PENGARUH IMPEDANSI PEMBUMIAN MENARA TRANSMISI TERHADAP DISTRIBUSI TEGANGAN SURJA PADA TIAP MENARA TRANSMISI

(1)

TRANSMISI TERHADAP DISTRIBUSI TEGANGAN SURJA

PADA TIAP MENARA TRANSMISI

Renhat L. Dabalok(1), Ir. Syahrawardi(2) Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA

e-mail: renhat1988@gmail.com Abstrak

Petir yang menerpa kawat tanah saluran transmisi menimbulkan tegangan lebih surja berupa gelombang berjalan yang merambat dari titik sambaran menuju menara transmisi berikutnya, selanjutnya akan merambat sampai ke pembumian menara tersebut. Adanya perbedaan impedansi surja pembumian menara dengan impedansi surja menara menyebabkan gelombang ini akan dipantulkan kembali ke puncak menara. Kemudian dari puncak menara gelombang tegangan surja dipantulkan lagi ke pembumian menara. Dengan demikian akan terjadi pantulan berulang di pembumian dan puncak menara. Pantulan-pantulan gelombang ini akan membuat tegangan pada isolator menara naik. Dalam tulisan ini akan diteliti bagaimana pengaruh impedansi pembumian terhadap distribusi tegangan surja petir pada tiap menara transmisi. Untuk melihat hal ini diadakan studi kasus pada Menara No. 70 s/d Menara No. 80 milik PT PLN Transmisi 150 kV Titi Kuning – Berastagi. Diperoleh bahwa semakin kecil impedansi pembumian maka tegangan isolator semakin kecil.

Kata Kunci: Impedansi pembumian, Tegangan Isolator

1. Pendahuluan

Pada sistem transmisi diperlukan adanya menara-menara transmisi untuk menyalurkan daya dari suatu tempat ke tempat lain. Menara-menara transmisi ini terdapat di sepanjang saluran yang panjangnya bisa sampai ratusan kilometer. Pada umumnya menara transmisi lebih tinggi daripada objek yang di sekitarnya, sehingga jika terjadi sambaran petir, objek yang akan disambar adalah kawat tanah pada menara transmisi.

Pada kaki menara transmisi terhubung kawat tanah yang digunakan sebagai pembumian. Sedangkan pada pembumian kaki menara transmisi terdapat resistansi, induktansi, dan kapasitansi.

Jika terjadi sambaran petir pada kawat tanah transmisi, maka sebagian arus petir akan disalurkan melalui menara tersebut ke bumi, sebagian lagi diteruskan ke menara

selanjutnya.

2. Impedansi Surja Menara Dan Kawat Tanah

Perhitungan impedansi surja kawat tanah dibedakan dalam dua keadaan, yaitu

keadaan bila tidak ada korona dan yang

kedua bila terjadi korona. Untuk SUTT biasanya digunakan rumus-rumus tanpa korona sedang intik SUTET dan SUTUT selalu dianggap terjadi korona.

1. Bila tidak terjadi korona, maka impedansi Zg di hitung dengan persamaan (1,2): Zg = 60 ln untuk satu kawat tanah (1)

Zg = 60 ln untuk dua kawat tanah (2)

2. Bila terjadi

korona, maka impedansi Zg di hitung dengan persamaan (3,4):

Zg = 60 untuk satu kawat

tanah (3)

Zg = untuk dua kawat tanah (4)

Dimana,

Z11 = impedansi surja sendiri dari satu kawat

tanah

Z12 = impedansi surja bersama antara dua

kawat tanah = 60 ln (b11/a12)

r = radius amplop korona dari kawat tanah (meter)

(2)

ht = tinggi kawat tanah pada menara untuk

SUTET, SUTUT, dan tinggi rata-rata kawat tanah untuk SUTT.

Menghitung Impedansi Surja Menara Menurut Sargent dan Daveniza, impedansi surja menara dihitung berdasarkan penampang menara transmisi seperti terlihat pada Gambar 1[1].

