BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Analisis Usia Arrester Pada Jaringan Distribusi Terhadap Sambaran Kilat Dengan Menggunakan Atpemtp Studi Kasus PLN Ranting Medan Johor

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Umum

Lightning Arrester merupakan alat proteksi peralatan listrik terhadap

tegangan lebih yang disebabkan oleh petir atau surja hubung (switching surge).

Alat ini bersifat sebagai by-pass di sekitar isolasi yang membentuk jalan yang

mudah dilalui oleh arus kilat ke sistem pentanahan sehingga tidak menimbulkan

tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik.

By-pass ini harus sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran daya

sistem frekuensi 50 Hz. Pada keadaan normal, arrester berlaku sebagai isolator

dan bila timbul tegangan surja, alat ini bersifat sebagai konduktor yang

tahanannya relative rendah, sehingga dapat mengalirkan arus yang tinggi ke tanah.

Setelah surja hilang, arrester harus dapat dengan cepat kembali menjadi isolasi.

Pada pasarnya arrester terdiri dari 3 unsur [2]:

1. Elektroda

Elektroda ini adalah terminal dari arrester yang dihubungkan dengan

bagian yang bertegangan dibagian atas dan elektroda bawah dihubungkan ke

tanah.

2. Sela percik(spark gap)

Apabila terjadi tegangan lebih oleh sambaran petir atau surja hubung pada

busur api. Pada beberapa type arrester, busur api yang terjadi tersebut ditiup

keluar oleh tekanan gas yang ditimbulkan oleh tabung fiber yang terbakar.

3. Tahanan katup(valve resistor)

Tahanan yang dipergunakan dalam arrester ini adalah suatu jenis material yang

sifat tahanannya dapat berubah bila mendapatkan perubahan tegangan seperti

terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Karakteriktik Tahanan Katup [2]

Keterangan : A = Tahanan linear

B = Tahanan non linear

Vr = Residual voltage

Ada dua jenis arrester yakni arrester ekspulsi dan arrester katup [3].

Sebagai pengaman tegangan lebih pada jaringan distribusi, arrester harus memiliki

karakteristik berikut [4]:

1. Arrester tidak boleh bekerja pada keadaan normal

2. Arrester harus bekerja saat tegangan puncak surja lebih tinggi dari tegangan

yang mampu dipikul arrester.

3. Arrester harus mampu mengalirkan dan melawatkan arus surja ke tanah tanpa

merusak arrester itu sendiri.

4. Setelah gangguan dinetralisir, arus susulan akibat arus sistem harus segera

dipadamkan.

2.1.1. Arrester Ekspulsi(Expulsion Type)

Konstruksi arrester jenis ekspulsi diperlihatkan pada Gambar 2.2. Arrester

jenis ekspulsi mempunyai sela luar dan sela dalam yang ditempatkan di dalam

Gambar 2.2. Konstruksi Arrester Ekspulsi [3]

Pemakaian arrester ini terbatas pada sistem bertegangan sampai 33 kV.

Arrester ini dapat digunakan untuk melindungi transformator distribusi

bertegangan 3 – 15 kV, tetapi belum memadai untuk melindungi trafo daya.

Keuntungan arrester ekspulsi sebagai berikut:

1. Harganya tidak begitu mahal karena konstruksinya yang sederhana.

2. Kinerjanya lebih baik daripada jenis sela batang karena dapat memadamkan

arus susulan sendiri.

3. Karakteristikv_–tarrester ini lebih baik dari sela batang. 4. Pemasangannya mudah

Sela luar Konduktor transmisi

Sela dalam Tabung serat

Elektroda

Saluran

Kerugian arrester ekspulsi sebagai berikut:

1. Arrester harus diganti setelah beberapa kali bekerja karena gas yang

dikeluarkan setiap bekerja akan mengakibatkan sebagian material tabung

terkelupas.

2. Arrester ini tidak dapat ditempatkan berdampingan dengan peralatan yang

akan dilindungi karena terdapat gas buangan ketika bekerja.

2.1.2. Arrester Katup

Arrester katup terdiri dari arrester sela pasif, arrester sela aktif dan arrester

tanpa sela percik atau yang dikenal dengan arrester metal oksida. Kostruksi

arrester katup diperlihatkan pada Gambar 2.3.

