SISTEM PENTANAHAN BAB I PENDAHULUAN 1.1.
Latar B Beelakang
Sampai kira-kira tahun 1910, system-sistem system-sistem tenaga listrik tidak diketanahkan. diketanahkan. Hal itu dapat dimengerti karena pada waktu itu system-sistem tenaga listrik masih kecil jadi bila ada gangguan fasa ke tanah arus gangguan masih kecil, dan biasannya masih kurang dari 5 amper. ada umumnya bila arus gangguan itu sebesar 5 amper atau lebih kecil, busur listrik yang timbul pada k!ntak-k!ntak antara kawat yang terganggu dan tanah masih padam sendiri. "etapi systemsistem tenaga itu makin lama makin besar baik panjangnya maupun tegangannya. #leh karena itu mulai tahun 1910-an pada saat mana system-sistem tenaga relati$e mulai besar, system-sistem system-sistem itu tidak lagi dibiarkan terapung yang dinamakan dinamakan system delta, delta, tetapi titik titik netral system itu diketanahkan melalui tahanan atau reaktansi. engetahanan itu umumnya dilakukan dengan menghubungkan netral transf!rmat!r daya ke tanah. %et!de-met!de pengetanahan netral dari system-sistem tenaga adalah& a. b. c. d. e.
engeta engetanaha nahann melalui melalui tahanan tahanan 'ressist 'ressistance ance gr!undi gr!unding( ng( engetanahan melalui react!r 'react!r gr!unding( gr !unding( engeta engetanaha nahann tanpa tanpa impedans impedansii 's!ild 's!ild gr!undi gr!unding( ng( engeta engetanaha nahann efektif efektif 'effe 'effecti cti$e $e gr!undi gr!unding( ng( eng enget etan anah ahan an deng dengan an reac react! t!rr yang yang impe impeda dans nsin inya ya dapa dapatt beru beruba bahh-ub ubah ah 'res 'res!n !nan antt gr!unding( atau pengetanahan dengan kumparan etersen.
)stilah )stilah kumparan etersen ini berasal dari nama !rang yang pertama-tama pertama-tama menciptakan menciptakan alat itu, yaitu *. etersen. etersen mendapatkan cara ini pada tahun 191+. i egara-negara ngl!Sa/!n nama alat itu sering juga disebut r!und 2ault eutrali3er4 atau rc Suppressi!n !il4. 6mumnya kita di )nd!nesia mengenalnya sebagai kumparan etersen adau etersen sp!el4. erlu dicatat di sini bahwa analisa serta perbaikan kumparan etersen dibuat !leh 7#S mulai tahun 1980. Sekalipun penggunaan kumparan etersen itu sudah mulai berkurang tetapi system 0 dan :0 ;< yang ada di 7awa masih diketanahkan dengan kumparan etersen. isamping itu, akhir-akhir ini semakin banyak generat!r yang terhubung dengan transf!rmat!r 'unit c!nnected generat!r( diketanahkan dengan kumparan etersen.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 1
SISTEM PENTANAHAN 1.2.
Rumusan Masalah
dapun rumusan masalah dalam pembuatan makalah ini adalah& 1. =agaimana =agaimana fungsi kumparan kumparan etersen etersen pada keadaan gangguan> gangguan> 8. pa k!mp! k!mp!nen nen rugi rugi daya daya dari arus arus ganggu gangguan an residu residu>> . =agaimana =agaimana pemadaman pemadaman busur listrik listrik dalam dalam keadaan keadaan gangguan gangguan tanah> ?. =agaim =agaimana ana pengaru pengaruhh tahan tahanan an k!nt k!ntak> ak> 5. pa keunt keuntunga ungann dan kerugi kerugian an kumpara kumparann etersen etersen>> +. =agaim =agaimana ana persam persamaan aan dan dan diagram diagram lingk lingkaran aran 7!nas> 7!nas> 1.3.
Tujuan a an Ma Man!aat
dapun "ujuan dan %anfaat yang di dapat setelah membaca makalah ini adalah& 1. %engetahui %engetahui fungsi kumparan etersen etersen pada pada keadaan keadaan gangguan gangguan 8. %enget %engetahui ahui k!mp!ne k!mp!nenn rugi daya daya dari arus gangg gangguan uan resi residu du . %engetahui %engetahui pemadaman pemadaman busur listrik listrik dalam dalam keadaan keadaan gangguan gangguan tanah ?. %enget %engetahui ahui pengaruh pengaruh tahana tahanann k!nta k!ntak k 5. %enget %engetahui ahui keunt keuntunga ungann dan kerugian kerugian kumparan kumparan eterse etersenn +. %enget %engetahui ahui persa persamaa maann dan diagram diagram ling lingkara karann 7!nas BAB II PEMBAHA"AN
2.1. #UN$"I %UMPARAN %UMPARAN PETER"EN PADA PADA %EADAAN %EADAAN $AN$$UAN
=ila suatu system s ystem yang tidak diketanahkan diketanahkan terganggu terganggu !leh hubung singkat singkat kawat tanah, maka arus gangguan kapasitif itu kembali ke system melalui gangguan itu, ambar ?.1 Suatu keadaan istimewa ialah bila ada dua macam arus gangguan yang sama besarnya tetapi berlawanan arahnya arahn ya terjadi pada gangguan itu, jadi satu sama lain saling s aling menghilangkan. Hal ini terjadi terjadi bila pada arus gangguan gangguan yang kapasitif kapasitif itu ditambahkan ditambahkan arus yang induktif induktif yang tertentu tertentu besarnya. )nilah prinsip dasar dari hasil pekerjaan pi!nir etersen. 6ntuk memper!leh arus induktif itu ditambahkan react!r parallel dengan kapasit!r pada setiap fasa ke tanah. ambar ?.8.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 2
SISTEM PENTANAHAN
Gambar 4.1. Sistem yang tidak diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat tanah
a( Sistem Sistem fasa-ti fasa-tiga ga pada pada keada keadaan an gangg gangguan uan b( ambar eki$alen pada keadaan gangguan gangg uan
Gambar 4.2. Sistem fasa tiga dengan reactor fasa
"etapi cara ini bukanlah pemecahan yang ek!n!mis, karena dalam hal ini dibutuhkan tiga react!r yang tidak akan jenuh dan induktansinya harus k!nstan. =ila react!r itu dihubungkan ke titik netral system, umumnya dipilih netral sekunder transf!rmat!r, maka dalam hal ini dibutuhkan hanya satu react!r. ambar ?..
