Arrester

ARRESTER 1. Pengertian Arrester (Lightning Arrester) Arrester atau biasa juga disebut Lightning Arrester adalah suatu alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir (surge) dengan cara membatasi surja tegangan lebih yang datang dan mengalirkannya ke tanah. Dipasang pada atau dekat peralatan yang dihubungkan dari fasa konduktor ke tanah. Sesuai dengan fungsinya itu maka arrester harus dapat menahan tegangan sistem pada frekuensi 50 Hz untuk waktu yang terbatas dan harus dapat melewatkan surja arus ke tanah tanpa mengalami kerusakan pada arrester itu sendiri. Arrester berlaku sebagai jalan pintas di sekitar isolasi. Arrester membentuk jalan yang mudah untuk dilalui oleh arus kilat atau petir, sehingga tidak timbul tegangan lebih yang nilainya tinggi pada peralatan. Selain melindungi peralatan dari tegangan lebih yang diakibatkan oleh tegangan lebih eksternal, arrester juga melindungi peralatan dari tegangan lebih yang diakibatkan oleh tegangan lebih internal seperti surja hubung.Surja hubung merupakan suatu gangguan tegangan lebih yang muncul secara internal yang disebabkan oleh lepas beban (karena gangguan alam) dan fluktuasi beban. Selain itu arrester juga merupakan kunci dalam koordinasi isolasi suatu sistem tenaga listrik. Bila surja hubung datang ke gardu induk maka arrester akan bekerja melepaskan muatan listrik serta mengurangi tegangan abnormal yang mengenai peralatan dalam gardu induk. Lightning arrester bekerja pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi untuk membuang muatan listrik dari surja petir dan berhenti beroperasi pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi agar tidak terjadi arus pada tegangan operasi, dan perbandingan dua tegangan ini disebut rasio proteksi arrester. Tingkat isolasi bahan arrester harus berada di bawah tingkat isolasi bahan transformator agar apabila sampai terjadi flashover, maka flashover diharapkan terjadi pada arrester dan tidak pada transformator. 2. Prinsip kerja Arrester (L.A) Pada umumnya prinsip kerja arrester cukup sederhana yaitu membentuk jalan yang mudah dilalui oleh petir, sehingga tidak timbul tegangan yang lebih tinggi pada peralatan listrik lainnya. Pada kondisi kerja yang normal, arrester berlaku sebagai isolasi tetapi bila timbul surja akibat adanya petir maka arrester akan berlaku sebagai konduktor yang berfungsi melewatkan aliran arus yang tinggi ke tanah. Setelah tegangan surja itu hilang maka arrester harus dengan cepat kembali berlaku sebagai isolator, sehingga pemutus tenaga (PMT) tidak sempat membuka. Pada kondisi yang normal (tidak terkena petir), arus bocor arrester tidak boleh melebihi 2 mA. Apabila melebihi angka tersebut, berarti kemungkinan besar lightning arrester mengalami kerusakan. 3. Macam – macam Arrester Arrester yang umumnya diketahui terdiri dari dua jenis yaitu : 1. Arrester jenis sela batang (rod gap) 2. Arrester jenis ekspulsi (expulsion type) atau tabung pelindung (protector tube)

1|Page

3.

Arrester katup (valve type)

3.1.Arrester jenis sela batang (rod gap) Merupakan alat pemotong petir yang paling sederhana berupa batang elektroda yang diletakkan antara hantaran dan tanah. Banyak digunakan pada bushing insulator trafo, pada insulator hantaran udara beupa tanduk api (arching horn) atau ring api (arching ring) dan pemutus daya (circuit breaker). 3.2.Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung Lightning Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung ini pada prinsipnya terdiri dari sela percik yang berada dalam tabung serat dan sela percik yang berada diluar udara atau disebut juga sela seri. Prinsip kerja lightning arrester jenis ekspulsi. Bila ada tegangan surja yang tinggi sampai pada jepitan arrester,kedua sela percik, yang diluar maupun yang di dalam tabung serat, tembus seketika dan membentuk jalan penghantar dalam bentuk busur api. Jadi Arrester menjadi konduktor dengan impedansi yang rendah dan menyalurkan petir /surja dan arus daya sistem bersama- sama ke bumi. Panas yang timbul akibat mengalirnya arus petir menguapkan sedikit bahan dinding tabung serat, sehingga gas yang di timbulkan menyembur dan memedamkan api pada waktu arus susulan melewati titik nolnya.