2.1.2.1. Arrester Katup Sela Pasif

Arrester katup sela pasif terdiri dari sela percik, resistor tak – linear, dan

isolator tabung. Sela percik dan resistor tak – linear di tempatkan dalam tabung

isolasi yang tertutup, sehingga kerja arrester ini tidak dipengaruhi oleh keadaan

udara sekitar.

Resistor tak – linear terbuat dari beberapa piring silikon karbida (silicon carbide) yang terhubung seri. Nilai resistansi resistor pada arrester ini sangat besar ketika melewatkan arus lemah, namun nilai resistansinya akan sangat rendah

ketika dilewati arus kuat. Karakteristik arus dan tegangan resistor tak – linear

dinyatakan oleh Persamaan 2.1.

= ……….……....(2.1)

Dimana nilai α untuk silikon berkisar antara 2 – 6, sedangkan nilai K

bergantung pada ukuran dan bentuk geometris piring silikon karbida.

2.1.2.2. Arrester Katup Sela Aktif

Konstruksi arrester katup sela aktif hampir sama dengan arrester katup sela

pasif. Arrester katup sela aktif terdiri dari sela utama, kumparan, sela bantu dan

resistor tak – linear yang dimasukkan dalam tabung isolasi porselen. Saat

tegangan impuls tiba di terminal arrester katup sela aktif yang membuat sela

utama terpercik, maka sela utama, kumparan dan resistor tak – linear akan

mengalirkan arus petir ke tanah. Frekuensi tegangan impuls yang tinggi akan

membuat impedansi kumparan menjadi besar dan tegangan pada terminal

terminal kumparan yang akan mengakibatkan sela bantu tembus dan dialiri arus

petir.

Setelah arus petir menjadi nol, maka arus susulan berfrekuensi daya akan

mengalir pada kumparan disebabkan impedansi kumparan yang berubah menjadi

sangat rendah pada frekuensi daya. Akibatnya busur api pada sela bantu tidak

stabil dan akhirnya padam. Arus yang mengalir pada kumparan akan

membangkitkan medan magnet yang akan menerpa busur api pada sela utama,

membuat lintasan busur api semakin panjang dan suhunya berkurang. Sehingga

saat arus susulan bernilai nol, busur api pada sela utama padam. Pemadaman

busur api inilah yang membedakan antara arrester katup sela aktif dengan arrester

katup sela pasif.

Dalam aplikasi arrester katup sela aktif pada jaringan bertegangan tinggi

selalu ditambahkan satu atau lebih set ‘sela utama – kumparan– sela bantu’ atau

dengan menggunakan resistor tak–linear sebagai pengganti sela bantu.

2.1.2.3. Arrester Metal Oksida(MOA)

Arrester atau yang juga sering dikatakan sebagai penangkal petir adalah

alat pelindung peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir yang sifatnya

sebagai by-pass di sekitar isolasi yang membentuk jalan yang mudah dilalui oleh

arus kilat ke sistem pentanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang

tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik.

Arrester metal oksida merupakan arrester yang banyak digunakan sejak

Adalah besar puncak tegangan impuls yang terjadi diantara kedua terminal

arrester ketika arrester tersebut menyalurkan arus impuls. Jenis arus impuls

dalam menentukan tegangan sisa adalah:

a. Arus impuls hubung–buka : (30-100) / (60-200) µs,i≤ 2 kA

b. Arus impuls petir : 8/20 µs,i≤ 40 kA

c. Arus impuls tinggi : 4/10 µs,i≤ 100 kA, umumnya pada

arrester 65 dan 100 kA

Tegangan ini harus di bawah tegangan ketahanan terhadap tegangan impuls.

4. Arus peluahan maksimum

Adalah nilai puncak tertinggi dari arus impuls 5/10 μ s yang dapat dialirkan

arrester tanpa merusak arrester. Dewasa ini, arus peluahan maksimum arrester

dirancang 100 kA untuk gardu dan 65 kA untuk arrester jenis saluran.

