
Gambar 2.11 Kontruksi CC8 Material :
• Insulator suspension
• Line post insulator
• Center braket
• Bolt double arming 5/8’’
• Washer, square
• Steel brace
• Insulator ansi, clevis sec
• Crossarm
• Dead end clamp primary
2.3.2.5 Kontruksi CC9
Kontruksi ini untuk keadaan lurus atau membelok dengan sudut lebih kecil dari 15o dengan alley arm.
Gambar 2.12 Kontruksi CC9 Material :
• Line post insulator
• Center braket
• Washer, square
• Steel crossarm
• Steel braceBolt single upset, insulatedSpol insulator ansi
• Tie wire
• Steel alley arm brace
• Locknuts
2.3.3 Rele dan Proteksi
Kebutuhan energi listrik sangat diperlukan, karena itu diperlukan suatu sistim yang handal untuk dapat meminimalkan segala bentuk gangguan yang terjadi pada jaringan sistim tenaga listrik. Untuk meningkatkan kehandalannya perlu dipasang sistim proteksi untuk setiap gangguan yang berbeda, salah satunya adalah dipasanganya relay proteksi untuk melindungi peralatan jaringan sistim tenaga listrik pada gardu induk. Dimana gangguan-gangguan tersebut diantaranya disebabkan karena adanya arus hubung singkat dan sambaran petir sehingga arus yang mengalir keperalatan tidak sesuai dengan nilai nominalnya atau lebih besar dari kapasitasnya. Dengan adanya peranan relay pengaman ini pada jaringan sistim tenaga listrik tersebut sehingga akan meminimalkan kerusakan peralatan jaringan terutama pada jaringannya.
2.3.3.1 Pemutus Tenaga (PMT)
Pemutus Tenaga (PMT) adalah alat pemutus otomatis yang mampu memutus/menutup rangkaian pada semua kondisi, yaitu pada kondisi normal
ataupun gangguan. Secara singkat tugas pokok pemutus tenaga adalah : a. Keadaan normal, membuka / menutup rangkaianlistrik.
b. Keadaan tidak normal, dengan bantuan relay, PMT dapat membuka sehingga gangguan dapat dihilangkan.
2.3.3.2 Relay Arus Lebih (OCR)
Pada dasarnya relay arus lebih adalah suatu alat yang mendeteksi besaran arus yang melalui suatu jaringan dengan bantuan trafo arus. Harga atau besaran yang boleh melewatinya disebut dengan setting.
Macam-macam karakteristik relay arus lebih : a. Relay Waktu Seketika (Instantaneous relay)
Relay yang bekerja seketika (tanpa waktu tunda) ketika arus yang mengalir melebihi nilai settingnya, relay akan bekerja dalam waktu beberapa mili detik (10 –20 ms).
b. Relay arus lebih waktu tertentu (deafinite time relay)
Relay ini akan memberikan perintah pada PMT pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besarnya arus gangguan melampaui settingnya (Is), dan jangka waktu kerja relay mulai pick up sampai kerja relay diperpanjang dengan waktu tertentu tidak tergantung besarnya arus yang mengerjakan relay.
2.3.3.3 Pemutus Balik Otomatis (Recloser)
Pemutus balik otomatis (Automatic circuit recloser = Recloser) ini secara fisik mempunyai kemampuan seperti pemutus beban, yang dapat bekerja secara otomatis untuk mengamankan sistem dari arus lebih yang diakibatkan adanya gangguan hubung singkat.
2.3.3.4 Pelebur ( fuse cut out )
Adalah suatu alat pemutus, dimana dengan meleburnya bagian dari komponen yang telah dirancang khusus dan disesuaiakan ukurannya untuk membuka rangkaian dimana pelebur tersebut dipasang dan memutuskan arus bila arus tersebut melebihi suatu nilai dalam waktu tertentu. Oleh karena pelebur ditujukan untuk menghilangkan gangguan permanen, maka pelebur dirancang meleleh pada waktu tertentu pada nilai arus gangguan tertentu.