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 3
SISTEM PENTANAHAN
Gambar 4.3. Sistem diketanahkan melalui reactor dalam keadaan gangguan.
'a( iagram fasa-tiga 'b( iagram eki$alen ambar ?.. 'b( di atas menggambarkan sirkuit eki$alen system itu dalam keadaan gangguan kawat-tanah. =ila react!r itu mempunyai kesanggupan untuk dapat mengatur impedansinya di samping adanya sadapan, alat itu dinamakan kumparan etersan. 6ntuk sementara marilah kita sebut alat itu react!r saja yang impedansinya dapat diatur. Sebutlah impedansinya react!r itu @p, maka arus melalui react!r )A, dimana, E ph E ph I L = = ( L=induktansireaktor ) Z p wL
(4.1)
an arus kapasitif, C e= kapasitansisistem ketanah , dan I FG = E ph
=
∑ w C ¿
∑ C =C e
o
e
E ph w C o
(4.2)
=ila dipenuhi k!ndisi. wL=
1
w C o
(4.3)
%aka arus yang mengalir dari system melalui kapasitansi pada satu pihak dan melalui react!r netral pada pihak lain akan saling menetralisir. 7adi dalam hal ini tidak ada arus yang mengalir melalui titik gangguan kecuali k!mp!nen arus rugi-rugi 'lihat pasal ( dan arus-arus harm!nis.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 4
SISTEM PENTANAHAN
ersamaan '?.( adalah ekspresi matematis dari h!kum etersen, bahwa react!r pengetahanan harus didimensi!nir sedemikian rupa sehingga dapat ditala dengan system itu. 2.2. %&MP&NEN RU$I DA'A DARI ARU" $AN$$UAN RE"IDU.
i dalam system dengan kumparan etersen, bila terjadi gangguan tanah akan ada arus kapasiif dan arus induktif. danya arus-arus ini mengakibatkan tibulnya rugi-rugi pada kumparan etersen sendiri maupun pada system transmisi serta traf! dayanya. ;!mp!nen rugi-rugi di dalam rangkaian pengganti urutan n!l dapat dinyatakan dengan tahanan yang memberikan efek yang sama. 6ntuk itu rugi-rugi tersebut perlu dibahas satu persatu, lihat gambar ?.?.
Gambar 4.4. Komponen-komponen rugi daya pada system dengan kumparan Petersen yang disebabkan oleh arus gangguan.
a. rus b!c!r yang mengalir melalui permukaan is!lat!r penggantung pada tiang transmisi. =esar arus ini tidak akan melampaui 5B dari arus kapasitif dari system. engukuran sesungguhnya terhadap arus b!c!r pada is!lat!r penggntung tidak memberikan nilai yang tetap, tergantung pada keadaan permukaan is!lat!r, cuaca dan perencanaannya. Cugi-rugi untuk arus b!c!r ini dinyatakan dengan k!nduktansi pengganti 1 dalam gambar ?.?. b. Cugi-rugi )8C yang disebabkan !leh arus gangguan kapasitif dan arus kumparan di dalam jala-jala transmisi, transf!rmat!r daya, dan jalan balik lewat tanah, dinyatakan dengan tahanan pengganti C . c. Cugi-rugi yang disebabkan adanya efek k!r!na atau rugi-rugi dialektrik, dinyatakan dengan tahanan pengganti C ?. d. Cugi-rugi yang dihasilkan di dalam kumparan etersen sendiri, yang terdiri dari rugi-rugi besi di dalam inti, dan rugi-rugi tembaga pada belitannya, kedua macam rugi-rugi ini dinyatakan masing-masing dengan tahanan shunt C 8 dan C 5. e. Cugi-rugi yang disebabkan !leh tahanan hubungan tanah dapat dinyatakan !leh tahanan pengganti C+. Cangkaian pengganti secara lengkapnya untuk menunjukan k!mp!nen-k!mp!nen rugirugi ini diperlihatkan dalam gambar ?.?. Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 5
SISTEM PENTANAHAN
i dalam system tanpa efek k!r!na, harga dalam persen masing-masing k!mp!nen rugi-rugi dinyatakan dalam table ?.1. Konduktansi boco Ku$%aan P&t&s&n' ui"ui b&si ui"ui t&$baa ui"ui I2 da+a$ tans$isi dan ,a+an ba+ik +&-at tana ui"ui ta$baan %ada ta/o da0a 0an dik&tanakan ui"ui %ada titik %&n&tanaan ku$%aan %&t&s&n
1!5"5# *!5"1# 1!5# Sa$%ai *!5# Sa$%ai 5# Sa$%ai 1#
i dalam system tegangan ekstra tinggi 'DH<( persen rugi daya t!tal selama terjadi gangguan tanah ini biasanya besarnya tak melampaui ?B dan rugi daya pada kumparan etersen sendiri sangat kecil sehingga dapat diabaikan. =ila dipakai is!lasi dengan tingkat yang n!rmal, persen rugi daya t!tal dapat berkisar +-15B. Hal ini dapat dilihat dalam table ?.8 yang didapat dalam praktek untuk berbagai tegangan system dan juga tergantung dari keadaan system. ntuk $&ncai ui da0a tota+ ini tidak dibutukan %&itunan 0an t&+iti! t&ta%i suda cuku% t&+iti bi+a di%akai caa %&nd&katan d&nan b&%&do$an %ada tab+& tadi. Tab&+ 4.2. P&s&n ui tota+ %ada s0st&$ 0an b&b&da"b&da T&anan s0st&$ (K) 3* 3* 1* 25 25 25 5* 11* 11*
&nis antaan Kab&+ Kab&+ Kab&+ Ka-at udaa Ka-at udaa Ka-at udaa Ka-at udaa Ka-at udaa Ka-at udaa Ka-at udaa
Aus anuan (A$%&) 2*!5 45* 2** !5 3 6 1*"45 7 22"54 7*
P&s&n ui da0a tota+ (#) 6!5 4!5 3!5 11 12 14"1* 6!5"13 3!3"4!75 4!3
Sebagai pegangan dalam perhitungan-perhitungan, jumlah rugi-rugi itu adalah kira-kira& 5# untuk t&anan tini 11* K k& atas
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen
15# untuk t&anan s&dan! dan
SISTEM PENTANAHAN
7adi bila rugi-rugi itu tidak diabaikan, diagram eki$alen ambar 8.8. 'b( berubah menjadi seperti ambar ?.5.
