ANALISIS SISTEM PROTEKSI PETIR (LIGHTING PERFORMANCE) PADA SUTT 150 kV 1. Pendahuluan Petir merupakan fenomena alam yang tidak dapat ditiadakan. Dalam masyarakat modern petir menjadi permasalahan yang sangat penting karena petir memiliki kemampuan untuk mengganggu dan bahkan merusak infrastruktur publik seperti sistem tenaga listrik (pembangkitan, transmisi dan distribusi), system telekomunikasi, dan peralatan elektronik. Indonesia, khususnya pulau Sulawesi berada dekat dengan garis khatulistiwa (equatorial belt) yang mendapat sinar matahari sepanjang tahun. Selain itu, Sulawesi Selatan juga dikelilingi oleh laut dan terletak pada daerah yang sangat kuat dipengaruhi oleh serta angin lokal, yakni angin darat dan angin laut, dan Samudra Indonesia. Keberadaan sinar matahari, uap air, dan pergerakan angin tersebut menimbulkan pembentukan awan petir pada hampir seluruh daerah di Sulawesi selatan yang di dalamnya terdapat jaringan transmisi 150 kV. 2. Landasan Teori a. Sebab Sebab Terjadinya Petir Petir merupakan gejala alam yang bisa dianalogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, di mana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap netral). Seperti yang sudah diketahui kapasitor adalah sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang bias menyimpan energi sesaat. Petir terjadi karena ada perbedaan potensi antara awan dan bumi. Proses terjadinya pemisahan muatan pada awan karena dia bergerak terus menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara. Petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada saat terseut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan ber muatan positif, maka petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan. Selama ini belum pernah ada ilmuan yang pernah menekuni langsung bagaimana proses terjadinya petir. Namun, para ilmuan menduga bahwa lompatan bunga api listrik yang ada pada petir terjadi karena ada beberapa tahapan yang dilalui. Beberapa tahapan yang menyebabkan terjadinya petir adalah: Tahap pemampatan muatan yang terjadi di awan (mengumpulnya uap air di awan). Terjadi loncatan muatan listrik antara awan dengan bumi Ketinggian antara permukaan atas dan permukaan bawah pada awan dapat mencapai jarak sekitar 8 km dengan temperatur bagian bawah sekitar 60 oF dan temperatur bagian
atas sekitar - 60 oF. Akibatnya, di dalam awan tersebut akan terjadi kristal-kristal es. Karena di dalam awan terdapat angin ke segala arah, maka kristal-kristal es tersebut akan saling bertumbukan dan bergesekan sehingga terpisahkan antara muatan positif dan muatan negatif. Bagian atas awan bemuatan negatif, bagiantengah bermuatan positif dan di bagian bawah berbaur antara muatan positif dan negatif. Pemisahan muatan inilah yang menjadi sebab utama terjadinya sambaran petir.
Gambar 1. Proses Pembentukan Awan Bermuatan Besar medan listrik minimal yang memungkinkan dapat menimbulkan petir adalah sekitar 1.000.000 volt per meter. Akibat kondisi tertentu, bumi yang cenderung menjadi peredam listrik statis, bisa ikut berinteraksi. Hal ini dimungkinkan jika pada suatu luasan tertentu terjadi pengkonsentrasian listrik bermuatan positif di bawah bangunan atau pohon. Apabila beda muatan antara dasar awan dengan ujung bangunan /pohon sudah mencapai batas tertentu, maka akan terjadi perpindahan listrik. Dalam kehidupan sehari-hari disebut sebagai petir menyambar bangunan/pohon. Muatan yang begitu besar akan segera menyebar ke seluruh bagian bangunan/pohon, kemudian menjalar ke tanah dan ternetralisasi pada kedalaman yang mengandung air tanah. Konsep