BAB II KORONA PADA SALURAN TRANSMISI

(1)

BAB II

KORONA PADA SALURAN TRANSMISI

II.1 Tegangan Transmisi dan Rugi-Rugi Daya

Transmisi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik yang berperan dalam menyalurkan energi listrik dari pusat pembangkit ke gardu induk. Saluran transmisi merupakan media yang digunakan untuk mentransmisikan tenaga listrik dari pembangkit listrik sampai distribusi hingga sampai pada konsumen pengguna listrik. Saluran udara ataupun saluran bawah tanah yang berguna menyalurkan daya listrik dari pusat pembangkit kepusat beban atau dari pusat beban satu ke pusat beban yanglain dengan tegangan lebih besar dari 20 kV.

Berdasarkan panjang saluran transmisi dayalistrik dibedakan menjadi tiga yaitu: saluran pendek (l < 80km), saluran menengah (80 km < l < 250 km) dan saluranpanjang (l > 250 km). Sedangkan menurut jumlah sirkityang digunakan dibedakan menjadi dua yaitu sirkittunggal dan sirkit ganda.

Berdasarkan sistem transmisi dan kapasitas tegangan yang disalurkan, terdiri atas: Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi (200-500 kV), Saluran Udara Tegangan Tinggi (30-150 kV), Saluran Kabel Tegangan Tinggi (30-150 kV).

(2)

Saat sistem beroperasi, pada saluran transmisi terjadi rugi-rugi daya. Jika tegangan transmisi adalah tegangan bolak-balik tiga fasa, maka besarnya rugi-rugi daya yang timbul adalah sebagai berikut:

∆Pt=3I2R (2.1)

Dimana:

I = Arus jala-jala transmisi (ampere)

R = Tahanan kawat transmisi per fasa (ohm)

Arus jala-jala suatu transmisi arus bolak-balik tiga fasa adalah:

I=_√3VP

rcosδ (2.2) Dimana:

P = Daya beban pada ujung penerima transmisi (Watt) Vr = Tegangan fasa ke fasa ujung penerima transmisi (Volt) cosδ = Faktor daya beban

Jika persamaan (2.2) disubstitusikan ke persamaan (2.1), maka rugi-rugi daya transmisi dapat dituliskan sebagai berikut:

∆𝑃𝑃_𝑡𝑡 = 𝑃𝑃2𝑅𝑅

𝑉𝑉𝑟𝑟2𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐2𝛿𝛿 (2.3) Dari persamaan (2.3) di atas dapat dilihat bahwa rugi-rugi transmisi dapat dikurangi dengan cara meninggikan tegangan transmisi, memperkecil tahanan konduktor, dan memperbesar faktor daya beban. Tetapi cara yang cenderung

(3)

dilakukan adalah meninggikan tegangan transmisi dengan dasar pertimbangan sebagai berikut:

1. Memperkecil tahanan konduktor dilakukan dengan memperbesar luas penampangnya. Tetapi cara ini memiliki keterbatasan karena penambahan luas penampang konduktor juga ada batasnya

2. Perbaikan faktor daya dilakukan dengan menambah kapasitor kompensasi (shunt capasitor). Tetapi, perbaikan yang diperoleh juga ada batasnya 3. Dari persamaan (2.3) di atas terlihat bahwa rugi-rugi daya transmisi

berbanding terbalik dengan kuadrat tegangan transmisi, sehingga pengurangan rugi-rugi yang diperoleh karena peninggian tegangan transmisi jauh lebih besar daripada pengurangan rugi-rugi daya karena pengurangan tahanan konduktor

Pertimbangan inilah yang mendorong perusahaan pembangkit tenaga listrik lebih cenderung menaikkan tegangan transmisi.