Gambar 1 Penampang menara transmisi Untuk Menara jenis A besar impedansi totalnya adalah (5):





        ₂ 2 2 2 ln 30 r r h Zt (5)

Untuk Menara jenis B besar impedansi totalnya adalah (6,7,8):

60

90 ln

60 





























h

r

h

Z

s (6)

60

90 ln

60 





























h

b

h

Z

m (7)



s m



t

Z





2

1

₍₈₎ Dimana,

Zs = Impedansi dengan ketebalan menara

Zm = Impedansi dengan jarak antar kaki menara

Zt = Impedansi total menara r = Jarak kawat antar menara

Untuk Menara jenis C besar impedansi totalnya adalah (9):               ln 22 1 r h Z_t (9)

Impedansi Surja Elektroda Pembumian

Impedansi surja pembumian

didefenisikan sebagai besarnya tegangan surja/impuls dibagi dengan arus impuls petir.

Impedansi pentanahan tidak bersifat sebagai tahanan murni tetapi juga berperilaku

sebagai induktansi dan kapasitansi. Tahanan murni lebih banyak disebabkan karena adanya sifat resistivitas tanah dimana sistem pentanahan tersebut ditanam. Induktansi lebih dipengaruhi oleh panjang konduktor yang ditanam dan sifat permeabilitas tanah. Seperti halnya sifat induktansi yang lain, maka makin panjang konduktor yang ditanam maka makin besar induktansi sistem pembumianya. Komponen kapasitor dari sistem pembumian dapat diterangkan dari konduktor yang saat ini diinjeksi arus berarti konduktor tersebut bertegangan. Beda tegangan antara konduktor dengan titik nol referensi menyebabkan sifat kapasitansi dari sistem tersebut dengan media tanah yang mempunyai permitivitas ε. Dengan demikian impedansi pembumian dapat dibuat rangkaian ekivalennya seperti Gambar 2.

Gambar 2 Rangkaian ekivalen impedansi surja pembumian satu elektroda batang

Permitivitas tanah harganya bermacam-macam tergantung pada komposisi tanah dengan faktor-faktor yang mempengaruhi permitivitas tanah antara lain kandungan garam mineral, kandungan air, besar butiran tanah, dan suhu tanah. Pengelompokan tahanan jenis tanah dari berbagai jenis tanah pada kedalaman tertentu bergantung pada beberapa hal antara lain pengaruh temperatur, pengaruh kelembaban, pengaruh kandungan kimia dan sebagainya.

3. Distribusi Tegangan Surja Petir Pada Tiap Menara Transmisi

Langkah-langkah perhitungan

tegangan isolator menara adalah sebagai berikut[8]:

1. Menghitung impedansi surja kawat tanah. 2. Menghitung koefisien terusan a pada

puncak menara untuk gelombang yang datang dari dasar menara. Koefisien terusan

a dihitung dengan persamaan (10):

t g g Z Z Z a 2 2   (10)

(3)

3. Menghitung koefisien pantulan b pada puncak menara untuk gelombang yang datang dari dasar menara. Koefisien pantulan dapat di hitung dengan rumus (11):

1   a

b (11)

4. Menghitung tegangan puncak pada menara. Tegangan pada puncak menara dapat di hitung dengan rumus (12):

kV I Z e₀  _t _n (12) Dimana, n

I

= arus surja petir yang menerpa menara ke n (kA).

5. Menentukan tahanan kaki menara

6. Menghitung koefisien pantulan d pada dasar menara untuk gelombang yang datang dari puncak menara. Koefisien pantulan d di hitung dengan rumus (13):

t t

Z

R

Z

R

d







(13) Dimana,

R = Tahanan Kaki Menara Zt = Impedansi Surja Menara

Diagram tangga pada menara dapat dilihat pada Gambar 3[9].

