Analisis Pemilihan Pentanahan Titik Netral Generator Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro 2 X 4,4 Mw Nua Ambon

ANALISIS PEMILIHAN PENTANAHAN TITIK NETRAL GENERATOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO 2 X 4,4 MW NUA AMBON LAPORAN TUGAS AKHIR

Karya tulis sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana dari Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Nasional Bandung

Oleh :

ASYER AGRISELIUS NRP : 11-2009-049 (Program Studi Teknik Elektro)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL BANDUNG 2014

ABSTRAK ANALISIS PEMILIHAN PENTANAHAN NETRAL GENERATOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO 2 X 4,4 MW NUA AMBON Oleh Asyer Agriselius NRP : 112009049 (Program Studi Teknik Elektro) Abstrak

Pentanahan titik netral generator pada pembangkit tenaga listrik sangat penting dalam penyaluran daya listrik, karena itu diperlukan perhitungan dan perancangan agar generator dapat terproteksi jika terjadi gangguan hubung singkat ke tanah. Dalam penelitian ini, generator dengan kapasitas 2 x 4,4 MW akan dibahas mengenai gangguan hubung singkat 3 phasa ke tanah, gangguan hubung singkat 1 phasa ke tanah, pemilihan metoda pentanahan titik netral generator, perhitungan tegangan sentuh dan perhitungan tegangan langkah. Dimana jenis pentanahan yang dipilih adalah pentanahan dengan tahanan yaitu 72 Ω, sedangkan model pentanahan yang dipilih untuk pengamanan area pembangkit adalah pentanahan menggunakan grid dengan jumlah batang konduktor yang terpasang = 12 batang, sehingga diperoleh E s sebenarnya = 225,3 Volt lebih kecil dari nilai Es yang diizinkan = 730,5 Volt dan El yang sebenarnya = 102,6 Volt lebih kecil dari nilai El yang diizinkan = 2429,7 Volt. Dengan demikian design pentanahan yang dilakukan telah memenuhi persyaratan. Pembahasan ini berdasarkan perhitungan dan simulasi menggunakan batasan-batasan yang terdapat dalam teori.

Kata kunci: Pentanahan, Generator 2 x 4,4 MW, Gangguan Hubung Singkat, Es, El, Sistem Grid, Konduktor

ABSTRACT ELECTION ANALYSIS OF NEUTRAL GROUNDING POWER GENERATOR WITH MICRO HYDRO 2 X 4.4 MW NUA AMBON By

Asyer Agriselius NRP: 112009049 (Study Program of Electrical Engineering)

Abstract

Generator neutral grounding point on the power plant is very important in the distribution of electrical power, because it is necessary calculations and design so that the generator can be protected in the event of a short circuit fault to ground. In this study, a generator with a capacity of 2 x 4.4 MW will be discussed about 3 phase short circuit fault to ground, short circuit interruption 1 phase to ground, the selection method of grounding the generator neutral point, the calculation of touch voltage and step voltage calculation. Where grounding type chosen is grounded with a resistance that is 72 Ω, while grounding the model chosen for securing the grounding area using a grid generation is the number of conductor bars are attached = 12 rods, in order to obtain the actual Es = 225.3 volts less than the value of Es which allowed = 730.5 Volts and actual E l = 102.6 volts less than the allowable value of El = 2429.7 Volt. Thus the grounding design has been undertaken to meet the requirements. This discussion is based on calculations and simulations use restrictions contained in the theory. Keywords: Grounding, Generator 2 x 4.4 MW, Short-circuit Disorders, Es, El, Grid Systems, Conductor

ANALISIS PEMILIHAN PENTANAHAN TITIK NETRAL GENERATOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO 2 X 4,4 MW NUA AMBON Oleh Asyer Agriselius NRP : 112009049 (Program Studi Teknik Elektro)

Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional Bandung

Bandung, 27 Agustus 2014

Asyer Agriselius NRP : 112009049

Menyetujui Pembimbing I

Pembimbing II

___________________________ (Syahrial, S.T., M.T.)

______________________ (Siti Saodah, S.T., M.T.)

PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI Skripsi S1 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan di Lingkungan Institut Teknologi Nasional Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh skripsi haruslah seizin dari Perpustakaan, Institut Teknologi Nasional Bandung.

Dengan ini, kami : Nama : Asyer Agriselius NRP : 112009049 Menyatakan bahwa tugas akhir dengan judul : “ANALISIS PEMILIHAN PENTANAHAN TITIK NETRAL

GENERATOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO 2 X 4,4 MW NUA AMBON” Sejauh pengetahuan kami merupakan hasil karya sendiri dan terbebas dari plagiatisme manapun, dan diperuntukkan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana dari Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional, Bandung. Demikian pernyataan ini kami sampaikan dengan sebenarnya. Bandung, 27 Agustus 2014 Yang membuat pernyataan

Asyer Agriselius NRP : 112009049 Mengetahui Pembimbing I

(Syahrial, S.T., M.T.)

Pembimbing II

(Siti Saodah, S.T.,M.T.)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya, akhirnya penulis bisa menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Penyusunan Tugas Akhir ini, dimaksudkan untuk memenuhi salah satu syarat dalam menempuh studi perkuliahan program Strata Satu (S1) pada jurusan Teknik Elektro Kosentrasi Teknik Energi Elektrik Fakultas Teknik Industri Institut Teknologi Nasional Bandung, dengan judul: “ANALISIS PEMILIHAN PENTANAHAN TITIK

NETRAL GENERATOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO 2 X 4,4 MW NUA AMBON”. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini banyak kekurangan baik dalam pengumpulan data, tata cara penyusunan, pembahasan masalah serta penyajiannya. Oleh karena itu dengan segala kerendahan hati penulis menerima segala kritik dan saran yang membangun untuk dijadikan masukan. Dalam penulisan Laporan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapatkan masukan serta bantuan dari berbagai pihak, oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang setulusnya kepada :

1.

Tuhan Yang Maha Esa, yang telah melancarkan jalan hingga bisa mengerjakan tugas akhir ini dengan sehat walafiat.

2.

Kedua orang tua tercinta dan adikku atas do’a dan dukungannya baik materil maupun berupa moril kepada penulis yang tak henti hentinya selama ini.

3.

Bapak DR.Waluyo,MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Nasional.

4.

Bapak Syahrial, MT, Selaku Kepala Laboratorium Teknik Energi Elektrik dan selaku pembimbing Tugas Akhir ini.

5.

Ibu Siti Saodah, MT, selaku dosen pembimbing II.

6.

Ibu Decy, MT, selaku Dosen Wali penulis pada Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Nasional.

7.

Bapak Dadang, Bapak Jack, Bapak Yakub, Bapak Nanang Epen, Parman yang banyak membantu dalam mengurus administrasi serta perlengkapannya di Jurusan Teknik Elektro Itenas Bandung.

8.

Anggota HME angkatan 2009, Kosim, Liput, Rian, Ashal, Rhamandita, Beni DJ, Ario, Fitrah, Beni K, Iqbal, Kamal, Sandy, Semadi, Asma, Rara, uul, Jefri, Arthur

9.

Anggota HME angkatan 2010, 2011, 2012, 2013

10.

Age dan bang natalis yang banyak membantu dalam pengerjaan Tugas Akhir ini.

11.

Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu dalam menyelesaikan penulisan laporan ini.

Penulis berharap laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi pihak yang membutuhkan. Semoga Tuhan Yang Maha Esa senantiasa melimpahkan rahmat-Nya dan menyertai semua pihak yang telah memberikan dorongan moril dan materil dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

Bandung, 27 Agustus 2014 Penulis

Asyer Agriselius NRP : 112009049

DAFTAR ISI Hal. HALAMAN SAMPUL ............................................................................................ i ABSTRAK .............................................................................................................. ii ABSTRACT .......................................................................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. iv PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI .............................................................. v HALAMAN PERNYATAAN .............................................................................. vi KATA PENGANTAR ......................................................................................... vii DAFTAR ISI ......................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xii DAFTAR TABEL ................................................................................................ xv DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG...................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .................................................................................. BAB I-1 1.2 Tujuan Tugas Akhir .......................................................................... BAB I-2 1.3 Metoda Penelitian ............................................................................. BAB I-2 1.4 Pembatasan Masalah......................................................................... BAB I-2 1.5 Sistematika Penyajian ....................................................................... BAB I-3 BAB II TEORI DASAR 2.1 Generator Sinkron ...................................................................................BAB II-1 2.1.1 Definisi Umum ......................................................................BAB II-1 2.1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron ...........................................BAB II-1 2.2. Pentanahan Secara Umum .....................................................................BAB II-2 2.3. Tujuan dan Metoda Pentanahan Titik Netral Generator ....................BAB II-5 2.3.1 Pentanahan Titik Netral Secara Langsung ...........................BAB II-7

2.3.2 Pentanahan Titik Netral Melalui Tahanan..........................BAB II-10 2.3.3 Pengetanahan Titik Netral Melalui Reaktor .......................BAB II-13 2.3.4 Pengetanahan Titikk Netral Secara Efektif ........................BAB II-17 2.4 Sistem Yang Tidak Diketanahkan Atau Sistem Delta .....................BAB II-17 2.5 Teori Komponen Simetris ....................................................................BAB II-18 2.6 Operator “a” ..................................................................................BAB II-20 2.7 Penggunaan Operator “a” Pada Komponen Simetris .......................BAB II-21 2.8 Hubung Singkat Tiga Phasa ................................................................BAB II-22 2.9 Hubung Singkat Dua Phasa .................................................................BAB II-23 2.10 Hubungan Singkat Satu Phasa Ke Tanah ....................................BAB II-24 2.11 Analisa Arus Hubung Singkat Menurut Standard IEC 60 909 ......BAB II-26 BAB III METODA PERHITUNGAN DAN SIMULASI PENTANAHAN NETRAL GENERATOR 3.1 Langkah Penelitian........................................................................ BAB III-1 3.2 Data Penelitian .............................................................................. BAB III-2 3.3 Perhitungan Arus Hubung Singkat Tiga Phasa ke Tanah ............. BAB III-3 3.4 Pemilihan Metoda Pentanahan Netral Generator.......................... BAB III-4 3.5 Perhitungan Niali Resistansi Yang Digunakan ............................. BAB III-5 3.6 Perhitungan Arus Hubung Singkat Satu Phasa ke Tanah ............. BAB III-6 3.7 Perhitungan Tegangan Langkah dan Tegangan sentuh sistem

Grounding

Grid............................................................................................... BAB III-6 3.7.1. Tahanan Jenis Tanah ............................................................ BAB III-7 3.7.2 Tata Letak (Layout) ............................................................. BAB III-8 3.7.3 Jumlah Batang Pentanahan Yang Diperlukan...................... BAB III-8 3.7.4 Tegangan Sentuh Yang Diizinkan ....................................... BAB III-8

3.7.5 Tegangan Langkah Yang Diizinkan ............................... ...BAB III-10 3.8 Simulasi Hubung Singkat Generator Menggunakan ETAP 7..... BAB III-11 3.9 Simulasi Grounding Grid Menggunakan ETAP 7 ...................... BAB III-12 3.9.1 Simulasi Tegangan Sentuh dan Tegangan Langkah ……...BAB III-14 BAB IV HASIL PERHITUNGAN, SIMULASI, DAN ANALISIS 4.1 Hasil Perhitungan Arus Hubung Singkat ...................................... BAB IV-1 4.2 Perhitungan Tegangan Langkah dan Tegangan sentuh Pada sistem

