Selasa, 16 April 2013

STUDI PROBABILITAS HUBUNGAN SINGKAT PADA SATU FASA KETANAH AKIBAT SAMBARAN PETIR PADA SALURAN TRANSMISI



2.1. Saluran Transmisi

Suatu sistem tenaga listrik terdiri dari tiga bagian utama : pusat-pusat pembangkit   listrik,   saluran-saluran   transmisi,   dan   sistem-sistem   distribusi. Saluran-saluran transmisi merupakan rantai penghubung antara pusat-pusat pembangkit listrik dan sistem-sistem distribusi, dan melalui hubungan-hubungan antar sistem dapat pula menuju ke sistem tenaga yang lain. Suatu sistem distribusi menghubungkan semua beban-beban yang terpisah satu dengan yang lain kepada saluran-saluran transmisi.
Tegangan pada generator-generator besar biasanya berkisar diantara 13,8 kV dan 24 kV. Tetapi generator-generator besar yang modern dibuat dengan tegangan yang bervariasi antara 18 dan 24 kV. Tidak ada suatu standar yang umum    diterima           untuk   tegangan-tegangan      generator.        Tegangan         generator dinaikkan ke tingkat-tingkat yang dipakai untuk transmisi yaitu antara 115 dan 765 kV. Tegangan-tegangan tinggi standar (high voltages HV standard) adalah 115, 138, dan 230 kV. Tegangan-tegangan tinggi-ekstra (extra high voltage – EHV) adalah 345, 500 dan 765 kV. Kini sedang dilakukan penelitian untuk pemakaian tegangan-tegangan tinggi ultra yaitu diantara 1000 dan 500 kV (ultra high voltages – UHV).

6
 
Keuntungan  dari  transmisi  dengan  tegangan  yang  lebih  tinggi  akan menjadi  jelas  jika  kita  melihat  pada  kemampuan  transmisi(transmission capability)  dari  suatu  saluran  transmisi.  Kemampuan  ini  biasanya  dinyatakan dalam megavolt ampere (MVA). Kemampuan transmisi dari suatu saluran dengan tegangan tertentu tidak dapat ditetapkan dengan pasti, karena kemampuan ini masih tergantung lagi pada batasan-batasan (limit) thermal dari penghantar, jatuh tegangan (voltage drop) yang diperbolehkan, keterandalan, dan persyaratan- persyaratan kestabilan sistem (system stability), yaitu penjagaan bahwa mesin- mesin pada sistem tersebut tetap berjalan serempak satu terhadap yang lain. Kebanyakan faktor- faktor ini masih tergantung pula pada panjangnya saluran.



2.2. Bagian – Bagian Saluran Transmisi

Adapun komponen-komponen utama dari saluran transmisi terdiri dari

1.   Tiang Transmisi atau Menara

Pada suatu Sistem Tenaga Listrik, energi listrik yang dibangkitkan dari pusat pembangkit listrik ditransmisikan ke pusat-pusat pengatur beban melalui suatu saluran  transmisi,  saluran  transmisi  tersebut  dapat  berupa  saluran  udara  atau saluran bawah tanah, namun pada umumnya berupa saluran udara. Energi listrik yang  disalurkan  lewat  saluran  transmisi  udara  pada  umumnya  menggunakan kawat telanjang sehingga mengandalkan udara sebagai media isolasi antara kawat penghantar tersebut dengan benda sekelilingnya, dan untuk menyanggah / merentang  kawat  penghantar  dengan  ketinggian  dan  jarak  yang  aman  bagi manusia dan lingkungan sekitarnya, kawat-kawat penghantar tersebut dipasang pada suatu konstruksi bangunan yang kokoh, yang biasa disebut menara / tower. Konstruksi tower besi baja merupakan jenis konstruksi saluran transmisi tegangan  tinggi  (SUTT)  ataupun  saluran  transmisi  tegangan  ekstra  tinggi (SUTET) yang paling banyak digunakan di jaringan PLN (Gambar 2.1.), karena mudah dirakit terutama untuk pemasangan di daerah pegunungan dan jauh dari jalan raya, harganya yang relatif lebih murah dibandingkan dengan penggunaan saluran bawah tanah serta pemeliharaannya yang mudah.
Namun demikian perlu pengawasan yang intensif, karena besi-besinya rawan terhadap pencurian. Seperti yang telah terjadi dibeberapa daerah di Indonesia, dimana  pencurian  besi-besi  baja  pada  menara  /  tower  listrik  mengakibatkan menara / tower listrik tersebut roboh, dan penyaluran energi listrik ke konsumen pun menjadi terganggu. Suatu menara atau tower listrik harus kuat terhadap beban yang bekerja padanya, antara lain yaitu :
-           Gaya berat tower dan kawat penghantar (gaya tekan).

-           Gaya tarik akibat rentangan kawat.

-           Gaya angin akibat terpaan angin pada kawat maupun badan tower.




2.   Isolator

Jenis isolator yang digunakan pada saluran transmisi pada umumnya adalah jenis porselin atau gelas yang berfungsi sebagai isolasi tegangan listrik antara kawat penghantar dengan tiang.
Macam-macam isolator yang digunakan pada saluran udara tegangan tinggi adalah sebagai berikut :
-    isolator piring

dipergunakan  untuk  isolator  penegang  dan  isolator  gantung,  dimana jumlah piringan isolator disesuaikan dengan tegangan sistem pada saluran udara tegangan tinggi tersebut (Gambar 2.2.)
-    isolator tonggak saluran vertical (Gambar 2.3.)

-    isolator tonggak saluran horizontal (Gambar 2.4.)