Gambar 4.5. Diagram ekivalen system yang diketanahkan dengan kumparan Petersen dalam keadaan gangguan R= rugi-rugi ekivalen.
erlu ditekankan di sini bahwa rugi-rugi ini sangat terpengaruh !leh keadaan cuaca, karena rugirugi ini sebagian besar ditentukan k!r!na dan keb!c!ran is!lat!r. alam musim hujan kemungkinan timbulnya k!r!na lebih besar. 7adi rugi-rugi dalam musim hujan lebih besar daripada rugi-rugi dalam musim kering. 2.3. PEMADAMAN BU"UR LI"TRI% DALAM %EADAAN $AN$$UAN TANAH
ada saat gangguan dihilangkan, maka pada saat pemutusan arus, busur listrik timbul antara k!ntak-k!ntak, yaitu antara fasa yang terganggu dan tanah, atau antara elektr!da-elektr!da a dan b, ambar ?.5. =ersamaan dengan pemutusan arus itu tegangan kawat akan berusaha kembali ke tegangan n!rmal melalui waktu transisi. ada waktu pengembalian tegangan inilah akan kita lihat kegunaan yang sangat besar dari kumparam etersen itu. Sifat sesuatu gangguan menentukan pergeseran titik netral # sampai D ph. 6mumnya kumparan etersen itu tidak ditala sempurna, jadi selalu ada arus gangguan mengalir 'termasuk arus rugirugi(. rus itu dinamakan arus residu 'residual current( dan diberi dengan n!tasi )r. ;!mp!nen reaktif dari arus gangguan residu ini,
(
I r . x = E ph w C o−
1
wL
)
(4.4)
rus gangguan bila tidak ada kumparan etersen,
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 7
SISTEM PENTANAHAN
I FG= E ph w C o=
E ph Z G
(4.5)
=ila ada penyimpangan dari penalaran yang sempurna dinyatakan dengan δ , maka' I FG− I L
δ =
I FG
δ =1−
w C
o−
=
1
wL
wC o
1 / wL
w C o
tau δ =1−
1 2
w L C o
(4.)
=ila ersamaan '?.( dipenuhi maka δ E # Sebenarnya, bagaimanapun sempurnanya penalaan selalu ada arus rugi-rugi I w . alam gambar ?.5, A dan ! membentuk sirkuit is!lasi. 2rekuensi sudut 'angular freFuency( dari is!lasi bebas 'free !scillati!n( adalah& w f =
1
√ LC o
(4.7)
=ila w E frekuensi daya maka pada penalaan yang sempurna w f = w Sekarang akan kita lihat bagaimana pemadaman bunga api itu terjadi setelah gangguan hilang. 6ntuk ini kita akan meninjau dua macam keadaan, yaitu pada penalaan yang sempurna dan pada penalaan yang tidak sempurna. 2.3.1. Pemaaman Bunga A() (aa Penalaan *ang "em(urna
"erjadinya busur listrik atau l!ncatan api sebenarnya disebabkan karena udara teri!nisasi pada waktu adanya gangguan, sehingga yang tadinya bersifat sebagai is!lat!r, sekarang bersifat sebagai k!ndukt!r. Setelah gangguan itu hilang pada waktu arus melewati titik n!lnya, udara ingin kembali lagi sebagai is!lat!r. eristiwa kembalinya udara sebagai is!lat!r lagi disebut Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen
SISTEM PENTANAHAN tegangan pulih dielektrik atau
dielectric rec!$ery $!ltage4 'C<( atau build-up !f dielectric strength !f gap4. ada saat arus n!l tegangan system ingin kembali ke harga n!rmalnya melalui gejala peralihan mengikuti lengkung tegangan pulih system atau system rec!$ery $!ltage4 'SC<(. enyalaan kembali dari busur listrik dapat terjadi apabila pada timbulnya tegangan pulih system terjadi pukul ulang 'restrike(, di mana terjadi perp!t!ngan antara kedua lengkung tersebut yaitu tegangan pulih dielektrik dan tegangan pulih system dan kejadian ini bias menyebabkan timbulnya busur tanah, walaupun penyebab dari gangguan itu sendiri sudah hilang. 7adi harus ingat bahwa pada saat arus sama dengan n!l, belum tentu busur listrik itu hilang. ;arena itu diinginkan supaya lengkung tegangan pulih system lebih rendah dari tegangan pulih dielektrik, atau dengan perkataan lain diinginkan agar kenaikan tegangan system lambat dan kenaikan dari tegangan pulih dielektrik lebih cepat. erlu dicatat bahwa bila tegangan system makin tinggi berarti kemungkinan teri!nisasinya udara makin besar, maka bila terjadi gangguan tanah yang menimbulkan busur listrik, arus daya yang mengalir dalam busur listrik itu besar sehingga menyebabkan naiknya tegangan pulih dielektrik menjadi lambat. "etapi pada pemutus daya udara, busur listrik itu cepat hilang karena itu kenaikan tegangan pulih dielektrik dipercepat. =egitu juga yang terjadi pada kumparan etersen, dimana tegangan pulih dielektrik dapat dibuat cepat sekali dan tegangan pulih system dibuat cukup lambat. )nilah jasa kumparan etersen yang terpenting, sebab gangguan tanah dapat diselamatkan tanpa pemutusan saluran yang terganggu. ;umparan etersen memperlambat naiknya tegangan pulih system, setelah gangguan itu hilang, seperti terlihat pada keterangan-keterangan dibawah ini. ada penalaan yang sempurna w f = w , jadi bila system dibiarkan bebas akan terus menerus ber!silasi. "etapi karena adanya rugi-rugi amplitudenya makin lama makin kecil. ;!nstanta waktu dari !silasi yang teredam itu ialah 1
T = =2 L / R se ∝
8i$ana'
Rse
(4.)
