BAB 2 DASAR TEORI II.1 Petir
II.1.1 Awan bermuatan Petir merupakan fenomena alam yang terjadi di seluruh bumi, terutama pada daerah tropis. Petir berasal dari awan cumulonimbus yang naik dalam arah vertikal dan memiliki muatan listrik sehingga memunculkan beda potensial antara awan dengan permukaan bumi. Pembentukan awan ini terjadi karena adanya: 1. Aliran udara naik (updraft); terjadi akibat penyinaran matahari ke permukaan bumi 2. Partikel aerosol; berasal dari polutan industri, garam laut, ataupun partikel higroskopis lainnya seperti yang muncul dari kebakaran hutan 3. Kelembapan udara; partikel aerosol yang naik ke atas menyerap air yang ada di udara dan pada tinggi tertentu menurun temperaturnya dan mengkristal menjadi kristal es dalam awan. Karena massa jenis yang lebih besar, kristal es ini turun ke lapisan bawah awan dan menumbuk uap air yang naik. Akibatnya, sebagian kristal memiliki muatan positif dan sebagian lagi menjadi bermuatan negatif. Kristal tersebut kemudian mengelompok dan membentuk awan bermuatan. Muatan positif biasanya terletak pada permukaan atas sedangkan muatan negatif dibawahnya.
2.1 Cumulonimbus terbentuk
2.2 Muatan terdistribusi 7
II.1.2 Mekanisme sambaran petir Petir adalah mekanisme pelepasan muatan listrik di udara yang dapat terjadi di dalam awan, antara awan, awan dengan udara, dan antara awan dengan tanah. Antar awan dan permukaan bumi dapat digambarkan sebagai dua keping pelat bermuatan. Pada saat gradien listrik telah melebihi harga tembus udara, muncullah pilot streamer yang menentukan arah perambatan muatan awan ke udara yang ionisasinya rendah, mencari jumlah muatan lawan yang cukup. Muatan lawan tersebut kemudian akan terionisasi menuju pilot leader. Saat kedua aliran ini bertemu, terbentuk kanal dan terjadi discharge muatan.
2.3 Tahapan sambaran petir ke tanah Titik bertemunya kedua aliran yang berbeda muatan ini disebut titik pukul (striking point) Gambar 2.3.c. Sesaat setelah itu terjadi perpindahan muatan dari tanah ke awan melalui sambaran balik (return stroke). Perpindahan muatan dari awan ke tanah akan kembali memunculkan beda potensial yang tinggi antara pusat muatan di awan - Gambar 2.3.d. Akibatnya, terjadi pelepasan muatan susulan atau yang disebut pelepasan muatan berulang (multiple stroke).
II.1.3 Parameter petir Beberapa parameter petir yang penting adalah : arus puncak, I [kA], bentuk gelombang petir,
tf, tp, th [s], sambaran berulang, n , kecuraman arus, di/dt [kA/s], muatan arus, Q = I.dt , 8
integral kuadrat arus, E =
I .dt , kecepatan arus sambaran balik, v , dan kerapatan sambaran 2
petir ke tanah, Ng. Parameter petir tersebut dinyatakan dalam fungsi distribusi frekuensi. Menurut Berger, yang diadopsi menjadi standar oleh CIGRE Working Group tahun 1991, fungsi distribusi frekuensi dari semua parameter petir dapat didekati dalam bentuk distribusi lognormal, yaitu:
1
f (x)
2x
1 ln( x / M ) e 2
2
dengan M adalah median (nilai tengah) dan adalah log dari standar deviasi. Median adalah statistik 50/50 dimana 50% pengamatan adalah diatas median dan 50% dibawahnya. a. Arus Puncak Arus puncak petir (peak current) yang dimaksud adalah arus puncak dari sambaran balik (return stroke). Arus puncak dibedakan dari polaritasnya, negatif atau positif, dan juga dibedakan dari sambaran pertama (first stroke) atau sambaran susulannya (subsequent strokes). Besar arus puncak ini dinyatakan dalam probabilitas kumulatif:
P( I )
1
1 I 31
2 .6
b. Bentuk gelombang petir Surja petir adalah bentuk gelombang petir berdasarkan fungsi waktu. Petir mencapai amplitudo yang sangat tinggi orde kiloampere dalam waktu yang sangat singkat orde mikrodetik. Menurut IEC 60-2.73, surja petir untuk tegangan adalah 1.2/50 us dan untuk arus 8/20 us.