Gambar 1. arrester jenis ekspulsi

Arus susulan dalam arrester ini dapat mencapai harga yang tunggi sekali tetapi lamanya tidak lebih dari 1 atau 2 gelombang, dan biasanya kurang dari setengah gelombang. Jadi tidak menimbulkan gangguan. Arrester jenis ekspulsi

2|Page

ini mempunyai karakteristik volt – waktu yang lebih baik dari sela batang dan dapat memutuskan arus susulan. Akan tetapi tegangan impulsnya lebih tinggi daripada arrester jenis katup. Kemampuan untuk memutuskan arus susulan tergantung dari tingkat arus hubung singkat dari sistem pada titik dimana arrester itu di pasang. Dengan demikian perlindungan dengan arrester jenis ini dipandang tidak memadai untuk perlindungan transformator daya kecuali untuk sistem distribusi. Arrester jenis ini banyak digunakan pada saluran transmisi untuk membatasi besar surja yang memasuki gardu induk.

Gambar 2. Konstruksi sebuah lightning arrester buatan Westinghouse yang menggunakan celah udara (air gap) di bagian atas

3.3.Arrester jenis katup Arrester jenis katup ini terdiri dari sela percik terbagi atau sela seri yang terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak linier. Terdiri dari beberapa sela yang tersusun dengan piringan-piringan tahanan.

3|Page

Gambar 3. Arrester jenis katup

Tahanan tersebut mempunyai sifat khusus yaitu tahanan akan turun banyak sekali bila arusnya naik dan berlangsung dalam waktu yang sangat cepat. Tegangan frekuensi dasar tidak dapat menimbulkan tembus pada sela seri.Apabila sela seri tembus pada saat tibanya suatu surja yang cukup tinggi, maka alat tersebut akan menjadi penghantar. Sela seri itu tidak dapat menimbulkan arus susulan. Dalam hal ini dibantu oleh tahanan tak linier yang mempunyai karakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arus susulan dari frekuensi dasar. Prinsip kerja Arrester jenis Katup Sela seri yang berfungsi sebagai switch apabila terjadi tegangan tinggi yang menyebabkan sparkover maka tahanan elemen sela percik turun dengan tegangannya saja, maka sela seri akan membuka, tahanannya naik kembali sehingga arus susulan dapat dibatasi. Untuk memadamkan busur api yang timbul, tahanan sela percik yang tidak linier tersebut berfungsi untuk mematikannya. Arrester jenis katup ini dibagi dalam tiga jenis yaitu : 1. Arrester katup jenis gardu (station) 2. Arrester katup jenis saluran (intermediate) 3. Arrester katup jenis gardu untuk mesin – mesin 4. Arrester katup jenis distribusi untuk mesin – mesin (distribution)

4|Page

3.3.1. Arrester katup jenis gardu

Gambar 4. Arrester katup jenis gardu

Arrester katup jenis gardu ini adalah yang paling efisien dan juga yang paling mahal. Pemakaiannya secara uumum pada gardu induk besar. Umumnya untuk melindungi alat- alat yang mahal pada rangkaian mulai pada rangkaian mulai dari 2,4 kV sampai 287 kV dan lebih tinggi lagi.

3.3.2. Arrester katup jenis saluran Arrester jenis saluran ini lebih murah dari arrester jenis gardu. Kata”saluran” disini bukanlah berarti untuk saluran transmisi.

Gambar 5. Arrester katup jenis saluran

5|Page

Seperti arrester jenis gardu, arrester jenis saluran ini dipakai untuk melindungi transformator dan pemutus daya serta dipakai pada system tegangan 15 kV sampai 69 kV. 3.3.3. Arrester katup jenis gardu untuk mesin – mesin Lightning arrester ini khusus untuk melindungi mesin-mesin berputar. Pemakaiannya untuk tegangan 2,4 kV sampai 15 kV. 3.3.4. Arrester katup jenis distribusi

Gambar 6. Arrester katup jenis distribusi

Lightning arrester jenis distribusi ini khusus untuk melindungi transformator. Arrester jenis ini dipakai pada rentang tegangan antara 120 volt sampai 69 kV. Untuk tegangan menengah yakni 2,4 kV sampai 69 kV dan untuk peralatan tegangan rendah dari 120V sampai 750V.