= taanan &ki9a+&n s&i
=ila k!nstanta waktu dihitung dari sirkuit eki$alen parallel maka& 1
T = =2 R C ∝
(4.6)
8i$ana' = taanan &ki9a+&n %aa++&+ Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 6
SISTEM PENTANAHAN
Superp!sisi dari tegangan pulih transien yang ber!silasi dan tegangan n!rmal menghasilkan tegangan yang secara perlahan-lahan kembali dari keadaan gangguan ke keadaan n!rmal. 7adi seperti terlihat pada ambar ?.+. arti yang terpenting dari kumparan etersen ialah perlambatan dari kembalinya tegangan antara fasa yang terganggu dan tanah. =ila tegangan fasa E p h sin − wt dan tegangan transien E p h e
∝
t
sin wt
maka tegangan pulih pada fasa yang terganggu ke
tanah menjadi, E ph ( 1−e
− t ∝
) sin wt
(4.1*)
Gambar 4.6. Pemulihan tegangan pada asa yang terganggu pada system yang diketanahkan dengan kumparan Petersen. : ' titik n&ta+ A ' /asa 0an t&anu ;!< ' /asa"/asa 0an tidak t&anu
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 1*
SISTEM PENTANAHAN
ari gambar ?.: jelas kelihatan bagaimana tegangan dari fasa yang terganggu itu kembali setelah gangguan dihilangkan. 7adi tegangan adanya kumparan etersen itu diper!leh beberapa keuntungan. a rus gangguan kecil, jadi pada pemutusan arus, busur listrik dapat diabaikan, b "egangan pulih system diperlambat sedemikian rupa sehingga , memberikan waktu yang cukup kepada pemulihan dielektrik dari jalan busur listrik 'arcpath( yang terjadi karena i!nisasi selama gangguan. c emutusan arus tidak menimbulkan busur listrik d ;emungkinan timbulnya busur tanah dihindarkan emadaman sendiri 'self-e/tinguishing( itu bukanlah !leh karena arus kecil, tetapi karena tegangan antara elektr!da a dan b ' gambar ?.? ( lambat kembalinya. *alaupun arus gangguan itu besar, misalanya 50 amper pada system yang diketanahkan dengan kumparan etersen, adalah jauh lebih baik dari arus 5 amper pada seistem yang tidak diketanahkan. ada keadaan yang pertama pemadaman sendiri itu dapat terjadi, sebaliknya pada keadaan terakhir belum tentu terjadi.
Gambar 4.7. Superposisi dari tegangan mantap dan transien
2.3.2. Pemaaman Bunga A() Paa Penalaan T)ak "em(urna
"elah diterangkan dimuka bahwa kumparan etersen itu pada umumnya tidak ditala sempurna. erajat simpangan tala itu diberikan !leh persamaan '?.+(, yaitu δ =1−
1 2
w L C o
'?.+(
an persamaan '?.:( Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 11
SISTEM PENTANAHAN
W f =
1
√ L C o
'?.:( =ila persamaan '?.:( diisikan dalam persamaan '?.+( maka diper!leh 2
δ =1−
w f w
'?.11(
2
7adi frekuensi dari tegangan transien menjadi & f =¿ W ¿
w √ 1−¿ δ
'?.18(
"egangan pulih system antara fasa yang terganggu dan tanah diberikan !leh persamaan di bawah ini & E ph
sin wt - E ph
engan
α
− t
e
∝
E
sin w f t
'?.1(
1 2 R C
Gambar 4.. !egangan fasa yang terganggu bila kumparan "etersen ditala tidak sempurna.
δ
E -85B, dan redaman diabaikan
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 12
SISTEM PENTANAHAN
=ila redaman diabaikan ' diper!leh hasil yang k!nser$atif(, persamaan '?.1( menjadi & E ph ' sin wt G sin w f t (
'?.1?(
tau
8 E ph sin
(
w −w f 2
) (
t . cos
w + w f 2
)
t
'?.15(
ambar ?. menggambarka keadaan yang diberikan !leh persamaan '?.1?(. dari lgambar ?. kelihatan bahwa tegangan pulih dari fasa yang terganggu itu masih tetap diperlambat walaupun pada keadaan penalaan yang tidak sempurna, dan redaman diabaikan. erlu dicatat disini bahwa simpangan yang besar 'arus residu makin besar( akan mempercepat naiknya tegangan pulih system. =egitu juga halnya bila makin besar arus rugi-rugi # w,, dan bila simpangan tala terlalu besar, maka tegangan pulih system menjadi terlalu cepat naiknya sehingga pemadaman sendiri mungkin akan gagal, dei!nisasi bertambah lambat jadi tegangan pulih dielektrik juga lambat. #leh karena itu beberapa alas an, penalaan yang sempurna itu tidak diinginkan. ne$er tune t! res!nance4. emikian kata j!nas. lasan-alasan tersebut disebabkan antara lain !leh & 1 Sukar mengatur sehingga diper!leh penalaan sempurna, 8 =ila da pergeseran netral yang ditimbulkan !leh ketidakseimbangan kapasitif, tegangan pada kumparan itu pada kerja n!rmal akan sangat besar 'mungkin 10 sampai 15 kali sebesar pergeseran netral( bila ditala sempurna, alam keadaan gangguan pergeseran netral akan maksimum bila ditala sempurna. ;edua alas an terakhir ini akan diterangkan lebih lanjut dalam pasal : bab ini. ari pengalaman pengalaman, derajat simpangan tala jangan lebih besar dari harga-harga yang diberikan pada table ?..