Gambar 2.13 Fuse Cut Out
2.3.3.5 Lightning Arrester (LA)
Suatu alat pelindung dari tegangan lebih yang disebabkan oleh surja petir maupun surja hubung. Arrester beroperasi melindungi peralatan sistem tenaga listrik dengan cara membatasi surja tegangan lebih yang datang dan mengalirkannya ke tanah.
Pada saluran udara tegangan menengah (SUTM) gangguan kilat akibat sambaran tidak langsung atau sambaran induksi tidak boleh diabaikan. Justru gangguan kilat akibat sambaran induksi ini lebih banyak dibandingkan dengan gangguan kilat akibat sambaran langsung.
Hal tersebut disebabkan oleh dua hal :
a. Karena tingkat ketahanan impuls isolasi V50% dari isolator SUTM relative rendah.
Misalnya isolator 20 kV mempunyai ketahanan impuls isolasi V50% = 160 kV dan ini
rendah.
b. Karena luasnya daerah sambaran induksi, jadi jumlah sambaran kilat induksi juga jauh lebih banyak dibanding dengan jumlah sambaran langsung.
Bila besar surja tegangan yang timbul menyamai atau melebihi ketahanan impuls isolasi isolator, V50% , maka diasumsikan terjadi lompatan api pada isolator, dan selanjutnya tergantung
dari besar probabilitas peralihan dari lompatan api menjadi busur api diperoleh jumlah gangguan saluran.
Gangguan kilat pada saluran udara tegangan menengah dibedakan menjadi dua macam gangguan menurut cara terjadinya sambaran yaitu :
Sambaran kilat langsung
Sambaran tidak langsung ( induksi )
Sebagaimana diketahui panjang gawang saluran udara tegangan menengah berkisar antara 40 sampai 80 meter, tetapi pengetahanan tiang dilakukan 3 sampai 4 gawang, yaitu untuk saluran dengan kawat tanah atau kawat netral. Jadi sambaran langsung dianggap semua pada tiang, baik pada tiang yang diketanahkan maupun pada tiang yang tidak diketanahkan dengan jumlah sambaran dianggap sama.
No = Ni + Nt di mana, :
No = jumlah gangguan kilat
Ni = jumlah gangguan akibat sambaran induksi, Nt = jumlah gangguan akibat sambaran langsung.
2.4.1 Gangguan Kilat dan Angka Keluar
Satuan gangguan adalah “ angka keluar “ akibat sambaran kilat diberikan dalam jumlah ganguan per 100 km per tahun. Gangguan ini biasanya di bagi dalam dua kelompok :
1. Gangguan akibat sambaran langsung, yang terdiri dari : a. Gangguan kilat pada kawat tanah,
b. Gangguan kilat pada kawat fasa atau gangguan perisai.
2. Gangguan kilat akibat sambaran tidak langsung atau sambaran induksi.
Untuk saluran distribusi tegangan menengah, justru sambaran induksi ini yang mengakibatkan lebih banyak gangguan.
Jumlah sambaran kilat ke bumi adalah sebanding dengan jumlah hari guruh per tahun atau “ Iso Keraunik Level “ ( IKL ) ditempat itu. Banyak para penyelidik yang telah memberikan perhatian kearah ini dan mengemukakan rumus – rumus yang berlainan. Untuk Indonesia di usulkan menggunakan,
N = 0,015 IKL (2.1)
dimana,
IKL = Jumlah hari guruh per tahun Jadi jumlah sambaran pada saluran sepanjang 100 km adalah :
N L 0,015 IKL b 4 h1,09 (2.2)
Sambaran per 100 km per tahun Rumus – rumus tersebut diberikan dalam tebel berikut :
Tabel 2.1 Relasi empiris antara kerapatan sambar dan hari guruh tahunan.