Grounding

Grid ......................................................................................................... BAB IV-2 4.2.1 Tahanan Jenis Tanah .......................................................... BAB IV-3 4.2.2 Jumlah Batang Pentanahan Yang Diperlukan .................... BAB IV-3 4.2.3 Tegangan Sentuh Yang Diizinkan...................................... BAB IV-4 4.2.4 Tegangan Langkah Yang Diizinkan................................... BAB IV-5 4.3 Simulasi Hubung Singkat Generator Menggunakan ETAP 7 ......... BAB IV-5 4.4 Simulasi Tegangan Sentuh dan Tegangan Langkah Pada Titik

Gangguan Bus

203-2 Menggunakan ETAP 7 ............................................................. BAB IV-6 4.5 Simulasi Tegangan Sentuh dan Tegangan Langkah Pada Titik

Gangguan Bus

20 kV Menggunakan ETAP 7 ............................................................. BAB IV-7 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ......................................................................................BAB V-1 5.2 Saran.................................................................................................BAB V-1 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR Hal. Gambar 2.1

Sistem yang tidak diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat-tanah ....................................................................BAB II-4

Gambar 2.2

Sistem yang diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat-tanah ....................................................................BAB II-4

Gambar 2.3

Pentanahan Secara Langsung........................................ BAB II-8

Gambar 2.4

Pentanahan Melalui Tahanan ......................................BAB II-11

Gambar 2.5

Rangkaian Ekivalen Hubung Singkat 1 Phasa ke Tanah

Secara Langsung....................................................................................BAB II-12 Gambar 2.6

Tegangan Kawat-tanah ................................................BAB II-13

Gambar 2.7

Pentanahan Menggunakan Reactor..............................BAB II-14

Gambar 2.8

Sistem yang tidak diketanahkan...................................BAB II-17

Gambar 2.9

Komponen-komponen simetris dari tegangan sistem tiga fasa .............................................................BAB II-19

Gambar 2.10

Penjumlahan komponen-komponen simetris dari tegangan ......... ......................................................................................BAB II-19

Gambar 2.11

Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa .......................BAB II-22

Gambar 2.12

Rangkaian Ekivalen Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa ....................................................................BAB II-22

Gambar 2.13

Gangguan Hubung Singkat 2 Phasa ke Tanah ............BAB II-23

Gambar 2.14

Rangkaian Ekivalen Gangguan Hubung Singkat Dua Phasa Ke Tanah ....................................................BAB II-24

Gambar 2.15

Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa Ke Tanah .......BAB II-25

Gambar 2.16

Rangkaian Ekivalen Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa Ke Tanah ............................................ BAB II -25

Gambar 3.1

Flow Chart Langkah Penelitian ................................... BAB III-1

Gambar 3.2

Konfigurasi sistem Pentanahan PLTMH Nua Ambon ...................................................................................... BAB III-2

Gambar 3.3

Rangkaian Ekivalen Gangguan Hubung Singkat 3 Phasa ............ ...................................................................................... BAB III-4

Gambar 3.4

Rangkaian Ekivalen Hubung Singkat 1 Phasa ke Tanah .............. ...................................................................................... BAB III-6

Gambar 3.5

Tegangan Sentuh Pada Pembangkit ............................. BAB III-9

Gambar 3.6

Tegangan Langkah Pada Pembangkit ........................ BAB III-10

Gambar 3.7

Tabel Pada ETAP 7 Untuk Input Data Generator...... BAB III-11

Gambar 3.8

Pemilihan Jenis Pentanahan Menggunakan Resistor Pada ETAP 7 ............................................................ BAB III-12

Gambar 3.9

Study Case Editor ETAP 7......................................... BAB III-13

Gambar 3.10

Soil Editor ETAP 7 .................................................... BAB III-13

Gambar 3.11

Study Case Editor Titik Gangguan Pada Bus 203-2 ETAP 7....................................................................... BAB III-14

Gambar 3.12

IEEE Group Editor ETAP 7 ...................................... BAB III-14

Gambar 3.13

Study Case Editor Titik Gangguan Pada Bus 20 kV

ETAP 7....................................................................... BAB III-14 Gambar 3.14

IEEE Group Editor ETAP 7 ...................................... BAB III-14

Gambar 4.1

Layout Sistem Grounding Grid.................................... BAB IV-2

Gambar 4.2

Simulasi Hubung Singkat 3 Phasa Pada Etap 7 .......... BAB IV-5

Gambar 4.3

Simulasi Hubung Singkat 1 Phasa ETAP 7 ................. BAB IV-6

Gambar 4.4

Design Grounding Grid Pada Titik Gangguan Bus 203-2 menggunakan ETAP 7 ............................... BAB IV-7

Gambar 4.5

Hasil Simulasi Tegangan Langkah dan Tegangan Sentuh Pada Titik Gangguan Bus 203-2...................... BAB IV-7

Gambar 4.6

Design Grounding Grid Pada Titik Gangguan Bus 20 kV menggunakan ETAP 7............................... BAB IV-8

Gambar 4.7

Hasil Simulasi Tegangan Langkah dan Tegangan Sentuh Pada Titik Gangguan Bus 20 kV ..................... BAB IV-8

DAFTAR TABEL Hal Tabel 3.1

Data Saluran Transmisi.....................................................BAB III-3

Tabel 3.2

Tahanan Jenis Tanah .........................................................BAB III-8

Tabel 4.1

Hasil Perhitungan Hubung Singkat 3 Phasa ke Tanah......BAB IV-1

Tabel 4.2

Hasil Perhitungan Hubung Singkat 1 Phasa ke Tanah......BAB IV-2

Tabel 4.3

Simulasi Hubung Singkat 3 Phasa ke Tanah ....................BAB IV-5

Tabel 4.4

Simulasi Hubung Singkat 3 Phasa ke Tanah ....................BAB IV-6

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG AC

= Alternative Current

PLTA

= Pembangkit Listrik Tenaga Air

PLTU

= Pembangkit Listrik Tenaga Uap

PLTD

= Saluran udara Tegangan Diesel

DC

= Direct Current

ggl

= Gaya Gerak Listrik

n

= Kecepatan Motor (rpm)

f

= Frekuensi (Hz)

p

= Jumlah Pasang Kutub

rpm

= Rotation Per Minute

Hz

= Hertz

ZA

= Impedansi pada titik A (Ω)

ZB

= Impedansi pada titik B (Ω)

ZC

= Impedansi pada titik C (Ω)

ZG

= Impedansi Ground (Ω)

A

= Ampere

V

= Voltage

KV

= Kilo Volt

X0

= Reaktansi Urutan Nol (Ω)

X1

= Reaktansi Urutan Positif (Ω)

X2

= Reaktansi Urutan Negatif (Ω)

R0

= Resistansi Urutan Nol (Ω)

If

= Arus Gangguan (A)

Zd

= Impedansi Dasar (Ω)

Ea

= Tegangan Armature (V)

Eg

= Tegangan Generator (V)

Z1

= Impedansi Kapasitif tegangan A (Ω)

Z2

= Impedansi Kapasitif tegangan B (Ω)

Z3

= Impedansi Kapasitif tegangan C (Ω)

∆a

= Penurunan Tegangan Phasa A

∆a1

= Penurunan Tegangan Pada Komponen Urutan Positif

∆a2

= Penurunan Tegangan Pada Komponen Urutan Negatif

∆a2

= Penurunan Tegangan Pada Komponen Urutan Nol

XR

= Reaktansi reaktor netral

IR

= Rating harga efektif arus reaktor

pf

= Power Factor

Xd

= Reaktansi Steady State (Ω)

Xd’

= Reaktansi Transient (Ω)

Xd”

= Reaktansi Subtransient (Ω)

If3Φ

= Arus Gangguan 3 Phasa ke Tanah (A)

If1Φ

= Arus Gangguan 1 Phasa ke Tanah (A)

P

= Daya (Watt)

ρ

= Tahanan Jenis Tanah (Ohm-meter)

a

= Jarak Antara Batang Elektroda (Meter)

Ik

= Arus Fibrilasi (A)

t

= waktu (detik)

Rk

= Tahanan Badan Manusia (Ω)

Es

= Tegangan Sentuh (V)

El

= Tegangan Langkah (V)

Rf

= Tahanan Kontak ke Tanah Dari Satu Kaki (Ω)

BAB I PENDAHULUAN 1.1.

Latar Belakang Generator merupakan suatu peralatan yang berperan penting dalam proses atau

tahapan pembangkitan tenaga listrik. Hal ini dikarenakan generator mengubah tenaga gerak menjadi energi listrik. Kontinuitas dari operasi generator ini harus terjaga dengan baik sehingga pasokan energi listrik tidak berkurang akibat adanya gangguan pada generator. Dalam suatu generator dibutuhkan suatu sistem pentanahan titik netral yang handal. Hal ini dimaksudkan untuk membatasi arus gangguan yang terjadi pada saat gangguan hubung singkat phasa ke tanah yang akan merusak peralatan. Selain itu perlu juga diperhatikan tegangan sentuh dan tegangan langkah yang terjadi akibat arus gangguan tersebut yang dapat membahayakan bagi manusia yang berada pada area pembangkit. Analisa pentanahan titik netral generator pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro Nua diperlukan untuk proteksi generator terhadap arus gangguan hubung singkat dan menentukan area yang aman pada pembangkit saat terjadi gangguan fasa tanah serta untuk menjaga kontinuitas dari kerja generator sehingga pasokan energi listrik tidak terganggu. Tugas akhir ini merupakan studi yang akan menganalisa kinerja suatu sistem pentanahan untuk dijadikan suatu masukan pada pentanahan titik netral generator PLTMH Nua Ambon. Mengacu pada standar-standar yang telah dibuat dan disepakati, mengenai proteksi peralatan serta keamanan manusia terhadap tegangan sentuh dan tegangan langkah yang timbul.

1.2.

Tujuan Tugas Akhir

Adapun maksud penelitian tugas akhir ini adalah untuk menentukan jenis pentanahan yang akan digunakan pada Pembangkit Listrik Mikro Hidro 2 x 4,4 MW Nua Ambon. 1. Menentukan besarnya arus hubung singkat 3 phasa dan 1 phasa pada saluran Bus 203-2 2. Menentukan jenis pentanahan titik netral yang akan digunakan pada generator 2 x 4,4 MW Nua Ambon. 3. Menentukan besarnya nilai tahanan yang akan digunakan. 4. Menentukan tegangan sentuh dan tegangan langkah pada area pembangkit. 1.3. METODA PENELITIAN Dalam penelitian ini penulis melakukan beberapa macam metode, yaitu: a. Metode Studi literatur, yaitu membaca dan mempelajari sumber-sumber kepustakaan yang erat hubungannya dengan topik penelitian

ini. yaitu

Sistem pentanahan generator. b. Metode Observasi langsung, yaitu mengumpulkan data dari penelitian di laboratorium yang dilakukan secara langsung. c. Metode Wawancara, yaitu melakukan tanya jawab dengan instruktur dan orang yang lebih paham. d. Metode Analisis, yaitu melakukan analisa terhadap data-data yang didapat dari penelitian dan kemudian menyimpulkan hasil penelitian tersebut. 1.4.

