SIMULASI PERHITUNGAN DISTRIBUSI TEGANGAN PADA ISOLATOR RANTAI

(1)

ISOLATOR RANTAI

Kentrick Pranoto, Syahrawardi

KonsentrasiTeknikEnergiListrik, DepartemenTeknikElektro FakultasTeknikUniversitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155INDONESIA

e-mail: k3ntr1ck@yahoo.co.id

Abstrak

Isolator rantaidigunakansebagaiisolasi yang memisahkanantarakawatfasa yang bertegangandenganmenara.Karenaadanyapengaruhkapasitansimakadistribusiteganganpadasetiaprantai/piring isolator rantaimenjaditidakmerata. Hal inimemungkinkanadanyasatuataulebihpiring isolator yang

akanmemikulteganganmelebihikemampuannya.Tulisanini menampilkan

simulasiperhitungandistribusitegangandarisetiaprantai isolator yang adadenganmenggunakanmetodehukumKirchoffuntukbeberapaskenario: keadaaan normal, flashover, dan terputusnya kawat pembumian. Dari simulasi, diperolehbahwadistribusiteganganpada isolator rantaisemakinbaikjikakapasitansisendiri (C1) semakinbesar, kapasitansi antara elektroda penghubung dengan menara/tanah (C2) semakinkecilataukapasitansi antara elektroda penghubung dengan kawat fasa (C3) semakinbesar.Flashoverpadasalahsatupiring isolator rantaimenyebabkanteganganpadasetiappiring isolator lain

naikdanmenyebabkanefisiensimenurundenganvariasi 0,25% - 15%,

sementaraputusnyakawatpembumianmenyebabkan isolator yang

terdekatkekawatfasamemikulteganganterendahdanpiring isolator yang terdekatkemenaramemikultegangantertinggi.

Kata Kunci : isolator rantai, kapasitansi, distribusitegangan

1. Pendahuluan

Isolator rantaiadalah isolator yang terdiridaribeberapa isolator piring yang dirangkaimenjadirantai yang digantungpadalengan

menaratransmisi.Olehkarenaituakantimbulkapasi

tansiantara isolator

rantaidenganmenaratransmisi/tanahdankapasitan siantaraklem isolator dengankawattransmisi. Hal inimenyebabkandistribusiteganganpadasetiap isolator piringmenjadiberbeda-beda.Jikategangan yang dipikulolehsalahsatu isolator piringmelebihikemampuan isolator piringtersebut, maka isolator piring itu akan rusak dan jikahaliniterjadimakategangan yang

dipikuloleh isolator rantaiakannaiksehinggasatupersatu isolator piringlainnyaakanrusak juga. Olehkarenahalituteganganpadamasing-masing isolator harusdiperhitungkan. Perhitungan yang telahadamembutuhkanjalanperhitungan yang cukuppanjangdancukuprumituntukdilakukanden

ganperhitungan biasa (hand calculation).

Jikainginmelakukanpenambahan isolator piringpadasuatu isolator rantai,maka haruskembalimenghitungdistribusitegangandaria wallagi (tidakdapatdilanjutkandariperhitungan yang sebelumnya).

2. Isolator Rantai

Isolator rantaiadalahmerupakankumpulandaribeberapa

isolator piring yang

disusunsecaraberantaisehinggamenjadisatukesat uan isolator.Isolator rantaiseperti ditunjukkan padaGambar1biasanyadigunakanuntukmenggant ungpenghantartransmisitegangantinggidimenara-menaratransmisi.Penghantarinidigantungdengan

menggunakan isolator

supayapenghantartersebuttidakbersentuhan langsung denganbadan/bodymenara yang dibumikan.Isolator

jenisinibanyakdigunakankarenapadasistemtrans misitegangantinggi isolator inidianggap paling efisienuntukmengisolirkonduktordenganmenara

(2)

transmisi.Selain itu, penggunaan isolator ini juga dapat meningkatkan kemampuannya untuk memikul tegangan yang lebih tinggi dengan menambah jumlah piring isolator rantai tersebut[1,2].