Pegangan Tanduk


Tanduk Api














Pengapit Gantungan










Gambar 2.3. Isolator tonggak saluran horizontal




Gambar 2.4. Isolator tonggak saluran vertical




3.   Kawat Penghantar Untuk Saluran Transmisi Udara

Kawat penghantar berfungsi untuk mengalirkan arus listrik dari suatu tempat ke tempat yang lain. Jenis kawat penghantar yang biasa digunakan pada saluran transmisi adalah tembaga dengan konduktivitas 100 % (CU 100 %), atau aluminium dengan konduktivitas 61 % (AL 61 %), (Tabel 2.1.). Kawat penghantar tembaga mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan kawat penghantar aluminium           karena  konduktivitas  dan                   kuat     tariknya           lebih         tinggi.Tetapi kelemahannya ialah, untuk besar tahanan yang sama, tembaga lebih berat dari aluminium, dan juga lebih mahal. Oleh karena itu kawat aluminium telah menggantikan kedudukan tembaga.



3.1. Klasifikasi Kawat Menurut Konstruksinya

Yang  dinamakan  kawat  padat  (solid  wire)  adalah  kawat  tunggal  yang padat (tidak berongga) dan berpenampang buat ; jenis ini hanya dipakai untuk
penampang - penampang        yang    kecil,    karena  penghantar-penghantar  yang berpenampang besar sukar ditangani serta kurang flexible.
Apabila diperlukan penampang yang besar, maka dipergunakan 7 sampai

61 kawat padat yang dililit menjadi satu, biasanya secara berlapis dan konsentris. Tiap-tiap  kawat  padat  merupakan  kawat  komponen  dari  kawat  berlilit  tadi. Apabila kawat-kawat komponen itu sama garis tengahnya maka persamaan- persamaan berikut berlaku :
N   = 3n ( 1 + n ) + 1

D   = d ( 1 + 2n )
A   = an
W  = wN ( 1 + k1 )
R       = ( 1 + k2 ) r/N
Dimana :       N       = Jumlah Kawat Komponen

n        = Jumlah Lapisan Kawat Komponen

D       = Garis Tengah Luar dari Kawat berlilit
d       = Garis Tengah Kawat Komponen
A       = Luas Penampang Kawat Berlilit

W      = Berat Kawat Berlilit

w       = Berat Kawat Komponen Per Satuan Panjang
k1        = Perbandingan Berat Terhadap Lapisan

R       = Tahanan Kawat Berlilit

r        = Tahanan Kawat Komponen Per Satuan Panjang k2       = Perbandingan Tahanan Terhadap Lapisan
Kawat rongga (hollow Conductor) adalah kawat berongga yang dibuat untuk mendapatkan garis tengah luar yang besar. Ada dua jenis kawat rongga : (a) yang rongganya dibuat oleh kawat lilit yang ditunjang oleh sebuah batang, dan (b) yang rongganya dibuat oleh kawat-kawat komponen yang membentuk  segmen- segmen sebuah silinder.

3.2. Klasifikasi Kawat Menurut Bahannya
Kawat logam biasa dibuat dari logam-logam biasa seperti tembaga, aluminium, besi, dsb.
Kawat logam campuran (alloy) adalah penghantar dari tembaga atau aluminium yang diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis ain guna menaikkan kekutan mekanisnya. Yang sering digunakan adalah “copper alloy”, tetapi “aluminium alloy” juga lazim dipakai.


Tabel  2.1.  : Daftar  kawat  yang  dipergunakan  untuk  Saluran  Udara

                        Tegangan Tinggi (SUTT)


KODE
PENAMPANG

KAWAT (mm2)

BAJA

ALUMINIUM
GAMBAR PENAMPANG

KAWAT
HEN

ORIOLE PIPER
298,07

210,26

187,48
7 x 3,20 mm

7 x 2,69 mm

7 x 2,54 mm
30 x 3,20 mm

30 x 2,69 mm

30 x 2,54 mm

DRAKE

DOVE LINNET
AL/ST 120/120
468,45

327,94

198,19

141,4
7 x 3,45 mm

7 x 2,89 mm

7 x 2,25 mm

7 x 1,90 mm
26 x 4,44 mm

26 x 3,72 mm

26 x 2,89 mm

26 x 2,44 mm




PIGEON

RAVEN SWALLOW
99,22

62,38

31,09
1 X 4,25 mm

1 x 3,37 mm

1 x 2,38 mm
6 x 4,25 mm

6 x 3,37 mm

6 x 2,38 mm




4. Kawat Tanah
Kawat tanah atau ground wires, juga disebut sebagai kawat pelindung (shield wires) gunanya untuk melindungi kawat-kawat penghantar atau kawat-kawat fasa terhadap sambaran petir. Jadi kawat tanah ini dipasang diatas kawat fasa. Sebagai kawat tanah dipakai kawat baja (steel wires).

2.3.  Arester
Arester petir disingkat arester, atau sering juga disebut penangkap petir, adalah alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir. Ia berlaku sebagai jalan pintas (by-pass) sekitar isolasi. Arester   membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus petir, sehingga tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada peralatan. Jalan pintas itu harus sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran arus daya sistem 50 Hertz. Jadi pada kerja normal arester itu berlaku  sebagai isolator dan bila timbul surja dia berlaku sebagai konduktor, jadi melewatkan aliran arus yang tinggi. Setelah surja hilang arester harus dengan cepat kembali menjadi isolator, sehingga pemutus daya tidak sempat membuka. Arester  dapat  memutuskan  arus  susulan  tanpa  menimbulkan  gangguan,  inilah salah satu fungsi terpenting dari arester.
Arester terdiri dari dua jenis : jenis ekspulsi (expulsion type) atau tabung pelindung (protector tube) dan jenis katub (valve type).