PEMBATASAN MASALAH Batasan masalah dalam penelitian ini perlu dilakukan untuk efektif dan fokus pada topik yang akan dibahas. Adapun batasan masalah tersebut adalah : 1. Nilai hubung singkat 3 phasa ke tanah. 2. Nilai hubung singkat 1 phasa ke tanah. 3. Metoda pentanahan titik netral melalui tahanan rendah. 4. Metoda pentanahan titik netral melalui tahanan tinggi. 5. Metoda pentanahan titik netral melalui reaktor. 6. Jenis pentanahan atau bentuk konstruksi pentanahan sistem kisi-kisi (grid).

1.5

SISTEMATIKA PENYAJIAN Penulisan Laporan Tugas Akhir ini dilakukan dengan sistematika penyajian sebagai

berikut : 

BAB I

PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan latar belakang masalah, tujuan, metoda pengumpulan data, pembatasan masalah, serta sistematika penyajian laporan.



BAB II

DASAR TEORI Bab ini menjelaskan teori dasar mengenai generator dan teori pentanahan secara umum.



BAB III

METODA PERHITUNGAN DAN SIMULASI Bab ini menjelaskan metoda perhitungan dan simulasi dalam menentukan jenis pentanahan, tegangan sentuh dan tegangan langkah pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Nua Ambon.



BAB

IV

HASIL

PERHITUNGAN,

SIMULASI

DAN

ANALISIS

PENTANAHAN NETRAL GENERATOR Pada bab ini akan menjelaskan teori tentang cara atau sistem-sistem pentanah netral generator serta gangguan-gangguan pentanahan dan pedoman pemilihan metode pentanahan. 

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini akan memberikan tinjauan menyeluruh mengenai sistem yang dibahas. Semuanya dirangkum dalam bentuk kesimpulan akhir dan saransaran yang dapat menjadi bahan pertimbangan bagi sistem pentanahan netral generator.

BAB II TEORI DASAR 2.1 Generator Sinkron 2.1.1 Definisi Umum Generator arus bolak – balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak – balik. Generator arus bolak – balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternative current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub – kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin ini tidak dapat dijalankan sendiri karena kutub – kutub rotor tidak dapat tiba – tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala – jala. Generator sinkron sering kita jumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik (dengan kapasitas yang relatif besar). Misalnya, pada PLTA, PLTU, PLTD dan lainlain. Selain generator dengan kapasitas besar, kita mengenal juga generator dengan kapasitas yang relatif kecil, misalnya generator yang digunakan untuk penerangan darurat yang sering disebut Generator Set atau generator cadangan. Perbedaan prinsip antara generator DC dengan generator AC adalah letak kumparan jangkar dan kumparan statornya. Pada generator DC, kumparan jangkar terletak pada bagian rotor dan kumparan medan terletak pada bagian stator. Sedangkan pada generator AC, kumparan jangkar terletak pada bagian stator dan kumparan medan terletak pada bagian rotor. 2.1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron Jika kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnit yang terletak di antara kutub magnit utara dan selatan diputar oleh prime mover, maka pada kumparan rotor akan timbul medan magnet atau fluks yang bersifat bolak – balik atau fluks putar. Fluks putar ini akan memotong – motong kumparan stator sehingga

pada ujung – ujung kumparan stator timbul gaya gerak listrik karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. Gaya gerak listrik (ggl) yang timbul pada kumparan stator juga bersifat bolak – balik, atau berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor. Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:

= Dimana : f = frekuensi listrik (Hz)

(2.1) =

(2.2)

n = kecepatan putar rotor (rpm) P = jumlah pasang kutub Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm. 2.2. Pentanahan Secara Umum Sampai kira-kira tahun 1910, sistem-sistem tenaga listrik tidak diketanahkan. Hal itu dapat dimengerti karena pada waktu itu sitem-sitem tenaga listrik masih kecil jadi bila ada gangguan fasa ke tanah arus gangguan masih kecil, dan biasanya kurang dari 5 Ampere. Pada umumnya bila arus gangguan itu sebesar 5 Ampere atau lebih kecil, busur listrik yang timbul pada kontak-kontak antara kawat yang terganggu dan tanah masih dapat padam sendiri. Tetapi sistem-sistem tenaga itu makin lama makin besar

baik panjangnya maupun tegangannya. Dengan demikian arus yang timbul bila terjadi gangguan tanah makin besar dan busur listrik itu tidak dapat lagi padam sendiri. Tambahan lagi gejala-gejala busur tanah atau arcing grounds semakin menonjol. Gejala busur tanah adalah suatu proses terjadinya pemutusan (clearing) dan pukul-ulang (restriking) dari busur listrik secara berulang-ulang. Gejala ini sangat berbahaya karena dapat menimbulkan tegangan lebih transien yang tinggi yang dapat merusak peralatan. Oleh karena itu pada tahun 1910-an pada saat mana sistem-sistem tenaga relative besar, sistem-sistem itu tidak lagi dibiarkan terapung yang dinamakan sistem delta, tetapi titik netral sistem itu diketanahkan melalui tahanan atau reaktans. Pentanahan itu umumnya dilakukan dengan menghubungkan netral transformator daya ke tanah. Metode-metode pentanahan netral dari sistem-sistem tenaga adalah : a) Penatanahan melalui tahanan (resistance grounding). b) Pentanahan melalui reactor (reactor grounding). c) Pentanahan tanpa impedansi (solid grounding). d) Pentanahan efektif (effective grounding). e) Pentanahan dengan reaktor yang impedansinya dapat berubah-ubah (resonant grounding) atau pentanahan dengan kumparan Petersen. Pada sistem yang tidak diketanahkan atau pada sistem delta, arus gangguan itu tergantung dari impedansi kapasitif ZA,ZB,ZC, yaitu impedansi kapasitif masing-masing kawat-fasa terhadap tanah. Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Sistem yang tidak diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat-tanah.

Tetapi sistem itu diketanahkan arus gangguan tidak lagi tergantung hanya dari impedansi kapasitif kawat-kawat tetapi juga tergantung pada impedansi alat pentanahan dan transformator.

Gambar 2.2. Sistem yang diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat-tanah.

Kecuali pentanahan dengan kumparan Petersen, impedansi alat pentanahan itu sangat kecil dibandingkan dengan impedansi kapasitif

ZG (ZG = 1/ ZG + 1/ZB + 1/ ZC), atau

dengan kata lainarus gangguan itu tidak lagi tergantung pada impedansi ZG. Jadi dengan mengetanahkan netral sistem itu arus gangguan jelas menjadi lebih besar dibandingkan dengan arus gangguan pada sistem delta, namun sebaliknya membatasi tegangan pada fasa-fasa yang tidak terganggu. Jadi didalam menentukan impedansi pentanahan itu harus diperhatikan hubungan antara besar arus gangguan dan tegangan yang mungkin timbul. Dari keterangan-keterangan diatas dapat disimpulkan bahwa tujuan dari pentanahan itu adalah : 1. Pada sistem yang besar yang tidak diketanahkan arus gangguan itu relative (> 5 A) sehingga busur listrik yang timbul tidak dapat padam sendiri, hal mana akan menimbulkan busur tanah; pada sistem yang diketanahkan gejala tersebut hampir tidak ada. 2. Untuk membatasi tegangan-tegangan pada fasa-fasa yang tidak terganggu (sehat).

Pada sistem-sistem di bawah 115 KV banyak dipakai pentanahan melalui kumparan Petersen. Terutama di Eropa yang pentanahan dengan kumparan Petersen itu telah dimulai sejak tahun 1900-an, dan di Amerika Serikat tahun 1930-an. Pada sistem-sistem yang tegangannya lebih tinggi (115 KV ke atas) ada kecenderungan menggunakan pentanahan tanpa impedansi atau pentanahan efektif. Yang dimaksud dengan pentanahan efektif ialah pentanahan dimana perbandingan antara reaktansi urutan nol dan urutan positif lebih kecil atau sama dengan tiga, dan perbandingan tahanan urutan nol dan reaktansi urutan positif lebih kecil atau sama dengan satu, untuk tiap titik pada sistem itu (X0/X1 ≤ 3; R0/X1 ≤ 1). 2.3.

Tujuan dan Metoda Pentanahan Titik Netral Generator Pentanahan generator sinkron pada sistem tenaga listrik yang modern tergantung pada besarnya tegangan yang digunakan dan karakteristik beban yang harus dilayani. Dahulu sistem tenaga listrik tiga fasa tidak ditanahkan, terutama sistem tiga fasa dengan tiga kawat merupakan sistem yang paling efesien dalam hal pemakaian konduktor tembaganya. Selain itu ketika terjadi gangguan ke tanah pertama tidak timbul arus gangguan dan hal ini merupakan suatu keuntungan meskipun peristiwa tersebut disertai oleh timbulnya kejutan listrik yang berbahaya. Ternyata dari pengalaman-pengalaman dengan sistem yang tidak ditanahkan banyak motor-motor listrik dalam instalasi industry mengalami kerusakan-kerusakan yang disebabkan oleh tegangan lebih yang timbul karena terjadinya busur listrik. Untuk mencegah terjadinya tegangan lebih tersebut maka generator atau sistem tenaga listrik ditanahkan dan biasanya dilakukan pentanahan secara langsung yang sangat efektif untuk membatasi tegangan fasa ke tanah maksimum. Juga beban-beban yang terpasang diantara fasa dan netral tetap dapat dilayani tanpa menimbulkan bahaya tegangan antara netral dengan tanah pada keadaan mengalami gangguan tanah. Metode pentanahan sistem mempengaruhi tingkat tegangan lebih yang mungkin terjadi selama pengerjaan hubungan dan juga selama terjadi gangguan ke tanah. Tegangan lebih yang bersifat transien harganya mencapai 5 atau 6 kali tegangan normalnya. Terjadinya tegangan lebih transien disebabkan oleh penyalaan dan

pemadaman busur listrik pada rangkaian yang terdiri dari induktansi, kapasitansi dan tahanan. Tujuan pentanahan titik netral generator pada garis besarnya adalah : 1. Untuk mengurangi kerusakan pada titik gangguan. 2. Untuk membatasi tegangan lebih transien. 3. Mendeteksi dengan peka terhadap kerusakan titik netral. 4. Menstabilkan titik netral yaitu menjaga supaya titik netral berada pada atau didekat potensial tanah. Metode pentanahan titik netral yang digunakan dalam hubungan dengan stasiun pembangkit tenaga listrik antara lain adalah sebagai berikut : 1. Pentanahan titik netral secara langsung. 2. Pentanahan titik netral melalui tahanan. 3. Pentanahan titik netral melalui transformator distribusi dengan tahanan pada kumparan sekundernya. 4. Pentanahan titik netral melalui reaktor. 5. Pentanahan titik netral melalui kumparan Petersen. 6. Pentanahan netral melalui transformator tegangan. 2.3.1 Pentanahan Titik Netral Secara Langsung Pada sistem-sistem yang netralnya ditanahkan secara langsung atau tanpa impedansi bila terjadi gangguan fasa ke fasa maka gangguan tersebut harus diisolir dengan membuka pemutus tenaga. Salah satu tujuan dengan mentanahkan titk netral secara langsung ialah untuk membatasi tegangan dari fasa-fasa yang tidak terganggu bila terjadi gangguan fasa ke tanah. Pentanahan titik netral secara langsung biasanya digunakan pada sistem yang bertegangan rendah (0 sampai 600 V), kadang-kadang digunakan juga pada sistem bertegangan menengah. Untuk menjelaskan perihal pentanahan titik netral secara langsung, ditinjau masalah terjadinya gangguan ke tanah pada salah satu fasa generator yang titik netralnya ditanahkan secara langsung. Pada gambar 2.3 memperlihatkan sebuah rangkaian

ekivalen hubung singkat satu fasa ke tanah dari generator yang titik netralnya ditanahkan secara langsung. Pada gambar 2.3 tersebut, dimisalkan terjadi gangguan hubung singkat satu fasa pada fasa A. Arus gangguan pada fasa A tersebut terdiri dari tiga buah komponen yang sama yaitu If /3 dan harga ini didapat dari :