Gambar 3 Diagram tangga untuk

menghitung tegangan isolator menara

Dimana :

ta = waktu yang dibutuhkan gelombang dari

puncak menara untuk sampai ke isolator menara ataupun sebaliknya

tb = waktu yang dibutuhkan gelombang dari

isolator untuk sampai ke kaki menara ataupun sebaliknya

tp = panjang gelombang surja

Tegangan isolator menara di hitung berdasarkan Persamaan (14) yang diperoleh dari diagram tangga Gambar 3.

... + } e -{e e d b + } e -{e e d b + } e -{e e d b + } e -{e e d b + } e -) {e e d b + } e -{e e d b + )} e -{e e d b + } e -{e e d + } e -{e e = Vi )) 6t + (8t -b(t -)) 6t + (8t -a(t -0 4 4 )) 6t + (8t -b(t -)) 6t + (8t -a(t -0 4 3 )) 6t + (6t -b(t -)) 6t + (6t -a(t -0 3 3 )) 4t + (6t -b(t -)) 4t + (6t -a(t -0 3 2 )) 4t + (4t -b(t -) 4t + (4t -a(t -0 2 2 )) 2t + (4t -b(t -)) 2t + (4t -a(t -0 2 ) 2t + (2t -b(t -)) 2t + (2t -a(t -0 2tb) --b(t ) 2 -a(t 0 -b(t1) ) -a(t 0 a b 9 a b 9 a b 8 a b 8 a b 7 a b 7 a b 6 a b 6 a b 5 a b 5 a b 4 a b 4 a b 3 b b 3 2 2 1 tb (14) Karena nilai b biasanya cukup kecil, maka suku-suku yang mengandung b3 dan lebih tinggi dapat diabaikan. Sehingga Persamaan (14) menjadi persamaan (15):

}

e

-{e

e

d

b

+

}

e

-)

{e

e

d

b

+

}

e

-{e

e

d

b

+

)}

e

-{e

e

d

b

+

}

e

-{e

e

d

+

}

e

-{e

e

=

Vi

)) 4t + (6t -b(t -)) 4t + (6t -a(t -0 3 2 )) 4t + (4t -b(t -) 4t + (4t -a(t -0 2 2 )) 2t + (4t -b(t -)) 2t + (4t -a(t -0 2 ) 2t + (2t -b(t -)) 2t + (2t -a(t -0 2tb) --b(t ) 2 -a(t 0 ) -b(t ) -a(t 0 a b 6 a b 6 a b 5 a b 5 a b 4 a b 4 a b 3 b b 3 2 2 1 1 tb (15)

(4)