2.3.1. Arester Jenis Ekspulsi atau Tabung Pelindung
Arester jenis ekspulsi pada prinsipnya terdiri dari sela percik yang berada dalam tabung serat dan sela percik batang yang berada diluar di udara atau disebut sela seri, terlihat pada Gambar 2.5.
Bila ada tegangan surja yang tinggi sampai pada jepitan arester kedua sela percik, yang di luar dan yang berada di dalam tabung serat, tembus seketika dan membentuk jalan penghantar dalam bentuk busur api. Jadi arester menjadi konduksi dengan impedansi rendah dan melakukan surja arus dan surja daya sistem bersama –sama. Panas yang timbul karena mengalirnya arus petir menguapkan        sedikit bahan   dinding            tabung serat,    sehingga            gas yang ditimbulkannya menyembur pada api dan mematikannya pada waktu arus susulan melewati titik nolnya. Arus susulan dalam arester jenis ini dapat mencapai harga yang tinggi sekali tetapi lamanya tidak lebih dari satu atau dua gelombang, dan biasanya kurang dari setengah gelombang. Jadi tidak menimbulkan gangguan.
Arester jenis ekspulsi ini mempunyai karakteristik volt-waktu yang lebih baik dari sela batang dan dapat memutuskan arus susulan. Tetapi tegangan percik susulan tergantung dari tingkat arus hubung singkat dari sistem pada titik dimana arester itu dipasang. Dengan demikian perlindungan dengan arester ini dipandang tidak memadai untuk perlindungan transformator daya, kecuali untuk sistem distribusi. Arester ini banyak juga digunaka pada saluran transmisi untuk membatasi besar surja yang memasuki gardu induk. Dalam penggunaan yang terakhir ini arester jenis ini sering disebut sebagai tabung pelindung
 2.3.2. Arester jenis katup
Arester jenis katup ini terdiri dari sela percik terbagi atau sela seri yang terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak linier. Tegangan  frekuensi  dasar  tidak  dapat  menimbulkan  tembus  pada  sela  seri. Apabila sela seri tembus saat tibanya suatu surja yang cukup tinggi, alat tersebut menjadi penghantar.
Sela seri itu dapat memutuskan arus susulan, dalam hal ini dia dibantu oleh tahanan tak linier yang mempunyai karakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arus susulan dari frekuensi dasar.
Arester jenis katup ini terbagi atas tiga jenis yaitu :
1.   Arester Katup Jenis Gardu
Arester jenis gardu ini adalah jenis yang paling efisien dan juga paling mahal. Perkataan “gardu” di sini berhubungan dengan pemakaiannya secara umum  pada  gardu  induk  besar  (Gambar  2.6.). 
 








Gambar 2.6. Arester Katup Jenis Gardu


2.   Arester Katup Jenis Saluran
Arester  jenis  saluran  ini  lebih  murah  dari  arester  jenis  gardu.  Kata “saluran”     disini  bukanlah  berarti  untuk  perlindungan  saluran  transmisi. Seperti arester jenis gardu, arester jenis saluran ini juga dipakai pada gardu induk untuk melindungi peralatan yang kurang penting (Gambar 2.7.). Arester jenis saluran ini dipakai pada sistem dengan tegangan 15 KV sampai 69 KV.

Gambar 2.7. Arester Katup jenis Saluran


3.   Arester Katup Jenis Gardu untuk mesin-mesin

Arester jenis gardu ini khusus untuk melindungi mesin-mesin berputar. Pemakaiannya untuk tegangan 2,4 KV sampai 15 KV.
4.   Arester Katup Jenis Distribusi Untuk Mesin-Mesin
Arester jenis distribusi ini khusus untuk melindungi mesin-mesin berputar dan juga untuk melindungi transformator dengan pendingin udara tanpa minyak. Arester jenis ini dipakai pada peralatan dengan tegangan 120 volt sampai 750 volt (Gambar 2.8.)





Gambar 2.8. Arester Katup Jenis Distribusi Untuk Mesin-Mesin


2.3.3.   Pemilihan Arester

Faktor yang harus diperhatikan dalam pemilihan arester yang sesuai untuk  suatu keperluan tertentu adalah :
1. Kebutuhan perlindungan : ini berhubungan dengan kekuatan isolasi dari alat yang harus dilindungi dan karakteristik impuls dan arester.
2. MVA short circuit yang dinyatakan lewat persamaan S = KV x KA

3. Jenis dari Lightning Arester

4. Tegangan sistem : tegangan maksimum yang mungkin timbul pada jepitan arester.
5. Arus  hubung  singkat  sistem  :  ini  hanya  diperlukan  pada  arester  jenis ekspulsi
6. Jenis arester : apakah arester jenis gardu, jenis saluran atau jenis distribusi

7. Faktor kondisi luar : apakah normal atau tidak normal, temperatur dan kelembapan yang tinggi serta pengotoran.
8. Faktor ekonomi : ialah perbandingan antara ongkos pemeliharaan dan kerusakan bila tidak ada arester, atau bila dipasang yang lebih rendah mutunya.

Untuk tegangan 69 KV dan lebih tinggi dipakai jenis gardu, sedangkan untuk tegangan 23 KV sampai 69 KV salah satu jenis diatas dapat dipakai, tergantung   pada   segi   ekonomisnya.   Pada   penulisan   tugas   akhir   ini   dan berdasarkan data diatas maka arester yang digunakan . adalah arester katub jenis gardu karena sesuai dengan kemampuan tegangannya yaitu berkisar diatas 69 KV.

Tabel 2.2. Pengenal Arester dan Tegangan Sistem

Pengenal Tegangan Arester
Tegangan maksimum sistem tiga fasa dimana arester digunakan
Sistem yang
diketanahkan

Sistem terisolir

(1)
A
(2)
B
(3)
C
(4)
D
(5)
E
(6)
Volt rms
175
175
650
1.000
3.000
6.000
9.000
12.000
15.000
130 / 260
260
650
1.000
4.500
9.000
12.800
15.000
18.000
130 / 260
220
650
1.000
3.750
7.500
11.250
15.000
18.000



650
1.000
3.000
6.000
9.000
12.000
15.000



650
1.000
2.000    +
5.500    +
8.200   +
11.000  +
13.000  +















Tiap kasus membutuh kan studi khusus
Kv rms
20
25
30
37
40
50
60
73
97
109
121
145
169
195
242










Tidak ada
25
30
37
46
50
60
73
90
121
136
150
180
200
245
300
20
25
30
37
40
50
60
73
97
109
121
145
169
195
242
18   +
23   +
27   +
34   +
36   +
45   +
55   +
66   +
88   +
99   +
110 +
132  +



Sebagai petunjuk umum “Westinghouse Electric Corporation” telah mengeluarkan suatu petunjuk untuk pemilihan pengenalan arester. Petunjuk tersebut didasarkan pada metoda pengetanahan dari sistem tenaga listrik. Hasil hasil perhitungan diberikan dalam tabel 7.1.
Dalam kolom (1) diberikan standard-standard tegangan yang dikenal oleh “Westinghouse Electric Corporation”. Dalam kolom (2) sampai dengan (6) diberikan tegangan maksimum jala-jala.