"abel ?.. Simpangan dari penalaan sempurna Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 13
SISTEM PENTANAHAN
Simpangan, δ 'B( 85
"egangan kerja ';<( 85 +9
15
115 dan lebih
10
=ila δ p!sitif dinamakan k!npensasi kurang, dalam hal ini w f I w dan bila δ negatif dinamakan k!npensasi lebih, dalam hal ini w f J w. =esar arus residu #$ 'sebagai pecahan dari arus gangguan kapasitif # %G ( tergantung dari derajat simpangan
δ
, ambar ?.9.
ari ambar ?.5
# w E
E ph R
# r E √ ( I FG − I L ) + I w 2
2
# r$& = # %G # ' Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 14
SISTEM PENTANAHAN I r , x I FG
=
I FG − I L
=
I FG
δ
7adi, I r
√ ( ) 2
=
I FG
δ +
2
I w
I FG
(4.1)
ari relasi terakhir ini dapat dilukiskan gambar ?.9. ;embali persamaan ' ?.10 ( di atas, yaitu untk penalaan sempurna, laju kenaikan tegangan adalah & Cumus dE dt
− αt
E
ph=¿ e α E¿
an pada t E 0 dE dt
E
α E ph=
E ph 2 RC
'?.1:( Aaju kenaikan tegangan inilah sebagian besar yang menentukan apakah akan terjadi pukul ulang 'restrike( atau tidak. ada umumnya harga 8 () berkisar antara 0,08 detik untuk tegangan tinggi sampai 0,1 detik untuk tegangan menengah. 2.+ PEN$ARUH TAHANAN %&NTA%
engaruh dari tahanan k!ntak ini paling terasa pada saluran transmisi yang menggunakan tiangtiang kayu.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 15
SISTEM PENTANAHAN
;ita menginginkan supaya sebagian besar tegangan barada pada (. gambar ?.10. untuk mengindarkan l!ncatan api samping 'side flash !$er(. "egangan pada kumparan etersen adalah & E !
*
R R + r 1
E
1 + r / R
E ph
E ph
'?.1( 7adi supaya tegangan E + besar , r,( harus diusahakan kecil. )ontoh .
%isalkan suatu system besar +9 ;<, dengan tuang kayu, dan diketanahkan dengan kumparan etersen. C E 10 B r E 850 !hm. anjang seluruhnya 1.00 ;ms %aka, 69 " 1.303
I FG
E
I w
E 10 B E 8:, mp
260
E 8:, mp
7adi,
CE
69.000
√ 3.27,3
E 1?59 !hm.
%aka, r R
E
250 1459
E 0,1:1
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 1
SISTEM PENTANAHAN
E !
E
1
"
1 + 0,171
69
√ 3 E ?,08 ;< ' E 5 B (
an
E
Er
69
√ 3
- ?,08 E 5,8 ;< ' E 15 B (
=ila system tersebut tidak diketanahkan maka diagram eki$alennya diberikan dalam gambar ?.11. ' rugirugi system ( kecil terhadap ) , w) , karena itu diabaikan(.
rus kapasitif
I FG
1
E
E 8: mp., jadi w C
69000
√ 3 " 273 E 1?+ !hm.
7adi, I =
69.000
√ 3
"
1
√ 250
2
+ 146 2
=137,6 #mp.
%aka, Er =250 " 137,6 =34401 $o%t =34,4 &$ (¿ 86,3 )
Gambar 4.11. -iagram ekialen tanpa kumparan petersen
2.,. %EUNTUN$AN DAN %ERU$IAN %UMPARAN PETER"EN
7adi jelas kelihatan sekarang keuntungan-kentungan dari adanya kumparan etersen.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 17
SISTEM PENTANAHAN
6ntuk menggerakkan alarm dipergunakan tegangan dari kumparan etersen, D . besar tegangan yang dibutuhkan untuk manggerakkan alarm tersebut kira-kira 0B dari D ph. i atas telah dihitung bahwa D E 5B dari D ph, jadi tegangan ini sudah cukup manggerakkan alarm. 7adi bila r terlalu besar, maka di samping D r yang besar 'dan ini tidak baik( juga akan kemungkinan D terlalu kecil sehingga tidak dapat menggerakkan alarm. ari uraian-uraian diatas dpat disimpulkan bahwa keuntungan yang pslin utama dari met!de pengetanahan system dengan kumparan etersen antara lain & 1.
rus gangguan satu fasa ke tanah dapat dibuat kecil sekali, dengan demikian gangguan tanah itu menjadi tidak berbahaya lagi terhadap system dan gangguan dapat hilang sendiri 'self-clearing(, tanpa !perasi pemutus daya.
8. Hilangnya gejala busur tanah yang sangat berbahaya terhadap system 'karena tegangan lebih yang di hasilkannya(, sehingga dengan demikian terhindar kerusakan pada peralatan system, terutama pada titik gangguan. . Suplai daya menjadi tak terganggu dan dapat berlangsung terus walaupun gangguan belum dihilangkan sama sekali K artinya system dapat ber!perasi terus dalam gannuan tanah. ?. "egangan lebih transien yang terlampubesar dapat dikurangi dibandingkan pada system yang ters!lir. 5. Dfek-efek terhadap gangguan k!munikasi dapat di perkecil. +. %engurani kejutan pada system yang disebabkan gangguan tanah itu. ;erugian dan kelemahan-kelemahan dari met!de pengetanahan dengan kumparan etersen ini antara lain. 1. ;umparan etersen tidak dapat mengk!mpensir terhadap ganguan dua fasa ke tanah. 8. ;umparan etersen tidak dapat menghilankan gangguan satu fasa yang menetap 'substained gr!unt fault( pada system. . ;umparan etersen tidak dapat mengk!mpersir rugi-rugi daya dari system 'wattc!mp!nent( dan harm!nisa-harm!nisa, sehingga pemakaiannya terbatas pada system dengan tegangan sanpai 110 ;<. ada sisitem-sistem yang mempunyai tegangan sangat tinggi rugi-rugi daya 'termasuk kerugian k!r!na( besar kecil.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 1
SISTEM PENTANAHAN
?. ;umparan etersen tidak dapat mencegah tegangan lebih secara keseluruhan., hanya membatasi sampai keadaan tertentu sehingga memerlukan peralatan yang mampu menaggulangi tegangan lebih tersebut.