9
2.4 Surja Arus dan Tegangan Petir menurut IEC tf adalah waktu muka, untuk tegangan 1,2 s dan arus 8 s. th adalah waktu ekor atau waktu mencapai setengah arus puncak, untuk tegangan 50 s dan arus 20 s. c. Sambaran berulang Multiple strokes adalah statistik jumlah sambaran yang terjadi dalam satu kilat yang sama. Sambaran susulan terjadi dalam kanal yang sama ataupun berbeda. d. Kecuraman arus Rate of rise of current adalah laju perubahan arus tehadap waktu mencapai puncak. e. Muatan arus Muatan arus merupakan luas dari surja petir atau integrasi arus terhadap waktu. f.
Integral kuadrat arus Integral kuadrat arus menjadi dasar efek mekanik dan termal petir.
g. Kecepatan arus sambaran balik
10
Para peneliti mencoba menurunkan hubungan antara arus puncak dengan kecepatan arus sambaran balik. Menurut Rusck, kecepatan arus sambaran balik:
v
1 1 500 / I
h. Kerapatan sambaran petir ke tanah Ground flash density dapat diturunkan dari jumlah rata-rata hari guruh (thunderstorm days) per tahun, yaitu: Ng = a.THDb Hari guruh adalah hari dimana guruh terdengar minimal satu kali dalam 24 jam. Seiring dengan kemajuan teknologi, cara lain untuk mendapatkan kerapatan sambaran petir adalah dengan menggunakan alat pendeteksi petir, seperti LLS/LDN dan lightning flash counter. Melalui pengumpulan data jumlah sambaran petir pada suatu daerah selama selang waktu tertentu, kemudian dibuat peta kerapatan sambaran petir pada daerah tersebut.
II.1.4 Pemodelan jarak sambar 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.
2.5 Konsep Elektrogeometri 11
Metode ini didasarkan pada hipotesis berikut:
Jika sebuah leader petir bergerak mendekati objek di permukaan bumi dan radius bola mengenai objek maka petir akan menyambar ke objek yang terdekat.
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:
o Sin 1 1
htotal rs
o = sudut lindung dari batang finial [o] 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) menguju validitas CVM dengan perhitungan pada berbagai tinggi struktur (10 – 200 meter) dengan parameter petir. Hubungan antara radius atraktif, tinggi struktur, dan arus puncak diturnkan menjadi persamaan: Ra = 0.84k. Ip0.74 H0.6 Ra = radius atraktif [m] Ip = arus puncak [kA] H = tinggi struktur [m] k = faktor lokal
12
II.2 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.
II.2.1 Sambaran Langsung a. 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
Zc.I 2
Impedansi surja kawat fasa dapat ditentukan dari persamaan berikut ini [Hileman]:
Z c Z 0 Z c1 Dengan :
Z0
L C
Z0 = impedansi surja natural
Z c1 60 ln
2h f R
hf = Jarak rata-rata kawat fasa ke tanah (m) R = Jari-jari efektif kawat fasa dipengaruhi korona (m)
13
Tabel 2.1 Nilai Z0 menurut IEC Publication 71-2 Jumlah Subkonduktor
Z0 yang diasumsikan (Ω)
1
450
2
350
3 atau 4
320
6 atau 8
300
b. Sambaran pada Menara Tegangan lebih yang timbul pada menara akibat terkena sambaran petir akan dibaca oleh isolator sebagai berikut:
V I .R L