elektrogeometri atau metode bola gelinding menghubungkan jarak sambar petir dengan arus puncaknya. Konsep ini mengatakan bahwa sebuah bola imajiner dengan ujung leader pada pusat bola menggelinding ke sebuah struktur. Semua titik kontak yang mengenai permukaan bola kemudian akan disambar petir. Metode ini didasarkan pada hipotesis berikut: a) Jika sebuah leader petir bergerak mendekati objek di permukaan bumi dan radius bola mengenai objek maka petir akan menyambar ke objek yang terdekat. b) Jarak sambar didefinisikan dari amplituda arus pada sambaran pertama. Armstrong dan Whitehead menurunkan koefisien rumus jarak sambar sebagai radius bola berdasarkan rumus Wagner dari eksperimen Paus dan Watanabe sebagai berikut: rs = 6,71 I 0,85 (m) I = arus puncak sambaran pertama [kA] Perhitungan sudut lindung dengan batang franklin konvensional didefinisikan dari rumus empirik Hasse dan Wiesinger yaitu: ℎ � ° = sin−1 (1 − � � � � � ) � ° = sudut lindung dari batang finial [˚]
htotal= tinggi struktur dan batang finial [m] rs= jarak sambar [m] Di samping proteksi konvensional seperti batang franklin, sangkar faraday, dan konsep elektrogeometri alternatif desain lainnya adalah Collection Volume Method (CVM). Metoda desain ini diusulkan oleh Dr.A.J.Eriksson. Parameter desain dari CVM ini meliputi tinggi struktur, intensifikasi medan, muatan leader, ketinggian tempat, dan kecepatan propagasi leader. Eriksson (1987) menguji validitas CVM dengan perhitungan pada berbagai tinggi struktur (10 – 200 meter) dengan parameter petir. Hubungan antara radius atraktif, tinggi struktur, dan arus puncak diturunkan menjadi persamaan: Ra = 0.84k. Ip0.74 H0.6 Ra = radius atraktif [m Ip = arus puncak [kA] b. Hari Guruh Tahunan Hari guruh adalah hari dimana guruh terdengar minimal satu kali dalam satu hari. Jumlah hari guruh yang terjadi pada suatu daerah dalam satu tahun disebut Isokreaunic Level dan disimbolkan dengan Ikl. Kerapatan sambaran petir ke tanah (ground flash density) adalah jumlah sambaran petir ke tanah yang terjadi dalam satu tahun pada suatu wilayah yang luasnya dalam satuan km. Relasi empiris antara kerapatan sambaran petir ke tanah dengan hari guruh tahunan diberikan pada Tabel 2.1. Terkait bahwa kerapatan sambaran petir ke tanah berbeda-beda untuk setiap wilayah.
Pada umumnya kerapatan sambaran petir ke tanah dirumuskan sebagai berikut: ns = (0.15 – 0.2)Ikl
Dimana: ns = kerapatan sabaran petir ke tanah [sambaran/km2- tahun] Ikl= jumlah hari guruh (Isokreaunic Level) [sambaran/km2-tahun] Untuk wilayah Indonesia sendiri dalam menentukan kerapatan sambaran petir yang terjadi, dihitung sebagai berikut: ns =0.15Ikl
Tabel 1. Relasi Empiris antara Kerapatan Sambaran Petir dan Hari Guruh Tahunan (Sumber:Hutahuruk,1991:136)
c. Tegangan Lebih Petir pada Saluran Udara Tegangan Tinggi 150 kV Tegangan lebih adalah tegangan yang hanya dapat ditahan untuk waktu terbatas. Berdasarkan sumber - sumbernya, IEC mengklasifikasikan tegangan lebih menjadi tegangan lebih petir, tegangan lebih switching dan tegangan lebih temporer Tegangan lebih petir yang terjadi pada sistem tenaga listrik disebabkan oleh dua macam sambaran, yaitu sambaran langsung dan tidak langsung. Pada saluran udara, sambaran langsung tersebut dapat mengenai kawat fasa, kawat tanah, dan menara, sedangkan sambaran tidak langsung adalah sambaran ke tanah yang berada didekat saluran udara. Untuk saluran transmisi seperti SUTT 150 kV, dampak sambaran tidak langsung dapat diabaikan d. Sambaran Langsung • Sambaran pada Kawat Fasa Jika sambaran tersebut mengenai kawat fasa pada suatu titik maka akan muncul gelombang berjalan ke dua arah yang berlawanan pada saluran tersebut. Tegangan yang terjadi pada suatu titik di saluran akan dibaca oleh isolator sebagai berikut: V=