2.- PER"AMAAN DAN DIA$RAM LIN$%ARAN &NA"
alam pasal ? telah diterangkan bahwa pada hakekatnya penalaran sempurna itu tidak perlu, malahan selalu dinasehatkan supaya jangan dilakukan penalaan sempurna. 6ntuk menerangkan hal ini marilah kita tinjau dua macam keadaan, yaitu system dalam keadaan tidak ada ganguan, dan system dalam keadaan gangguan tanah-kawat.
2.-.1.
"*stem Paa %eaaan T)ak Aa $angguan
ambar ? menggambarkan suatu system yang di ketanahakan dengan kumparan etersen dalam keadan tidak ada ganguan.
Gambar 4.12. Sistem yang diketanahkan dengan kumparan "etersen$ tidak ada gangguan
ersamaan arus. E '+ I # + I ( + I C =0
'?.19(
atau
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 16
SISTEM PENTANAHAN E ! E # E ( E C Z '
+
Z #
+
Z (
+
Z C
=0
'?.19(
ersamaan '?.19( dapat di tulis sebagai& E ! Z '
+
(
E #! E (! E C! Z #
+
Z (
+
Z C
) ( + E !
1
Z #
+
1
Z (
+
1
Z C
)=
0
'?.80(
atau E ! Z '
+ I ) +
E ! Z G
=*
'?.81(
tetapi dari persaman '8.( E !G I ) = Z G
jadi persamaan '?.81( dapat ditulis& E ! Z '
+
1
Z G
( E ! − E !G )=*
(4.22)
atau E ! =
Z ' Z ' + Z G
E !G
'?.8(
pada persamaan di atas & D E tegangan kumparan etersen, yaitu tegangan antara titik netral dan tanah pada system yang di ketanahkan dangan kum!aran etersen. D E tegangan netral ke tanah pada system delta. %ulai sekarang tegangan ketidakseimbangan D kita sebut tegangan urutan n!l, D#, jadi persaman '?.8( menjadi & Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 2*
SISTEM PENTANAHAN
E ! =
Z ' Z ' + Z G
E*
'?.8?(
Gambar 4.13. Gambar ekialen dari system yang diketanahkan dengan /umparan "etersen dan tidak ada gangguan
ambar eki$alen dari persamaan '?.8?( diberikan !leh gambar ?.1 yaitu satu rangkaian tertutup yang diberikan !leh impedansi kumparan etersen @, dan impedansi eki$alen kapasitif system terhadap tanah, @ terhubung seri, dan tegangan ketidak seimbangan atau tegangan urutan n!l, D#. 7adi pada persamaan '?.8?( dan ambar ?.1 jelas kelihatan bila kumparan etersen itu ditala semparna 'res!nasi seri( harga @ L @ akan sangat kecil 'hanya tahanan rugi-rugi C se(, jadi persamaan '?,8?( menadi &
E ! ,maks=
Z ' Rse
E*
dan teganagan kumparan etersen akan maksimum, D , maks dan ini relatif sangat besar, yaitu 10-15 kali sebesar tegangan ketidak seimbangan D#. )ni berarti kalau ada tegangan ketidak seimbangan D# , maka dalam keadaan kerja n!rmal pergeseran titik netral system 'neutral displacement( menjadi sangat besar. 7adi jelaslah sekarang bahwa penalaan tidak sempurna itu sangat efektif bila ada ketidak seimbangan kapasitif pada system itu. "etapi janganlah simpangan tala ini ditunjukan untuk membatasi pergaseran netral yang besa, tetapi lakukanlah dengan transp!sisi.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 21
SISTEM PENTANAHAN
Gambar 4.14. /arakteristik kumparan "etersen
6ntuk menjaga supaya tegangan kumparan etersen 'tegangan netral( jangan terlalu besar, impedansi kumparan etersen itu dibuat tidak k!nstan, yaitu pada arus yang lebih besar impedansinya berkurang. ambar ?.1? 'lihat juga gambar ?.1+(.
2.-.2. ")stem Dalam %eaaan $angguan Tanah Z + Z '
ada keadaan gangguan tanah
dan
terhubung parallel, gambar ?.15
Gambar 4.!5.Gambar ekivalen system dengan kumparan Petersen dalam keadaan gangguan tanah.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 22
SISTEM PENTANAHAN
"elah diterangkan di atas bahwa kumparan etersen itu tidak ditala sempurna. 7adi arus kumparan etersen tidak menetralisir seluruh arus kapasitif. Selisih arus ini disebut arus residu$ I r
.
=esar arus residu , I r =
E p h Z p + Z G Z G
Z p
(4.25)
Subtitusi persamaanGpersamaan '8.10( dan '8.8?( dalam persamaan '?.85( diper!leh & I r = I FG
E* E !