II.2 Masalah Penerapan Tegangan Tinggi pada Transmisi

Meskipun tegangan transmisi ditinggikan akan mengurangi rugi-rugi daya, tetap ada batasnya karena tegangan tinggi menimbulkan beberapa masalah, antara lain:

1. Timbulnya efek korona yang mengakibatkan gangguan radio (radio interference, disingkat RI). Korona ini menimbulkan rugi-rugi daya dan dapat menimbulkan gangguan terhadap komunikasi radio

2. Masalah yang lain adalah isolasi konduktor. Pada level tegangan yang lebih tinggi akan memberikan tekanan dielektrik yang lebih besar pada isolasi konduktor. Oleh karena itu, peralatan transmisi dan gardu induk

(4)

membutuhkan isolasi yang volumenya semakin banyak agar peralatan mampu memikul tegangan tinggi tersebut. Hal ini mengakibatkan kenaikan biaya investasi

3. Saat terjadi pemutusan dan penutupan rangkaian transmisi (switching operation), timbul tegangan lebih surja hubung sehingga peralatan sistem tenaga listrik harus dirancang mampu memikul tegangan tinggi tersebut. Hal ini mengakibatkan kenaikan biaya investasi

4. Jika tegangan transmisi ditinggikan, menara transmisi harus semakin tinggi untuk menjamin keselamatan makhluk hidup di sekitar saluran transmisi. Peninggian menara transmisi mengakibatkan transmisi mudah disambar petir. Sambaran petir pada transmisi akan menimbulkan tegangan lebih surja petir pada sistem tenaga listrik, sehingga peralatan listrik harus dirancang mampu memikul tegangan lebih tersebut

5. Peralatan sistem perlu dilengkapi dengan peralatan proteksi untuk menghindari kerusakan akibat adanya tegangan lebih surja hubung dan surja petir. Penambahan peralatan proteksi ini menambah biaya investasi dan perawatan

Dari kelima masalah di atas, masalah efek atau gejala koronaakan dibahas secara khusus pada bab ini. Dalam hubungannya dengan fenomena korona, pembahasan tentang gangguan radio dan gangguan berisik dan pemilihan konduktor yang ekonomis, telah banyak data yang dikumpulkan baik dari pengujian saluran transmisi (test lines) maupun dari saluran transmisi tegangan ekstra tinggi (EHV). Dengan data ini, analisa baru digunakan untuk memprediksi gangguan radio dan gangguan berisik pada saluran transmisi yang hendak

(5)

direncanakan. Beberapa proyek EHV menghasilkan perencanaan atau design yang berbeda, dalam hal ini dipakai konduktor tunggal, dua, tiga, empat berkas di mana konduktor tersebut memiliki luas penampang yang berbeda.

II.3 Korona

Korona adalah peluahan sebagian yang terjadi pada permukaan konduktor di saluran transmisi ketika tekanan dielektrik yaitu intensitas medan listrik (gradien tegangan permukaan) dari konduktor melebihi tegangan tembus di sekitar udara. Korona pada saluran transmisi menyebabkan rugi-rugi daya, interferensi radio dan televisi, dan gangguan berisik di sekitar saluran transmisi. Pada level tegangan ekstra tinggi, konduktor tersebut merupakan sumber utama dari timbulnya gangguan berisik, interferensi radio, interferensi televisi, dan rugi-rugi korona. Pengertian korona berdasarkan American StandardsAssociation adalah peluahan sebagian (partial discharge)ditandai dengan timbulnya cahaya violet karena terjadiionisasi udara disekitar permukaan konduktor ketikagradien tegangan permukaan konduktor melebihi nilai kuatmedan kritis disruptifnya. Terjadinya korona juga ditandaidengan suara mendesis (hissing) dan bau ozone (O3).Korona makin nyata kelihatan pada bagian yang kasar,runcing, dan kotor.

Peristiwa korona semakin sering terjadijika pada saluran transmisi diterapkan tegangan yang lebihtinggi daripada tegangan kritis dan ketika udara yanglembab serta cuaca buruk. Pada kondisi cuaca yang kering, konduktor secara normal beroperasi dibawah level deteksi korona, oleh karena itu sangat sedikit sumber korona yang ada. Pada kondisi udara yang lembab menyebabkan banyaknya jumlah korona yang terjadi dan menghasilkan ledakan noise (burst of noise).