No Lokasi Kerapatan Sambaran
Petir N (per km kwadrat per tahun)
( ! )
Penyelidik
1 India 0,10 IKL Aiya ( 1968 )
2 Rhodesia 0,14 IKL Anderson dan Jenner
(1954 )
3 Afrika Selatan 0,023 (IKL) 1 ; 3 Anderson – Eriksson (1954)
4 Swedia 0,004 (IKL) 2 Muller – Hillebrand
(1964) 5 Inggris ( UK ) a (IKL) b
a=2,6 ± 0,2x10 -3 b=1,9 ± 0,1
Stringfellow (1974 )
(1951)
7 USA ( bag. Selatan) 0,17 IKL Horn dan Ramsey
(1951)
8 USA 0,1 IKL Anderson (1968)
9 USA 0,15 IKL Brown dan Whitehead
(1969)
10 Rusia 0,036 (IKL) 1,3 Kolokolov dan
Pavlova (1972)
11 Dunia (iklim sedang) 0,19 IKL Brooks (1950)
12 Dunia (iklim sedang) 0,15 IKL Golde (1966)
13 Dunia (iklim tropis) 0,13 IKL Brooks (1950)
Untuk daerah katulistiwa dengan iklim tropis seperti di Indonesia dengan IKL berkisar antara 60 sampai 150 menggunakan N = 0,15 IKL
Besar tegangan yang timbul pada isolator tergantung pada kedua parameter kilat, yaitu puncak dan kecuraman muka gelombang.
Tidak semua sambaran kilat dapat mengakiatkan lompatan api (flashover) pada isolator saluran. Demikian juga tidak semua lompatan api yang timbul dapat beralih menjadi busur api ( power arc ) yang mengakibatkan gangguan saluran (line outage).
Apakah akan terjadi lompatan api bila saluran disambar kilat tergantung dari besar tegangan yang timbul dan melebihi kekuatan impuls V50% isolator.
Demikian juga apakah akan tarjadi peralihan dari lompatan api menjadi busur api yang mengakibatkan gangguan saluran tergantung dari sejumlah factor seperti dijelaskan berikut ini.
Waktu beraksi rele biasanya tidak kurang dari setengah putaran (cycle) atau 0,01 detik ( untuk frekuensi sistem 50Hz ), sedang eksistensi gelombang kilat tidak lebih dari 100 mikrodetik. Jadi lompatan api impuls itu tidak mungkin mengakibatkan pemutusan saluran. Pemutusan saluran itu hanya akan terjadi bila:
Probabilitas beralihnya lompatan api impuls menjadi busur api tergantung dari sejumlah factor termasuk daya sumber. Tetapi yang paling berpengaruh adalah intensitas medan yang ditimbulkan oleh tegangan keja dalam kanal pelepasan impuls ( impulse discharge). Makin tinggi intensitas medan makin baik konduktivitas kanal pelepas impuls dan makin tinggi probabilitas beralihnya lompatan api menjadi busur api, dan yang terakhir ini akan selalu mengakibatkan gangguan saluran ( line outage ).
Bila gradient tegangan kerja sepanjang jalan lompatan api tidak cukup besar busur api tidak akan terbentuk dan karenanya gangguan saluran juga tidak terjadi.
Menurut penelitian yang dilakukan di Rusia probabilitas beralihnya lompatan api menjadi busur api pada isolator dihubungkan dengan intensitas medan karena tegangan kerja dan ini kira – kira sama dengan hasil bagi tegangan netral (rms) dengan panjang rentangan isolator.
Pada saluran – saluran yang diketanahkan dengan kumparan Petersen, pada gangguan satu fasa ke tanah arus kapasitif sudah di kompensir oleh aus kumparan Petersen, jadi probabiitas peralihan lompatan api menjadi busur api adalah nol, jadi gangguan yang mungkin adalah gangguan fasa ke fasa.
Jadi, penjelasan – penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa jumlah gangguan pada saluran tergantung dari :
a. Jumlah sambaran pada saluran, NL b. Probabilitas terjadinya lompatan api, PFL
c. Probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api,
Dengan demikian besar terjadinya probabilitas terjadinya gangguan dapat ditulis sebagai : No = 0,015 IKL ( b + 4h 1,09 ). PFL (2.3)
Untuk mengurangi probabilitas terjadinya lompatan api biasanya dilakukan dengan memasang kawat tanah pada saluran. Jadi bila kilat menyambar kawat tanah hanya untuk arus-arus kilat yang besar dapat terjadi lompatan api.
