Makalah Sambaran Petir dan Sistem Proteksi Petir pada Jaringan Transmisi Struktur Tinggi LAA 1500 Volt DC

TUGAS TEKNOLOGI TEGANGAN TINGGI DAN PROTEKSI PETIR LANJUT

Makalah Sambaran Petir dan Sistem Proteksi Petir pada Jaringan Transmisi Struktur Tinggi LAA 1500 Volt DC

Dosen Pengampu : Dr. Ir. Abdul Syakur, S.T., M.T., IPU.

Disusun Oleh : Nama : Anindira Listy Hartisa NIM : 21060122420025

PROGRAM STUDI

MAGISTER TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2023

1. Pendahuluan

Pada zaman yang modern ini, telah terjadi perkembangan teknologi yang sangat pesat dan energi listrik menjadi kebutuhan yang sangat penting. Saluran transmisi merupakan suatu bagian utama pada proses penyaluran energi listrik. Jika terjadi gangguan pada saluran transmisi, maka juga akan mempengaruhi peralatan-peralatan yang terhubung ke sistem tenaga listrik. Saluran transmisi mempunyai Menara yang tinggi, sehingga gangguan yang sering terjadi adalah sambaran petir.

Sambaran petir itu sendiri terbagi menjadi dua, ada sambaran langsung dan ada sambaran tidak langsung. Keduanya memungkinkan terjadinya gangguan apda saluran transmisi sehingga menyebabkan kontinuitas penyaluran tenaga listrik dapat terganggu (Syamsir, 2009). Dan salah satu perlindungan yang tepat adalah pemasangan arrester pada struktur tinggi transmisi Listrik Aliran Atas (LAA) Kereta Api.

Pengertian proteksi transmisi tenaga listrik merupakan proteksi yang dipasang pada peralatan-peralatan listrik pada suatu transmisi tenaga listrik sehingga proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga listrik (power plant) hingga saluran distribusi listrik (substation distribution) dapat disalurkan sampai pada konsumen pengguna listrik dengan aman. Proteksi transmisi tenaga listrik diterapkan pada transmisi tenaga listrik agar jika terjadi gangguan peralatan yang berhubungan dengan transmisi tenaga listrik tidak mengalami kerusakan. Hal ini juga termasuk saat terjadi perawatan dalam kondisi menyala.

Jika proteksi bekerja dengan baik, maka pemeliharaan transmisi tenaga listrik dalam kondisi bertegangan dapat dilakukan dengan baik. Jika saat melakukan pemeliharaan terjadi gangguan, maka pengaman-pengaman yang terpasang harus bekerja demi mengamankan sistem dan manusia yang sedang melakukan perawatan.

Pada makalah ini membahas tentang sambaran petir dan sistem proteksi yang digunakan khususnya pada struktur tinggi Listrik Aliran Atas Kereta Api.

2. Sebab Terjadinya Petir

Petir merupakan gejala alam yang bisa dianalogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama merupakan awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua merupakan bumi (dianggap netral). Seperti yang telah diketahui kapasitor merupakan sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang dapat menyimpang energi sesaat.

Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi. Proses terjadinya pemisahan muatan pada awan karena dia bergerak terus menerus secara teratur, dan selama

pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya, sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara. Petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada saat tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif, maka petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan [1].

3. Gangguan Petir Sambaran Langsung

Sambaran langsung merupakan sambaran petir ke arah fasa konduktor dan penunjang fasa konduktor (tiang). Apabila sambaran menuju fasa konduktor terjadi, gelombang tegangan yang dibangkitkan oleh sambaran petir akan mengalir di sepanjang fasa konduktor hingga ke terminal dari peralatan fasa konduktor atau bahkan sering menuju ke insulator antara fasa konduktor dan lengan tiang akhir saluran [2].

Penggunaan Isolasi Pentanahan pada Sistem Tenaga Saluran Udara

Kawat pentanahan yang sebelumnya berfungsi untuk melindungi induksi tegangan dari sambaran petir tidak langsung sudah berubah menjadi pelindung (prisai) fasa konduktor dari ancaman sambaran petir langsung ke fasa konduktor. kabel perisai harus dipasang pada posisi yang tepat sehingga semua sambaran petir dari arus sambaran balik yang melebihi batasan kritis dapat menyambar kabel perisai tanpa mengganggu fasa konduktor.

Gelombang Berjalan pada Saluran Transmisi

Dari sudut energi dapat dikatakan bahwa gelombang berjalan pada kawat disebabkan oleh penyuntikan energi secara tiba-tiba pada kawat. Energi yang merambat ini berupa arus dan tegangan. Gelombang berjalan ini diredam oleh kerugian puncak (corona), skin effect dan perusakan terbentuk karena refleksi.