(6)

Faktor –Faktor yang mempengaruhiterjadinya korona antara lain: 1. Kondisi Atmosfer

2. Diameter konduktor

3. Kondisi permukaan konduktor 4. Jarak konduktor antar fasa 5. Tegangan

Lima faktor diatas menjadi penentu perhitunganterhadap gradien tegangan permukaan konduktor. Gradientegangan permukaan konduktor merupakan faktor yangmempengaruhi besar nilai rugi korona, gangguan berisik (Audible Noise), dan interferensi radio (Radio Interference).

II.4 Proses Terjadinya Korona

Bila dua kawat sejajar yang penampangnya kecil (dibandingkan dengan jarak antar kawat tersebut) diberi tegangan bolak-balik, maka akan terjadi korona. Pada tegangan yang cukup rendah tidak terlihat apa-apa. Bila tegangan dinaikkan maka akan terjadi korona secara bertahap. Pertama kali, kawat kelihatan bercahaya yang berwarna ungu muda, mengeluarkan suara berdesis (hissing) dan berbau ozon. Jika tegangan dinaikkan terus, maka karakteristik diatas akan terlihat semakin jelas, terutama pada bagian yang kasar, runcing atau kotor serta cahaya bertambah besar dan terang. Bila tegangan masih terus dinaikkan akan terjadi busur api. Korona mengeluarkan panas; hal ini dapat dibuktikan dari pengukuran dengan wattmeter. Dalam keadaan udara lembab, korona menghasilkan asam nitrogen (nitrous acid), yang menyebabkan kawat menjadi berkarat bila kehilangan daya yang cukup besar.

(7)

Apabila tegangan searah yang diberikan, maka pada kawat positif korona menampakkan diri dalam bentuk cahaya yang seragam pada permukaan kawat, sedangkan pada kawat negatifnya hanya pada tempat-tempat tertentu saja.

Korona terjadi karena adanya ionisasi dalam udara, yaitu adanya kehilangan elektron dari molekul udara. Oleh karena lepasnya elektron dan ion, maka jika disekitarnya terdapat medan listrik, maka elektron-elektron bebas ini mengalami gaya yang mempercepat geraknya, sehingga terjadilah tabrakan dengan molekul lainnya. Akibatnya timbul elektron dan ion yang baru. Proses ini berjalan terus-menerus dan jumlah elektron dan ion bebas menjadi berlipat ganda bila gradien tegangan cukup besar, peristiwa ini dinamakan dengan korona.

Ionisasi udara mengakibatkan redistribusi gradien tegangan. Bila redistribusi ini sedemikian rupa, sehingga gradien udara di antara dua kawat lebih besar dari gradien udara normal maka terjadilah lompatan api. Bila hanya sebagian saja daripada udara antara dua kawat terionisasikan, maka korona merupakan sampul (envelope) mengelilingi kawat. Gradien tegangan seragam yang dapat menimbulkan ionisasi kumulatif di udara normal (25oC, 760 mmHg) adalah 30 kV/cm.

II.5 Tegangan Kritis Disruptif dan Visual

Tegangan kritis disruptif adalah tegangan minimal yang dibutuhkan untuk terjadinya ionisasi pertama kali dipermukaan konduktorsaat kondisi cuaca cerah. Pada tegangan kritis disruptifbelum tampak adanya cahaya violet yang menandakan terjadinya korona. Kekuatan dielektrik pada kondisi udara standar dengan suhu 25oC dan tekanan 76 cmHg adalah 30 kV/cm. Kekuatan dielektrik

(8)

sebanding dengan kepadatan udara. Kepadatan udara dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝛿𝛿 =0,3921. 𝑝𝑝_{273 + 𝑡𝑡 (2.4)}

Dimana:

