Vol.12.No.1. Februari 2012 Jurnal Momentum ISSN : X

(1)

Perencanaan Koordinasi Isolasi

Peralatan Tegangan Tinggi Gardu Induk 150 Kv

Berdasarkan Arus Surja Petir Pada Sistem Interkoneksi Sumbagsel Dan Sumbagteng

Yusreni Warmi, Minarni, Dasman*)

*)Dosen Teknik Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo Padang Telp. 0751-7055202, 444842 Fax.0751-444842

E-mail: [email protected]

Abstrak

Penelitian ini mempelajari masalah tegangan lebih yang terjadi pada gardu induk akibat sambaran petir pada saluran transmisi, baik sambaran langsung pada kawat fasa maupun sambaran petir pada kawat tanah. Simulasi dilakukan dengan menggunakan Electromagnetic Transients Program (EMTP) sebagai perangkat lunak dengan cara memodelkan gardu induk sesuai representasi peralatan-peralatan di gardu, dengan menerapkan bentuk gelombang petir arus standar IEC (8/20

s

, 1/70

s

), dan melihat pengaruh peletakan arrester terhadap transformator daya untuk mengevaluasi koordinasi isolasi pada gardu induk. Studi kasus dilakukan pada gardu induk 150 kV Muaro Bungo.

Hasil simulasi menunjukkan adanya pengaruh peletakan arrester, terhadap besarnya tegangan lebih yang terjadi pada transformator daya seperti; untuk peletakan lightning arrester pada jarak 6 meter, maka nilai tegangan puncak pada masing-masing peralatan, CT adalah 543,837 kV, CB adalah 566,659 kV, DS adalah 579,357 kV, Arrester adalah 527,884 dan Transformator Daya adalah 527,884 kV. Sedangkan pada jarak 10 meter, tegangan lebih yang timbul pada masing-masing peralatan bertambah, CT adalah 543,600 kV, CB adalah 567,269, DS adalah 579,381, Arrester adalah 528,097 kV dan Transformator Daya adalah 528,123 kV.

Kata kunci: Koordinasi Isolasi, Tegangan Lebih Transien, EMTP

PENDAHULUAN

Saluran Transmisi memegang peranan penting dalam proses penyaluran daya dari pusat-pusat pembangkit hingga ke pusat-pusat beban. Agar dapat melayani kebutuhan tersebut maka diperlukan sistem transmisi tenaga listrik yang handal dengan tingkat keamanan yang memadai.

Pada sistem interkoneksi kelistrikan di Pulau Sumatera Bagian Tengah (Sumbagteng), dipergunakan Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) 150 kV. Sambaran petir pada saluran transmisi dapat menimbulkan tegangan lebih transien pada peralatan, hal ini akan

membahayakan bila tegangan tersebut melampaui tingkat isolasi dasar peralatan (BIL). Sehingga untuk menanggulangi permasalahan

tersebut diterapkan konsep koordinasi isolasi pada sistem.

Koordinasi isolasi pada sistem tenaga listrik merupakan permilihan kekuatan listrik dari peralatan dan aplikasinya. Hal ini berhubungan dengan tegangan yang akan timbul di dalam sistem, dimana peralatan harus mampu menahan tegangan tersebut dengan memperhitungkan karakteristik dari peralatan proteksi, sehingga dapat mengurangi ancaman tegangan lebih yang akan timbul pada peralatan secara teknis dan ekonomis (Warmi Y., 2000).

Pada kasus-kasus dimana saluran daya (kawat fasa) langsung terkena petir (kegagalan perlindungan), kerusakan peralatan mungkin terjadi pada ujung-ujung saluran, hal ini disebabkan oleh adanya tegangan lebih transien yang merambat menuju gardu induk. Tegangan ini biasanya sampai lebih dari satu juta volt.

(2)

Bila tegangan tersebut tidak diamankan dengan alat pengaman, maka akan menyebabkan kerusakan isolasi pada peralatan. Sambaran petir pada kawat tanah atau menara dapat juga menimbulkan back flashover pada kawat fasa. Back flashover terjadi bila gelombang arus petir yang mengenai kawat tanah merambat melalui impedansi surja menara ke tanah , namun karena resistansi tanah cukup besar menyebabkan gelombang arus pantul akan merambat kembali ke puncak menara. Bila gelombang tegangan pantul tersebut melebihi tegangan tembus isolator yang ada pada tiang transmisi, maka arus petir akan terinjeksi ke kawat fasa (E Kuffel W. S. Zaengl dalam Warmi Y., 2000).