(If /3) = (Ea ) /

(Z1 + Z2 + Z0)

Gambar 2.3. Pentanahan Secara Langsung

a) Arus gangguan yang menetap Dimisalkan : Z1 = 110%, Z2 = 12 sampai 22% dan Z3 = 3 sampai 6% maka didapat harga If yang besarnya hamper 2,5 kali lebih besar daripada arus gangguan hubung singkat tiga fasa Ea / Z1.

b) Arus gangguan transien Tekanan paling besar terjadi pada tingkat permulaan transien dimana rumus diatas tetap digunakan dengan mengganti reaktansi sinkron Z1 dengan reaktansi subtransiennya. Perhitungan If diulang kembali dengan Z1 = 19 sampai 33% maka didapat harga If kirakira 1,6 kali arus transien hubung singkat tiga fasa Ea/ Z1 . Tekanan arus yang sedemikian besarnya sangat berbahaya, jadi generator yang ditanahkan secara langsung sangat berbahaya bila terjadi hubung singkat fasa ke tanah. Oleh karena itu arus hubung

singkat tersebut harus dibatasi dengan menyelipkan suatu impedansi antara titik netral generator dan tanah.

Untuk menyelidiki tegangan fasa-fasa yang tidak terganggu, ditinjau sebuah generator dimana titik netralnya ditanahkan secara langsung.Gangguan ke tanah terjadi pada fasa A. Jika dimisalkan generator sangat besar sehingga Z1 = Z2 = sangat kecil dan dapat diabaikan maka : Ia1 = Ia2 = Ia0 = If /3 Penurunan tegangan pada fasa A = ∆a ∆ a = ∆ a1 + ∆a2 +∆ a0

Jadi :

Karena Z1 = Z2 , maka ∆a1 = ∆ a2 Sekarang akan diselidiki tegangan pada fasa yang tidak terganggu yaitu fasa B dan fasa C. Pada fasa A, ketiga komponen penurunan tegangan adalah sefasa, tetapi pada kedua fasa yang lain komponen positif dan komponen negative berputar dengan sudut sebesar 1200 . Karena ∆ a = ∆a1 + ∆a2 +∆ a0 dan bila ∆ a1 = ∆ a2 Maka : ∆ b = ∆ c = ∆ a0 ̶ ∆a1 Sekarang bila dilakukan super posisi maka : Va + ∆a = ∆ a0 Yaitu bahwa tegangan jepit fasa A adalah nol, sedang tegangan pada fasa-fasa yang lain menjadi Vb + ∆b dan Vc + ∆ c , dan ∆a = ̶ (If /3 ) / (Z1 + Z2 + Z0) = ̶ (If /3 ) / (2 Z1

+

Z2 )

Sebutlah ∆ = ∆b = ∆c Maka :

∆ = ̶ (If /3 ) / (Z0 ̶ Z1 ).………………………………….……(2.3)

Dimana : If /3 = Ea / (2 Z1 + Z0 )..………………………………………(2.4) Dari persamaan (2.3) jelas terlihat bahwa tegangan dari fasa-fasa yang tidak terganggu tidak sama dengan tegangan fasa ke netral, tetapi lebih besar dan tergantung pada (Z0 ̶ Z1 ). Semakin besar perbedaan Z0 ̶ Z1 , Semakin besar tegangan fasa-fasa A dan B.

Subtitusi persamaan (2.3) ke dalam persamaan (2.4) akan diperoleh : ∆ = ̶ Ea [ (Z0 ̶ Z1 ) / (2 Z1 + Z0 ) ] ..………...………………(2.5) Sebutlah : K = Z0 / Z1 Maka :

∆ = ̶ Ea [ (K ̶ 1 ) / (K + 2 ) ] ..………………………………(2.6)

Jadi besar tegangan fasa-fasa yang tidak terganggu tergantung dari faktor K = Z0 / Z1 yaitu ratio impedansi urutan. Pentanahan titik netral secara langsung tidak dipakai lagi karena beberapa alasan antara lain : 1. Arus gangguan yang timbul karena terjadinya gangguan fasa ke netral lebih besar daripada arus gangguan hubung singkat tiga fasa. 2. Jika beberapa generator bekerja paralel dan titik netralnya bersama-sama ditanahkan maka akan timbul harmonisa ketiga walaupun dalam keadaan kerja normal. 3. Arus harmonisa ketiga yang masuk ke feeder yang disuplai oleh tegangan yang dibangkitkan generator menyebabkan noise pada telekomunikasi. 4. Dengan menghindari pentanahan bersama dan pentanahan titik netral secara langsung pada satu titik netral generator tidak hanya merupakan kerumitan kerja tetapi juga menyebabkan beban lebih terhadap unit yang ditanahkan oleh kontribusi arus gangguan unit yang lainnya. 2.3.2

Pentanahan Titik Netral Melalui Tahanan Pentanahan titik netral melalui tahanan dapat dimasukkan kedalam kategori

pentanahan titik netral melalui impedansi kecil. Juga pentanahan ini bertujuan untuk mengulangi kerugian panas (I2 . R) pentanahan titik netral secara langsung. Namun demikian tidak boleh dianggap bahwa membatasi arus gangguan ke tanah dengan menggunakan tahanan pada titik netral sudah berarti kelemahan-kelemahan pada pentanahan secara langsung dapat diatasi. Perlu diketahui bahwa meskipun pembatasan arus gangguan ke tanah sampai 1,5 kali arus kerja normal generator berarti tahanan pentanahan titik netral menyerap daya sampai 50% dari rating kapasitasnya. Kapasitas panas yang dibutuhkan supaya tahanan

titik netral dapat berfungsi dengan aman tidaklah mudah untuk direncanakan dengan sempurna. Harga tahanan yang sering digunakan berkisar diantara 0,4 sampai 15 ohm. Untuk membatasi ukuran tersebut waktu pembebanan dibatasi diantara 10 detik sampai 2 menit, sementara itu kenaikan temperature sampai 4000 C diterapkan. Dengan memilih harga tahanan yang tepat, ketika terjadi gangguan ke tanah arus dapat dibatasi sehingga harganya hampir sama bila gangguan terjadi disegala tempat didalam sistem bila tidak terdapat titik pentanahan lainnya. Pemilihan harga tahanan yang terlalu rendah dapat mengakibatkan goncangan beban yang mendadak ketika terjadi gangguan ke tanah sehingga menimbulkan tekanan mekanis terhadap poros generator dan koplingnya dan kestabilanpun terganggu. Untuk pemakaian praktis, harga tahanan pentanahan titik netral dapat ditentukan dengan mencari harga arus gangguan ke tanah maksimum dan dengan membagi tegangan fasa ke netral generator oleh arus tersebut. Reaktansi generator biasanya boleh diabaikan. R= Ea /If

[Ohm]…………………….……………(2.7)

Gambar 2.4. Pentanahan Melalui Tahanan

Pada gambar 2.4 memperlihatkan daya yang diserap oleh tahanan pentanahan titik netral selama terjadi gangguan satu fasa ke tanah untuk berbagai ukuran tahanan pada generator sinkron yang berkapasitas 31.250 kVA dan bertegangan 13,8 kV. Salah satu pemakaian tahanan pentanahan titik netral adalah pada generatorgenerator yang terhubung langsung pada kumparan transformator tenaga penaik

tegangan yang terhubung delta. Dalam hal ini pergeseran penuh titik netral selama gangguan tidak dianggap berarti Rating tahanan pentanahan titik netral dipilih juga berdasarkan harga arus maksimum yang sesuai dengan rele yang baik. Dari segi tahanan busur listrik dengan menggunakan harga tahanan yang semakin besar, semakin banyak manfaat yang didapat. Dalam prakteknya tahanan dipilih sedemikian rupa sehingga didapat arus yang besarnya 1,5 sampai 2,5 ampere pada sisi sekunder transformator arus dengan ratio yang terbesar. Transformator arus ini biasanya diletakkan pada rangkaian suplai ke rel 4.160 V dan digunakan untuk proteksi terhadap kegagalan rel. Sebagai contoh, transformator arus dengan ratio 2.000 ke 5 ampere dipasang pada rangkaian transformator pelengkap (auxiliary transformer). Tahanan boleh mempunyai rating dari 2 sampai 4 Ohm sesuai dengan pembatasan arus gangguan ke tanah dri 600 sampai 1.200 ampere. Pemilihan dalam selang ini biasanya diambil berdasarkan rating standar yang ada. Resiko kebakaran kecil meskipun arus mencapai 2.000 ampere dan kabel tidak akan mengalami kerusakan yang disebabkan oleh pemanasan lebih pada selang waktu clearing yang normal.

Gambar 2.5. Rangkaian Ekivalen Hubung Singkat 1 Phasa ke Tanah Secara Langsung

Gambar 2.6. Tegangan Kawat-tanah

Dari rangkaian ekivalen pada gambar 2.5 dan gambar 2.6, tetapi dengan harga Z1 = jX1, Z2 = jX2 dan Z0 = 3R, arus gangguan If dapat ditentukan dari persamaan berikut : Ea = (If / 3) (2 jX1 ./ 3R)…………………………….(2.7) Dengan X1 = X2 . Penurunan tegangan pada tiap fasa pada kedua fasa yang tidak terganggu analog dengan gambar 2.6 yaitu diperoleh dengan menjumlahkan If . R dengan j(If /3) . X1 dan j(If /3) . X2 setelah kedua komponen diputar ± 1200 dan 1200 . Penurunan tegangan itu adalah : ∆ = ̶ (If /3 ) (3 R ̶ jX1) ..…………….……………….(2.8) 2.3.3

Pentanahan Titik Netral Melalui Reaktor Reaktor yang dipasang diantara titik netral generator dengan tanah dimaksudkan

untuk membatasi arus gangguan ke tanah sampai pada harga arus hubung singkat tiga fasa. Reaktor dapat digunakan pada pentanahan titik netral pembangkit listrik bertenaga diesel yang berukuran kecil dimana pemakaian listriknya dilakukan pada tegangan yang dibangkitkan generator dan dimana sambaran petir sering terjadi. Pentanahan titik netral melalui reaktor mempunyai banyak ketidakpastian. Beberapa peneliti menyarankan penentuan harga reaktansi netral itu didefinisikan dalam reaktansi generator yaitu batas atas dari reaktansi netral adalah setengah dari reaktansi subtransien generator. Peneliti-peneliti lainnya menyatakan reaktansi netral secara tidak langsung menentukan ratio antara X0 dengan X1 pada jepitan generator. Dimana X0 adalah impedansi urutan nol sistem termasuk reaktor netral dan X 1 adalah gabungan impedansi urutan positif sistem termasuk generator.