dI 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:
14
2r h h 2r
2r
b
2r
Z t = 30 ln
2 (h2+r2) r2
Zt = 1/2 ( zs + zm ) Z S = 60 ln ( h/r ) + 90 ( r/h ) - 60 Z m = 60 ln ( h/b ) + 90 ( b/h ) - 60
(a)
(b)
Zt = 60
2h ln 2 r 1
(c)
2.6 Penampang Menara Transmisi Untuk Menghitung Impedansi Surja Menara Induktansi menara didapatkan dari:
Effective Tower Inductance per Meter of Length as Function of Tower Surge Impedance and Tower Footing Resistance1 Anderson, J.G., Chapter 12: Lightning Performance of Transmission Line, Transmission Line Reference Book, 345 kV and Above, 2nd ed., Palo Alto, California: Electric Power Research Institute, 1982 1
15
c. Sambaran pada Kawat Tanah Jika kawat tanah disambar petir, sebagian arus yang muncul akan mengalir ke menara. Tegangan yang timbul pada menara adalah:
V M I .R L
dI dt
dI/dt = kecuraman arus puncak L
= induktansi menara
R
= tahanan kaki menara
[kA/s] [H] []
Besar tegangan lebih yang timbul pada isolator adalah :
V k.VM k
= faktor kopling kawat tanah dan kawat fasa
hg
= tinggi kawat tanah rata-rata = h – 2/3 s
[m]
h
= tinggi menara
[m]
s
= sag kawat tanah
[m]
Untuk menghitung faktor kopling (k), terlebih dahulu dihitung impedansi surja bersama (mutual surge impedance) dari kawat tanah seperti pada gambar 2.7, yaitu:
x
#1
a13 a12 #2 a23 #3
KAWAT TANAH
af3
a12 a f 2
b KAWAT FASA
hF yF 2 hF
b13 b12
bf 1 b
f2
bf 3
2 yF
TANAH
KAWAT FASA BAYANGAN
KAWAT TANAH BAYANGAN
2.7 Bayang-Bayang Kawat Transmisi 16
1. Impedansi Surja Bersama Mutual surge impedance tidak dipengaruhi korona dapat dinyatakan dengan :
Z f 1 60 ln Z f 3 60 ln
bf 1 af1 bf 3
bf 2 af2
af3
Z12 Z 23 60 ln
Z f 2 60 ln
b12 a12
Z13 60 ln
b13 a13
2. Impedansi Surja Sendiri Kawat Tanah Pada saat terjadi korona, jari efektif kawat tanah akan bertambah. Hal ini berpengaruh terhadap impedansi surja sendiri kawat tanah. Setelah dipengaruhi korona, impedansi surja sendiri kawat tanah dapat dinyatakan dengan :
Z11 Z 22 Z 33 60 ln
2 hF 2 hF ln R0 r
r = jari-jari kawat tanah (m) R0 = jari-jari efektif kawat tanah dipengaruhi korona (m) Jumlah kawat tanah mempengaruhi harga impedansi surja ekivalen kawat tanah (Zg) dan faktor kopling (k). Persamaan Zg dan k untuk berbagai jumah kawat tanah didapat sebagai berikut : 1. Satu kawat tanah Untuk hantaran dengan satu kawat tanah (kawat tanah #1 dan #3 pada Gambar 2.6 dianggap tidak ada),
Z g Z 22
k
Zf2 Z 22
2. Dua kawat tanah Untuk hantaran dengan dua kawat tanah (kawat tanah #2 pada Gambar 2.6 dianggap tidak ada), 17
Zg
k
Z11 Z13 2
Z f1 Z f 3 Z 11 Z 13
3. Tiga kawat tanah Untuk hantaran dengan tiga kawat tanah,
Zg k
Z11 2 Z11Z13 2( Z12 ) 2 3Z11 4 Z12 Z13
Z11 Z f 1 Z f 2 Z f 3 Z12 Z f 1 Z f 2 Z f 3 Z13Z f 2
Z11 2 Z11Z13 2Z12 2
Jika tegangan lebih V yang muncul pada tiap-tiap kejadian diatas melebihi ketahanan isolator (CFO isolator) maka akan terjadi lewat denyar (flash over) pada isolator. Untuk sambaran pada menara atau pada kawat tanah biasanya disebut lewat denyar balik (back flash over).