4. Gangguan Petir pada Saluran Transmisi

Gangguan petir pada saluran transmisi merupakan gangguan akibat sambaran langsung maupun sambaran tidak langsung (sambaran induksi). Pada penelitian ini akan dibahas

gangguan akibat sambaran kilat langsung yang terdiri dari dua macam, yaitu sambaran pada kawat tanah atau menara dan sambaran pada kawat fasa.

Gambar 1. Perisaian Tidak Sempurna, Xs Daerah Tidak Terlindungi (a), dan Perisaian Efektif (b)

Lompatan Api Balik

Sambaran petir pada kawat tanah atau menara transmisi dapat menimbulkan Back Flashover (BFO), hal ini dapat terjadi apabila isolasi udara mengalami kegagalan akibat kenaikan tegangan yang sangat tinggi pada menara transmisi. Besar tegangan yang timbul pada isolator transmisi tergantung pada puncak, kecuraman, dan waktu muka gelombang kilat atau petir. Arus puncak kilat yang biasanya menyebabkan flashover adalah yang mempunyai nilai diatas 80 kA.

5. Sambaran Petir pada Saluran Transmisi Jumlah Sambaran Petir ke Bumi

Jumlah Sambaran Petir ke bumi berdasarkan penelitian besarnya berbeda-beda. Untuk sambaran petir di daerah tropis khususnya Indonesia mempunyai karakteristik petir yang berbeda dengan daerah sub-tropis.

Angin regional dan angin lokal mempunyai pengaruh yang signifikan dalam proses pembentukan muatan di dalam awan, khususnya di daerah pegunungan. Pengukuran pelepasan muatan petir dari awan petir dilakukan pada menara ukur setinggi 106 meter.

Peralatan ukur sambaran langsung menggunakan Alat Ukur Pita Magnetik (APM) dan Alat Ukur Bentuk Gelombang (ABG) dan current transformer dan transient recorder.

Sedangkan Pengukuran Tidak Langsung dengan menggunakan Lightning Location System dilakukan pada daerah pantauan 20 x 20 km² dengan titik pusat adalah menara ukur.

Sambaran langsung ke menara ditentukan dari tanggal kejadian dan sambaran terdekat ke

(a) (b)

menara. Dengan Lightning Location System menghasilkan statistik parameter arus puncak petir yang lebih lengkap.

Untuk daerah yang beriklim tropis persamaannya adalah [3]

𝑁 = 0,13𝑇 Dimana :

N = jumlah sambaran ke bumi per km² per tahun T = tingkat sambaran per tahun

6. Analisis Tegangan Berlebih akibat Sambaran Petir

Tegangan petir adalah salah satu masalah paling serius yang memengaruhi sistem distribusi daya pada jalur kereta api elektrifikasi. Tegangan berlebih ini dapat berbahaya bagi peralatan listrik sistem traksi jika tidak dikendalikan dan dikurangi dengan efektif. Oleh karena itu, koordinasi isolasi merupakan persyaratan yang sangat penting dalam desain sistem tenaga, mengandalkan penilaian dan pengendalian stres tegangan berlebih dengan perangkat pelindung yang memadai, yang berkontribusi pada kehandalan peralatan dan kinerja sistem.

Petir biasanya menyebabkan gangguan sementara pada sistem distribusi daya jalur kereta api elektrifikasi. Jika gangguan tersebut diatasi oleh pemutus sirkuit atau pemutus otomatis, sirkuit dapat berhasil diputus kembali. Meskipun pada masa lalu hal ini dapat diterima, saat ini karena proliferasi beban sensitif dan Indikator Keandalan, gangguan sesaat menjadi masalah utama.

Signifikansi petir yang mengenai sistem kontak atas jalur kereta api (OCS), seperti yang terlihat dalam Gambar 2, merupakan faktor utama dalam menimbulkan stres tegangan berlebih pada peralatan dan sangat penting dalam koordinasi isolasi untuk menghindari kegagalan peralatan yang mahal.

Gambar 2. Gambaran Jaringan Atas yang Disambar Petir

Dalam sistem tenaga traksi Vdc, sambaran petir langsung ke sistem catenary di atas kepala dan tiang-tiang menyebabkan kerusakan gangguan grounding yang terus berlanjut dan

mengakibatkan putusnya kabel overhead. Gambar 3 merangkum prosedur putusnya kawat akibat sambaran petir langsung pada struktur pendukung d.c. daya Tarik sistem suplai, dan Gambar 4 menunjukkan foto kabel putus karena petir yang menyebabkan gangguan dan pemadaman listrik sistem transportasi.