4. Persyaratan yang harus dipenuhi oleh Arrester a. Tegangan percikan (sparkover voltage) dan tegangan pelepasannya (discharge voltage), yaitu tegangan pada terminalnya pada waktu pelepasan, harus cukup rendah, sehingga dapat mengamankan isolasi peralatan. Tegangan percikan tersebut disebut juga tegangan gagal sela (gap breakdown voltage) sedangkan pelepasan disebut juga tegangan sisa (residual voltage) atau tegangan jatuh (voltage drop). Jatuh tegangan pada arrester = I x R Dimana I = arus arrester maksimum (A) R = tahanan arrester (Ohm) b. Arrester harus mampu memutuskan arus dinamik dan dapat bekerja terus seperti semula. Batas tegangan sistem dimana arus susulan ini masih mungkin, disebut tegangan dasar (rated voltage)

6|Page

5. Karakteristik Lightning Arrester Oleh karena arrester dipakai untuk melindungi peralatan sistem tenaga listrik maka perlu diketahui karakteristiknya sehingga arrester dapat digunakan dengan baik didalam pemakaiannya. Arrester mempumyai tiga karakteristik dasar yang penting dalam pemakainnya yaitu : 1. Tegangan rated 50 c/s yang tidak boleh dilampaui 2. Arrester mempunyai karakteristik yang dibatasi oleh tegangan (voltage limiting) bila dilalui oleh berbagai macam arus petir. 3. Batas termis Sebagaimana diketahui bahwa arrester adalah suatu peralatan tegangan yang mempunyai tegangan ratingnya. Maka jelaslah bahwa arrester tidak boleh dikenakan tegangan yang melebihi tegangan yang melebihi rating ini, baik didalam keadaan normal maupun dalam keadaan abnormal. Oleh karena itu dalam menjalankan fungsinya ia menanggung tegangan sistem normal dan tegangan lebih transiens 50 c/s. Karakteristik pembatasan tegangan impuls dari arrester adalah harga yang dapat di tahan oleh terminal ketika melakukkan arus – arus tertentu dan harga ini berubah dengan singkat baik sebelum arus mengalir maupun mulai bekerja. Untuk batas termis ialah kemampuan untuk mengalirkan arus surja dalam waktu yang lama atau terjadi berulang – ulang tanpa menaikkan suhunya.meskipun kemampuan arrester untuk menyalurkan arus sudah mencapai 65000 – 100.000 Ampere, tetapi kemampuannya untuk melakukan surja hubung terutama bila saluran menjadi panjang dan berisi tenaga besar masih rendah. Maka agar supaya tekanan stress pada isolasi dapat dibuat serendah mungkin, suatu sistem perlindungan tegangan lebih perlu memenuhi persyaratan sebagai berikut : 1. Dapat melepas tegangan lebih ketanah tanpa menyebabkan hubung singkat ke tanah (saturated ground fault) 2. Dapat memutuskan arus susulan. 3. Mempunyai tingkat perlindungan (protection level) yang rendah, artinya tegangan percikan sela dan tegangan pelepasannya rendah. 5.1. Karakteristik Lightning Arrester ideal a. Pada tegangan sistem yang normal, arrester tidak boleh bekerja. Tegangan tembus arrester pada frekuensi jala-jala harus lebih tinggi dari tegangan lebih maksimum yang mungkin terjadi pada sistem. b. Setiap gelombang transien dengan tegangan puncak yang lebih besar dari tegangan tembus arrester harus mampu mengerjakan arrester untuk mengalirkan arus ke tanah. c. Arrester harus mampu mengalirkan arus surja ke tanah tanpa merusak arrester itu sendiri dan tanpa menyebabkan tegangan pada terminal arrester lebih tinggi dari tegangan sistemnya sendiri. d. Arus tidak boleh mengalir ke tanah setelah gangguan teratasi. Arus ini harus dipotong begitu gangguan teratasi dan tegangan kembali normal.

7|Page

6. Material dari Arrester Metal Oxide Arrester. Komponen utama dari lightning arrester ini terbuat dari bahan Zinc Oxide (ZnO) , kemudian lebih dikenal dengan sebutan metal oxide surger arrester (MOA). Pada dasarnya arrester ini sama dengan arrester pendahulunya, hanya saja arrester ini tidak mempunyai komponen sel gap (Gap Less). Prinsip kerja MO Arrester Pada dasarnya metal oxide arrester ini mempunyai prinsip kerja yang sama dengan arrester jenis katup. Karena arrester MOA ini tidak memiliki tahanan sela seri, maka arrester ini sangat bergantung psa tahanan yang ada dalam arrester itu sendiri. Apabila terkena petir, tahanan arrester akan langsung turun sehingga menjadi konduktor dan mengalirkan petir ke bumi. Namun, setelah petir lewat, tahan kembali naik dan bersifat isolator.