5. Arus nominal

Adalah besar puncak arus impuls 8/20 µs menurut standar, dan digunakan

untuk mengklasifikasikan arrester. Puncak arus nominal umumnya adalah:

a. 2,5 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal≤36 kV

b. 5 kA, digunakan untuk sistem bertegangan pengenal≤132 kV

c. 10 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal 3–360 kV, dan

d. 20 kA, digunakan untuk sistem bertegangan nominal diatas 360 kV

hingga 756 kV.

Adalah besar tegangan efektif frekuensi daya yang membuat terjadinya

percikan di sela arester. Tegangan percik frekuensi daya harus cukup tinggi

agar sela arester tidak terpercik jika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah

maupun pada saat terjadi operasi hubung-buka. Biasanya tegangan percik

frekuensi daya ditetapkan≥ 1,5 kali tegangan pengenalarrester.

7. Tegangan percik impuls petir maksimum

Adalah puncak tegangan maksimum impuls 1,2/50 μ s, yang membuat sela

arrester pasti terpercik atau bekerja. Misalnya ada suatu arrester tegangan

percik impuls maksimum 65 kV – 1,2/50 μ s, sebanyak 5 kali, maka sela

arrester akan terpercik 5 kali.

8. Frekuensi pengenal

Sama dengan frekuensi sistem dimana arrester dipasang.

Petir adalah mekanisme pelepasan muatan listrik di udara yang dapat

terjadi di dalam awan, antara awan, awan dengan udara, dan antara awan dengan

tanah. Antara awan dengan permukaan bumi dapat dianalogikan seperti dua

keping lempeng bermuatan, dimana lempeng pertama adalah awan dan lempeng

kedua adalah bumi. Terjadinya muatan pada awan diakibatkan adanya pergerakan

awan secara teratur dan terus menerus yang membuat awan terpolarisasi sehingga

muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi, sedangkan muatan positif

berkumpul pada sisi yang lainnya.

Muatan listrik pada awan ini akan menimbulkan beda potensial antara

awan dengan bumi yang akan menimbulkan medan listrik antara awan dan bumi.

Jika medan listrik antara awan dengan bumi lebih besar daripada kekuatan

dielektrik udara yang mengantarai awan dengan bumi, maka akan terjadi

pelepasan muatan pertama yaknipilot leader. Pada ujungpilot leader akan terjadi proses ionisasi sehingga terjadi pelepasan kedua yang disebut downward leader. Pada ujung downward leader terjadi lagi pelepasan muatan hingga semakin mendekati bumi yang disebutleader.

Saat leader semakin mendekati bumi, terjadi medan listrik yang sangat tinggi antara ujung leader dengan bumi, yang membuat terjadi penumpukan muatan di ujung suatu objek yang berada dipermukaan bumi. Sehingga muatan

yang berasal dari bumi bergerak menuju ujung leader. Titik pertemuan antara kedua aliran yang berbeda muatan ini disebut titik pukul (striking point) yang diperlihatkan pada Gambar 2.6.c. Sesaat setelah pertemuan kedua aliran berbeda

Sambaran langsung adalah kilat yang menyambar langsung pada kawat

fasa ( 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. Hal ini

dikarenakan tinggi kawat diatas tanah relative rendah ( 10 - 13 meter ) dan juga

karena dengan sudut perisaian yang biasanya lebih kecil dari 60˚ sudah dapat

dianggap semua sambaran kilat mengenai kawat tanah, jadi tidak ada kegagalan

perisaian. Untuk itu dalam tugas akhir ini akan dibahas tentang gangguan

sambaran langsung pada saluran udara tegangan menengah tanpa kawat tanah.

Saat kilat menyambar kawat tanah atau kawat fasa maka akan timbul arus

besar dan sepasang gelombang berjalan yang merambat ke kawat. Arus yang

besar ini dapat membahayakan peralatan – peralatan yang ada pada saluran.

Besarnya arus atau tegangan akibat sambaran ini tergantung pada besarnya arus

kilat, waktu muka dan jenis tiang saluran. Karena saluran tegangan menengah

tidak begitu tinggi diatas tanah, maka jumlah sambaran langsungpun relative

rendah. Makin tinggi tegangan sistem makin tinggi tiangnya, dan makin besar

pula jumlah sambaran ke saluran itu.