Untuk mengurangi probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api dapat dilakukan dengan memperpanjang jalan lompatan api, menggunakan tiang kayu.
2.4.2 Sambaran langsung
Yang dimaksud dengan sambaran langsung adalah apabila kilat menyambar langsung pada kawat (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. Asumsi ini dapat di benarkan karena tinggi kawat di atas tanah relative rendah ( 10 sampai 13 meter ) dan juga karena dengan sudut perisaian yang biasanya lebih kecil 60 derajat sudut dapat dianggapsambaran kilat mengenai kawat tanah, jadi tidak ada kegagalan perisaian.
Pada waktu kilat menyambar kawat tanah atau kaat fasa akan timbul arus besar dan sepasang gelombang berjalan yang merambat pada kawat. Arus yang besar ini dapat membahayakan peralatan-peralatan yang ada pada saluran. Besarnya arus atau tegangan akibat sambaran ini tergantung pada besar arus kilat, waktu muka dan jenis tiang saluran. Oleh karena
saluran saluran tegangan menengah tidak begitu tinggi di atas tanah, maka jumlah sambaran langsung pun rendah. Makin tinggi tegangan sistim makin tinggi tiangnya, dan makin besar jumlah sambaran ke saluran itu.
Tegangan lebih akibat sambaran kilat selain tergantung pada parameter kilat ( arus puncak dan waktu muka ) juga dipengaruhi oleh jenis saluran dan tiang penopang. Jenis saluran adalah saluran tanpa kawat tanah dan saluran dengan kawat tanah dan jenis tiang penopang adalah : tiang besi, tiang kayu dan tiang beton. Tiang kayu atau beton, demikian juga lengan ( cross arm ) kayu mempengaruhi besar tingkat ketahanan impuls isolasi saluran.
Perhitungan-perhitungan dilakukan berdasarkan tiang dan lengan besi. Pengaruh penambahan tingkat ketahanan isolasi dari kayu atau beton dapat ditambahkan pada tingkat ketahanan impuls isolasi dari isolator.
Tahanan kontak tiang pada tiang-tiang yang di ketanahkan mempengaruhi juga tegangan yang timbul pada isolator saluran. Besar tahanan kontak ini berkisar antara 5 ohm sampai 50 ohm. Dalam perhitungan–perhitungan dianjurkan menggunakan 20 ohm.
Pada sambaran ke kawat fasa untuk saluran tanpa kawat tanah hanya ditinjau arus puncak kilat, sedang pada sambaran ke kawat tanah pada saluran dengan kawat tanah, kedua parameter kilat, arus puncak dan waktu muka gelombang, diperhitungkan.
2.4.2.1 Tegangan Lebih Akibat Sambaran Langsung
Tegangan petir akibat sambaran petir dapat terjadi karena sambaran langsung ke kawat fasa ( untuk saluran tanpa kawat tanah ) atau sambaran ke kawat tanah ( untuk saluran dengan kawat tanah ). Di sini dimisalkan bahwa pada saluran dengan kawat tanah tidak ada kegagalan
perisaian karena tinggi saluran di atas tanah relatif rendah ( kurang dari 10 meter ) dan juga karena sudut perisaian biasanya tidak terlalu basar ( dibawah 600 ).
2.4.2.2 Saluran Tanpa Kawat Tanah
Pada saluran tanpa kawat tanah, hampir semua sambaran kilat menganai kawat dan sangat jarang mengenai tiang. Jadi di sini dimisalkan semua sambaran mengenai kawat.
Parameter sambaran petir yang berpengaruh jika terjadi sambaran kilat pada saluran tanpa kawat tanah adalah arus puncaknya, sedangkan pengaruh dari kecuraman arus dapat di abaikan. Selama terjadi sambaran pada kawat, suatu impedansi yang sama dengan setengah dari impedansi surja kawat Zp/2 di hubungkan pada tempat sambaran.