Tipe A adaah sistem-sistem yang netralnya diketanahkan secara baik, dan hasil bagi R0  / X1  dan X0  / X1  lebih kecil dibandingkan dengan tipe B. TipeA ini umumnya adalah sistem distribusi yang diketanahkan titik netralnya. Disini pengenal arester pada umumnya dipilih sedikit lebih rendah dari tegangan jala-jala dari yang biasanya direkomendasikan untuk sistem-sistem tegangan tinggi.
Pada sistem-sistem distribusi    tahanan-tahanan biasanya besar dan tidak bisa diabaikan. Faktor ini akan mengurangi kemungkinan rusaknya arester karena tegangan sistem, dengan demikian memungkinkan penggunaan arester dengan pengenal tegangan yang lebih rendah
Tipe B adalah sistem dengan X0 / X1 lebih kecil dari 3 dan R0 / X1 lebih rendah dari 1 pada setiap titik dalam sistem itu, jadi tipe B ini adalah sistem dengan pengetanahan yang efektif. Untuk tipe B ini cukup menggunakan arester 80 %.
Tipe  C  adalah  sistem  yang  netralnya  diketanahkan  tetapi  tidak  memenuhi persyaratan untuk tipe B. jadi ada kemungkinan X0 / X1 lebih besar dari 3 atau R0 / X1  lebih besar dari 1 atau kedua duanya. Sistem yang diketanahkan dengan kumparan Petersen termasuk dalam tipe C ini.
Tipe  D  adalah  sistem  yang  tidak  diketanahkan,  dimana  reaktansi  urutan  nol bersifat kapasitif. Harga X0  / X1  terletak antara 40 dan tak terhingga (- 40 sampai - ∞).
            Tipe E adalah sistem yang tidak diketanahkan tetapi tidak memenuhi kondisi tipe D. harga           X0  / X1 terletak antara 0 dan 40. Dalam batas-batas ini resonansi sebagian mungkin terjadi.

2.3.4. Pengenal Arester

Pada umumnya pengenal atau “rating” arester hanya pengenal tegangan. Pada beberapa tabung pelindung atau arester jenis ekspulsi perlu juga disebut pengenal arus-nya yang menentukan kapasitas termal arester tersebut.



Supaya pemakaian arester lebih efektif dan ekonomis, perlu diketahui 4 macam karakteristiknya :
1.Pengenal tegangan : ini paling sedikit sama dengan tegangan maksimum yang mungkin tmbul selama terjadi gangguan.
2.karakteristik  perlindungan  atau  karakteristik  impuls  :  ini  adalah  untuk kordinasi yang baik antara arester dan peralatan yang dilindungi.
3.kemampuan pemutusan arus frekuensi dasar.

4.kemampuan menahan atau melewatkan arus surja.



2.3.5  Jarak Maksimum Arester dengan Peralatan

Untuk  melindungi  peralatan  terhadap  tegangan  ebih  surja  digunakan arester. Arester modern dapat membatasi harga tegangan surja dibawah tingkat isolasi peralatan. Peralatan dapat dilindungi dengan menempatkan arester sedekat mungkin pada peralatan tersebut dan tidak perlu menggunakan alat pelindung pada tiap bagian peralatan yang akan dilindungi. Walaupun pengaruh gelombang berjalan akan menimbulkan tegangan yang lebih tinggi di tempat yang agak jauh dari arester, peralatan masih dapat dilindungi dengan baik bila jarak arester dan peralatan masih dalam batas yang diizinkan.
Untuk  menentukan  jarak  maksimum yang  diizinkan  antara  arester  dan peralatan  yang  dilindungi  dikenal  beberapa  metoda.  Salah  satu  metoda  ialah metoda pantulan berulang. Metoda ini adalah metoda pendekatan yang dapat digunakan untuk menentukan jarak maksimum arester dan peralatan, dan juga untuk menentukan panjang maksimum dari kabel penghubung peralatan dengan saluran transmisi (Gambar 2.9.)

Kawat Tanah

e                             S





Arester       Ea



Trafo






Gambar 2.9. Transformator dan arester terpisah sejarak S


Perlindungan  yang  baik  diperoleh  bila  arester  ditempatkan  sedekat mungkin pada jepitan transformato. Tetapi dalam praktek sering arester itu harus ditempatkan  sejarak  S  dari  transformator  yang  dilindungi.  Karena  itu,  jarak tersebut harus ditentukan agar perlindungan dapat berlangsung dengan baik.
Misalnya,
Ea     = Tegangan percik arester (arrester sparkover voltage)
Ep     = Tegangan pada jepitan transformator
A       = de/dt = kecuraman gelombang datang, dan dianggap konstan

S       = Jarak antara arester dan transformator
v        = Kecepatan merambat gelombang
e        = Gelombang surja

          Untuk keperluan analisa ini, transformator dianggap sebagai jepitan terbuka, yaitu keadaan yang paing berbahaya. Apabila gelombang mencapai transformator, terjadi pantulan total, dan geombang ini kembali ke kawat dengan polaritas yang sama. Waktu yang dibutuhkan oleh gelombang untuk merambat kembali ke arester            = 2 S/v. Bila arester mulai memercik (sparkover)  tegangan jepitan arester :
Ea     =  At  +  A ( t – 2 S/v )
=  2 At – 2 A S/v                                                              
Bila waktu percik arester ts0 dihitung mulai gelombang itu pertama kali sampai ke arester, maka dari persamaan (4.1.)
                                    Ea + 2 A S / v
Ts0 =
                                       2 A                                                                                
setelah  arester  itu  memercik  ia  berlaku  sebagai  jepitan  hubung  singkat,  dan menghasilkan gelombang sebesar :
- A ( t - ts0 )                                                                                              
Gelombang negatif ini yang merambat ke transformator, dan setelah pantulan pertama pada transformator terjadi, jumlah tegangan pada transformator menjadi :
Ep     = 2 At – 2 A ( t – ts0 ) = 2 A ts0

                               Ea + 2 A S / v
            = 2 A
                                      2 A                                                                
Atau

Ep              = Ea + 2 A S/v                                                                 
Harga maksimum Ep = 2 Ea
Bila tegangan tembus isolator trafo = Ep(f0) harus lebih besar dari (Ea + 2 A S/v) agar diperoleh perlindungan yang baik. Untuk mengubah harga Ep, cukup dengan mengubah S, yaitu makin kecil S makin kecil Ep.