Perlindungan peralatan pada gardu induk biasanya menggunakan arrester yang dapat membatasi harga tegangan surja di bawah tingkat isolasi dasar peralatan. Namun pengaruh gelombang berjalan akan menimbulkan

tegangan yang lebih tinggi di tempat-tempat yang agak jauh dari arrester (E Kuffel, W. S. Zaengl 1984). Oleh karena itu jarak optimal yang diizinkan antara arrester dan peralatan yang dilindungi dapat ditentukan dengan

sama dengan S. Meyer. Selanjutnya H.M. Dommel mengembangkan program ini di University of British Columbia.

Seperti disebutkan diatas, EMTP lebih ditekankan untuk menyelesaikan persoalan transient pada sistem tenaga listrik, walaupun demikian program ini juga dapat menyelesaikan persoalan tenaga listrik dalam keadaan tunak.

EMTP dapat digunakan untuk menganalisis transients pada rangkaian yang mengandung parameter terkosentrasi (R, L, dan C), saluran transmisi dengan parameter terdistribusi, saluran yang ditransposisi atau saluran yang tidak ditransposisi. EMTP sangat baik digunakan untuk menganalisis transients pada operasi switching surge dan lightning surge karena program ini menyediakan fasilitas pemodelan untuk generator, CB (Circuit Breaker), transformator, arrester, sumber surja petir, dan pemodelan saluran transmisi baik untuk saluran yang tergantung frekuensi maupun tidak (Dommel, Herman, 1996).

Persamaan-persamaan differensial pada saluran transmisi tanpa rugi-rugi untuk saluran multi konduktor dengan N fasa, diperoleh : memperhatikan kecuraman dari gelombang

surja yang datang, kecepatan perambatan gelombang, tegangan percik arrester, sehingga

2

V

z

2

=

Z Y V

konsep perlindungan terhadap peralatan dalam hal ini koordinasi isolasi dapat tercapai secara

(2.1)

optimal.

Studi kasus akan dilakukan pada gardu

2

V

z

2

=

Z Y I

(2.2)

induk 150 kV Kiliranjao – Muaro Bungo. Untuk memperoleh koordinasi isolasi yang optimal pada peralatan-peralatan gardu induk, akan dilamati pengaruh peletakan arrester pada gardu induk tersebut dengan menggunakan simulasi komputer.

Dengan V dan I adalah besaran fasa, juga dinyatakan dengan Vfasa dan Ifasa. Dengan

menggunakan transformasi node dua matrik eigenvector, TV, dan TI, untuk [Y] [Z] diperoleh

:

METODOLOGI

EMTP adalah suatu program komputer terintegrasi yang didesain untuk menyelesaikan permasalahan peralihan (transients) pada sistem tenaga listrik untuk rangkaian terkosentrasi (lumped), rangkaian terdistribusi, atau kombinasi dari kedua rangkaian tersebut. Program ini pertama kali dikembangkan oleh H.M. Dommel yang mengembangkan versi pertama di Munich Institute of Technology pada awal tahun 1960-an. H.M. Dommel

melanjutkan pekerjaannya tersebut di BPA (Bonneville Power Administration) dan bekerja

I

=

I

fasa =

T

I

node

V

=

V

fasa =

T

V

node

T

I 1

T

V t

Dengan menggunakan transformasi node, sistem terkopel N fasa awal dapat ditransformasikan ke dalam sistem-sistem N fasa tunggal tak terkopel (atau konduktor

(3)

tunggal), seperti yang diperlihatkan pada gambar 1.

a. Domain Waktu

b. Domain frekuensi

Gambar 1. Bagian terkecil dari saluran transmisi dua konduktor

HASIL

Arus petir diinjeksikan 87 kA (8/20 µs) yang paralel dengan impedansi surja petir sebesar 400 ohm pada konduktor fase A di menara yang terdekat dengan GITET (T3),

diperoleh profil tegangan di setiap fase A pada, Transformator arus (CT), Circuit Breaker (CB), Saklar Pemisah (DS), Lightning Arrester (AR), dan Transformator Daya (TD). Harga-harga puncak profil tegangan dari peralatan dapat dilihat pada tabel 1 berikut.