(4.2)
ersamaan '?.8+( ini mulaGmula diberi !leh 7!nas, dan persamaan tersebut dinamakan persamaan junas. alam keadaan res!nansi 'res!nansi paralel( tegangan kumparan. etersen, En , akan maksimum dan I w = I r
Maitu k!mp!nen watt dari arus residu, 7adi tegangan maksimum kumparan etersen itu menjadi & E ! ,maks=
Z ' Rse
E*
(4.27)
ari c!nt!h dibawah ini dapat kitalihat berapa besarnya pergeseran netral 'tegangan kumparan persen( bila ditala sempurna. Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 23
SISTEM PENTANAHAN )ontoh &
Suatu system besar 8 ;<."egangan ketidak seimbangan D E D# dimisalkan B dari tegangan fasa, dan rugi G rugi system 10 B ' I w E 10B dari I f+ (, maka & E ! ,maks =
100 10
" 3 =30
7adi disini kita lihat D E B maka D , maks E 0B dan yang terakhir ini sudat sangat besar4. 2.-.3
D)agram l)ngkaran /nas
ari gambar ?.1? dapat dilihat bahwa impedansi kumparan etersen itu k!nstan sampai E !
E E p h , dan di atas titik E p h impedansi itu makin berkurang sehingga tegangan
kumparan etersen itu agak k!nstan.
Gambar 4.!6" konstruksi dasar kumparan Petersen.
;arena pada umumnya tegangan yang mungkin timbul pada kumparan etersen itu jarang diatas E p h maka kita cukup meninjau daerah sampai E p h saja. ;umparan etersen itu mempunyai sadapanGsadapan, ambar ?.1+, dan impedansi itu berubah secara linear dengan perubahan sadapan. Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 24
SISTEM PENTANAHAN
%isalkan impedansi kumparan etersen itu, Z p =k ( r p + x p )
(4.2)
imana k k!nstan tergantung dari kedudukan sadapan. )mpedansi eki$alen kapasitif, Z G dari system itu adalah k!nstan. Sekarang akan kita lihat bagaimana kedudukan E ! yaitu tegangan pada kumparan etersen. Cangkaian eki$alen dalam keadaan tidak adagangguan diberikan !leh ambar ?.1. alam gambar ?.1, E0 dan Z G
tetap besarnya, sedangkan Z p dapat diatur, yaitu dengan merubah sadapannya. ;arena E0 merupakan tegangan yang tetap yang dimasukkan pada dua impedansi
dalam seri, satu diantaranya Z G yang tetap, sedang yang lain Z p berubah secara linear. %aka tempat kedudukan E ! untuk berbagaiGbagai kedudukan sadapan merupakan sebuah lingkaran, gambar ?.1:. Aingkaran gambar ?.1:, merupakan tempat kedudukan 'tegangan( tanah. Harga maksimum dari E ! yaitu E ! ,maks ialah diameter dari lingkaran itu ' G - ! (, hal manater jadi pada keadaan res!nansi. 7adi jelas kelihatan dari gambar ?.1, bahwa pada penalaan sempurna pergeseran netral sangat besar pada kerja n!rmal bila ada ketidak seimbangan kapasitif ' E0 (. Sebabitulah 7!nas mengatakan, bila ada ketidak seimbangan kapasitif system janganlah ditala sempurna.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 25
SISTEM PENTANAHAN
Gambar 4.!# pergeseran netral pada system dengan kumparan petrsen.
alam gambar ?.1: E titiknetral G0
E system delta ' G !G = E 0 (
G1
E k!mpensasi kurang ' E ! 1 (
G -
E ditalsempurna ' E ! ,maks (
G2
E k!mpensasi kurang ' E ! 2 (
E !
E tegangan kumparan etersen atau tegangan netral ketanah.
ara yang paling mudah untuk memper!leh data untuk melukiskan diagram lingkaran itu ialah dengan cara pengukuran. 6ntuk tiap kedudukan sedapan dari kumparan etersen itu diukur teganganGtegangan fasa ketanah E #( , E (C , EC#
E # , E (, EC ,
dan tegangan G tegangan jala-jala
. engukuran itu dilakukan dengan bantuan transf!rmat!r tegangan tiga fasa
dengan netralnya diketanahkan, gambar ?.1.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 2
SISTEM PENTANAHAN
Gambar 4.1$ pengukuaran0pengukuran tegangan dengan transformator tegangan guna melukiskan diagram lingkaran onas.
Supaya lebih jelas di bawah ini diberikan c!nt!h suatu system 115 ;<. HasilGhasil pengukuran tegangan dikumpulkan dalam tabel ?.? . r!sedur untuk melukiskan diagram lingkaran 7!nas adalah sebagai berikut & 1. ari hasil G hasil pengukuran teganganGtegangan fasa ke tanah 'k!l!m , ?, dan 5( dan tegangan jalaGjala 'k!l!m+, :, dan (, diambil harga rata-rata tegangan jala-jala 'k!lm 10( ,dan tegangan-tegangan fasa tanah dik!reksi ketegangan jala-jala ini. %isalnya untuk baris pertama "abel ?.? E # dalam k!l!m 11 diper!leh sebagai berikut & E # =
115 ( ¿ referensi ) 115,1 ( rata −rata )
" 67,0 ( hasi% pen+ukuran )
¿ 67,0 &$
"abel ?.? Hasil-hasil pengukuran tegangan dari suatu system 115 k$ yang dilengkapi dengan kumparan etersen
Kumparan Petersen Poss isi 1
A$ % 2
Tegangan Ke tanah (KV) EA E; E< 3
4
5
Tegangan Jala Jala (KV) EA; E;< E
7
Tegangan di atas 115 KV
6
1*
EA
E;
E<
11
12
13
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 27
SISTEM PENTANAHAN Of 1 2 3 4
* *!5 1!5 3! 1!3
7!* 7! 7*!* 4!* 2!4
4! 3 3! * 55! 1 1! 2 71! 5
7! * ! * 75! 2 73! 5 4!