δ = faktor kerapatan udara p = tekanan udara (mmHg) t = suhu udara (oC)

Sedangkan besarnya tegangan kritis disruptif menurut Peek, setelah memperhitungkan kondisi permukaan konduktor dengan menggunakan faktor ketidakteraturan, tegangan kritis disruptif dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝐸𝐸𝑑𝑑 = 21,1. 𝛿𝛿. 𝑚𝑚. 𝑟𝑟. 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑐𝑐_{𝑟𝑟 (2.5)}

Dimana:

Ed = tegangan kritis disruptif fasa ke netral (kV rms)

δ = faktor kerapatan udara r = jari-jari konduktor (cm) s = jarak antar fasa (cm)

(9)

Tegangan kritis visual adalah tegangan minimumpada saat timbul cahaya violet disekitar permukaankonduktor saat korona terjadi. Berdasarkan penelitianPeek dihasilkan persamaan sebagai berikut:

𝑉𝑉𝑣𝑣 = 21,1. 𝛿𝛿. 𝑚𝑚𝑣𝑣. 𝑟𝑟. �1 +0,0301

√𝛿𝛿. 𝑟𝑟 � 𝑙𝑙𝑙𝑙 � 𝑐𝑐

𝑟𝑟� (2.6)

Keterangan:

Vv = tegangan kritis visual (kV rms)

δ = faktor kerapatan udara r = jari-jari konduktor (cm) s = jarak antar fasa (cm)

mv = faktor keseragaman konduktor (0<mo≤1)

II.6 Konduktor Berkas

Jenis–jenis penghantar yang biasa digunakan pada saluran transmisi adalah tembaga dengan konduktivitas 100 %, tembaga dengan konduktivitas 97,5 % (CU 97,5 %) atau aluminium dengan konduktivitas 61 % (Al 61 %).

Kawat – kawat penghantar aluminium terdiri dari berbagai jenis dengan lambang sebagai berikut:

a. AAC (All Aluminium Conductor), yaitu kawat penghantar yang seluruhnya terbuat darialuminium.

b. AAAC (All Aluminium Alloy Conductor), yaitu kawat penghantar yang seluruhnyaterbuat dari campuran aluminium.

c. ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced), yaitu kawat penghantar aluminiumberinti kawat baja.

(10)

d. ACAR (Aluminium Conductor Alloy Reinforced), kawat penghantar aluminium yangdiperkuat dengan logam campuran. Bahan konduktor yang dipergunakan untuk saluran energi listrik perlu memiliki sifat - sifat sebagai berikut :

a. Konduktivitas tinggi

b. Kekuatan tarik mekanikal tinggi c. Titik berat

d. Biaya rendah e. Tidak mudah patah

Konduktor berkas adalah konduktor yang terdiri dari dua konduktor atau lebih yang dipakai sebagai konduktorsatu fasa. Konduktor berkas dinamakan juga konduktor dupleks, tripleks, dan lain-lain tergantung kepada jumlahnya dalam tiap berkas. Konduktor berkas merupakan suatu metode mendekatkan konduktor satusama lain pada jarak tertentu menggunakan spacer untuk mengurangi rugi-rugi korona.

Berikut konfigurasi dari konduktor berkas:

Gambar 2.1 Konfigurasi Konduktor Berkas

s 1 2 2 sub-konduktor berkas 1 2 3 sub-konduktor berkas 3 s 1 2 4 sub-konduktor berkas 3 s s s s 4

(11)

Spacer adalah alat perentang kawat penghantar terbuat dari bahan logam dan berengsel yang dilapisi karet yang berfungsi untuk:

1. Mengatur jarak pada bundle konduktor

2. Mempertahankan bentuk bundle sepanjang andongan 3. Memisahkan kawat berkas agar tidak beradu

4. Pada jarak yang diinginkan dapat mengurangi gangguan berisik

Adapun keuntungan menggunakan konduktor berkas antara lain sebagai berikut:

1. Mengurangi reaktansi induktif saluran sehingga jatuhtegangan dapat diturunkan.

2. Mengurangi gradien tegangan permukaan konduktorsehingga dapat meningkatkan tegangan kritis korona dan mengurangi rugi-rugi daya korona, audible noise(AN) dan radio interference(RI).