Probabilitas arus sama atau melabihi I0 , atau probabilitas terjadinya lompatan api adalah :
50% 8,5
PFL = e (2.4)
V50% = I0 = besar arus kilat menyambar sesuatu obyek dengan
tahanan nol ( zero resistance ground )
V50% = tahanan impuls isolator ( untuk isolator TM = 160 kV)
ZP = impedansi surja kawat
IKL = jumlah hari guruh per tahun ( di Indonesia 100 ) h = tinggi kawat fasa di atas tanah
= probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api / gangguan b = jarak antar fasa
N L = 0,015 IKL ( b + 4 h1,09 ) (2.5)
Sambaran per 100 km per tahun
Jumlah gangguan sambaran kilat langsung tanpa kawat tanah adalah :
N t = NFL x
η
= N L PFL η (2.6)Dalam hal tiang kayu, lompatan api yang terjadi lebih mungkin dari fasa yang di sambar kilat ke fasa yang di dekatnya atau di sebut lompatan api samping ( side flasover ).
Pengaruh tiang beton menambah tingkat ketahanan isolasi beberapa puluh kV, dan ini dapat di tambahkan pada V50% isolator saluran. Dari hasil – hasil penguji diperoleh tegangan
tembus beton kira – kira 23kV/cm untuk beton kering dan 20 kV/cm untuk beton basah. Dalam perhitungan – perhitungan diambil tegangan tembus beton 20kV/cm.
Pada sistem – sistem yang tidak diketanahkan atau pada sistem – sistem yang diketanahkan dengan kumparan Petersen dengan derajat tala sempurna, maka dalam hal ini lompatan api pada satu fasa tidak dapat mengakibatkan gangguan saluran. Hal tersebut disebabkan kumparan patarsen itu telah memadamkan bunga api arus kapasitif. Jadi probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api dapat dianggap nol. Gangguan yang terjadi adalah gangguan fasa ke fasa atau gangguan tiga fasa.
Pada saluran dengan konfigurasi horizontal sambaran hamper seluruhnya terjadi pada kawat yang paling pinggir, sedang pada konfigurasi vertical pada kawat yang paling atas.
Sambaran pada kawat yang mengakibatkan lompatan api pada isolatornya, arus kilat mulai mengalir ke tanah melalui dasar tiang / menara dan tahanan pengetanahan R.
Bila terjadi pelepasan kilat pada kawat dekat tiang, arus kilat penuh sebesar yang diperoleh pada obyek yang diketanahkan secara sempurna, atau tahanan R = 0, mulai mengalir melalui tahanan pengetanahan R dan tiang memperoleh tegangan hamper sama dengan IO R.
Tegangan kawat yang disambar kilat juga mengalami tegangan sama dengan IO R.
2.4.2.3 Saluran Dengan Kawat Tanah
Seperti diketahui pemasangan kawat tanah bertujuan untuk melindungi kawat fasa dari sambaran langsung kilat. Dengan adanya kawat tanah yang letaknya di atas kawat fasa dan tinggi kawat di atas tanah relatif rendah, dianggap semua sambaran mengenai kawat tanah, jadi tidak ada yang menyambar kawat fasa.
Pada saluran udara tegangan menengah tidak semua tiang di ketanahkan, tetapi selang 3 sampai 4 gawang. Panjang gawang relatif kecil ( 40 sampai 80 meter ), jadi di sini dianggap semua sambaran mengenai tiang, baik tiang yang ketanahkan maupun tiang yang tidak di ketanahkan. Jumlah sambaran pada tiang yang di ketanahkan di ambil sama dengan jumlah sambaran pada tiang yang tidak di ketanahkan.
Tiang yang di ketanahkan mempunyai tahanan kontak 20 ohm dan tiang yang tidak diketanahkan tinggi, beberapa ratus sampai ribuan ohm, tergantung dari jenis pondasi ( batu kali dengan pasir / tamah atau di cor beton ) dan keadaan tanah ( basah, kering atau tanah berpasir ).
Jadi sambaran ke kawat tanah dibagi dalam dua golongan, sambaran pada tiang yang diketanahkan (50%) dan sambaran pada tiang yang tidak diketanahkan (50 %).