Dalam menentukan besarnya reaktor diasumsikan bahwa gangguan satu fasa ke tanah terjadi pada jepitan generator. Arus gangguan hubung singkat tiga fasa ditentukan dengan menggunakan tegangan fasa ke netral generator dan reaktansi urutan positifnya (reaktansi subtransien). Untuk menentukan arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah perlu diketahui reaktansi urutan positif, negatif dan nol generator.

Notasi-notasi yang akan dipergunakan adalah sebagai berikut : X1, X2, X0 = Reaktansi urutan generator yang ditinjau. S1, S2, S0 = Reaktansi urutan sistem ke jepitan generator yang ditinjau. XR IR

= Reaktansi reaktor netral. = Rating harga efektif arus reaktor (dalam perencanaan reaktor terhadap tekanan mekanis diasumsikan bahwa arus tersebut bergeser sepenuhnya disebabkan oleh komponen arus searah ).

Gambar 2.7. Pentanahan Menggunakan Reactor

Arus gangguan satu fasa ke tanah diklasifikasikan menjadi lima macam tergantung pada reaktansi generator dan reaktansi sitem, lihat gambar 2.7. Kelompok 1 adalah umum dan meliputi kasus dimana semua reaktansi generator dan sistem berhingga dan berbeda . Rumus ini kelihatannya rumit tetapi akan menjadi sederhana bila digunakan harga sebenarnya . Kelompok 2 meliputi kasus dimana urutan nol sistem tak terhingga dan semua reaktansi lainnya berhingga dan berbeda . Kelompok 3 , 4 dan 5 meliputi kasus dimana dua atau lebih reaktansi mempunyai harga yang sama sehingga rumusnya sangat sederhana dibandingkan dengan kasus umum dalam kelompok 1. (gambar 2.7)

Rumus IR dalam tiap – tiap kelompok kasus ditujukan untuk mendapatkan harga X R sedemikian rupa sehingga arus kumparan mesin ketika terjadi gangguan satu fasa ke tanah harganya sama dengan arus kumparan pada gangguan singkat tiga fasa . Tegangan e pada rumus IR adalah tegangan jepitan generator yang dinyatakan sebagai 100% . Perlu diingatkan bahwa bila X1 dan X2 generator sama besar maka reaktansi minimum XR = (1/3) (X1 – X0 ) . Arus yang melewati reaktor ketika terjadi gangguan satu fasa ke tanah tergantung pada reaktansi sistem dan reaktansi generator. Kurva digambarkan dalam harga ratio , kordinatnya adalah S1/ X1 dan absisnya K adalah bilangan pengali terhadap arus hubung singkat 3 fasa , e/ X1 yang akan mengalir melewati reaktor titik netral . Untuk kelima kurva tersebut ratio S2/ S1 adalah parameter . Kurva – kurva tersebut memperlihatkan sepintas efek reaktansi sistem terhadap arus netral selama terjadi gangguan satu fasa ke tanah , S 1 dan S2 sangat berbeda tanpa mempengaruhi arus netral IR . Reaktansi reaktor pentanahan ditentukan oleh rumus : XR = ( X1 ̶ X0 ) / 3

(2.9)

Untuk menentukan arus efektif maksimum IR yang melalui reaktor , tentukan S2/ S1 dan S1/ X1 dan cari harga K dalam gambar 3.7. Arus IR adalah (K) . (e/X2) dalam perunit , kalikan harga per-unit tersebut dengan 100 untuk mendapatkan IR dalam persen . Harga reaktansi yang telah ditentukan XR membatasi arus kumparan generator ketika terjadi arus gangguan satu fasa ke tanah sebesar arus kumparan ketika terjadi gangguan tiga fasa . Untuk membatasi arus gangguan lebih lanjut diambil harga reaktansi yang lebih besar , tetapi penambahan tersebut harus mempertimbangkan efek tegangan transien selama operasi penghubungan dan busur listrik ke tanah . Ratio (X0/ X1) ≤ 4 untuk membatasi tegangan transien . bila ratio (X 0/ X1) > 4 maka perlu penelitian khusus . Penggunaan reaktor netral pada generator yang menyuplai feeder distribusi pada tegangan yang dibangkitkannya memerlukan pemeriksaan pada tegangan ke tanah kedua fasa yang tidak terganggu bila terjadi gangguan satu fasa ke tanah . Hal ini penting bagi sistem kabelnya . Semakin besar harga reaktansi pentanahan semakin besar pula tegangan ke tanah pada kedua fasa yang tidak terganggu .

Arus IR pada reaktor netral selalu lebih besar daripada arus pada fasa yang terganggu bila generator dihubungkan ke sistem dengan mesin yang lain, karena urutan nol bersirkulasi didalam sistem pada kedua fasa yang tidak terganggu. Bila generator merupakan bagian yang terisolasi dimana tidak terdapat lintasan transformator tempat mengalirnyai arus urutan nol maka arus yang melalui reaktor akan sama besar dengan arus yang melalui fasa yang terganggu atau kumparan generator. Kadang-kadang perlu untuk menentukan karakteristik reaktor untuk beberapa generator yang berbeda ukuran dan dioperasikan paralel dengan generator lain. Hal ini harus ditinjau secara khusus dan perhitungannya dilakukan meliputi semua kemungkinan kombinasi dan susunan generator. Reaktor netral harus dipilih untuk mencakup keadaan yang terburuk. Bila mesin-mesin tersebut identik maka masalah menjadi sederhana. Bila mesin-mesin tersebut dianggap sama dan diinginkan untuk mengoperasikan dengan hanya satu unit yang ditanahkan, dapat digunakan sebuah reaktor diantara rel netral dengan tanah untuk semua mesin, tiap-tiap mesin terhubung ke rel tanah melalui pemutus netral (neutral circuit breaker). Bila dua atau lebih generator terhubung pada satu rel dan ditanahkan melalui alat pengetanahan berimpedansi rendah secara bersama maka terdapat kemungkinan timbulnya arus sirkulasi yang berlebihan yang mengalir diantara netral generator dan ini memerlukan perhatian.

2.3.4 Pengetanahan Titikk Netral Secara Efektif Suatu sistem atau sebagian dari sistem dikatakan ditanahkan secara efektif apabila untuk tiap-tiap titik pada sistem itu atau sebagian tertentu dari sistem itu mempunyai harga (X^/X.) ≤ 3 dan (R^/X.) ^ 1 untuk setiap macam keadaan kerja sistem. Jadi bila seluruh sistem itu tidak efektif ditanahkan, bagian tertentu dari sistem itu dapat dikatakan ditanahkan secara efektif bila memenuhi ketentuan diatas. Jadi pengetanahan tanpa impedansi dan pengetanahan dengan reaktansi yang rendah dapat digolongkan kedalam cara pengetanahan efektif. Dalam beberapa hal perlu diselipkan impedansi antara netral dengan tanah supaya arus gangguan pada sistem-sistem yang-sering kena gangguan dibatasi besarnya.

2.4 Sistem Yang Tidak Diketanahkan Atau Sistem Delta Suatu sistem dikatakan tidak diketanahkan atau sistem delta bilamana tidak ada hubungan galvanis antara sistem itu dengan tanah. Pada gambar 2.8, digambarkan sebagian dari suatu sistem yang tidak diketanahkan.

Gambar 2.8. Sistem yang tidak diketanahkan.

Misalkanlah : EA, EB, EC

: tegangan fasa terhadap tanah.

EAN, EBN, ECN

: tegangan fasa terhadap netral.

ZA, ZB, ZC

: impedansi kapasitif fasa-fasa A, B, dan C dari

sistem

terhadap tanah. N

: titik netral.

Menurut hokum Kirchoff jumlah arus-arus, IA + IB + EC = 0

(2.10)

Atau : +

+

=0

(2.11)

Pada umumnya pada sistem-sistem tenaga selalu ada ketidak-seimbangan kapasitif (capacitive unbalance). Sangat sulit untuk menghilangkan sama sekali ketidakseimbangan ini. Untuk memperkecil ketidakseimbangan itu dilakukan dengan mentransposisikan kawatkawat. 2.5 Teori Komponen Simetris Menurut Fortescue tiga buah vektor yang tidak seimbang dari sistem tiga fasa dapat diuraikan menjadi tiga sistem vektor yang seimbang. Ketiga sistem tersebut adalah :

a) Komponen urutan positif terdiri dari tiga buah vektor yang sama besarnya, terpisah antara satu dengan yang lainnya sebesar 1200 dan mempunyai urutan fasa yang sama dengan vektor asalnya. b) Komponen urutan negatif terdiri dari tiga buah vektor yang sama besarnya, terpisah antara satu dengan lainnya sebesar 1200 dan mempunyai urutan fasa yang sama dengan vektor asalnya. c) Komponen urutan nol terdiri dari tiga buah vektor yang sama besarnya dan berbeda fasa 00 antara vector yang satu dengan yang lainnya. Untuk sistem tiga fasa kita akan selalu menghadapi tiga buah besaran vector yang biasa dinamakan dengan vektor a, vektor b dan ve ktor c, jadi untuk tegangan pada sistem tiga fasa, ketiga vektornya kita namakan E a, Eb dan Ec. Hal yang sama juga berlaku untuk arus yaitu Ia, Ib dan Ic. Untuk komponen simetrisnya berlaku juga seperti diatas hanya untuk komponen urutan positif ditambahkan indeks 1, untuk komponen urutan negatif ditambahkan indeks 2 dan untuk komponen urutan nol ditambahkan indeks 0 sehingga komponen urutan positif pada Ea, Eb dan Ec adalah Ea1, Eb1 dan Ec1 demikian pula untuk urutan negatifnya yaitu Ea2, Eb2 dan Ec2. Untuk komponen urutan nolnya adalah Ea0, Eb0 dan Ec0.

Gambar 2.9. Komponen-komponen simetris dari tegangan sistem tiga fasa.

Gambar 2.10. Penjumlahan komponen-komponen simetris dari tegangan.