Gambar 1.Isolator rantai[1]

Isolator rantaiterdiridaribeberapabuah

isolator piring yang

disusunmenjadisuaturentengan.Dimanasetiap unit isolator piringmembentuksuatususunan

“konduktor-dielektrik-konduktor”.Olehkarenaitusuatu isolator dapatjugadianggapsebagaisuatukapasitor.Jikabe berapa isolator piringdisusunmenjadi isolator rantai,makaakandijumpaitigakelompoksusunan “konduktor-dielektrik-konduktor”, masing-masingdibentukoleh[1]: 1. Kap isolator-dielektrik-fitting. Susunaninimembentukkapasitansisendiri isolator (C1). 2. Kap isolator-udara-menara. Susunaninimembentukkapasitansikap isolator denganmenara yang dibumikan

(C2) yang disebutkapasitansiteganganrendah. 3. Kap isolator-udara-konduktortransmisi. Susunaninimembentukkapasitansikap isolator dengankonduktortegangantinggi (C3) yang disebutkapasitansitegangantinggi. Sehinggaakandidapatkansuaturangkaiankapasita nsiseperti pada Gambar 2.

Gambar2.Rangkaianekivalen isolator rantai[1]

Flashover pada isolator rantai dapat

terjadi jika tegangan yang dipikul oleh suatu isolator piring melebihi dari kemampuan isolator tersebut. Atau dapat juga terjadi karena kotornya isolator piring sehingga tahanan permukaan dari isolator menjadi lebih rendah dari yang seharusnya. Flashover dapat didefinisikan sebagai kegagalan isolasi udara yang menyebabkan mengalirnya arus pada permukaan isolatorseperti ditunjukkan pada Gambar 3 [3].

Gambar 3.Flashover pada salah satu piring isolator rantai[1]

Sehingga rangkaian pengganti isolator rantai akan menjadi seperti pada Gambar 4.

Gambar 4. Rangkaian sebelum dan sesudah terjadinya flashover

Pembumian adalah salah satu hal yang sangat penting dalam suatu sistem kelistrikan. Distribusi tegangan pada isolator rantai akan terganggu jika kawat pembumian pada menara putus[4]. Karena putusnya kawat pembumian ini maka jarak dari klem isolator dengan tanah menjadi sangat besar sehingga nilai kapasitansi C2 (kapasitansi antara klem isolator dengan menara/tanah) akan menjadi sangat kecil bahkan dapat diabaikan dan dapat digambarkan seperti pada Gamabr 5.

(3)

Gambar 5. Rangkaian sebelum dan sesudah terjadi kawat pembumian putus

Metode pendekatan Kirchoff adalah salah satu cara yang dapat digunakan untuk menghitung distribusi tegangan pada isolator rantai. Hal ini dapat dilakukan dengan membuat suatu rangkaian ekivalen isolator rantai untuk menghitung distribusi tegangan pada isolator rantai seperti Gambar 6 [1,2].

Gambar 6.Rangkaian ekivalen isolator rantai[1]

Dimana :

C1 = kapasitansi sendiri (self capacitance) C2 = kapasitansi antara klem isolator dengan

menara /tanah

C3 = kapasitansi antara klem isolator dengan konduktor transmisi

Dimana jika tegangan pada suatu kapasitor adalah V. Maka :

=

Hukum kirchoff pada titik (1) adalah sebagi berikut :

+ = +

Dengan demikian maka :

+ ( − ) = +

Hukum kirchoff pada titik (2) adalah sebagi berikut :

+ = +

+ ( − − )

= ( + ) +

Hukum kirchoff pada titik (n-1) adalah sebagai berikut :

( )+ ( )= ( )+

( )+ − − − ⋯ − ( ) =

− − ⋯ − ( ) +

Jika jumlah isolator piring adalah n, maka hukum kirchoff akan memberikan (n-1) persamaan. Di samping (n-1) persamaanitu ada satu persamaan tegangan yaitu:

= + + … +

Sehingga ada n persamaan dengan n tegangan yang tidak diketahui. Dengan demikian semua V dapat dihitung. Baik dengan metode eliminasi maupun substitusi [1,2].