(4)

Tabel 1. Harga Puncak Profil Tegangan Peralatan Gardu Induk Untuk Sambaran Petir 40 kA (8/20 µs)

Jarak Peralatan Lightning

Tegangan maksimum pada Fasa A

Arrester CT1K1 CB1K1 DS1K1 AR TR (m) 6 10 12 20 30 40 142,11 166,85 166,78 166,63 165,35 165,28 137,07 177,64 177,58 177,53 177,46 176,88 136,41 181,89 181,82 181,52 181,01 180,88 151,50 151,50 151,50 151,50 151,49 151,47 151,50 151,53 152,89 155,25 158,74 162,03 500 [kV] 400 300 200 100 0 -100 -200 0 5 10 15 20 25 30 35 _[us] 40

(file Kiliranjao2_16m 4.pl4; x-var t) v:IMPA v:DS1K1A

v:A2A

v:CVTA

v:BS1K1 v:VTRK1A v:CT1K1A v:CB1K1A

Gambar 2. Profil Tegangan Pada Peralatan Bila Terjadi Sambaran Petir 40 kA 8/20 µs Untuk Jarak Peralatan 6 meter dari Transformator Daya

(5)

Grafik hasil profil tegangan puncak pada proses simulasi dapat dilihat pada gambar 3 dan 4 berikut: 500 [kV] 400 300 200 100 0 -100 -200 0 5 10 15 20 25 30 35 _[us] 40

(file Kiliranjao2_16m 4.pl4; x-var t) v:IMPA v:DS1K1A

v:A2A

v:CVTA

Gambar 3. Profil Tegangan Pada Peralatan Bila Terjadi Sambaran Petir40 kA 8/20 µs Untuk Jarak Peralatan 10 meter dari Transformator Daya

500 [kV] 400 300 200 100 0 -100 0 5 10 15 20 _[us] 25

(file Kiliranjao2_112m4.pl4; x-var t) v:IMPA v:DS1K1A

v:A2A

v:CVTA

(6)

500 [kV] 400 300 200 100 0 -100 0 5 10 15 20 _{[us ]} 25

(file Kiliranjao2_120m4.pl4; x-var t) v:IMPA v:DS1K1A

v:A2A

v:CVTA

(7)

PEMBAHASAN

perlindungan hanya mencapai 1,18 untuk jarak 120

meter.

Dari simulasi yang telah dilakukan terlihat

bahwa untuk simulasi kegagalan perlindungan

tegangan lebih yang terjadi pada peralatan akan

melebihi Tingkat Isolasi Dasar (BIL) dari peralatan

tanpa pemasangan lightning arrester. Setelah dipasang

lightning arrester pada jarak tertentu dari transformator

daya tegangan lebih tersebut dipotong oleh arrester

sehingga dalam beberapa mikro detik setelah

sambaran tegangan kembali ke tegangan sistem daya.

Simulasi arus surja petir 40 kA (8/20

s

),

terlihat bahwa pengaruh peletakan lightning arrester

pada peralatan mempengaruhi besar tegangan lebih

yang sampai pada peralatan. Makin jauh jarak

lightning arrester dari tranformator daya, maka makin

besar tegangan lebih yang sampai pada transformator

tersebut (pada jarak sebenarnya 30 meter tegangan

lebih pada transformator daya adalah 158,34 kV,

sedangkan pada jarak 40 meter tegangan lebih pada

transformator daya mencapai 162,03 kV pada jarak 40

meter. Hal ini disebabkan oleh pengaruh perambatan

gelombang surja yang cukup lama untuk jarak yang

lebih besar, sehingga terjadi proses pantulan

gelombang dengan waktu yang lama menyebabkan

tegangan yang sampai pada peralatan merupakan

akumulasi tegangan lebih selama proses pantuln

sampai arresternya mulai bekerja.

Untuk analisis koordinasi isolasi, dari data

BIL peralatan masing-masing:

SIMPULAN

Pola penghantar Simpang Tiga – Prabumulih line

1 dan line 2 selama 0,03 detik, diikuti dengan

Bukit Kemuning – Batu Raja line 1 sedangkan

pembangkit dan penghantar yang lain dalam

keadaan terhubung

Pola penghantar Simpang Tiga – Prabumulih line

1 dan line 2 selama 0,03 detik, diikuti dengan

Bukit Kemuning – Batu Raja line 1 dan line 2

sedangkan pembangkit dan penghantar yang lain

dalam keadaan terhubung

Pola penghantar Batu Raja – Bukit Asam line 1

selama 0,03 detik sedangkan pembangkit dan

penghantar yang lain dalam keadaan terhubung

Pola penghantar Batu Raja – Bukit Asam line 1

dan line 2 selama 0,03 detik sedangkan

pembangkit dan penghantar yang lain dalam

keadaan terhubung.

Pada simulasi pensaklaran tidak terjadi tegangan

transien yang membahayakan pada penghantar

150kV Payakumbuh – Koto Panjang dengan

berbagai macam pola pembebanan Pembangkit,

kecuali saat PLTA Koto Panjang tidak operasi.