Gambar 3. Prosedur Putusnya Kawat Akibat Petir Pada Sistem Tenaga Traksi Volt DC

Gambar 4. Kabel dan Isolator Rusak akibat Sambaran Petir 7. Listrik Aliran Atas (LAA) pada Transmisi Kelistrikan Kereta Api

Sistem transmisi Listrik Aliran Atas (LAA) ditenagai dengan tegangan 1500 Volt DC, yang didistribusikan melalui sistem jaringan kontak atas (Overhead Contact System – OCS).

LAA dari satu jalur meliputi 2 rel berjalan, satu merupakan kawat kontak, dan tiga kabel umpan sejajar yang digunakan oleh kedua jalur. Terdapat 2 jalur yang menghubungkan dua substation di setiap stasiun. Pada gambar 5 merupakan gambar potongan dari LAA berupa kawat tembaga elektrolit keras dengan ukuran 1 x 120 mm dan panjang 2.600 m. Kawat kontak memiliki resistansi maksimum sebesar 0,232 Ω/km pada suhu 75 °C.

Gambar 5. Tampilan Sisi LAA 8. Persyaratan Koordinasi Isolasi dan Rating

Desain koordinasi peralatan didasarkan pada tegangan yang mungkin ditimbulkan selama masa pakainya yang diantisipasi. Terkait dengan tegangan DC permanen, dan sesuai dengan standar Eropa EN 50124, peringkat berikut harus dipertimbangkan:

a. Tegangan nominal (Un), yaitu nilai perkiraan tegangan yang sesuai: 750 Volt DC.

b. Tegangan isolasi terukur (UNm), yaitu nilai rms tegangan yang menentukan kemampuan peralatan isolasi untuk menahan tegangan yang sama atau lebih tinggi daripada tegangan kerja tertinggi sistem: 900 Vdc baik untuk rolling stock maupun instalasi tetap.

Mengenai tegangan transien, terutama yang disebabkan oleh pelepasan petir, juga sangat penting untuk menilai kemampuan peralatan insulasi dalam menahan tegangan transien ini, yang ditentukan oleh nilai tegangan impuls yang relevan. Pemilihan ini harus sesuai dengan rekomendasi EN 50124 dan harus dibuktikan kecukupannya melalui studi koordinasi isolasi.

Untuk mengestimasi tegangan impuls minimum yang diberi peringkat, EN 50124 mengusulkan sebuah metode di mana dengan memilih kategori tegangan berlebih dan tegangan isolasi yang sesuai, tegangan impuls yang diberi peringkat yaitu tegangan isolasi terukur untuk nilai minimal yaitu UNm : 1,8 kV.

Selanjutnya, kondisi lingkungan juga harus diperhitungkan, sesuai dengan kondisi makro lingkungan di mana peralatan tersebut berlokasi. Untuk instalasi dalam ruangan dan peralatan luar yang dilindungi dari kondisi cuaca, PD3 harus diterapkan.

Sesuai dengan studi koordinasi isolasi sesuai dengan standar EN 50124-1, beberapa hal yang dilakukan untuk memilih isolator cantilever:

- Tegangan nominal Un : 750 Volt DC, namun desain sistem untuk 1500 Volt DC - Nilai minimum untuk tegangan isolasi terukur UNm : 1,8 kV

- Kategori tegangan berlebih : OV3 - Kategori tipe isolasi : isolasi dasar

- Derajat polusi harus dikategorikan ke PD3

- Tegangan implus rating untuk peralatan ini UNI : 10 kV - Jarak minimal di udara : 14 mm

- Jarak rambat minimal : 14 mm

Hal tersebut merangkum peringkat minimum peralatan listrik utama sistem jalur, yang berlaku untuk semua peralatan traksi luar ruangan seperti isolator OCS, kabel umpan sejajar, dan perangkap arus, serta sebagian besar peralatan dalam ruangan, seperti penyearah, busbar DC, dan kabel umpan. Dioda yang dipasang pada penyearah memiliki tegangan terbalik maksimum sebesar 3600 V.

Dalam hal koordinasi isolasi, meskipun sistem dirancang untuk 1500 Volt DC, studi tegangan petir akan dilakukan untuk tegangan operasi terendah, yaitu 750 Volt DC, sesuai dengan persyaratan dari pemberi kerja. Tegangan petir tertinggi akan diestimasi dan dibandingkan dengan tingkat isolasi sebelumnya untuk menyimpulkan perlindungan yang sesuai bagi sistem terhadap sambaran petir.