3. MetodePenelitian

Pengambilan data

dalampenulisaninidilakukan di dengan menampilkan simulasi distribusi tegangan pada isolator rantai di LaboratoriumTeknik Tegangan TinggiDepartemenTeknikElektroFakultasTeknik Universitas Sumatera Utara.

Langkah-langkahpenelitian yang ditempuhdalampenelitianinidibagi dalam tiga tahap yang meliputi :

1. Tahap Persiapan

Tujuan dari tahap persiapan ini adalah untuk mempersiapkan semua peralatan dan bahan yang dibutuhkan untuk mendukung kelancaran penelitian ini.

2. TahapPemodelan

Tujuan dari tahap ini adalah untuk memodelkan peralatan nyata. Sehingga dapat diteliti model simulasi yang dapat digunakan untuk melakukan pengambilan data untuk penelitian. Dimana model simulasi dibuat dalam tiga skenario yaitu:

a. Normal

Dalam skenario ini dilakukan simulasi 15 buah isolator rantai dimana dilakukan pengambilan data untuk 50 data untuk masing-masing variasi dari nilai C1, C2 dan C3 seperti ditunjukkan pada Gambar 7.

b. Salah Satu Isolator Flashover

Dalam skenario ini dilakukan simulasi 15 buah isolator dimana dilakukan pengambilan data untuk setiap isolator yang flashover diambil 50 buah data yang bervariasi berdasarkan kenaikan nilai kapasitansi

(4)

C2 dan C3seperti ditunjukkan pada Gambar 7.

c. Tahanan Pembumian Putus

Dalam skenario ini dilakukan simulasi 15 buah isolator dimana tahanan pembumian dari menara isolator tersebut terputusseperti ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar7.Rangkaiansimulasi 3. TahapPengambilan Data

Tujuandaritahapiniuntukmemperoleh data penelitian yang meliputihubungan kapasitansi terhadap distribusi tegangan pada isolator rantai.

4. HasilSimulasi

Simulasi distribusi tegangan pada isolator rantai dalam keadaan normaldilakukan dengan parameter C1 bervariasi antara 50µF-70µF, C2 bervariasi antara 4µF-5µF, C3 bervariasi antara 0,5µF-1µF dan nilai V=1000kV yang konstan. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 8.

(a)Distribusi tegangan pada isolator rantai dengan variasi C1

(b) Distribusi tegangan pada isolator rantai dengan variasi C2

(c) Distribusi tegangan pada isolator rantai dengan variasi C3

Gambar 8.Data hasil simulasi distribusi tegangan pada isolator rantai keadaan normal

Distribusi tegangan pada isolator rantai dengan variasi C1,C2 dan C3 dapat dilihat padaGambar 8(a),(b),(c) secara berurut. Efisiensi naik secara linear terhadap nilai kapasitansi C1 dan C3. Tetapi menurun secara linear jika C2 naik.

Simulasi distribusi tegangan pada isolator rantai dalam keadaan flashoverdilakukan dengan parameter C1=50µF, C2=4µF, C3=1µF, dan V=1000kV dianggap konstan. Dimana flashover terjadi pada isolator nomor 1, 2, dan 3. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1.Data distribusi tegangan pada isolator rantai saat ada satu isolator yang flashover

Perubahan nilai efisiensi terhadap nilai C2 dan C3 saat terjadi flashover pada isolator ke-1, ke-2, dan ke-3 dapat dilihat pada Gambar 9(a), (b) dan (c) secara berurut. Efisiensi dari isolator rantai turun secara bervariasi saat ada satu isolator yang flashover. Dimana nilai variasi berkisar antara 0,25%-15%. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 9.