Kerugian menggunakan konduktor berkas antara lain:

1. Meningkatkan berat total saluran sehinggaberpengaruh pada konstruksi menara.

2. Meningkatkan kapasitansi saluran. 3. Konstruksi isolator lebih rumit. 4. Meningkatkan investasi awal.

II.6.1 Rumus Gradien Tegangan Maksimum Permukaan Konduktor Berkas

Gradien tegangan permukaan konduktor merupakan kuat medan listrik di permukaan konduktor. Gradien tegangan permukaan adalah salah satu faktor yang mempengaruhi terjadinya korona dan efek pengaruh korona seperti gangguan berisik (audible noise) dan interferensi radio (radio interference).Gradien

(12)

tegangan permukaan konduktor dipengaruhi oleh diameter konduktor, jarak antar sub-konduktor, ketinggian konduktor, dan konstruksi menara.

Berikut persamaan rumus untuk menghitung gradien tegangan maksimum permukaan konduktor berkas:

a. Untuk satu konduktor (Tanpa Berkas)

Gambar 2.2 Konduktor tanpa berkas

Rumus gradien tegangan maksimum untuk konduktor tanpa berkas:

𝑔𝑔

𝑚𝑚

=

_{𝑑𝑑.𝑙𝑙𝑙𝑙.}2𝑉𝑉4𝐻𝐻 𝑑𝑑

(2.7)

Keterangan:

gm = gradien tegangan maksimum permukaan

konduktor berkas (tanpa berkas) (kV rms/cm) V = tegangan konduktor fasa ke netral (kV)

d = diameter konduktor (cm)

H = ketinggian konduktor dari permukaan tanah (cm) gm

H

(13)

b. Untuk dua sub-konduktor

Gambar 2.3 Dua sub-konduktor

Rumus gradien tegangan maksimum untuk dua sub-konduktor:

𝑔𝑔

𝑚𝑚

= 2 �

1_𝑑𝑑

+

1_𝑐𝑐

�

_{�𝑙𝑙𝑙𝑙}4𝐻𝐻𝑉𝑉 𝑑𝑑 +𝑙𝑙𝑙𝑙2𝐻𝐻𝑐𝑐 �

(2.8)

Keterangan:

konduktor berkas dengan dua berkas (kV rms/cm) V = tegangan konduktor fasa ke netral (kV)

H = ketinggian konduktor dari permukaan tanah (cm) s = jarak antar berkas konduktor (cm)

gm H

d

(14)

c. Untuk tiga sub-konduktor

Gambar 2.4 Tiga sub-konduktor tersusun upright triangle Rumus gradien tegangan maksimum untuk tiga sub-konduktor:

𝑔𝑔

𝑚𝑚

= �

2√3_𝑐𝑐

+

_𝑑𝑑2

�

_{�𝑙𝑙𝑙𝑙}4𝐻𝐻 𝑉𝑉

𝑑𝑑 +2.𝑙𝑙𝑙𝑙2𝐻𝐻𝑐𝑐 �

(2.9)

Keterangan:

konduktor berkas dengan tiga berkas (kV rms/cm) V = tegangan konduktor fasa ke netral (kV)

gm H

s

(15)

d. Untuk empat sub-konduktor

Gambar 2.5 Empat sub-konduktor tersusun square Rumus gradien tegangan maksimum untuk empat sub-konduktor:

𝑔𝑔

𝑚𝑚

= �

4√2_𝑐𝑐

+

_𝑑𝑑2

�

_{�𝑙𝑙𝑙𝑙}4𝐻𝐻 𝑉𝑉

𝑑𝑑 +2.𝑙𝑙𝑙𝑙2𝐻𝐻𝑐𝑐 +𝑙𝑙𝑙𝑙_√2𝑐𝑐2𝐻𝐻�

(2.10)