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa sistem tiga fasa yang tidak seimbang merupakan penjumlahan dari masing-masing komponen urutannya, yaitu : Va = Va1 + Va2 + Va0

(2.12)

Vb = Vb1 + Vb2 + Va0

(2.13)

Vc = Vc1 + Vc2 + Va0

(2.14)

Pada umumnya komponen-komponen simetris dari Fortescue lebih baik dan paling praktis digunakan dalam memecahkan soal-soal yang tidak simetris pada sistem tenaga. 2.6 Operator a Karena adanya pergeseran fasa dan komponen simetris untuk tegangan dan arus pada sistem tiga fasa maka diambil suatu metode untuk menentukan perputaran sudut fasa sebesar 1200 . Dalam metode ini digunakan huruf a sebagai operator yang menyatakan perputaran sudut sebesar 1200 dengan arah perputaran sudut berlawanan dengan arah jarum jam. Bila operator ini dinyatakan dalam bilangan kompleks yang dinyatakan dengan besaran dan sudutnya maka operator a dapat ditulis sebagai berikut : a = 1 < 1200 = ej120 = cos 1200 + jSin 1200 a = - 0,5 + j0,866 Jika operator a ini dipangkatkan dua maka vektor ini akan berputar sebesar 240 0 dan bila dipangkatkan tiga maka vektor ini akan berputar 3600. Lihat sebagai berikut :

2.7 Penggunaan Operator a Pada Komponen Simetris Jika pada sistem tiga fasa kita mengambil fasa a sebagai acuan maka dengan menggunakan operator a akan menjadi : 1. Vektor urutan positif Va1 = Va1 Vb1 = 1 < 2400 Va1 = a2 Va1 Vc1 = 1 < 1200 Va1 = a Va1 2. Vektor urutan negatif Va2 = Va2 Vb2 = 1 < 1200 Va2 = a Va2 Vc2 = 1 < 2400 Va2 = a2 Va2 3. Vektor urutan nol Va0 = Vb0 = Vc0 Hubungan antara besaran asal dengan komponen-komponen simetrisnya dalam bentuk matrik adalah : a) Untuk tegangan

= =

1

1

1 1 1

1

1 1 1

1

b) Untuk arus

=

1

1

1 1 1

=

1 1 1

1

1

2.8 Hubungan Singkat Tiga Phasa Gangguan hubung singkat tiga phasa ini dapat menimbulkan loncatan bunga api dengan suhu tinggi yang akan melelehkan belitan dengan resiko terjadinya kebakaran jika isolasi tidak terbuat dari bahan yang anti api ( non flammable). Gangguan hubung singkat tiga phasa tersebut ditunjukan pada gambar 5.1

L1 L2

G

L3 I”k3

Gambar 2.11 Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa

Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa

Untuk menghitung nilai arus gangguan tersebut dapat menggunakan persamaan berikut. I”k3 =

√

Dimana : c = Faktor Tegangan = 1.05 Un = Tegangan Nominal Z1 = Impedansi Urutan Positif

(2.15)

2.9 Hubungan Singkat Dua Phasa Gangguan hubung singkat 2 phasa (unbalance fault) dan gangguan hubung singkat 2 phasa ke tanah dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan pada belitan, dan akan menimbulkan vibrasi pada kumparan stator, selain itu kerusakan lain yang timbul adalah pada poros (shaft) dan kopling turbin akibat adanya momen puntir yang besar.

L1 L2

G

L3 I”k2E I”kE2E

Gambar 2.13 Gangguan Hubung Singkat Dua Phasa Ke Tanah

Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Gangguan Hubung Singkat Dua Phasa Ke Tanah.

Untuk menghitung nilai arus gangguan hubung singkat dua phasa ke tanah dapat menggunakan persamaan berikut.

I”kE2E =

√ . .

(2.16)

Dimana : c = Faktor Tegangan = 1.05 Un = Tegangan Nomina Z1 = Impedansi Urutan Positif Z0 = Impedansi Urutan Nol

2.10

Hubungan Singkat Satu Phasa Ke Tanah Kerusakan akibat gangguan 2 phasa atau antara konduktor kadang–kadang masih

dapat di perbaiki dengan menyambung (taping) atau mengganti sebagian konduktor tetapi kerusakan laminasi besi (iron lamination) akibat gangguan 1 phasa ketanah yang menimbulkan bunga api dan merusak isolasi dan inti besi adalah kerusakan serius yang perbaikannya dilakukan secara total. Gangguan jenis ini meskipun kecil harus segera diproteksi. Gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah seperti ditunjukan pada gambar 2.14

Gambar 2.15 Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa Ke Tanah

Gambar 2.16 Rangkaian Ekivalen Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa Ke Tanah

Untuk menghitung nilai arus gangguan hubung singkat dua phasa dapat menggunakan persamaan berikut.

I”k1 =

√

.

(2.17)

Dimana : c = Faktor Tegangan = 1.05 Un = Tegangan Nominal Z1 = Impedansi Urutan Positif Z0 = Impedansi Urutan Nol 2.10 Analisa Arus Hubung Singkat Menurut Standard IEC 60 909 Arus hubung singkat yang terjadi akibat gangguan hubung singkat tiga phasa, dua phasa, dan satu phasa terdiri dari tiga bagian atau daerah, yaitu daerah subtransient, daerah transient, dan daerah steady state. Kondisi subtransient terjadi ketika waktu pada cycle pertama atau setelah gangguan itu terjadi dengan arus ac yang sangat besar dan penurunannya sangat cepat, kondisi transient terjadi selama waktu tingkat penurunannya lebih lambat, dan kondisi steady state terjadi ketika selama waktu penurunanya sudah mendekati stabil.

Menurut Standard IEC 60 909 kondisi subtransient terjadi dalam waktu 10 ms sampai dengan 20 ms, sedangkan kondisi transient terjadi dalam waktu sampai dengan 500 ms. Untuk menghitung arus hubung singkat maksimum dimana gangguan tersebut jauh dari generator, maka dapat ditentukan dengan persamaan berikut : I=

√

(sin(

+

−

) − sin(

−

) −

)

(2.18)

Untuk menghitung arus hubung singkat maksimum dimana gangguan tersebut dekat dari generator, maka dapat ditentukan dengan persamaan berikut : I = E√2 [( √ "

"

−

`

)

"

+(

`

−

)

`

+

] cos wt –

BAB III METODA PERHITUNGAN DAN SIMULASI PENTANAHAN NETRAL GENERATOR 3.1 Langkah Penelitian Metodologi penelitian merupakan proses ataupun langkah-langkah yang bertujuan supaya penelitian dapat dilakukan secara sistematis. Penelitian dilakukan berdasarkan beberapa tahapan dari awal hingga akhir yang dinyatakan dalam diagram alir.

Gambar 3.1 Flow Chart Langkah Penelitian

Gambar 3.1 menjelaskan langkah-langkah penelitian yang dilakukan. Pertama mengambil data-data yang diperlukan dalam penelitian seperti : data generator, trafo, luas area pembangkit dan tahanan jenis tanah. Setelah itu pada software ETAP input besaran generator : P, f, pf, V, pole, Xd, Xd’ dan Xd” kemudian dilakukan percobaan hubung singkat 3 phasa ke tanah yang nilai gangguan hubung singkatnya digunakan sebagai parameter pemilihan pentanahan netral dimana jika R0 ≥ 2 X0 dan IFG = 10 % - 25% dari If3Ө maka jenis pentanahan yang digunakan adalah pentanahan netral menggunakan tahanan rendah, X0 ≤ X1 dan IFG = 25% - 60% dari If3Ө maka jenis pentanahan yang digunakan adalah pentanahan netral menggunakan reactor dan jika R0 ≤ Xc0 /3 dan IFG = kecil maka jenis pentanahan yang digunakan adalah pentanahan netral menggunakan tahanan tinggi. Kemudian dilanjutkan dengan simulasi nilai tahanan yang akan digunakan, tegangan sentuh dan tegangan langkah pada area pembangkit. Selain simulasi menggunakan software ETAP, pemilihan pentanahan titik netral juga menggunakan perhitungan manual agar hasil yang didapatkan lebih akurat. 3.2

Data Penelitian Data yang harus di peroleh untuk melakukan penelitian pemilihan pentanahan netral

generator pada PLTMH Nua Ambon. Berikut ini data yang didapatkan :

Gambar 3.2 Konfigurasi sistem Pentanahan PLTMH Nua Ambon

Tabel 3.1 menunjukkan data generator 2 x 4,4 MW di Nua Ambon yang terdiri dari daya aktif, daya semu, power faktor, poles, kecepatan motor (rpm), tegangan phasa-phasa, tegangan phasa netral dan arus nominal masing-masing generator.

Tabel 3.1 Data Saluran Transmisi

DATA GENERATOR PLTMH NUA Generator

Generator

NUA 1

NUA 2

DAYA AKTIF

4,4 MW

4,4 MW

DAYA SEMU

5,176 MVA

5,176 MVA

80 %

80 %

POLES

10

10

RPM

600

600

TEGANGAN PHASA-PHASA

6,3 KV

6,3 KV

TEGANGAN PHASA-NETRAL

3,67 KV

3,67 KV

504 A

504 A

ITEM

POWER FACTOR (%)

ARUS NOMINAL

3.3 Perhitungan Arus Hubung Singkat Tiga Phasa ke Tanah Rumus dalam perhitungan : Impedansi dasar : Zd = (Eg)2 / (S)

[Ohm]

Xd’’ = (Xd’’/ 100) . Zd

[Ohm]

dimana : Zd = Impedansi Dasar (Ω) Eg = Tegangan 1 Phasa (V) S

= Daya Semu (MVA) ’’

Xd = Reaktansi Subtransient (Ω)

Gambar 3.3 Rangkaian Pengganti Gangguan Hubung Singkat 3 Phasa

Pada saat terjadi gangguan hubung singkat pada generator akan timbul komponen arus bolak-balik (A) yang terdiri dari arus subtransien (Xd’’), arus transien (Xd’), arus steady state (keadaan mantap) juga timbul komponen arus searah (DC). Sedangkan besar komponen arus bolak-balik tersebut adalah jumlah dari arus subtransien, arus transien, arus steady state adalah: IAC = E [ 1/Xd + ( 1/Xd’ - 1/Xd’’) e- (t/Td’) + ( 1/Xd” - 1/Xd’) e- (t/Td’’) (3.1) besar komponen arus searah : IDC = (2E/X’’) (e-(t/Ta)) ( Cos ɑ )

(3.2)

dimana : ɑ = switching angle Arus efektif akan maksimum pada saat t = 0 dan arus searah akan maksimum bila t = 0 dan ɑ = 0, maka : I(maks) = [ ( E/Xd’’)2 + ( 2E/Xd’’)2 ]1/2

(3.3)

I(maks) = √3 ( E/Xd’’)

(3.4)

Jadi arus gangguan hubung singkat tiga phasa yang terjadi pada jepitan-jepitan generator adalah : If3Φ = √3 . (Eg / Xd’’)

[A]

(3.5)

3.4 Pemilihan Metoda Pentanahan Netral Generator Pemilihan metoda pentanahan ditinjau berdasarkan data pada generator dan hasil perhitungan arus hubung singkat tiga phasa ke tanah. Syarat-syarat pemilihan metoda pentanahan netral generator sebagai berikut : a) Pentanahan dengan tahanan rendah : R0 ≥ 2 X0 dan IFG = 10 % - 25% dari If3Ө. Titik netral generator dihubungkan ke tanah melalui sebuah tahanan yang berfungsi untuk membatasi arus gangguan tanah sampai beberapa ratus ampere (200-600 A). Arus gangguan ini sangat besar dan dapat merusak stator, namun pada saat yang sama, arus ini cukup besar sehingga dapat dirasakan oleh rele

sehingga didapat sistem proteksi yang handal dan selektif. Sistem pembumian melalui tahanan rendah jarang digunakan sekarang karena besarnya resiko kebakaran stator generator akibat besarnya arus yang mengalir saat gangguan. Namun, sistem pembumian ini paling sering digunakan untuk industri yang menggunakan tegangan menengah. b) Pentanahan dengan tahanan tinggi : R0 ≤ Xc0 /3 dan IFG = kecil Tahanan tinggi dihubungkan antara titik netral generator dengan tanah. Terkadang, tahanan tinggi dihubungkan pada belitan sekunder transformator satu fasa (transformator distribusi) atau pada pembumian netral transformator. Metode ini membatasi arus gangguan tanah sebesar 5-10 A. c) Pentanahan dengan reaktor : X0 ≤ X1 dan IFG = 25% - 60% dari If3Ө Reaktor pentanahan digunakan bilamana trafo daya tidak cukup membatasi arus gangguan tanah. Reaktor itu digunakan untuk memenuhi persyaratan dari sistem yang diketanahkan dengan reaktor di mana besar arus gangguan di atas 25% dari arus gangguan 3 phasa. 3.5 Perhitungan Nilai Tahanan (Resistansi) Rendah yang Digunakan Dari syarat-syarat pada bab 3.4, sesuai hasil perhitungan arus hubung singkat tiga phasa ke tanah maka penelitian ini memilih menggunakan metoda pentanahan dengan tahanan rendah dimana R0 ≥ 2 X0 dan IFG = 10% - 25% dari If3Ө. Sehingga kita dapat menentukan nilai tahanan yang akan digunakan dengan memasukkan nilai arus nominal generator = 504 A :