�. � �
(6)
Impedansi surja kawat fasa dapat ditentukan dari persamaan berikut ini [Hileman]: Z = √�0 . � �1 Dengan :
(7)
�
Z0 = √� Z0= impedansi surja natural
(8)
�1� =
2 ℎ�
60ln
(9) �
Ω
hf= Jarak rata-rata kawat fasa ke tanah (m) R = Jari-jari efektif kawat fasa dipengaruhi korona (m)
Gambar 2. Sambaran Langsung pada Kawat Fasa Tabel 2. Nilai Z0 menurut IEC Publication 71-2
• Sambaran Pada Menara Tegangan lebih yang timbul pada menara akibat terkena sambaran petir akan dibaca oleh isolator sebagai berikut: dl V = I . R + L dt R = tahanan kaki menara (tower footing resistance) Menurut GUIDELINES dari IEEE tahanan kaki menara dianggap konstan sedangkan menurut CIGRE tahanan dipengaruhi juga oleh ionisasi tanah. Menara dapat direpresentasikan sebagai impedansi surja atau induktansi. Tegangan lebih yang terjadi pada menara sebagai impedansi surja berbanding lurus dengan arus puncak, sedangkan pada menara sebagai induktansi tegangan lebih berbanding lurus dengan kecuraman arus.Impedansi surja menara diturunkan dari bentuk geometri menara. Menurut Sargent dan Darveniza, impedansi surja menara ZT tipe kerucut adalah seperti pada gambar a di bawah ini:
Gambar 3. Penampang Menara Transmisi untuk Menghitung Impedansi Surja Menara
(hutahuruk, 1991:144) Induktansi menara dapat diperoleh dari:
Gambar 4. Menara[12] •
Kurva Induktansi Gambar 5. Sambaran Langsung pada
Menara Transmisi
Sambaran pada Kawat Tanah • Jika kawat tanah disambar petir, sebagian arus yang muncul akan mengalir ke menara. Tegangan yang timbul pada menara adalah: dI VM = I .R + L
dI/dt = kecuraman arus puncak L = induktansi menara R = tahanan kaki menara
[kA/µs] [µH] [Ω]
Besar tegangan lebih yang timbul pada isolator adalah: V = k . VM k = faktor kopling kawat tanah dan kawat fasa [m] hg = tinggi kawat tanah rata-rata = h – h = tinggi menara s = sag kawat tanah
3. PEMBAHASAN a. Perhitungan metode bola
[m] [m] [m]
jari-jari jarak sambar dengan gelinding.
Konsep Elektrogeometrik Metode ini didasarkan pada hipotesis berikut: a. Jika sebuah leader petir bergerak mendekati objek di permukaan bumi dan radius bola mengenai objek maka petir akan menyambar ke objek yang terdekat. b. Jarak sambar didefinisikan dari amplituda arus pada sambaran pertama. Armstrong dan Whitehead menurunkan koefisien rumus jarak sambar sebagai radius bola berdasarkan rumus Wagner dari eksperimen Paus dan Watanabe sebagai berikut: rs = 6,71 I 0,85 (m)
I = arus puncak sambaran pertama [kA] r = jari- jari bola gelinding merupakan jarak sambar ujung lidah petir ke obyek diatas tanah. Dimana : I = Probabiliti arus puncak pada tabel sebesar 18 kA Maka didapat jari-jari sebesar r = 78 meter
b. Penentuan Tegangan Lebih Pada SUTT 150 kV Sambaran pada Kawat Fasa Jika sambaran tersebut mengenai kawat fasa pada suatu titik maka akan muncul gelombang
berjalan ke dua arah yang berlawanan pada saluran tersebut. Tegangan yang terjadi pada suatu titik di saluran akan dibaca oleh isolator sebagai berikut:
Tegangan Lebih Akibat Sambaran Petir Jika I puncak digunakan 50% positif pada tabel.= 18KA Dimana impedansi sambaran sesuai diagram Z= 0.5422 Ω � . � (0 , 5422)Ω . (18)�� V= 2 = = 4879.8 kV [8] 2 Tegangan lebih yang timbul sebesar 4879.8 kV jauh melebihi CFO / V BIL sebesar = 750 kV, perlu diingat bahwa arus 18 kA merupakan probabilitas 50% hal ini menunjukkan bahwa tidak saja arus sebesar 18 kA atau lebih yang akan menyebabkan flashover melainkan hampir setiap sambaran langsung ke kawat fasa akan menimbulkan flashover. Tegangan lebih akibat sambaran langsung ke menara (tower). �� VL = I x RE+L + VM VL = 6 x 1 + 40 x 20 + 115 = 921 kV Dari hasil perhitungan di atas diketahui bahwa BIL pada rate tegangan 150 kV pada tabel adalah 500 kV, sedangkan tegangan lebih akibat sambaran langsung ke menara, sebesar = 921 kV c.Sambaran Kawat Tanah Jumlah Sambaran Petir pada Transmisi Hantaran Udara, dari data yang telah di rangkum maka, dapat diketahui kerapatan petir dengan persamaan berikut : Untuk, ht = 35.5m Jika kawat tanah disambar petir maka arus tersebut sebagian akan dialirkan ke menara. � Tegangan yang terjadi pada menara adalah:� = �. � + � �� [kV Besar tegangan lebih yang timbul pada isolator adalah: � = �. �� [kV] Untuk saluran udara 150 kV eksisting, bila terjadi sambaran langsung ke kawat tanah:I=40 kA(50%) di/dt=30 kA/µs (50%) µH/m
Dengan tinggi menarah = 35.5 m, sag kawat tanah s =4,576 m, dan sag kawat fasa = 5,4m maka tinggi rata-rata kawat tanah dan fasa sebagai berikut : hg=h – 0.667s =35.5–0.667x4.576= 32.45 m hR= h – 0.667s= 30.73– 0.667x5.4=27.13 m hS =h – 0.667s =26.03– 0.667x5.4 =22.43 m jadi, dapat diketahui: ns = (0.15)Ikl {0.0133(17,73 + 2.32,45)+ 0.1sg}[2] (0.15)Ikl {0.0133(82.63)+ 0.1} (0.15)Ikl {1.198979} 0.17984685 [sambaran/ km2- tahun]
d.
Perbaikan sudut perlindungan terhadap sambaran petir Dengan memilih beberapa metode yang digunakan ialah Cone protection methode (desain eksisting) dan Rolling sphere methode (perbaikan desain). a.Cone protection methode (desain eksisting) Metode ini digunakan untuk memudahkan dalam menentukan sudutp roteksi yang baik, dalam menentukan besar sudut yang mampu memberikan perlindungan yang baik terhadap gangguan khususnya pada gangguan sambaran petir, dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 11. Sudut Desain Eksisting
Dengan demikian kita dapat melihat sudut proteksi pada menara transmisi SUTT 150 kV pada gambar di bawah ini
Gambar 12. Sudut Proteksi pada Menara 150 kV Dapat diperhatikan pada gambar 4.17, terlihat pada menara masuk pada daerah proteksi. Maka, perlu dilakukan peninjauan perbaikan sudut proteksi dengan menggunakan metode yang lain, apabila terjadi sambaran petir maka dapat dipastikan sistim dengan aman. b. Rolling sphere methode (perbaikan desain) Konsep elektrogeometri atau metode bola gelinding menghubungkan jarak sambar petir dengan arus puncaknya. Konsep ini mengatakan bahwa sebuah bola imajiner dengan ujung leader pada pusat bola menggelinding kesebuah struktur. Semua titik kontak yang mengenai permukaan bola kemudian akan disambar petir. Dimana metode ini sangat memudahkan dalam menentukan desain proteksi petir yang handal. Berikut ini adalah gambar dari menara SUTT 150 kV dengan menggunakan Rolling sphere methode.
4. KESIMPULAN Dari hasil analisis diperoleh, bahwa ketinggian menara saluran udara tegangan tinggi berpengaruh terhadap gangguan yang terjadi akibat sambaran petir. Dari hasil analisis diperoleh, bahwa metode desain eksisting (Cone protection method) sangat baik digunakan untuk perlindungan sambaran petir sedangan metode perbaikan desain (Rolling sphere method) lebih baik lagi karena lebih andal dalam melindungi sambaran petir pada saluran transmisi 150 kV Gangguan akibat sambaran petir tidak dapat untuk ditiadakan melainkan dapat dikurangi gangguan akibat sambaran petir dengan menggunkan peralatan pelindung tambahan 5. Sumber refrensi http://journal.unhas.ac.id/index.php di akses pada 28 september 2013 19.00