Pada saatpensaklaran dengan PLTA Koto Panjang

tidak operasi tegangan akan mengalami kenaikan

meskipun tidak signifikan tetapi kemudian secara

berangsur-angsur seiring pertambahan waktu

tegangan di Pulau Pekan Baru akan mengalami

- Current Transformer

- Saklar pemisah (DS)

- Circuit Breaker (CB)

- Trafo daya

(CT)

= 725 kV

= 650 kV

penurunan, dikarenakan tidak ada lagi Pembangkit

di Pulau Pekan Baru yang operasi.

Saat pelepasan Unit Pembangkit PLTA Koto

Panjang baik hanya satu Unit maupun tiga unit

sekaligus, tegangan transien di GI Koto Panjang &

GI Payakumbuh masih berada dalam batas yang

diijinkan, dipilihnya GI-GI tersebut karena

Kondisi di atas dengan tingkat perlindungan

lightning arrester pada jarak 100 meter dari

transformator daya, tegangan yang terjadi masih jauh

di atas standar yang direkomendasikan oleh ANSI,

IEEE yaitu lebih besar dari 1,20 atau hasil yang

diperoleh sebesar 1,201. Sedangkan untuk jarak

peletakan lightning arrester lebih dari 100 meter akan

menyebabkan kegagalan perlindungan, karena tingkat

merupakan GI yang berdekatan dengan pusat

gangguan (PLTA Koto Panjang).

4.2 Saran

Penelitian ini harus dilanjutkan dengan

menginterkoneksikan kedua sistem tersebut, kemudian

menganalisa tengan lebih yang terjadi pada

(8)

masing-masing peralatan Gardu Induk atau lebih kurang 100

Gardu Induk. Menentukan nilai tegangan yang terjadi

Fast Front Transients, IEEE Transaction

on PWRD Vol. 11, No.1, Januari 1996

pada semua peralatan Gardu Induk (Transformator

Daya, Arrester, Circuit Breaker )

James D. M. Phelps, P.S. Pugh, James E. Beehler, 765

kV Station Insulation Coordination,

DAFTAR PUSTAKA

Deniz A. Zalar, A guide to the Application of Surge

Arrester for Transformer Protection, IEEE

Transaction on Industry Application, Vol,

I A-15 No.6 Nopember/Desember 1979.

Dommel, Herman W. Electromagnetic Transients

Program, Vancouver, Canada, Agustus

1996

Dr. A. Arismunandar, Teknik Tegangan Tinggi, PT.

Pradnya Paramita, Jakatra 1978

Dr. Lorenzo Thione, Trend In Sualtion Coordination

Toward the Year 2000, International

Symposium on Modern Insulator

Technologies

E. Kuffel, W. S. Zaengl, High Voltage Engineering,

Pergamon press, Oxford, 1984

Journal, IEEE, Vol Pa-88 No.9,1969

J. Arif . Evaluasi Koordinasi GITET 500 kV dengan

Mempehatikan Bentuk Gelombang Surja

Petir. Tugas Akhir S2 UGM, 2000.

John Wiley & Sons, Electromagnetic Transients in

Power System, Reseacrh Studies\press Ltd,

1996

L.V. Bewley, Travelling Waves on Transmission

System, 2 nd. Ed, John Wiley & Sons,

Newyork, 1951

M.S Naidu, V. Kamaraju, High Voltage Engineering,

Tata MC Graw-Hill Publishing Company

Limited, 1995

R.E. Clayton, I.S. Grant, D.E. Hedman, D.D. Wilson,

Surge Arrester and Very Fast Surge, Journal,

IEEE, Vol. Pas-102, No.8, 1993

EMTP

Develpoment Coordination Group. The

Electromagnetic Transients Program,

Version 3, Rule Book 1. Volume 1 EPRI

Report 1998

Develpoment Coordination Group. The

Electromagnetic Transients Program,

Version 3, Rule Book 2. Volume 1 EPRI

Report 1998

Develpoment Coordination Group. The

Electromagnetic Transients Program, Version 3,

Rule Book 3. Volume 1 EPRI

Report 1998

IEEE Modeling and Analysis of Sistem Transients

Working Group, Modeling

Guidelines for

T.S. Hutauruk, Gelombang Berjalan dan Proteksi

Surja, Erlangga, 1988

Warmi Y., Analisis Pengaruh Pelepasan Beban

Terhadap Tegangan Lebih Transien Dengan

Menggunakan Electro Magnetic Progam.

Tugas Akhir S2 UGM, 2000.

Yamada T, et al, Experimental Evaluation of UHV

Tower Model for Lightning Surge Analysis,

IEEE Transaction on PWRD, Vol 10, No.1

January 1995

(9)