=

(3.6)

Untuk menentukan daya Resistor :

P = I2. R dimana : R = Tahanan (Ω) I = Arus (A) V = Tegangan (V) P = Daya generator (W)

(3.7)

3.6 Perhitungan Arus Hubung Singkat Satu Phasa ke Tanah Arus gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah yang terjadi pada generator : If1Φ = 3.Eg / (Z1+ Z2 + Z0 + 3Zn) A

(3.8)

dimana : If1Φ = Arus gangguan 1 phasa ke tanah (A) Eg = Tegangan 1 phasa (V) Zn

= Impedansi (Ω)

X0

= Reaktansi urutan nol (Ω)

X1

= Reaktansi urutan positif (Ω)

X2

= Reaktansi urutan negatif (Ω)

Gambar 3.4 Rangkaian Ekivalen Hubung Singkat 1 Phasa ke Tanah

Harga arus gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah ini tergantung pada harga Zn atau tergantung pada impedansi pentanahan netral generator tersebut. 3.7 Perhitungan Tegangan Langkah dan Tegangan sentuh sistem Grounding Grid. Luas daerah pembangkit adalah 40 m x 30 m dengan letak peralatan seperti dalam gambar. Dengan memperhatikan luas dan situasi letak peralatan pada Gardu Induk, maka dapat diperkirakan susunan pentanahan grid yang akan dipasangkan. Arus hubungan singkat ketanah diketahui untuk menentukan besarnya arus maksimum yang mungkin mengalir dalam tanah akibat terjadinya hubungan singkat ketanah . Perencanaan sistem pentanahan pada gardu induk didasarkan pada standar “IEEE 80”, dengan ukuran/langkah-langkah sebagai berikut:

a. Pemeriksaan tahanan jenis tanah. b. Perencanaan pendahuluan tata letak (layout). c. Perhitungan arus fibrilasi. d. Menghitung jumlah batang pentanahan yang diperlukan e. Menghitung tegangan sentuh yang diizinkan. f. Menghitung tegangan sentuh maksimum sebenarnya. g. Menghitung tegangan langkah yang di izinkan. h. Menghitung tegangan langkah maksimum sebenarnya.

3.7.1. Tahanan Jenis Tanah Tahanan jenis tanah nilai tahanannya dapat diperoleh dari kondisi dan jenis tanah yang ada disekitar garud induk. Pengukuran tahanan jenis tanah pada lokasi gardu induk diambil pada berapa lokasi pada areal, untuk menghitung tahanan jenis tanah dapat dihitung dengan mengunakan persamaan berikut :

ρ = 2 .π . aR

Keterangan : ρ = Tahanan jenis rata-rata tanah. (Ohm-meter) a = Jarak antara batang elektroda yang dekat (meter) R = Besar Tahanan yang terukur. (Ohm)

Tabel 3.2 Tahanan Jenis Tanah

(3.9)

Selain menggunakan perhitungan tahanan jenis tanah juga dapat dilihat dari tabel yang telah ditetapkan oleh PUIL 2000. 3.7.2 Tata Letak (Layout) Kisi-kisi (grid) pentanahan menggunakan konduktor tembaga bulat yang ditanam pada seluruh batas gardu induk. Pengaturan tata letak sistem pentanahan pada suatu gardu induk dapat dilihat pada gambar berikut ini. Pada gambar tersebut diberikan panjang konduktor termasuk batang pentanahan = 812 meter 3.7.3 Jumlah Batang Pentanahan Yang Diperlukan Pada waktu arus gangguan mengalir antara batang pentanahan dan tanah akan menjadi panas akibat arus I2ρ. Suhu tanah harus tetap dibawah 100 c, untuk menjaga jangan sampai terjadi penguapan air kandungan dalam tanah dan kenaikan tahanan jenis. Seluruh panjang batang pentanahan yang diperlukan dihitung dari pembagian arus gangguan ketanah dengan kerapatan arus yang diizinkan, sedangkan jumlah batang pentanahan yang di tanahkan diperlukan dari pembagian panjang satu batang. Jadi bila besar arus gangguan ketanah (546) amper maka jumlah batang pentanahan minimum dengan panjang (3,5 meter). 3.7.4 Tegangan Sentuh Yang Diizinkan Tegangan sentuh yang yang diizinkan dapat dihitung dengan terlebih dahulu mencari besaran-besaran berikut : a) Arus Fibrilasi Besarnya arus fibrilasi yang mengalir pada tubuh manusia keterangan arus listrik dapat menyebabkan jantung mulai fibrilasi dapat dihitung berdasarkan persamaan dibawah ini :

K50 = 0,166 Ampere Ik =

Keterangan : Ik = Arus fibrilasi (Amp)

,

√

(3.10)

t = Lama waktu gangguan (detik) = 0,75 detik. Lama waktu gangguan tergantung dari berapa faktor, antara lain statilitas, tipe switchyard dan tipe relay dan pemutusan daya yang digunakan. Sebegitu jauh belum ada standard mengenai lama waktu gangguan. Waktu yang dianggap realistis berkisar antara 0,5 detik sampai 1,0 detik. Pengambilan waktu 0,75 detik dianggap sudah memenuhi persyaratan dan cukup realistis. Maka nilai tegangan sentuh dapat dicari dengan memasukkan data : Ik = Arus Fibrilasi = 0.164 A Rk = Tahanan Badan Manusia = 1000 Ohm/meter. ρs = Tahanan Jenis Tanah =2500 ohm-m Maka didapat tegangan sentuh yang diizinkan : Es = (Rk + 3 ρs/2) Ik

(3.11)

Gambar 3.5 Tegangan Sentuh Pada Pembangkit

3.7.5

Tegangan Langkah Yang Diizinkan Tegangan langkah adalah tegangan yang timbul diantara dua kaki orang yang

sedang berdiri diatas tanah yang sedang dialiri oleh arus kesalahan ketanah. Dalam hal ini dimisalkan jarak antara kedua kaki orang adalah 1 meter dan diameter kaki dimisalkan 8 cm dalam keadaan tidak memakai sepatu. Pada gambar 2 diperlihatkan tegangan langkah yang dekat dengan peralatan yang diketanahkan

Gambar 3.6 Tegangan Langkah Pada Pembangkit

Dengan menggunakan rangkaian pengganti dapat ditentukan tegangan langkah sebagai berikut : El = ( Rk + 2 Rf ). Ik = ( 1000 + 6ρs ) x 0,116/√t

(3.12) Keterangan : E1 = Tegangan langkah (Volt) Rk = Tahanan badan (orang ohm) = 1000 Ω. Rf = Tahanan kontak ketanah dari satu kaki (dalam ohm) = 3ρs t = Waktu kejut (dalam detik) ρs = tahanan jenis tanah 3.8 Simulasi Hubung Singkat Generator Menggunakan ETAP 7 Selain dengan cara perhitungan kita juga dapat mencari besar arus hubung singkat ke tanah dengan simulasi menggunakan software ETAP 7. Berikut cara menhitung arus hubung singkat dengan simulasi ETAP 7 : a) Hubung Singkat 3 Phasa ke Tanah Arus hubung singkat tiga phasa ke tanah dapat diketahui dengan memasukkan data generator, trafo dan beban-beban (Pada lampiran). Setelah data-data tersebut telah dimasukkan kemudian menentukan short circuit analisys dengan mengatur short circuit study case sesuai titik gangguan yang akan ditinjau. Dalam tugas akhir ini titik yang ditinjau pada bus 203-2.

Setelah itu rangkaian di running untuk melihat gangguan tiga phasa ke tanah seperti pada gambar berikut :

Gambar 3.7 Tabel Pada ETAP 7 Untuk Input Data Generator

b) Hubung Singkat Satu Phasa ke Tanah dengan Metoda Pentanahan Menggunakan Reaktansi. Arus hubung singkat satu phasa ke tanah dengan metoda pentanahan menggunakan reaktansi dapat diketahui dengan memasukkan data generator, trafo dan beban-beban (Pada lampiran) serta pada titik netral generator dan trafo yang di hubungkan menggunakan reaktansi.

Gambar 3.8 Pemilihan Jenis Pentanahan Menggunakan Resistor Pada ETAP 7

3.9 Simulasi Grounding Grid Menggunakan ETAP 7 Dengan memperhatikan luas dan situasi letak peralatan pada Pembangkit, maka dapat diperkirakan susunan pentanahan grid yang akan dipasangkan. Arus hubungan singkat ketanah diketahui untuk menentukan besarnya arus maksimum yang

mungkin mengalir dalam tanah akibat terjadinya hubungan singkat ketanah. Perencanaan sistem pentanahan pada pembangkit ini didasarkan pada standar “IEEE 80”, dengan langkah-langkah sebagai berikut a. Memasukkan data arus hubung singkat satu phasa tanah a. Memasukkan data tahanan jenis tanah. b. Perencanaan pendahuluan tata letak (layout). c. Memasukkan jumlah batang pentanahan yang diperlukan

Gambar 3.9 Study Case Editor ETAP 7

Gambar 3.10 Soil Editor ETAP 7

3.9.1

Simulasi Tegangan Sentuh dan Tegangan Langkah a) Pada titik gangguan Bus 203-2 Untuk menentukan tegangan sentuh dan tegangan langkah pada pembangkit maka dimasukkan data-data besar arus hubung singkat satu phasa ke tanah, luas area pembangkit, banyak elektroda yang terpasang dan dalam pentanahan elektroda pada kolom IEEE Group Editor, maka akan didapatkan nilai tegangan sentuh dan tegangan langkah yang terjadi pada pembangkit.

Gambar 3.11 Study Case Editor Titik Gangguan Bus 203-2 ETAP 7

Gambar 3.12 IEEE Group Editor ETAP 7

b) Pada titik gangguan Bus 20 kV Untuk menentukan tegangan sentuh dan tegangan langkah pada pembangkit maka dimasukkan data-data besar arus hubung singkat satu phasa ke tanah, luas area pembangkit, banyak elektroda yang terpasang dan dalam pentanahan elektroda pada kolom IEEE Group Editor, maka akan didapatkan nilai tegangan sentuh dan tegangan langkah yang terjadi pada pembangkit.