Untuk sambaran pada tiang, kilat seolah – olah menemui impedansi surja kawat tanah dan impedansi surja tiang yang tersambung paralel.
Setelah kilat menyambar tiang, gelombang merambat pada tiang ke dasar tiang. Pada dasar tiang terjadi pantulan, dan gelombang pantulan ini merambat ke puncak tiang dimana ia mengalami pantulan kembali. Jadi pada tiang mengalami pantulan kembali.
Besar tahanan kontak tiang yang di ketanahkan diambil 20 ohm dan tahanan kontak tiang yang tidak di ketanahkan sangat besar, beberapa ratus sampai ribuan ohm. Sebagai harga rata – rata di sarankan menggunakan 100 ohm untuk tiang besi dan 500 ohm untuk tiang beton.
Dengan mengetahui besar arus minimum yang dapat menimbulkan lompatan api balik ( back flashover ), kemudian dapat dicari probabilitas terjadinya lompatan api.
%
!" .$%
&
P FL = e (2.7)
Jumlah gangguan dengan kawat tanah adalah :
Nt = NL PFL
%
!" .$%
&
2.4.3 Sambaran Tidak Langsung atau Sambaran Induksi
Bila terjadi sambaran kilat ke tanah di dekat saluran maka terjadi fenomena trensien yang diakibatkaan oleh medan elektromagnetis dari kanal kilat. Fenomena kilat ini terjadi pada kawat penghantar. Akibat dari kejadian ini timbul tegangan lebih dan gelombang berjalan yang merambat pada kedua sisi kawat di tempat sambaran berlangsung.
Fenomena trensien pada kawat berlangsung hanya di bawah pengaruh gaya yang memaksa muatan-muatan bergerak sepanjang hantaran. Atau dengan perkataan lain trensien dapat terjadi dibawah pengaruh komponen vektor kuat medan yang berarah sejajar dengan arah penghantar. Jadi bila komponen vector dari kuat medan berarah vertikal, dia tidak akan mempengaruhi atau menimbulkan fenomena trensien pada penghantar.
Lebar bayang-bayang listrik dibawah saluran atau disebut daerah perisaian dan khususnya untuk saluran tegangan menengah. Persamaan lebar bayang-bayang listrik :
W = ( b + 4h 1,09 ) meter dimana :
W = lebar bayang – bayang b = jarak antar fasa
h = tinggi kawat fasa tertinggi
Di luar daerah perisaian ini kilat di anggap menyambar langsung ke tanah atau sambaran induksi.
Telah banyak dilakukan perhitungan-perhitungan teoritis maupun percobaan-percobaan dalam hubungan dengan tegangan induksi akibat sambaran kilat tidak langsung atau sambaran induksi. Pada tahun 1908 K.W. Wegner merupakan orang pertama melakukan penyelidikan
teoritis mengenai tegangan induksi kilat pada saluran transmisi. Ia mendapatkan bahwa tegangan induksi pada saluran diberikan oleh perkalian antara tinggi kawat diatas tanah dengan kuat medan listrik penginduksi sebelum terjadinya pepelasan muatan kilat. Pada teorinya itu Wegner menganggap bila muatan awal hilang secara tiba–tiba maka muatan induksi akan bebas bergerak pada saluran sebagai gelombang berjalan.
Bewly (1929) menyempurnakan teori Wegner diatas dengan memperhitungkan kenyataan bahwa medan penginduksi tidak dapat hilang secara tiba – tiba akar gelombang berjalan menjadi lebih panjang pada waktu yang sama ketika amplitudonya semakin berkurang. Suatu sumbangan yang menarik diberikan untuk pertama kalinya oleh Aigen pada tahun 1935, dimana diperhitungkan pengaruh induksi dari jalan kilat vertical dari sambaran kilat ke tanah.