II.2.2 Tingkat Isolasi Saluran Udara Tegangan Tinggi dan Gardu Induk Bagian yang paling rentan dari saluran udara adalah piringan isolator. Sambaran petir yang terjadi baik pada kawat fasa, menara, maupun kawat tanah berpotensi menimbulkan flash over atau back flash over jika isolator tidak mampu menahan tegangan lebih yang muncul. Saluran udara dibangun dengan bermacam-macam konstruksi dan isolator biasanya terdiri dari berbagai jenis material isolasi dengan kekuatan yang berbeda-beda. Faktor-faktor yang mempengaruhi jumlah flash over pada isolator di antaranya: a. Kondisi atmosfer; misalnya kelembapan udara, curah hujan, kontaminan b. Polaritas dan laju perubahan tegangan lebih c. Faktor fisik; misalnya bentuk isolator, bahan konduktifnya, konfigurasi Kekuatan material isolasi terhadap tegangan lebih dinyatakan sebagai Tingkat Isolasi Dasar/TID (Basic Insulation Level/BIL). Besar BIL menggambarkan besar tegangan impuls maksimum yang dapat diberikan pada material isolasi sehingga material akan tahan dengan probabilitas 90%. 18
Untuk isolator digunakan ukuran ketahanan yang berbeda dari BIL. Ukuran ini adalah tegangan Critical Flash Over. CFO berarti besar tegangan impuls petir maksimum dengan probabilitas ketahanan isolator sama dengan 50%. Kombinasi dan konfigurasi isolator pada saluran udara akan memberikan nilai CFO yang berbeda-beda. Dalam perhitungan analisis digunakan CFO yang terkecil. Kurva V-t dan koordinasi isolasi peralatan adalah sebagai berikut :
19
2.8 Kurva V-t Peralatan Gardu induk adalah suatu instalasi listrik yang berfungsi untuk menerima dan menyalurkan tenaga listrik melalui sistem tegangan ekstra tinggi, tegangan tinggi, atau tegangan menengah. Peralatan utama yang ada dalam suatu gardu induk adalah : 1. Trafo a. Trafo daya b. Trafo instrumen/pengukuran c. Trafo arus (CT) d. Trafo tegangan (PT) 2. Pemutus Tenaga (PMT/CB) 3. Pemisah (PMS/DS) 4. Rel daya (busbar) 5. Isolator 6. Lightning arrester
20
7. Reaktor (XL) 8. Static Capacitor (SC) 9. Peralatan sistem pentanahan (grounding) 10. Peralatan komunikasi (PLC/JWOTS) Pada gardu induk sebagian besar peralatan seperti trafo, circuit breaker, pemisah, trafo arus, dan trafo tegangan dirancang dengan tingkat isolasi dasar yang sama. Namun, trafo biasanya memiliki tingkat isolasi yang lebih rendah karena alasan ekonomis dan umumnya telah dilengkapi dengan lightning arrester. II.3 Proteksi SUTT dan Gardu Induk 150 kV terhadap Petir Pada sistem transmisi tegangan tinggi khususnya sistem 150 kV petir merupakan penyebab utama timbulnya tegangan lebih. Tegangan lebih petir digolongkan menjadi tegangan lebih akibat sambaran langsung dan akibat sambaran tidak langsung. Pada sistem transmisi tegangan tinggi 150 kV keberadaan saluran udara tegangan tinggi (SUTT) dan gardu induk di tempat lapang dan terbuka memudahkan petir menyambar langsung pada struktur. Oleh sebab itu, sambaran langsung berpengaruh besar terhadap kinerja SUTT 150 kV. Untuk sambaran petir tidak langsung pada dasarnya akan berdampak pada timbulnya tegangan induksi elektromagnetik di kawat fasa maupun kawat tanah. Namun, pada SUTT tegangan induksi ini sedikit lebih rendah dari tegangan sistem sehingga pengaruhnya dapat diabaikan.
2.9 Topologi sambaran pada saluran udara
21
Catatan : 1. sambaran petir pada jarak y = 0 < y < ymin adalah sambaran langsung 2. sambaran petir pada jarak ymin < y < ymax adalah sambaran tidak langsung (induksi) 3. sambaran petir pada jarak y > ymax tidak mempengaruhi saluran tersebut Unjuk kerja saluran udara terhadap petir (lightning performance) merupakan suatu ukuran kinerja sistem yang dinyatakan dengan angka jumlah gangguan, didefinisikan sebagai jumlah gangguan akibat sambaran petir yang terjadi pada saluran udara per 100 km panjang saluran per tahun. Jumlah gangguan tersebut didekati dengan flash over rate (FOR) dengan asumsi satu gangguan adalah satu kali flash over terjadi pada isolator. Jadi, lightning performance (LP):
LP FOR Parameter yang mempengaruhi FOR adalah : Data petir Kerapatan sambaran petir (Ng) Distribusi arus puncak f(I) Distribusi waktu muka surja petir f(tf) Distribusi kecuraman arus f(Sm dI/dtf) Data saluran Isolator CFO, BIL kawat fasa, kawat tanah, dan menara : konfigurasi, geometri, konstruksi, dimensi Topografi saluran dan sistem pentanahan Line arrester Dengan mengetahui jumlah gangguan maka perbaikan lightning performance (LP) dapat dilakukan dengan menganalisis parameter-parameter sistem proteksi tegangan lebih petir. Usulan rancangan sistem proteksi petir untuk memperbaiki LP memuat perbandingan sistem di mana angka FOR sistem baru lebih kecil daripada FOR dengan kondisi eksisting. Rancangan tersebut di antaranya adalah perbaikan sudut lindung, CFO isolator, dan besar impedansi pentanahan menara. Selain itu, proteksi eksternal dengan metode CVM dapat dilakukan untuk mendapat proteksi tambahan.