9. Model Sumber Arus Petir

Intensitas gelombang yang disebabkan oleh petir bergantung pada tingkat isokeraunik di wilayah tersebut. Standar IEC dan IEEE telah mengembangkan standar gelombang lonjakan yang berbeda untuk menguji perangkat penekan. Keduanya direkomendasikan gelombang lonjakan yang telah berhasil diuji untuk penggunaan praktis pengujian perangkat pendukung lonjakan arus untuk aplikasi luar ruangan dan dalam ruangan.

Untuk tujuan Aplikasi, standar dan industri memiliki bentuk gelombang impuls tegangan standar 1,2/50 µs (Gambar 9) yang menunjukkan puncak tercapai dalam 1,2 µs dan meluruh menjadi setengah puncak dalam 50 µs.

Demikian pula, gelombang impuls arus 8 x 20 µs (Gambar 8) digunakan di mana kru dicapai dalam 8 µs dan meluruh menjadi setengah nilai puncak dalam 20 µs. Bentuk gelombang uji 8/20 µs adalah bentuk gelombang arus yang paling umum digunakan menentukan peringkat perangkat perlindungan lonjakan arus. Di bawah bentuk gelombang uji ini, arus naik dari 10% puncak menjadi 90% puncaknya dalam 8 mikrodetik dan turun hingga 50% puncaknya dalam 20 mikrodetik.

Gelombang bermuka curam adalah gelombang dengan waktu naik 0,1-0,5 µs dan bentuk gelombang 10/1000 µs (gelombang panjang) lebih besar. mewakili lonjakan energi tinggi yang biasanya dialami dari elemen induktif.

Secara umum bentuk gelombang dilambangkan dengan impuls tf/th. th adalah nilai waktu hingga separuh atau waktu ekor. Dan tf adalah bagian depan nilai waktu. Besaran arus puncak dan waktu ekor penting ketika mengamati tekanan energi Lonjakan arester (representasi paling sederhana adalah jalur ganda). Muka gelombang saat ini merupakan parameter penting untuk flashover isolator.

Gambar 6. Karakteristik utama dari Tegangan Berlebih

Gambar 7. Contoh Arus Petir 10. Karakteristik Gelombang Petir

Terdapat dua tipe gelombang arus berdasarkan standar IEC sebagai berikut:

a. Gelombang 10/350 µs : untuk mengkarakterisasi gelombang arus yang berasal dari sambaran petir langsung. Kurva ini mirip dengan bentuk gelombang 8/20 µs tetapi memiliki ekor yang lebih Panjang.

Gambar 7. 10/350 µs Gelombang Arus

b. Gelombang 8/20 µs : untuk mengkarakterisasi gelombang arus dari sambaran petir tidak langsung.

Gambar 8. Gelombang Arus 8/20 µs

Terdapat dua jenis gelombang arus sambaran petir yang digunakan untuk mendefinisikan tes pada SPDs (Standar IEC 61643-11) dan kekebalan peralatan terhadap arus petir. Nilai puncak gelombang arus mencirikan intensitas sambaran petir.

c. Gelombang Tegangan 1,2/50 µs : untuk mencirikan gelombang arus dari sambaran petir tidak langsung

Gambar 9. Gelombang Tegangan 1,2/50 µs

Standar bentuk gelombang impuls petir yaitu 1,2/50 µs. Jenis gelombang tegangan ini digunakan untuk memverifikasi peralatan tahan terhadap tegangan lebih yang berasal dari atmosfer (tegangan impuls sesuai IEC 61000-4-5).

Bentuk gelombang impuls penting lainnya adalah bentuk gelombang impuls switching standar 250/2500 µs.

Kesimpulan

Karena lebih sulit untuk menjamin ketahanan bumi dari arester surja sepanjang garis kontak di bawah 1 Ω atau bahkan 5 Ω, kasus 10 Ω juga dipertimbangkan. Hasilnya menunjukkan, bahkan untuk kondisi terburuk sekalipun ketahanan bumi dari arester surja yang terletak di gardu induk dan sepanjang saluran kontak, maksimum tegangan lebih pada busbar DC gardu induk tidak pernah melebihi tingkat isolasi gardu induk peralatan.