Pada tahun 1942, Wegner dan Mc Cann menerbitkan masalah yang mendasar dari konsepsi modern dari sifat tegangan lebih induksi akibat sambaran tidak langsung. Dalam makalah tersebut di kemukakan pengaruh muatan dan arus dalam kanal kilat selama sambaran balik ( return stroke ) dan bahwa madan dari jalan kilat lebih barpengaruh. Ditekankanya bahwa hanya selama sambaran balik akan terjadi tagangan induksi yang tinggi. Pada tahun 1948 Szpor menghitung tegangan induksi yang di akibatkan oleh sambaran vertical dengan memperhitungkan induksi elektromagnetis dan elektrostatis, akan tetapi dia memecahkan problema ini sebagai kuasi-stasioner dan hasilnya hanya berlaku didekat sambaran kilat. Hasil perhitungan tegangan induksi yang diperolehnya mempunyai harga yang sama dengan yang di peroleh Wegner dan Mc Cann.
Untuk daapat menghitung tegangan lebih pada saluran akibat sambaran induksi terlabih dahulu harus diketahui medan elektromagnetis dari sambaran kilat. Arus kilat pada tanah mempunyai waktu muka yang kecil dan ekor yang panjang. Selama proses pelompatan kepala ( stepped leader ) suatu muatan q0 telah terdistribusi secara merata sepanjang kanal kilat ( lightning channel ). Kemudian sambaran balik yang berupa surja arus dengan bentuk fungsi langkah ( stepped function ) akan bergerak ke atas dengan kecepatan sama dengan kecepatan sinar dan menetralkan muatan yang ada pada kanal kilat. Bila waktu muka dari arus kilat tidak diperhatikan pendekatan ini dapat digunakan untuk bagian bawah dari kanal kilat, dimana variasi muatan dan kecepatan pada ketinggian diatas permukaan tanah dapat diabaikan.
2.4.3.2 Pengaruh Kawat Tanah Terhadap Tegangan Induksi
Dalam menghitung pengaruh kawat tanah terhadap tegangan induksi diperkanalkan Faktor Perisaian ( FP ) yang didefinisikan sebagai hasil bagi tegangan induksi dengan kawat tanah dan tegangan induksi tanpa kawat tanah.
Kawat tanah ideal adalah kawat tanah yang mempunyai titik pengetanahan pada setiap titik sepanjang kawat tanah, sehingga potensialnya sepanjang kawat tanah adalah nol. Pada kenyataanya tidak ada kawat ideal, jadi kawat tanah itu mempunyai beda tegangan tertentu terhadap tanah.
Pada saluran tiga fasa dengan empat kawat yaitu tiga kawat fasa dan satu kawat netral, dan tidak ada kawat tanah, maka pengaruh kawat netral itu terhadap tegangan induksi pada kawat fasa sama seperti pengaruh kawat tanah pada tegangan induksi pada kawat fasa. Dalam hal ini tinggi kawat netral di atas tanah lebih rendah dari tinggi kawat fasa, jadi besar factor perisaian lebih besar dibanding dengan factor perisaian dari saluran dengan kawat tanah.
Ada kalanya kawat netral itu di pasang di atas kawat fasa, sama seperti kedudukan kawat tanah. Dalam hal ini factor perisaian akan lebih kecil, jadi lebih baik. Tetapi dengan memasang kawat netral di atas kawat fasa akan mempertinggi tiang dan dengan demikian akan memperbesar jumlah sambaran langsung.
2.4.3.3 Perhitungan Gangguan Sambaran Induksi
Sebagaimana di jelaskan tidak semua lompatan api dapat beralih menjadi busur api atau gangguan dan besarnya gangguan itu tergantung dari besar probabilitas .
Dengan demikian jumlah gangguan karena sambaran induksi adalah : ( a ) Tanpa Kawat Tanah
Ni = 30,6 IKL h '
( ) *+% *,+ -. /+,+0
%
x η (2.9)
Gangguan per 100 km per tahun V50% = tahanan impuls isolator
IKL = jumlah hari guruh per tahun FP = factor perisaian
h = tinggi kawat fasa di atas tanah
= probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api / gangguan
( b ) Dengan Kawat Tanah
Ni = 30,6 IKL FP h '
( ) *+% *,+ /+,+0