2.4. Kuantitas Per Unit

Saluran transmisi dioperasikan pada tingkat tegangan dimana kilovolt merupakan unit yang sangat memudahkan untuk menyatakan tegangan. Karena besarnya daya yang harus disalurkan, kilowatt, atau megawatt dan kilovolt-amper atau megavolt-amper adalah istilah-istilah yang sudah dipakai. Tetapi kuantitas- kuantitas tersebut diatas bersama-sama dengan amper dan ohm sering juga dinyatakan sebagai suatu persentase atau per - unit dari suatu nilai dasar atau referensi yang ditentukan untuk masing-masing. Defenisi nilai per - unit untuk suatu  kuantitas  adalah  perbandingan  kuantitas  tersebut  terhadap  nilai-nilai dasarnya yan dinyatakan dalam desimal. Perbandingan (ratio) dalam persentase adalah 100 kali nilai dalam per - unit. Metode per - unit mempunyai sedikit kelebihan dari metode persentase, karena hasil perkalian dari dua kuantitas yang dinyatakan dalam per - unit sudah langsung diperoleh dalam per - unit juga, sedangkan hasil perkalian dari dua kuantitas yang dinyatakan dalam persentase masih harus dibagi dengan 100 untuk mendapatkan hasil dalam persentase.
Tegangan, arus, kilovoltamper dan impedansi mempunyai hubungan sedemikian rupa sehingga pemilihan nilai dasar untuk dua saja dari kuantitas- kuantitas tersebut sudah dengan sendirinya menentukan nilai dasar untuk kedua kuantitas yang lainnya. Jika nilai dasar dari arus dan tegangan sudah dipilih, maka nilai dasar dari impedansi dan kilovoltamper dapat ditentukan. Impedansi dasar adalah impedansi yang akan menimbulkan jatuh tegangan (voltage drop) padanya sendiri sebesar tegangan dasar jika arus yang mengalirinya sama dengan arus dasar. Kilovoltamper dasar pada sistem fasa tunggal adalah hasil perkalian dari tegangan dasar dalam kilovolt dan arus dasar dalam amper. Biasanya megavolt- amper dasar dan tegangan dasar dalam kilovolt adalah kuantitas yang dipilih untuk menentukan dasar atau referensi. Jadi untuk fasa tunggal atau sistem tiga fasa dimana istilah arus berarti arus saluran, istilah tegangan berarti tegangan ke netral, dan istilah kilovoltamper berarti kilovoltamper per fasa, berlaku rumus-rumus berikut ini untuk hubungan bermacam-macam kuantitas :
                                                dasarkVA1F
Arus dasar (A)                        =  
                             tegangan dasar, kVLN


   tegangan dasar,VLN
Impedensi dasar          =
      arus dasar, A


    (tegangan dasar,KV )2x1000
Impedansi dasar          =                                  LN
dasar kVA1F
  
        (tegangan dasar,KV )2
Impedansi dasar          =                                  LN
dasar MVA1F


Daya dasar                  = dasar kVA1F 


Daya dasar                  = dasar MVA1F                                                                                                                                                                                              
       Impedansi sebenarnya, (W)
Impedansi per unit dari suatu system elemen rangkaian =
Impedansi dasar, (W)
2.4.1. Mengubah Dasar kuantitas per – unit

Kadang-kadang impedansi per - unit untuk suatu komponen dari suatu sistem dinyatakan menurut dasar yang berbeda dengan dasar yang dipilih untuk bagian dari sistem dimana komponen tersebut berada. Karena semua impedansi dalam  bagian  mana  pun  dari  suatu  sistem  harus  dinyatakan  dengan  dasar impedansi yang sama, maka dalam perhitungannya kita perlu mempunyai cara untuk dapat mengubah impedansi per - unit dari suatu dasar ke dasar yang lain.
Impedansi per unit dari suatu elemen rangkaian :

= (impedansi sebenarnya, W) x (kVA dasar )
(tegangan dasar, kV )2 x1000


Rumus  diatas  memperlihatkan  bahwa  impedansi  per  -  unit  berbanding lurus  dengan  kilovoltamper  dasar  dan  berbanding  terbalik  dengan  kuadrat tegangan dasar. Karena itu, untuk mengubah impedansi per - unit menurut suatu dasar yang diberikan menjadi impedansi per - unit menurut suatu dasar yang baru,
dapat dipakai persamaan berikut :                                                                                                                       (kVdiberikan dasar)2         (kVAbaru dasar )
Zbaru per – unit = Zdiberikan per – unit                                             x
                                                                                ( kVAbaru dasar  )          (kVdiberikan dasar) 





 
 