Menara 70 Menara 71 Menara 72 Menara 73 Menara 74 Menara 75 0 0 0 0 0 0 0 0.1 1805 882.325 439.077 218.586 107.527 51.0819 0.2 2618.76 1284.34 508.741 314.959 155.124 74.4104 0.3 894.395 455.343 221.56 105.454 53.0908 24.0389 0.4 670.962 348.299 169.036 77.7885 39.7451 17.4257 0.5 540.103 285.46 137.218 61.5705 31.9225 13.5535 0.6 459.65 246.76 117.621 51.6033 27.1133 11.1746 0.7 410.085 222.888 105.534 45.4661 24.1506 9.7104 0.8 379.475 208.125 98.0639 41.679 22.3211 8.8076 0.9 360.5 198.957 93.4288 39.3343 21.1872 8.2492 1 348.668 193.226 90.5351 37.8751 20.4804 7.9024 1.1 341.222 189.606 88.7109 36.9596 20.0357 7.6854 1.2 336.468 187.282 87.5436 36.3779 19.752 7.5481 1.3 333.368 185.754 86.7797 36.0013 19.5672 7.4597 1.4 331.285 184.714 86.2635 35.7505 19.4432 7.4015 1.5 329.825 183.976 85.8996 35.5771 19.3564 7.3617 1.6 328.748 183.422 85.6292 35.4512 19.2926 7.3332 1.7 327.907 182.981 85.4163 35.3545 19.2429 7.3118 1.8 327.211 182.61 85.2388 35.2758 19.2017 7.2946 1.9 326.604 182.282 85.0831 35.2081 19.1659 7.28 2 326.053 181.981 84.9408 35.1473 19.1335 7.2671 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 50 164.376 91.749 42.8232 21.8339 11.5039 3.6631 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 200 19.359 10.8055 5.0434 2.0867 1.136 0.4314 200.1 19.3314 10.7901 5.0362 2.0837 1.1344 0.4308 200.2 19.3038 10.7747 5.029 2.0808 1.1328 0.4302 200.3 19.2763 10.7594 5.0219 2.0778 1.1312 0.4296 200.4 19.2489 10.7441 5.0147 2.0748 1.1296 0.429 200.5 19.2214 10.7288 5.0076 2.0719 1.1279 0.4283 200.6 19.1941 10.7135 5.0004 2.0689 1.1263 0.4277 200.7 19.1667 10.6982 4.9933 2.066 1.1247 0.4271 200.8 19.1394 10.683 4.9862 2.063 1.1231 0.4265 200.9 19.1121 10.6677 4.9791 2.0601 1.1215 0.4259 201 19.0849 10.6525 4.972 2.0571 1.1199 0.4253 t (µs) Vi (kV) Me nara 76 Me nara 77 Menara 78 Menara 79 Me nara 80 0 0 0 0 0 0 0.1 27.0304 12.7239 6.3992 3.1019 1.5684 0.2 38.255 18.4312 9.1678 4.4474 2.2402 0.3 12.7601 6.5368 3.1312 1.4873 0.7844 0.4 9.2814 4.9878 2.3314 1.0928 0.5915 0.5 7.2368 4.0778 1.862 0.8614 0.4782 0.6 5.9806 3.5173 1.5735 0.7192 0.4085 0.7 5.2073 3.1716 1.3958 0.6316 0.3656 0.8 4.7304 2.9579 1.2861 0.5776 0.3391 0.9 4.4354 2.8252 1.2182 0.5441 0.3226 1 4.2521 2.7423 1.1758 0.5233 0.3124 1.1 4.1374 2.6899 1.1492 0.5103 0.3059 1.2 4.0648 2.6563 1.1323 0.502 0.3018 1.3 4.018 2.6343 1.1213 0.4967 0.2991 1.4 3.9872 2.6193 1.1139 0.4931 0.2972 1.5 3.966 2.6087 1.1088 0.4907 0.296 1.6 3.9509 2.6007 1.105 0.4889 0.295 1.7 3.9394 2.5944 1.1021 0.4875 0.2943 1.8 3.9303 2.5891 1.0997 0.4864 0.2936 1.9 3.9225 2.5845 1.0976 0.4855 0.2931 2 3.0801 2.5809 1.0958 0.4847 0.2926 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 50 1.9737 1.3008 0.5524 0.2443 0.1475 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 200 0.2324 0.1532 0.0651 0.0288 0.0174 200.1 0.2321 0.153 0.065 0.0287 0.0173 200.2 0.2318 0.1528 0.0649 0.0287 0.0173 200.3 0.2315 0.1525 0.0648 0.0287 0.0173 200.4 0.2311 0.1523 0.0647 0.0286 0.0173 200.5 0.2308 0.1521 0.0646 0.0286 0.0173 200.6 0.2305 0.1519 0.0645 0.0285 0.0172 200.7 0.2301 0.1517 0.0644 0.0285 0.0172 200.8 0.2298 0.1515 0.0643 0.0284 0.0172 200.9 0.2295 0.1512 0.0642 0.0284 0.0172 201 0.2292 0.151 0.0641 0.0284 0.0171 t (µs) Vi (kV)

4. Pengaruh Impedansi Pembumian

Menara Transmisi Terhadap Distribusi Tegangan Surja Petir Pada Tiap Menara Transmisi

Salah satu cara memperkecil impedansi surja pembumian adalah dengan memperpanjang batang elektroda pembumian atau menambah jarak pemisah antar elektroda pembumian atau memperkecil permitivitas tanah. Dengan semakin kecilnya impedansi menara maka tegangan isolator menara semakin kecil. Hasil perhitungan tegangan isolator menara tersebut dapat di lihat pada Tabel 1.