0.280 0.290 0.300 0.310 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 50.00 52.86 55.71 58.57 61.43 64.29 67.14 70.00 EFI SIEN SI C1 0.250 0.260 0.270 0.280 0.290 0.300 0.310 4.000 4.143 4.286 4.429 4.571 4.714 4.857 5.000 EFI SIEN SI C2 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 0.500 0.571 0.643 0.714 0.786 0.857 0.929 1.000 EFI SIEN SI C3

(5)

(a) flashover isolator ke-1

(b) flashover isolator ke-2

(c) flashover isolator ke-3

Gambar 9.Sampel perubahan nilai efisiensiterhadap nilai C2 dan C3 yang flashover

Simulasi Distribusi tegangan pada isolator rantai saat tahanan pembumian putusdilakukan dengan parameter C1=50µF, C2=4µF, C3=1µF, dan V=1000 kV dianggap konstan. Data hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2.Data distribusi tegangan pada isolator rantai saat tahanan pembumian putus

Isolator Besar Tegangan (KV)

V1 34,548 V2 35,239 V3 36,635 V4 38,763 V5 41,667 V6 45,404 V7 50,049 V8 55,695 V9 62,455 V10 70,464 V11 79,883 V12 90,899 V13 103,733 V14 118,642 V15 135,923

Dari Gambar 8 dapat dilihat bahwa nilai efisiensiisolator rantai akan semakin tinggi jika nilai C1 semakin besar, C2 semakin kecil dan C3 semakin besar.

Dari Tabel 1 dan Gambar 9 dapat dilihat bahwa nilai efisiensi turun secara bervariasi.

Dimana nilai variasi semakin menurun dari isolator ke-2 hingga isolator ke-10 dan kembali naik pada isolator ke-11 hingga isolator ke-14. Hal ini disebabkan oleh adanya pengaruh dari nilai C2 dan C3 yang bervariasi saat terjadinya

flashover.

Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa distribusi tegangan menjadi terbalik saat kawat pembumian putus. Dimana isolator terdekat ke kawat fasa yang seharusnya memikul tegangan tertinggi menjadi memikul tegangan terendah. Dan isolator yang paling jauh dari kawat fasa yang seharusnya memikul tegangan terendah akan memikul tegangan tertinggi.

5. Kesimpulan

Berdasarkanuraiandanpenelitian yang dilakukan,

makadapatdiperolehkesimpulansebagaiberikut: 1. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa

semakin besar nilai C1 maka efisiensi dan distribusi tegangan dari isolator rantai akan semakin merata. Nilai C1 dapat diperbesar dengan mengganti isolator piring yang ada dengan isolator piring yang lebih besar.

2. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa semakin kecil nilai C2 maka efisiensi dan distribusi tegangan dari isolator rantai akan semakin merata. Nilai C2 dapat diperkecil dengan memperbesar jarak antara isolator rantai dengan menara yaitu dengan memperpanjang lengan menara.

3. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa semakin besar nilai C3 maka efisiensi dan distribusi tegangan dari isolator rantai akan semakin merata. Nilai C3 dapat diperbesar dengan menggunakan cincin perata yang memperkecil jarak antara konduktor dengan klem isolator. 4. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa

flashover akan menyebabkan tegangan

pada masing-masing isolator piring akan naik dimana kenaikan terbesar terjadi pada isolator yang terdekat ke isolator yang mengalami flashover.

Flashover menyebabkan efisiensi

menurun dengan variasi 0,25% - 15%. 5. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa

putusnya kawat pembumian akan menyebabkan isolator yang paling dekat ke menara memikul tegangan

0.3058 0.306 0.3062 0.3064 0.3066 0.3068 0.307 1 4 7 10 13 16 1922 25 28 31 3437 40 43 46 49 Efisiensi Urutan Percobaan Normal Flashover 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 1 4 7 1013 161922 252831 343740 434649 Efisiensi Urutan Percobaan Normal Flashover 0.26 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 Efisi ensi Urutan Percobaan Normal Flashover

(6)

ke kawat fasa memikul tegangan paling kecil.

6. DaftarPustaka

[1] Tobing, B. L. 2012. Peralatan TeganganTinggi. EdisiKedua. Jakarta

:Erlangga.

[2] Mehta, V.K. 2003. Principles of Power

System. India : S.Chand & Company LTD,

2003

[3] Arismunandar, Artono. 1984. Teknik

Tegangan Tinggi. Edisi Kelima. Jakarta :

Pradya Paramita 9

[4] Haddad, A. & Warne, D.Advances in