BAB III
GANGGUAN KILAT PADA SALURAN TRANSMISI DAN AKIBATNYA
3.1.  Faktor-Faktor  Penyebab  Gangguan  Dan  Akibatnya  Pada  Saluran Transmisi
Dalam sistem tenaga listrik, bagian yang paling sering terkena gangguan adalah kawat transmisinya, (kira-kira 70 % s/d 80 % dari seluruh gangguan). Hal ini disebabkan luas dan panjangnya kawat transmisi yang terbentang dan yang beroperasi pada kondisi udara yang berbeda beda. Pada sistem transmisi, suatu gangguan dapat terjadi disebabkan kesalahan mekanis, thermis dan tegangan lebih atau karena material yang cacat atau rusak, misalnya gangguan hubung singkat, gangguan  ketanah  atau  konduktor  yang  putus.  Gangguan  yang  sering  terjadi adalah gangguan hubung singkat. Besar dari arus hubung singkat itu tergantung dari jenis dan sifat gangguan hubung singkat itu, kapasitas dari sumber daya, konfigurasi dari sistem, metoda hubungan netral pada trafo, jarak gangguan dari unit pembangkit, angka pengenal dari peralatan utama dan alat-alat pembatas arus, lamanya hubung singkat itu dan kecepatan beraksi dari alat-alat pengaman.
Gangguan hubung singkat itu tidak hanya dapat merusak peralatan atau elemen-elemen sirkuit, tetapi juga dapat menyebabkan jatuhnya tegangan dan frekuensi sistem, sehingga kerja parallel dari unit-unit pembangkit menjadi terganggu pula.




30
 
 
Akibat-akibat yang disebabkan gangguan antara lain :

1. Menginterupsi kontiniutas pelayanan daya kepada para konsumen apabila gangguan itu sampai menyebabkan terputusnya suatu rangkaian (sirkuit) atau menyebabkan keluarnya suatu unit pembangkit.
2. Penurunan tegangan yang cukup besar menyebabkan rendahnya kualitas tenaga listrik yang merintangi kerja normal pada peralatan konsumen.
3. Pengurangan stabilitas sistem dan menyebabkan jatuhnya (break down)

generator

4.   merusak peralatan pada daerah terjadinya gangguan itu.

Faktor-faktor yang dapat menyebabkan terjadinya gangguan pada sistem transmisi tegangan tinggi adalah :
1.   Surja petir atau surja hubung

Dari pengalaman diperoleh bahwa petir sering menyebabkan gangguan pada sistem tegangan tinggi sampai 150–220 KV. Sedangkan pada sistem  diatas  380  KV,  yang  menjadi  penyebab  utamanya  adalah  surja petir.
2.   Burung atau daun-daun

Jika burung atau daun-daun terbang dekat pada isolator gantung dari saluran  transmisi,   maka  clearance  (jarak  aman)  menjadi  berkurang sehingga ada kemungkinan terjadi loncatan api
3.   Polusi (debu)

Debu-debu yang menempel pada isolator merupakan konduktor yang bisa menyebabkan terjadinya loncatan api.

4.   Retak-retak pada isolator

Dengan adanya retak-retak pada isolator maka secara mekanis apabila ada petir yang menyambar akan terjadi tembus (breakdown) pada isolator. Klasifikasi dari gangguan dibedakan atas dua bagian yaitu :
1.   Dari macam gangguan

       · Gangguan dua fasa atau tiga fasa melalui tahap hubung tanah

       · Gangguan fasa ke fasa

       · Gangguan dua fasa ke tanah

       · Gangguan satu fasa ke tanah atau gangguan tanah

2.   Dari lamanya waktu gangguan

· Gangguan permanen

· Gangguan temporer

Namun didalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis hanya akan membahas gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah yang disebabkan oleh sambaran petir.

3.1.1. Gangguan Satu Fasa Ke Tanah (Gangguan Tanah)

Diagram rangkaian untuk suatu gangguan tunggal dari saluran ke tanah pada suatu generator terhubung Y yang tidak dibebani dengan netralnya di tanahkan melalui suatu reaktansi diperlihatkan pada Gambar 3.1. dimana fasa a adalah tempat   terjadinya gangguan.   Persamaan-persamaan yang akan dikembangkan untuk jenis gangguan ini akan berlaku hanya bila gangguannya adalah pada fasa a, tetapi hal ini tidak begitu menimbulkan kesulitan karena fasa- fasa tersebut telah dinamakan dengan sembarang saja dan setiap fasa dapat disebut sebagai fasa a. keadaan pada gangguan dinyatakan dengan persamaan-persamaan berikut ini :







Gambar. 3.1. Gangguan Kawat – Tanah



Persamaan keadaan :

I b                                                = 0                                                                        

I c                                                 = 0                                                                         

va                              = Ia Zf                                                   


Dari persamaan (3.1) dan (3.2) diperoleh :


I a1 = I a 2  = I a 0        

                                                                     


Dari persamaan (3.3) :

Va  = Va1 + Va 2  + Va 0  = (I a1 + I a 2  + I a 0 ) Z f



          = 3 I a1  Z f

                            



(Va1 - I a1 Z f ) + (Va 2  - I a 2 Z f ) + (Va 0  - I a 0 Z f ) = 0                                          

Dimana :

Va, Vb, Vc        = Tegangan-tegangan terhadap tanah

Ia, Ib, Ic            = Arus-arus yang mengalir menuju gangguan dari fasa a, b, c, karena gangguan, bukan arus jala-jala
Zf = Impedansi Gangguan
Va1  = - Va 2  - Va 0  + 3 I a1 Z f
V f   = I a1 Z1  = I a1 Z 2  + I a1 Z 0  + 3 I a1 Z f
V f   = I a1 (Z1 + Z 2  + Z 0  + 3 Z f )


V f
Ia1   =
               Z1 + Z2 + Z0 + 3 Z f

Va1 =      V f - Ia1 Z1

               Z2 + Z0 + 3Z f
Va1 =                              Vf
                            Zt                                                                                                       

               Z2
Va1 = -          V 1
               Zt                                                                                                               

Z0
Va1 = -          V f
               Zt                                                                                                                
                                   
Jadi besar arus gangguan :



I f   = 3

V f
I a1  = 3
Z
 
t
          


Dimana            : Z t = Z1 + Z2 + Z0 + 3Zf                                                                

Gambar jala-jala urutannya dapat kita lihat pada Gambar 3.2.









Gambar 3.2. Jala-jala urutan gangguan Kawat-Tanah




3.1.2. Gangguan Sambaran Petir Pada Saluran Transmisi Udara

Petir atau halilintar merupakan gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan di mana di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan yang  beberapa  saat  kemudian  disusul  dengan  suara  menggelegar.  Perbedaan waktu kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan
kecepatan cahaya.