115! 2 115! 1 115! * 115! 5 115! 2
115! 2 115! 1 115! * 115! 1 115! *
115! * 114! 6 114! 6 115! 1 115! *
5* 5* 5* 5* 5*
115! 1 115! * 115! * 115! 2 115! 1
7!* 7! 7*!* 47! 2!3
4!2 3!* 55!1 1!* 71!3
!6 !* 75!2 73!* 4!7
engan jalan ini diper!leh harga-harga dari tegangan fasa tanah yang telah diatur 'k!l!m 11,18 dan 1(. 8 6ntuk tiap kedudukan sadapan dari kumparan etersen, dengan ketiga tegangan fasatanah yang telah diatur sebagai radius dilukiskan lingkaran.%elalui ketiga titik perp!t!ngan dari ketiga lingkaran itu dilukiskan segitiga. "itik berat segitiga itu menyatakan titik kedudukan dari sadapan pada lingkaran j!nas. engan jalan yang sama seperti langkah 8 diatas dilakukan untuk semua sadapan dari kumparan etersen, termaksud kedudukan !ff4. ? %elalui titk-titik yang diper!leh pada langkah 8 dan dilukiskan lingkaran, yaitu lingkaran j!nas, gambar ?.19.
Gambar 4.1. Segitiga tegangan dan diagram lingkaran onas untuk system pada !abel 4.4.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 2
SISTEM PENTANAHAN
Aingkaran itu mempunyai radius sebesar 15 ;<, atau diameter lingkaran 0 ;<. 7adi pada keadaan res!nansi, dalam keadaan kerja n!rmal 'tidak ada gangguan(, pergeseran titk netral ialah 0 ;< atau kira-kira ?,5B dari tegangan fasa. Hasil dari pengukuran untuk system lain diberikan dalam ambar ?.80. alam segitiga tegangan ada dua lingkaran, yang pertama kecil dan yang kedua besar. Aingkaran kecil adalah lingkaran yang sebenarnya, sedang yang besar diper!leh dengan melepaskan dua fasa. Hal itu dilakukan karena system agak seimbang 'fairly balanced(, jadi lingkaran itu terlalu kecil untuk dipelajari. engan melepaskan dua fasa diper!leh ketidakseimbangan yang besar dan lingkaran j!nas yang besar pula.
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 26
SISTEM PENTANAHAN
BAB III PENUTUP
3.1. %es)m(ulan
dapun kesimpulan-kesimpulan engetanahan dengan kumparan etersen yaitu& 1( engetahanan dengan kumparan petersenan sangat efektif untuk memadamkan gangguan hubung tanah 'gr!und fault( yang berupa transien maupun gangguan yang berlangsung terus. 8( ;umparan petersenan mencegah timbulnya arus gangguan yang besar. ( ;!mpensasi yang tepat terhadap arus kapasitif pada gangguan satu fasa ketanah menyebabkan arus gangguan itu kecil sekali, sehingga memungkinkan system itu dapat bekerja terus dengan satu fasa terhubung ketanah sampai ada saat yang baik untuk melakukan l!kalisasi gangguan. Sementara itu baik disis generat!r disentral maupun disisi pihak k!nsumen tak merasai gangguan tersebut. ?( engurangan arus gangguan sampai harga minimumnya yang tidak lagi membahayakan k!ndukt!r maupun is!lat!r-is!lat!r akan mengurangi pemeliharaan terhadap saluran-saluran transmisi, is!lat!r-is!lat!r, dan sekaligus mengurangi !perasi daripada pemutus daya. 5( =usur tanah dapat dihindarkan. +( ;erusakan-kerusakan yang diakibatkan !leh gangguan tanah diperkecil. :( "erhadap gangguan satu fasa ketanah yang temp!rer, kumparan etersen tidak hanya menyebabkan arus gangguan itu kecil tetapi juga memperlambat kenaikan tegangan pulih system dank arena itu busur listrik mudah hilang sendiri, jadi system kembali n!rmal tanpa bekerjanya pemutus daya. ( ;umparan etersen sangat sensiti$e terhadap ketidakseimbangan da dalam sistemnya. Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 3*
SISTEM PENTANAHAN
9( ;umparan etersen selalu siap setiap saat untuk menetralisir arus gangguan hubung tanah maupun hubung tanah berurutan. 10( ;umparan etersen paling baik digunakan pada system radial baik yang melalui terdiri dari penghantar kawat udara atau campuran hantaran udara dan kabel tanah dengan tegangan kerja dari 8,? ;< sampai dengan 110 ;<. 11( ;umparan etersen praktis tidak membutuhkan pemeliharaan yang berarti. 18( ;arena arus gangguan tanah yang timbul selain kecil juga distribusinya tidak tergantung kepada letak gangguan, maka arus itu tidak bisa dipakai sebagai dasar untuk rele ganggua tanah yang selektif harus dengan cara-cara yang istimewa atau khusus. 1( %engingat bahwa terhadap gangguan satu fasa ke tanah yang permanen pemutusan pemutus daya dapat ditangguhkan, maka rela gangguan tanah yang selektif bukan suatu keharusan. 1?( emasangan wattmeter type carth leakage relay4 dapat menunjukkan dengan tepat letak gangguan, sehingga dapat diadakan tindakan pengis!lasian bagian system yang mengalami gangguan itu. 15( %engingat bahwa kumparan etersen itu hanya berjasa terhadap gangguan suatu fasa ketanah, maka system haruslah diusahakan sedemikian rupa sehingga gangguangangguan satu fasa ketanah saja. 6ntuk ini tahanan-tahanan kaki tiang harus diusahakan serendah mungkin. 1+( ;arena pada waktu gangguaan satu fasa ketanah menyebabkan tegangan fasa lainya naik menjadi N. E p h atau tegangan jala-jala, maka pengenal tegangan arrestnya haruslah berdasarkan tegangan jala-jala. 1:( System dapat bekerja pada simpangan tala tertentu tanpa mempengaruhi karateristik pr!teksinya terhadap system, sehingga pada perluasan system tidak menunjukkan adanya pembatasan pemakaian kumparan etersen ini. 1( 6ntuk membatasi pergeseran netral akibat res!nansi maka salah satu atau beberapa kumparan etersen dipasang pada sadapan maksimum. 3.2 "aran
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen 31