Gambar 3.13Study Case Editor Titik Gangguan 20 kV ETAP 7

Gambar 3.14 IEEE Group Editor ETAP 7

BAB IV HASIL PERHITUNGAN, SIMULASI, DAN ANALISIS 4.1 Hasil Perhitungan Arus Hubung Singkat a) Hubung Singkat Tiga Phasa ke Tanah Zd = (kV)2 / (MVA) Xd’’ = (Xd’’/ 100) . Id If3Φ = I’’ = √3 . (Eg / Xd’’)

Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Hubung Singkat 3 Phasa ke Tanah

KETERANGAN

SATUAN OHM

Zd

VOLT 3.637306696

Eg ’’ Xd

KA

7.668083462

1.456935858 4.324143693

If3Φ

a) Perhitungan Nilai Tahanan (Resistansi) Rendah yang Digunakan Sesuai hasil perhitungan arus hubung singkat tiga phasa ke tanah maka penelitian ini memilih menggunakan metoda pentanahan dengan tahanan rendah dimana R 0 ≥ 2 X0 dan IFG = 10 % - 25% dari I3Ө . Sehingga kita dapat menentukan nilai tahanan yang akan digunakan dengan memasukkan nilai arus nominal (In) generator = 504 A :

untuk menentukan daya Resistor :

=

P = I2. R

Vln

Maka diperoleh nilai Tahanan (R) yang digunakan = 7,21 Ω dengan daya 1,9 MW sehingga nilai Tahanan (R) yang digunakan sesuai yang ada dipasaran yaitu 7,5 Ω dengan daya 2 MW. b) Hubung Singkat Satu Phasa ke Tanah Metoda Pentanahan Menggunakan Resistansi X0 = 0.01 Ω X1 = 0.01 Ω X2 = 0.02 Ω If1Φ = 3 (3637 + j 0) / (3Zn + j(0.01 + 0.02) + 0.01) A = (10911.92 + j 0) / (3Zn + j 0,04) A Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Hubung Singkat 1 Phasa ke Tanah

KETERANGAN OHM

Zn If1Φ

SATUAN AMPERE

VOLT

7.21 503.5496078

4.2 Perhitungan Tegangan Langkah dan Tegangan sentuh Pada sistem Grid Berdasarkan hasil perancangan didapatkan parameter sebagai berikut :

Gambar 4.1 Layout Sistem Grounding Grid

Grounding

Panjang = 40 meter Lebar = 30 meter Tahanan jenis Tanah = 2500 Ohm-meter 4.2.1 Tahanan Jenis Tanah Dari tabel data tahanan jenis tanah di dapatkan data tahanan jenis tanah adalah 2500 Ohm-meter dan nilai a = 10 meter. a = Jarak antara batang elektroda yang dekat R = Besar Tahanan yang terukur.

Dari persamaan diatas maka di dapatkan nilai R = 29,87 Ohm, sehingga tahanan jenis tanah = 2500 Ohm-meter. 4.2.2 Jumlah Batang Pentanahan Yang Diperlukan Untuk menghitung jumlah batang pentanahan yang diperlukan maka kita harus menghitung kerapatan arus yang diizinkan pada permukaan batang pentanahan dapat dihitung menggunakan persamaan : i = 3,14 x 10-5 d

ᵟᶿ

di mana : i = kerapatan arus yang diizinkan (amp/cm) d = diameter batang pentanahan (mm) = 20 mm (diambil)

ᵟ = panas spesifik rata-rata tanah (kurang lebih 1,75 x 106 watt-

detik tiap

m3 Ө = kenaikan

suhu tanah yang diizinkan (oC) = 50oC (diambil)

ρ = tahanan jenis tanah (Ohm-meter) t = lama waktu gangguan = 0,75 detik Maka kerapatan arus = 0,135 amp/cm Jadi bila arus gangguan 503,54 Amper maka jumlah batang pentanahan minimum dengan panjang 3,5 meter : ℎ

=

=

,

,

,

= 11

4.2.3 Tegangan Sentuh Yang Diizinkan Tegangan sentuh yang yang diizinkan dapat dihitung dengan menghitung nilai arus fibrilasi :

a) Arus Fibrilasi Data yang diperlukan untuk menghitung arus fibrilasi adalah sebagai berikut : t

= 0,75 detik

K50 = 0,116

diperoleh arus fibrilasi = 0,134 Amp Maka untuk menghitung tegangan sentuh diperlukan data: Ik = 0.134 A Rk = Tahanan Badan Manusia = 1000 Ohm/meter. ρs = 2500 ohm-m Maka didapat tegangan sentuh yang diizinkan : Es = (Rk + Rf/2) Ik = (1000 + 3

)0,134

= 636,5 Volt 4.2.4 Tegangan Langkah Yang Diizinkan Dengan menggunakan rangkaian pengganti dapat ditentukan tegangan langkah sebagai berikut :

Maka tegangan langkah yang diizinkan = 2428,78 volt 4.3 Simulasi Hubung Singkat Generator Menggunakan ETAP 7 a) Hubung Singkat Tiga Phasa ke Tanah Dengan menggunakan ETAP 7 dan memasukkan parameter-parameter generator yang diperlukan dan menentukan titik gangguan pada Bus 203-2 maka di dapatkan gangguan hubung singkat tiga phasa sebagai berikut :

Gambar 4.2 Simulasi Hubung Singkat 3 Phasa ETAP 7 Tabel 4.3 Simulasi Hubung Singkat 3 Phasa ke Tanah

b) Hubung Singkat Satu Phasa ke Tanah Menggunakan Resistansi

Gambar 4.3 Simulasi Hubung Singkat 1 Phasa ETAP 7

Setelah menentukan titik gangguan yaitu pada Bus 203-2, maka simulasi dijalankan untuk mengetahui besar nilai gangguan satu phasa ke tanah seperti pada Gambar 4.3. Tabel 4.4 Simulasi Hubung Singkat 3 Phasa ke Tanah

4.4 Simulasi Tegangan Sentuh dan Tegangan Langkah Titik Gangguan Bus 203-2 Menggunakan ETAP 7 a) Setelah memasukkan data luas pembangkit dan banyaknya konduktor yang akan dipasang maka akan muncul design grounding grid pada pembangkit sebagai berikut:

Gambar 4.4 Design Grounding Grid menggunakan ETAP 7

b) Setelah semua data-data telah dimasukkan maka akan dilakukan simulasi grounding grid calculation. Dari simulasi didapatkan nilai tegangan sentuh sebenarnya = 225,3 Volt sedangkan nilai tegangan sentuh yang diizinkan = 730,5 Volt, nilai tegangan langkah sebenarnya = 102,6 Volt sedangkan nilai langkah yang diizinkan = 2429,7 Volt.

Gambar 4.5 Hasil Simulasi Tegangan Langkah dan Tegangan Sentuh

4.5 Simulasi Tegangan Sentuh dan Tegangan Langkah Titik Gangguan Bus 20 kV Menggunakan ETAP 7 a) Setelah memasukkan data luas pembangkit dan banyaknya konduktor yang akan dipasang maka akan muncul design grounding grid pada pembangkit sebagai berikut:

Gambar 4.6 Design Grounding Grid menggunakan ETAP 7

b) Setelah semua data-data telah dimasukkan maka akan dilakukan simulasi grounding grid calculation. Dari simulasi didapatkan nilai tegangan sentuh sebenarnya = 225,3 Volt sedangkan nilai tegangan sentuh yang diizinkan = 730,5 Volt, nilai tegangan langkah sebenarnya = 102,6 Volt sedangkan nilai langkah yang diizinkan = 2429,7 Volt.

Gambar 4.7 Hasil Simulasi Tegangan Langkah dan Tegangan Sentuh

BAB V PENUTUP 5.1 KESIMPULAN 1. Dalam penelitian ini diperoleh nilai If3Φ = 4,64 kA dan If1Φ = 546 A. 2. Jenis pentanahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pentanahan netral dengan menggunakan tahanan sebesar 7,5 Ω dengan daya 2 MW. 3. Dalam penelitian ini diperoleh Es sebenarnya = 225,3 Volt lebih kecil dari nilai Es yang diizinkan = 730,5 Volt dan El yang sebenarnya = 102,6 Volt lebih kecil dari nilai El yang diizinkan = 2429,7 Volt. Dengan demikian design pentanahan yang dilakukan telah memenuhi persyaratan. 4. Tegangan Langkah dan tegangan sentuh yang disimulasikan pada 2 titik gangguan yaitu pada bus 203-2 dan bus 20 kV mempunyai nilai besaran tegangan yang diizinkan adalah sama, sedangkan nilai tegangan sentuh yang sebenarnya pada titik gangguan bus 203-2 = 225,3 Volt, El = 102,6 Volt dan pada titik gangguan bus 20 kV Es = 184,8 Volt, El = 84,2 Volt. Terjadi perbedaan nilai tegangan sentuh dan tegangan langkah pada kedua titik gangguan yang telah ditentukan disebabkan oleh perbedaan nilai arus hubung singkat 1 phasa ke tanah pada masing-masing titik gangguan.

5.2 SARAN Penelitian mengenai pemilihan pentanahan netral generator sangat penting karena berhubungan dengan kontinuitas penyaluran daya listrik. Untuk penelitian berikutnya yang lebih sempurna maka penulis menyarankan agar semua parameter-parameter yang diperlukan lengkap sehingga dapat dengan mudah menentukan jenis pentanahan yang akan digunakan. Dalam menentukan tegangan langkah dan tegangan sentuh penulis menyarankan agar mencoba design pentanahan dengan metoda yang lain yang bisa menghemat dalam segi ekonomis karena mempengaruhi banyaknya batang konduktor yang akan terpasang.

DAFTAR PUSTAKA 1. Ir. T.S. Hutahuruk, M.E.E, Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan. Institut Teknologi Bandung & Universitas Trisakti 2. Hadi Saadat, Power System Analysis. Milwaukee School Of Engineering 3. Sasmita. 1995. Studi Pengetanahan Titik Netral Generator Sinkron. Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Nasional. Bandung. 4. Agung Triaji, Ryan. 2013. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) di PT. Saksama Cipta Daya Sindang Cai Subang . Laporan Kerja Praktek Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Nasional. Bandung. 5. Janardana, IGN. 2005. Pengaruh Umur Pada Beberapa Volume Zat Aditif Betonit Terhadap Nilai Tahanan Pentanahan. Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Universitas Udayan. Bali. 6. Tanjung, Abrar. 2010. Analisis Sistem Pentanahan Gardu Induk Bagan Batu Dengan Bentuk Konstruksi Kisi-kisi (Grid). Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Universitas Lancang Kuning.

LAMPIRAN

GAMBAR KONFIGURASI PLTMH NUA AMBON

GAMBAR PENTANAHAN TITIK NETRAL PADA PLTMH NUA AMBON

DATA GENERATOR PLTMH NUA AMBON DATA GENERATOR PLTMH NUA ITEM

Generator NUA 1 Generator NUA 2

SATUAN

DAYA AKTIF DAYA SEMU POWER FACTOR (%) POLES PUTARAN TEGANGAN PHASA-PHASA TEGANGAN PHASA-NETRAL ARUS NOMINAL X0

4.4 5.176 85 10 600 6.3 3.637 504

4.4 5.176 85 10 600 6.3 3.637 504

MW MVA %

0.02

0.02

Ω

X1

0.01

0.01

Ω

X2

0.01

0.01

Ω

Xd’’

0.072

0.072

Ω

rpm KV KV A

DATA HUBUNG SINGKAT PENTANAHAN MELALUI REAKTOR

DATA HUBUNG SINGKAT PENTANAHAN MELALUI RESISTOR

DATA HUBUNG SINGKAT PENTANAHAN SECARA LANGSUNG (SOLID)

DATA HUBUNG SINGKAT MENGGUNAKAN SISTEM GROUNDING GRID

Analisis Pemilihan Pentanahan Titik Netral Generator Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro 2 X 4,4 Mw Nua Ambon

Recommend Documents