Tabel 1 Tegangan Isolator menara

Lanjutan Tabel 1.

Dari Tabel 1 diatas dapat dilihat distribusi tegangan surja isolator pada tiap menara terhadap fungsi waktu seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5.

(5)

Gambar 5 Grafik t vs Vi

Dengan menambah panjang elektroda

pembumian akan diperoleh penurunan

tegangan isolator pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs, seperti yang terlihat pada Tabel 2.

Tabel 2 Penurunan persentase tegangan isolator (Vi) menara pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs. l (m) Rata-rata (%) t=1,2 µs t=50 µs 4 3.21 3.44 8 24.60 25.65 12 41.02 42.90

Dengan menambah jarak pemisah (s) elektroda

pembumian akan diperoleh penurunan

tegangan isolator pada saat t=1,2 dan t=50 μs, seperti yang terlihat pada Tabel 3.

Tabel 3 Penurunan persentase tegangan isolator (Vi) menara pada saat t=1,2 μs dan

t=50 μs. s (m) Rata-rata (%) t=1,2 µs t=50 µs 7 21.44 21.95 8 37.70 38.66 9 53.15 54.51

Dengan menurunkan permitivitas tanah (ρ)

elektroda pembumian akan diperoleh

penurunan tegangan isolator pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs, seperti yang terlihat pada Tabel 4.

Tabel 4 Penurunan persentase tegangan isolator (Vi) menara pada saat t=1,2 μs dan

t=50 μs. ρ (Ω) Rata-rata (%) t=1,2 µs t=50 µs 150 29.16 29.51 100 52.24 52.85 50 76.40 77.27 5. Kesimpulan

Dari pembahasan uraian tulisan di atas dapat di ambil kesimpulan bahwa:

1. Dengan memperkecil impedansi

pembumian menara maka tegangan surja yang dipikul isolator akan semakin kecil. 2. Untuk memperkecil impedansi surja menara dapat dilakukan dengan, (1) memperpanjang elektroda pembumian, (2) memperbesar jarak elektroda

pembumian, (3) memperkecil

permitivitas tanah (ρ) disekitar elektroda pembumian.

Ucapan Terimakasih

Penulis mengucapkan terimakasih kepada Ir. Syahrawardi selaku dosen pembimbing yang telah mengajari dan membimbing

penulis, serta penulis mengucapkan

terimakasih kepada Ir. Hendra Zulkarnaen dan Ir. Zulkarnaen Pane dan Syiska Yana, S.T., M.T. selaku dosen penguji yang banyak memberikan masukan dan saran. Terakhir, penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Rahmadi Tarigan (PLN Tragi-Glugur) atas bantuannya dalam menyelesaikan tulisan dan penelitian ini.

Referensi

[1] Hutauruk, T.S., “Gelombang Berjalan dan

Proteksi Surja”, Erlangga, Jakarta, 1991.

[2] Badan Standarisasi Nasional, “PUIL 2000”, Jakarta. 2001.

(6)

[3] Hutauruk, T.S., “Pengetanahan Netral

Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan”, Erlangga, Jakarta, 1991.

[4] Marek Loboda, dkk, “Practical Application

of Enhancement Materials in High Resistivity Soils”, International Conference

on Grounding and Earting & 3rd International Conference on Lightning Physics and Effects. November 2008. [5] Cooray Vernon, “Lightning Protection”,

London : The Institution of Engineering and Technology. 2010.

[6] Tobing, Bonggas L., “Peralatan Tegangan