2.2.2. Bentuk Gelombang

Bentuk gelombang tidak selalu sama. Hal ini dikarenakan pengaruh

besarnya arus, kecuraman (kenaikan arus), serta lama waktu kejadian. Karena

adanya perbedaan setiap petir ini, maka bentuk standar petir ditiap – tiap Negara

= ∙ .

= 8. . _{( )}

Dimana :

α = Sudut perisaian untuk gangguan sambaran langsung jaringan distribusi

(≤60˚)

w = Panjang isolator (cm)

Xs = Daerah yang tidak terlindungi oleh perisaian (m)

Sehingga berdasarkan Gambar 2.8, maka:

= + ………...(2.6)

Maka besar probabilitas petir menyambar kawat fasa adalah [1]:

= ………...(2.7)

2.2.4. Teori Perhitungan Probabilitas Kegagalan dan Usia Arester

Tidak selamanya arester bekerja sebagaimana mestinya saat ada arus surja

petir ataupun arus surja hubung. Kegagalan arester beroperasi bukan hanya

membuat peralatan terganggu namun juga rusak, dan hal ini juga mempengaruhi

kinerja dan ketahanan arester. Berdasarkan kondisi ini maka probabilitas

kegagalan kinerja arester dapat dihitung dengan menggunakan persamaan –

persamaan berikut. Dimana selain besar arus petir yang menyambar, durasi

sambaran petir merupakan salah satu parameter terpenting yang harus diketahui.

Faktor yang cukup penting diketahui dalam penggunaan arrester adalah

tegangan frekuensi daya tertinggi yang mungkin dipikul arrester. Tegangan ini

merupakan tegangan yang mempertahankan arus frekuensi daya (50 Hz) yang

durasinya akan selalu lebih lama dari pada durasi pada arus petir. Besar arus

Semakin besar arus petir maka arus frekuensi daya memiliki kemungkinan untuk

bernilai besar juga. Jika arus frekuensi daya ini besar dan berlangsung cukup lama

maka hal inilah yang memungkinkan arrester gagal bekerja dengan sebagaimana

mestinya.

Dalam tugas akhir ini tidak secara keseluruhan lamanya durasi sambaran

digunakan, melainkan waktu-ekor yang dijadikan variabel bebaslah yang

diteliti. Distribusi waktu-ekor ini dipengaruhi oleh probabilitas distribusi arus

puncak, yakni [9]:

Dengan adanya Persamaan 2.8 tersebut, maka probabilitas waktu-ekor

dapat diperoleh dari persamaan [9,11]:

g( ) =− = . ………...(2.9)

Dimana merupakan konstanta berdasarkan observasi [11] yang

besarnya 0.85 dan nilai dapat diambil dari Tabel 2.1 [12].

Tabel 2.1. Konstanta Distribusi Frekuensi Kumulatif Gelombang Arus Petir

Parameter Nilai 50% Nilai 16%

Arus Puncak (kA) 24 51

Berdasarkan persamaan – persamaan yang ada, maka probabilitas

kegagalan arrester bekerja oleh sambaran ke fasa dapat dinyatakan dengan

persamaan berikut [9,11]:

( ) : Fungsi probabilitas kerapatan nilai time-to-half dari gelombang arus

: Arus petir yang diperlukan untuk menyebabkan kegagalan untuk

nilai T50(Untuk nilai Time-to-half diperlihatkan oleh Tabel2.1).

: Waktu-ekor maksimum yang digunakan dalam simulasi (µs)

: Besar probabilitas petir menyambar kawat fasa

Jika jaringan distribusi tersebut menggunakan kawat tanah, maka

kemungkinan besar objek yang akan disambar oleh petir adalah kawat tanah

tersebut. Namun tidak menutup kemungkinan arrester akan gagal bekerja.

Kegagalan yang lebih dari 1 kali atau dapat dikatakan berkali –kali, akan

mempengaruhi performa arrester yang lambat laun akan membuat usia arrester

semakin pendek. Usia rata – rata arrester yang dipengaruhi oleh kegagalannya

dalam bekerja dinyatakan oleh persamaan berikut [9,11] :

Dimana :

= Usia arrester rata-rata (tahun)

= Jumlah sambaran petir ke saluran (berdasarkan standar IEEE)

(banyak/100km. tahun)

= Jarak antara arrester (km)