Oleh karena itu, pengenalan arester surja di sepanjang jalur kontak, tidak hanya melindungi kabel (seperti yang akan terjadi terlihat sebentar lagi), namun juga berkontribusi dalam melindungi peralatan gardu induk. Mengenai kabel yang menyuplai daya ke saluran kontak, pemasangan arester surja di sepanjang antarmuka jalur kontak kabel dan sepanjang jalur juga berkontribusi mengurangi tegangan lebih transien maksimum yang diharapkan timbul pada aset sistem ini.

Di atas nilai 1 Ω, arus yang mencapai kabel mengalir melalui tahanan pembumian dari arester surja menyebabkan jatuh tegangan yang mau tidak mau menambah tegangan sisa arester, sehingga menimbulkan tegangan lebih itu melampaui tegangan impuls pengenal kabel UNi. Keadaan ini dapat terjadi terutama pada nilai debit arus yang tinggi, 10 kA atau lebih. Adanya tegangan lebih yang dipantulkan meningkatkan kemerosotan perilaku tegangan. Namun perlu ditegaskan bahwa kasus ini sangat pimistik, sehingga secara umum dapat dikatakan demikian. pemasangan arester surja di gardu induk dan juga di sepanjang jalur, seluruh peralatan sistem (di dalam dan peralatan luar) terlindung sepenuhnya terhadap tegangan lebih petir.

Disarankan untuk menggunakan arester surja Elektroline pada titik sambungan rel dengan penyearah, di Busbar DC di gardu induk dan di tiang tempat kabel OCW dan pengumpan paralel dihubungkan.

Disarankan untuk menambahkan referensi arester surja lain ke dalam gardu induk hanya untuk melindungi gardu induk jembatan penyearah di gardu induk, yaitu HE60MC07 - Raychem Surge Arresters Tipe HE 60 untuk Kereta Api D.C. Aplikasi. Ketika petir menyambar struktur pertama di gardu induk, tegangan lebih mendekati atau hampir mencapai 3,6 kV (Gambar 109). Selain itu, 3,6 kV adalah tegangan tembus untuk dioda penyearah seperti yang ditunjukkan di bagian 6.3.9, dan tegangan lebih sisa arester surja adalah 3,6 kV seperti yang ditunjukkan dalam katalog (Gambar 44) yaitu tegangan breakover yang sama untuk dioda yang keluar. Nilai-nilai tersebut hampir mencapai batasnya. Jika lonjakan lain arester dipilih dengan tegangan sisa yang lebih rendah untuk gardu induk, ini akan melindungi dioda penyearah jika terjadi bersifat sementara akibat pelepasan petir. Tegangan sisa 3,6 kV untuk arester surja merupakan kondisi ideal dengan menggunakan resistansi bumi 0 Ω, seperti dapat dilihat pada tabel sebelumnya, tegangan sisa arester surja bervariasi resistansi pembumiannya, harus diperhitungkan bahwa resistansi pembumian untuk arester surja dapat bervariasi dari 1 Ω, 3 Ω, 5 Ω atau bahkan 10 Ω, itu tidak menguntungkan untuk dioda. Dalam hal ini, tegangan sisa untuk arester surja harus harus serendah mungkin, dan/atau ketahanan bumi untuk penahan lonjakan arus harus serendah mungkin.

Referensi

[1] H. A. Sano and F. Murdiya, “Analisa Sistem Proteksi Petir Pada Sutt 150 Kv Menggunakan Software Atp,” Jom FTEKNIK, vol. 5, no. 1, pp. 1–7, 2018.

[2] F. J. Tasiam, “Proteksi Sistem Tenaga Listrik,” Teknosain, pp. 12–19, 2012.

[3] G. Mejia, “INSULATION COORDINATION STUDY OF LIGHT ELECTRIFIED RAILWAY SYSTEM - ANALYSIS OF LIGHTNING OVERVOLTAGES

ELECTRIFIED RAILWAY SYSTEM ANALYSIS OF LIGHTNING

OVERVOLTAGES Gilberto Enrique Mejía Chaparro – Universidad de los Andes,”

no. September, 2019, doi: 10.13140/RG.2.2.25588.60804/1.

[4] EN 50124-1 – “Railway applications – Insulation coordination Part 1: Basic requirements – Clearances and creepage distances for all electrical and electronic equipment”, CENELEC, (2001)

[5] CIGRE – “Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission line” Working Group 01 (Lightning) of Study Committee 33 (Overvoltages and Insulation Coordination), (1991)

[6] IEC 60071-1 – “Insulation coordination Part 1: Definition, principles and rules”, Seventh Edition, (1993)

[7] IEC62305 – Protection against lightning – Edition 1.0, (2006)

[8] IEC 61024 – “Protection of structures against lightning” – First Edition, (1993)