Petir  adalah  gejala  alam  yang  bisa  kita  analogikan  dengan  sebuah kapasitor raksasa, di mana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif
atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap neboa tral).

Seperti  yang  sudah  diketahui  kapasitor  adalah  sebuah  komponen  pasif  pada rangkaian listrik yang bisa menyimpan energi sesaat (energy storage).
Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi. Proses terjadinya 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 (Gambar 3.3.). Petir lebih sering terjadi pada musim hujan,

karena  pada  keadaan  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.




Gambar 3.3.  Sambaran Petir


Masalah kegagalan isolator yang disebabkan oleh sambaran petir merupakan  suatu  kejadian  elektromagnetik  yang  kompleks.  Perhitungan  yang tepat untuk menentukan kejadian-kejadian alam ini sangat diperlukan. Dalam kenyataannya,  perhitungan  flashover  dilakukan  dengan  menggunakan  statistic.
Misalkan rata-rata kawat transmisi tersambar petir adalah sekali dalam setahun untuk panjang kawat transmisi 100 Kilometer, yang terdiri dari, pada panjang kawat transmisi itu tahun pertama terjadi dua kali, tahun kedua tidak ada, tahun ketiga terjadi tiga kali, dan tahun keempat dan kelima tidak ada. Kecenderungan terjadinya   flashover   ini   perlu   ditentukan   untuk   perencanaan   proteksi   dan keandalan dari sistem tenaga listrik secara menyeluruh.
Jika kawat tersambar petir maka akan ada dua kemungkinan kejadian pada isolasi yaitu : kegagalan isolasi (flashover) dan berhasil (non-flashover). Peristiwa dari kejadian ini dapat dianalisis dari teorema satistik binomial. Bila probabilitas
berhasil adalah p dan probabilitas kegagalan adalah q, maka :



PK =

n!
k !(n - k )!

pk qn - k

        



Dimana :

P                        : Probabilitas keberhasilan sebanyak k kali dan kegagalan n - k kali
n             : Jumlah kejadian
k             : Jumlah keberhasilan
n – k       : Jumlah kegagalan
p             : Peluang keberhasilan
 q            : Peluang kegagalan



Berikut ini dapat diilustrasikan suatu contoh perhitungan untuk kawat trasnmisi dengan panjang 100 km, dengan rata-rata flashover satu kali pertahun. Kawat transmisi digelar pada daerah yang mempunyai sambaran petir rata-rata dalam setahun adalah 100 kali. Jadi didapat probabilitas q adalah 0,01. Selanjutnya hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Dengan memperhatikan tabel tersebut, pernyataan probabilitas itu dapat dipahami dan kemudian pada tahap selanjutnya kita menganalisa dengan metoda- metoda probabilitas dan statistic.
Tabel 3.1. Probabilitas keberhasilan sambaran petir

Berhasil

K
Gagal

n – k
Probabilitas

PK
100
0
0,336
99
1
0,369
98
2
0,185
97
3
0,061
96
4
0,015



3.1.3. Jumlah Sambaran Petir

Secara  sederhana,  jumlah  sambaran  kilat  ke  bumi  adalah  sebanding dengan jumlah hari guruh pertahun atau Iso Keraunic Level” (IKL) di tempat itu. Banyak para penyelidik yang telah memberikan perhatian ke arah ini dan mengemukakan rumus-rumus yang berlainan. Rumus-rumus tersebut diberikan dalam tabel. (Tabel 3.2)


Tabel 3.2. Rumus-rumus Kerapatan Sambaran Petir


No

Lokasi
Kerapatan sambaran petir N

(per km. kwadrat per tahun)

Penyelidik
1
India
0,10 IKL
Aiya (1968)

2

Rhodesia

0,14 IKL
Anderson dan jenner

(1954)

3

Afrika Selatan

0,023 (IKL)1;3
Anderson Eriksson

(1954)

4

Swedia

0,004 (IKL)2
Muller Hillebrand

(1964)



5


Inggris (UK)
a (IKL)b
a = 2,6 0,2 x 10-3
b = 1,9 0,1


Stringfellow (1974)


6

USA ( bag utara)

0,11 IKL
Horn & Ramsey

(1951)


7

USA (bag selatan)

0,17 IKL
Horn & Ramsey

(1951)

8
USA
0,1 IKL
Anderson (1968)


9

USA

0,15 IKL
Brown & Whitehead

(1969)


10

Russia

0,036 (IKL)1;3
Kolokolov & Pavloa

(1972)

11
Dunia (iklim sedang)
0,19 IKL


Brooks (1950)



12
Dunia (iklim sedang
0,15 IKL
Golde (1966)

13
Dunia (iklim tropis)
0,13 IKL
Brooks (1950)





Untuk Indonesia maka yang sebaiknya digunakan adalah

N = 0,15 IKL                                                                                  (3.13)

Dimana :
N       = jumlah sambaran per km2 per tahun

IKL   = jumlah hari guruh per tahun
Jadi jumlah sambaran pada saluran transmisi sepanjang 100 km adalah :
NL = N x A                                                                                        
Atau
            NL = 0,015 IKL (b + 4 h1,09) sambaran per 100 km per tahun            

3.1.4. Penangkapan Petir Oleh Saluran Transmisi (3)
Kawat transmisi terletak diatas permukaan bumi yang dapat juga disebut sebagai perlindungan dari sambaran petir pada bumi. Sebagai kita kenal bahwa sambaran petir akan berakhir bila mencapai bumi. Adanya suatu kawat tanah akan melindungi daerah tertentu, karena sambaran petir sebelum mencapai bumi, lebih dahulu akan menyambar kawat tanah.
Kawat  tanah  disangga  pada  menara-menara,  sehingga  kawat  ini  akan

melendut di tengah-tengah antar dua menara. Tinggi rata-rata kawat tanah adalah :


H = hg - ( 2 3 ) (hg  - hi )

     