22
Pada gardu induk proteksi terhadap tegangan lebih petir merupakan proteksi dari gelombang berjalan yang mengalir dari saluran menuju gardu induk.
II.3.1 Unjuk kerja saluran udara terhadap sambaran langsung Unjuk kerja saluran udara terhadap sambaran langsung, selanjutnya disebut lightning performance (LP), diturunkan dari kerapatan sambaran petir ke tanah. Sambaran petir ke tanah pada suatu luas daerah berpotensi mengenai suatu struktur di dalam daerah tersebut. Sambaran petir ke tanah yang mungkin mengenai sebuah struktur ditentukan dengan mengetahui daerah bayang-bayang struktur tersebut. Daerah bayang-bayang dari saluran udara diilustrasikan sebagai berikut :
2.10 Daerah bayang-bayang
2.11 Tampak samping Menurut rekomendasi CIGRE :
NL N g (
28h0.6 d ) 10
NL = sambaran yang mungkin mengenai struktur
[sambaran/100km/tahun] 23
Ng = Number Flash to Ground / kerapatan sambaran petir
[sambaran/km2/tahun]
h
= tinggi struktur
[m]
d
= lebar struktur = 2b
[m]
Ketika sambaran petir mengenai kawat fasa, hal ini menunjukkan kegagalan perlindungan dari kawat tanah. Pada arus petir cukup besar terjadi flash over pada isolator karena isolator tidak dapat menahan tegangan lebih yang muncul. Jumlah flash over yang terjadi dalam kasus ini disebut shielding failure flash over rate (SFFOR), yang besarnya:
SFFOR N L Xs. f ( I ).dI N L . Xs.P( I c ) Ic
Xs = lebar daerah akibat kawat fasa yang terekspose dan tidak terlindungi oleh kawat tanah f(I) = fungsi distribusi kumulatif arus petir P(Ic) = probabilitas arus puncak yang menyebabkan flash over pada arus kritis Ic
24
2.12 Lebar Daerah Tak Terlindung Jika sambaran petir mengenai kawat tanah atau menara, flashover yang terjadi disebut back flashover yang besarnya:
NC = jumlah kawat fasa t = waktu pada fasa i dominan Pi = probabilitas arus puncak melebihi harga kritis BFO Jadi, lightning performance saluran udara terhadap petir akan terhitung sebagai: FOR = SFFOR + BFOR
II.3.2 Perlindungan Gardu Induk dengan Lightning Arrester Tingkat pengenal dari sebuah lightning arrester dinyatakan sebagai berikut: 1. Tegangan nominal atau tegangan pengenal (UA) (Nominal Voltage Arrester) Adalah tegangan dimana lightning arrester masih dapat bekerja sesuai dengan karakterisiknya. Lightning arrester tidak dapat bekerja pada tegangan maksimum sistem yang direncanakan, tetapi masih tetap mampu memutuskan arus ikutan dari sistem secara efektif. 25
Lightning arrester umumnya tidak dapat bekerja jika ada gangguan fasa ke tanah di satu tempat dalam sistem, karena itu tegangan pengenal dari lightning arrester harus lebih tinggi dari tegangan fasa sehat ke tanah, jika tidak demikian maka, lightning arrester akan melalukan arus ikutan sistem yang terlalu besar yang menyebabkan lightning arrester rusak akibat beban lebih termal (thermal overloading). Untuk mengetahui tegangan maksimum yang mungkin terjadi pada fasa yang sehat ke tanah sebagai akibat gangguan satu fasa ke tanah perlu diketahui. - Tegangan sistem tertinggi (the highest system voltage), umumnya diambil harga 110 % dari harga tegangan nominal sistem. - Koefisien Pentanahan Didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan rms fasa sehat ke tanah dalam keadaan gangguan pada tempat dimana lightning arrester dipasang, dengan tegangan rms fasa ke fasa tertinggi dari sistem dalam keadaan tidak ada gangguan. Jadi, tegangan pengenal dari suatu lightning arrester (arrester rating) = Tegangan rms fasa ke fasa tertinggi x koefisien pentanahan = Tegangan rms fasa ke fasa x 1.10 x koefisien pentanahan 1. Sistem yang ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 0.8.