Gambar 7. metal oxide arrester Keunggulan dari MOA adalah memiliki reaksi yang cepat dalam membumikan petir. Hal inidisebabkan arrester ini tidak memiliki sela seri. Sedangkan kekurangannya adalah akibat ketergantunnganya dengan tahanan yang ada di dalam isolator dan bekerja karena pengaruh termal, maka arrester ini harus betul-betul memperhitungkan pengaruh termalnya. Konfigurasi MO Arrester Arrester ini bekerja untuk tegangan lebih pada system distribusi dan transmisi dengan level tegangan antara Us = 24 kV dan Us = 550 kV. Hal yang terpenting adalah sebuah arrester dapat menyediakan sebuah proteksi, dan di lain hal juga dapat beroperasi secara stabil (stable continuos) yang berarti bahwa arrester mampu menangani secara jangka panjang, baik yang bersifat sementara atau tekanan secara transient yang berasal dari operasi jaringan, ketersediaan secara listrik dan termal yan stabil pada semua kondisi.

8|Page

Menghitung tegangan operasi (operating voltage) dan tegangan rating (rated voltage) Jenis Coninuous Operating Rated Voltage Voltage Netral yang diketanahkan Uc, min ≥ 1,05 Ur1 ≥ 1,25 ∙ 1,05 ∙ Netral yang diketanahkan Uc, min ≥ Us Ur1 ≥ 1,25 Us secara terpisah Pada kondisi lain untuk netral yang diketanahkan, tegangan lebih sementara dapat mencapai nilai hingga 1,4 waktu tegangan maksimum dari fasa ke bumi (kegagalan-buni faktor k ≤ 1,4) . Dapat dilihat grafik karakteristik U-t (tegangan frekuensi-daya terhadap waktu). [Volker Hinrichsen, metal oxide surge arrester fundamentals 1st edition, hal.37 fig.19] System netral yang diketanahkan : Ur2 = Utov/ Ktov

Ur = max {Ur1, Ur2} Apabila nilai Ur2 > Ur1 maka: Uc = Ur / 1,25

Memilih arus peluahan nominal (nominal discharge current) 1 500 A Under consideration

2 500 A Ur ≤ 36 kV

5 000 A Ur ≤ 132 kV

10 000 A 3 kV ≤ Ur ≤ 360 kV

20 000 A 360 kV < Ur ≤ 756 kV

Memilih kelas peluahan saluran (line discharge class) Line discharge class 1 2 3 4 5

Surge impedance of the line Z in Ω 4,9 ∙ Ur 2,4 ∙ Ur 1,3 ∙ Ur 0,8 ∙ Ur 0,5 ∙ Ur

Virtual duration of peak T in μs 2000 2000 2400 2800 3200

Charging voltage UL in kV (d.c) 3,2 ∙ Ur 3,2 ∙ Ur 2,8 ∙ Ur 2,6 ∙ Ur 2,4 ∙ Ur

Ur = rating tegangan dari contoh percobaan dalam r.m.s (kV)

9|Page

Lihat buku Volker Hinrichsen, metal oxide surge arrester fundamentals 1st edition, hal.42 fig.20. Dari grafik tersebut didapat tabel klasifikasi berikut: Line discharge class Us (kV) 1 ≤ 245 2 ≤ 300 3 ≤ 420 4 ≤ 550 5 ≤ 800 Berdasar klasifikasi diatas kia dapat menentukan diameter arrester melalui tabel klasifikasi berikut: MO resistor diameter (mm) 50 60 70 80 100 (o 2 ∙ 70 in parallel)

Line discharge class 1 and 2 2 and 3 3 and 4 4 and 5 5 and higher

Memilih dan meninjau kembali level proteksi Berdasarkan IEC-standard 60099-4, untuk dua perbedaan nilai impuls arus pensaklaran (switching current impulse): Arrester class 20 kA, LD-classes 4 and 5 10 kA, LD-class 3 10 kA, LD-class 1 and 2

switching current impulse 500 and 2000 250 and 1000 125 and 500

Memilih housing Berdasarkan IEC-standard 60099-4, housing arrester harus memenuhi persyaratan berikut: In = 10 kA and 20 kA Ur ≥ 200 Kv Test with lightning impulse voltage

Ur < 200 Kv

In ≤ 5 kA and High Lightning Duty Arresters (1 kV ≤ Us ≤ 52 kV)

1,3 ∙ lightning impulse protection level

10 | P a g e

Test with switching impulse voltage Test with powerfrequency voltage (û; duration 1 min)

1,25 ∙ switching impulse protection level

-

-

-

1,06 ∙ switching impulse protection level

0,88 ∙ lightning impulse protection level

11 | P a g e