Dimana : h          : Tinggi rata-rata kawat tanah

hg           : Tinggi kawat tanah pada menara

hi            : Tinggi kawat tanah ditengah-tengah dua menara

           Suatu saluran transmisi diatas tanah dapat dikatakan membentuk bayang-bayang listrik pada tanah yang berada dibawah saluran transmisi itu. Kilat yang biasanya menyambar tanah dalam bayang-bayang itu akan menyambar saluran trasnsmisi sebagai gantinya, sedangkan kilat diluar bayang-bayang itu sama sekali tidak menyambar saluran. Lebar bayang-bayang listrik untuk suatu saluran transmisi telah dapat dilihat pada Gambar 3.4.
Lebar bayang-bayang W,

W = (b + 4 h1,09) meter                                         (3.17)




a                             a
q              h                      h   q





Gambar 3.4. Lebar Jalur perisaian terhadap sambaran kilat







Dimana :

B            : jarak pemisah antara kedua kawat tanah, meter (bila kawat tanah   hanya satu, b = 0)
GW        : Kawat tanah

A, B, C  : Kawat fasa


Sesuai dengan keadaan geometris lintasan saluran transmisi, Whitehead telah membagi lintasan tersebut dalam tiga jenis : datar, bergelombang dan bergunung- gunung. Tinggi rata-rata kawat diatas tanah untuk ketiga jenis lintasan adalah :
·      Tanah datar

h = ht – 2/3 andongan                                                      (3.18)

·    Tanah bergelombang
h = ht                                                                                                           (3.19)

·    Tanah bergunung-gunung

h = 2 ht                                                                                                        (3.20)
Jadi luas bayang-bayang untuk 100 km panjang saluran transmisi,
A = 100 (km) x (b + 4 h1,09) x 10-3 (km)
Atau
                     A = 0,1 (b + 4 h1,09) km2 per 100 km saluran                             




3.2. Impedansi Urutan Pada Unsur-unsur Rangkaian

Impedansi-impedansi urutan positif dan negative dari rangkaian-rangkaian yang  linier,  simetris,  dan  statis  adalah  identik  karena  impedansi  rangkaian semacam itu tidak tergantung pada urutan fasanya asal tegangan-tegangan yang dikenakan seimbang. Impedansi suatu saluran transmisi terhadap arus-arus urutan nol  berbeda  dengan  impedansi  nya  terhadap  arus-arus  urutan  positif  dan negatifnya.
Sebuah transformator dalam suatu rangkaian tiga fasa dapat terdiri dari tiga unit transformator fasa tunggal, atau dapat juga berupa suatu transformator tiga fasa langsung. Meskipun impedansi-impedansi seri urutan nol unit-unit tiga fasa itu dapat sedikit berbeda dari nilai-nilai urutan positif dan negatifnya, sudah menjadi kebiasaan untuk menganggap bahwa impedansi-impedansi seri untuk semua urutan adalah sama, tanpa memandang jenis dari transformator tersebut. Impedansi urutan nol dari beban-beban seimbang yang terhubung Y dan D adalah sama dengan impedansi urutan positif dan urutan-urutan negatifnya.



3.2.1. Jala-jala Urutan Positif dan Negatif

Tujuan dari mendapatkan nilai-nilai impedansi urutan suatu sistem daya ialah  untuk  memungkinkan  kita  menyusun  jala-jala  urutan  untuk  keseluruhan sistem itu. Jala-jala untuk suatu urutan tertentu menunjukkan semua jalur-jalur aliran arus  dari  urutan  itu  dalam sistem.  Peralihan  dari  suatu  jala-jala  urutan positif ke suatu jala-jala urutan negatif adalah sederhana saja. Generator-generator dan motor-motor serempak tiga fasa hanya mempunyai tegangan dalam urutan positif saja, karena mesin-mesin tersebut dirancang untuk membangkitkan tegangan-tegangan yang seimbang.
Karena semua titik netral suatu sistem tiga fasa simetris berada pada potensial yang sama bila didalmnya mengalir arus tiga fasa seimbang, semua titik netral harus terletak pada potensial yang sama baik untuk arus urutan positif maupun untuk arus urutan negatif. Impedansi-impedansi yang terhubung diantara titik  netral  suatu  mesin dan  tanah tidak  merupakan  sutu  bagian  dari  jala-jala urutan positif maupun jala-jala urutan negatif, karena baik arus urutan positif maupun urutan negatif tidak dapat mengalir dalam suatu impedansi yang dihubungkan seperti itu.

3.2.2. Jala-jala Urutan Nol

Bagi arus-arus urutan nol, suatu sistem tiga fasa bekerja seperti fasa tunggal, karena arus-arus urutan nol selalu sama dalam besar dan fasanya di setiap titik pada semua fasa sistem tersebut. Oleh karena itu arus-arus urutan nol hanya akan mengalir jika terdapat suatu jalur kembali yang membentuk suatu rangkaian lengkap. Pedoman untuk tegangan-tegangan urutan nol ialah potensial tanah pada titik  dalam  sistem  itu  dimana  setiap  tegangan  tertentu  ditetapkan.karena  arus urutan nol dapat mengalir dalam tanah, tanah tidak selalu harus berpotensial sama pada semua titik dan rel pedoman pada jala-jala urutan nol tidak merupakan suatu tanah dengan potensial yang seragam.

Rangkaian-rangkaian ekivalen   urutan nol untuk transformator-transformator tiga fasa sepantasnya kita berikan perhatian khusus (Gambar 3.5.). Berbagai macam kombinasi yang mungkin dari suatu gulungan-gulungan primer dan sekunder yang terhubung dalam Y atau D sudah tentu merubah pula jala-jala urutan nolnya.
Berikut gambar-gambar rangkaian ekivaen urutan nol bangku transformator (transformer bank) tiga fasa, bersama dengan diagram hubung dan lambang-lambangnya untuk diagram segaris.

































Gambar 3.5. Rangkaian-rangkaian ekivalen urutan nol banks transformer Tiga fasa, bersama dengan hubungan dan lambang-lambangnya untuk diagram segaris