Lightning
arresternya disebut sebagai lightning arrester 80 %. 2. Sistem yang tidak ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 1.0. Lightning arresternya disebut sebagai penangkap 100 %. 2. Arus Pelepasan Nominal (Nominal Discharge Current) Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan untukmenentukan kelas dari lightning arrester sesuai dengan : a. kemampuannya melalukan arus b. karakteristik pelindungnya Bentuk gelombang arus pelepasan tersebut adalah : - Menurut standard Inggris/Eropa (IEC) 8 s/20 s. - Menurut standard Amerika 10 s/20 s dengan kelas PP 10 kA; 2.5 kA dan 1.5 kA. a. Kelas Arus 10 kA, untuk perlindungan gardu induk yang besar dengan frekuensi sambaran petir yang cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70 kv. b. Kelas Arus 5 kA sama seperti (a), untuk tegangan sistem dibawah 70 kV.
26
c. Kelas Arus 2.5 kA, untuk gardu-gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah 22 kV, dimana pemakaian kelas 5 kA tidak lagi ekonomis. d. Kelas Arus 1.5 kA, untuk melindungi trafo-trafo kecil di daerah-daerah pedalaman. 3. Tegangan Percikan Frekuensi Jala-jala (Power Frequency Spark Over Voltage) Lightning arrester tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam (interval over voltage) dengan amplituda yang rendah karena dapat membahayakan sistem. Untuk alasan ini maka ditentukan tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum. - Menurut standard Inggris (B.S) Tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum = 1.6 x tegangan pengenal lightning arrester - Menurut standard IEC Tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum = 1.5 x tegangan pengenal lightning arrester 4. Tegangan Percikan Impuls Maksimum (Maximum Impulse Spark Over Voltage) Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal lightning arrester sebelum lightning arrester tersebut bekerja. Bentuk gelombang impuls tersebut menurut IEC Publ. 60 - 2 adalah 1.2 s/50 s. Hal ini menunjukkan bahwa jika tegangan puncak surja petir yang datang mempunyai harga yang lebih tinggi atau sama dengan tegangan percikan maksimum dari lightning arrester, maka lightning arrester tersebut akan bekerja memotong surja petir tersebut dan mengalirkannya ke tanah. 5. Tegangan Sisa (Residual Discharge Voltage) Adalah tegangan yang timbul diantara terminal lightning arrester pada saat arus petir mengalir ke tanah.Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu lightning arrester tertentu tergantung pada kecuraman gelombang arus yang datang (di/dt dalam A/s) dan amplituda dari arus pelepasan (discharge current). Untuk menentukan tegangan sisa ini digunakan impuls arus sebesar 8 s/ 20 s (IEC Standard) dengan harga puncak 5 kA dan 10 kA. Untuk harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka tegangan sisa ini tidak akan naik lebih tinggi lagi. Hal ini disebabkan karena karakteristik tahanan yang tidak linier dari lightning arrester.
27
Umumnya tegangan sisa tidak akan melebihi Bil (Basic Insulation Level = Tingkat Isolasi Dasar = TID) daripada peralatan yang dilindungi walaupun arus pelepasan maksimumnya (Maximum Discharge Current) mencapai 65 kA atau 100 kA. 6. Arus Pelepasan Maksimum (Maximum Discharge Current) Adalah arus surja maksimum yang dapat mengalir melalui lightning arrester setelah tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari lightning arrester. Tabel 2.2 Kelas Lightning Arrester KELAS LIGHTNING ARRESTER
HARGA PUNCAK ARUS TERPA
(ARUS PELEPASAN NOMINAL)
[KILO AMPERE]
[AMPERE] 10.000 (Heavy Duty)
100
10.000 (Light Duty)
100
5
65
2.5
25
1.5
10
Jarak lindung antara lightning arrester dengan peralatan yang dilindungi adalah:
L
U T U LA V dU 2 dt
Dengan :
dU di dt dt L
= jarak lindung maksimum dari posisi LA ke peralatan yang diproteksi [m]
UT
= tegangan BIL peralatan, missal trafo [kV]
ULA
= tegangan kerja impuls arrester [kV]
V
= kecepatan rambat gelombang : di udara 300 [m/s], di kabel 300/r [m/s]
= impedansi surja : hantaran udara 200 – 500 ohm, kabel 30 – 80 ohm
dU/dt = kecuraman gelombang tegangan datang [kV/s] di/dt
= kecuraman gelombang arus datang [kA/s]
28