Keterangan:

konduktor berkas dengan empat berkas (kV rms/cm) V = tegangan konduktor fasa ke netral (kV)

gm H

s

(16)

II.7 Klasifikasi Saluran Transmisi

Secara umum saluran transmisi tenaga listrik dapat diklasifikasikan atas berdasarkan beberapa hal, yakni:

II.7.1. Berdasarkan Tegangan Kerja

Di Indonesia, sistem yang digunakan adalah sistem tegangan bolak – balik dengan standar tegangan transmisi adalah: 66, 150, 275, 380, dan 500 kV. Tetapi di negara – negara maju seperti Amerika Serikat, Rusia, dan Kanada, tegangan transmisi telah mencapai 1000 kV. Di negara – negara tersebut, klasifikasi tegangan berdasarkan tegangan kerjanya dibagi atas: a. Tegangan Tinggi (High Voltage/HV), sampai 138 kV

b. Tegangan Ekstra Tinggi (Extra High Voltage/EHV), antara 220 kV sampai 765 kV

c. Tegangan Ultra Tinggi (Ultra High Voltage/UHV ), lebih dari 765 kV

II.7.2. Berdasarkan Jenis Arusnya

Menurut jenis arusnya, jaringan transmisi dibagi atas: 1. Arus Searah( Direct Current / DC )

2. Arus Bolak – Balik( Alternating Current / AC )

Dalam sistem arus bolak – balik, kenaikan dan penurunan tegangan mudah dilakukan yaitu dengan menggunakan transformator. Itulah sebabnya dewasa ini, saluran transmisi di dunia sebagian besar adalah saluran arus bolak – balik. Penyaluran sistem arus searah mempunyai keuntungan, misalnya: isolasinya lebih sederhana, efisiensi yang lebih tinggi, serta tidak adanya masalah stabilitas, sehingga memungkinkan penyaluran

(17)

tenaga listrik untuk jarak yang jauh. Penyaluran tenaga listrik dengan sistem arus searah baru dapat ekonomis dibandingkan dengan sistem arus bolak – balik jika jarak saluran lebih jauh, antara 400 km sampai 600 km, atau untuk saluran bawah tanah lebih panjang daripada 50 km.

II.7.3. Berdasarkan Fungsinya Dalam Operasi

Berdasarkan fungsinya dalam operasi, saluran transmisi sering diberi dengan beberapa istilah, yaitu:

a. Transmisi yaitu menyalurkan daya besar dari pusat – pusat pembangkit ke daerah beban atau antara dua atau lebih sistem

b. Sub-transmisi yaitu percabangan dari saluran yang kapasitas tegangannya tinggi ke saluran yang kapasitas tegangannya lebih rendah c. Distribusi yaitu di Indonesia telah ditetapkan bahwa tegangan distribusi adalah 20 kV

II.8 Konfigurasi Dan Bentuk Menara Transmisi

Pada suatu transmisi, penghantar ditopang oleh menara – menara yang bentuknya sesuai dengan model konfigurasi penghantar tersebut. Konstruksi menara transmisi disesuaikan dengan kondisi lapangan dimana menara tersebut akan digunakan. Menara transmisi dapat berupa menara baja, tiang beton bertulang, atau tiang kayu. Tiang baja, tiang beton bertulang, atau tiang kayu biasanya digunakan pada saluran yang tegangannya relatif rendah, yaitu dibawah 70 kV, sedangkan untuk saluran tegangan tinggi atau ekstra tinggi digunakan menara baja.

(18)

Pada Gambar 2.6 ditunjukkan beberapa bentuk menara baja dan konfigurasi penghantar saluran transmisi.

Gambar 2.6 Bentuk Menara dan Konfigurasi Penghantar Transmisi Hantaran Udara