Analisa Perbaikan Lightning Performance SUTM 70 kV Pekalongan – Bengkulu Suparjo1*, Yuli Rodiah1 1
Program Studi Teknik Elektro Universitas Bengkulu, * Email:
[email protected]
ABSTRAK Kerapatan sambaran petir sekitar SUTM 70 kV di Bengkulu memungkinkan terjadinya gangguan pensuplaian. Telah dilakukan penelitian jaringan transmisi terhadap sambaran petir untuk menganalisa lightning performance menggunakan metode IEC dimana tahanan kaki menara dianggap konstan/tidak mengalami ionisasi. Hasil evaluasi lightning performance SUTM 70 kV Bengkulu adalah 1,3491 gangguan/tahun. Kemungkinan perbaikan menurunkan lightning performance yaitu 40% dengan penambahan isolator hantaran, 59,4% dengan penambahan kawat tanah dan 70% melalui pemasangan transmission line arrester (TLA). Kata kunci: back flashover, lightning performance, shielding flashover.
1. PENDAHULUAN Letak Bengkulu yang berada pada koordinat 5º 40' – 2º 0' LS dan 100º 40' – 104º 0' BT, berhadapan langsung dengan samudra Hindia dan dikelilingi oleh Bukit Barisan, memungkinkan pembentukan muatan dalam awan petir (awan Comulonimbus) sehingga terjadi kerapatan sambaran petir yang mengakibatkan suplai daya ke konsumen menjadi terganggu. Berdasarkan data dari PT. PLN (Persero) P3B Sumatra Unit Pelayanan Transmisi Bengkulu, dampak gangguan petir bisa dilihat dari banyaknya isolator yang pecah seperti pada tahun 2008, sebanyak 85% isolator hantaran yang pecah merupakan akibat sambaran petir Lightning performance merupakan probabilitas kegagalan suatu proteksi yang disebabkan oleh gangguan petir. Untuk mendapatkan sistem proteksi yang seoptimal mungkin pada SUTM, menara, serta peralatan pada gardu induk terhadap gangguan petir yang mungkin terjadi maka perlu dilakukan evaluasi lightning performance dan kajian perbaikannya berdasarkan kondisi iklim dan performa sistem SUTM 70 kV di Bengkulu.
2. TINJAUAN PUSTAKA A. Gangguan Petir dan Angka Keluar Satuan gangguan atau angka keluar akibat sambaran petir diberikan dalam jumlah gangguan per 100 km per tahun. Untuk keperluan perhitungan,
gangguan petir pada kawat tanah dibagi lagi dalam 3 (tiga) macam gangguan, tergantung pada tempat dimana petir menyambar kawat tanah, yaitu: 1. Gangguan petir pada menara transmisi, yaitu kawat tanah yang cukup dekat ke menara. 2. Gangguan petir pada seperempat gawang (span). 3. Gangguan petir pada pertengahan gawang. B. Tingkat Isolasi Saluran Udara Bagian yang paling rentan dari saluran udara adalah isolator. Sambaran petir yang terjadi baik pada kawat fasa, menara, maupun kawat tanah berpotensi menimbulkan flashover jika isolator tidak mampu menahan tegangan lebih yang muncul. Saluran udara dibangun dengan berbagai macam konstruksi dan isolator biasanya terdiri dari berbagai jenis material isolasi dengan kekuatan yang berbeda. Faktor-faktor yang mempengaruhi flashover pada isolator diantaranya: 1. Kondisi atmosfer, misalnya kelembaban udara, curah hujan, dan kontaminan, 2. Polaritas dan laju perubahan tegangan lebih, 3. Faktor fisik, misalnya panjang isolator, bahan konduktif, dan konfigurasi jaringan. Kekuatan material isolasi terhadap tegangan lebih dinyatakan sebagai tingkat isolasi dasar/TID (Basic Insulation Level/BIL). BIL menggambarkan besar tegangan impuls maksimum yang dapat diberikan pada material isolasi sehingga material akan tetap tahan dengan probabilitas 90%. Untuk isolator, ukuran ini adalah Critical Flashover/CFO. CFO berarti besar tegangan impuls petir maksimum dengan probabilitas ketahanan isolator sama dengan 50%. Kombinasi dan konfigurasi isolator pada saluran akan memberikan nilai CFO yang berbeda, besarnya CFO dapat ditentukan [2]
K ⎞ ⎛ V50% = ⎜ K1 + 0,752 ⎟ × 103 kV t ⎠ ⎝ dengan,
(1)
K1 = 0,4 × panjang isolator (l) K2 = 0,71 × panjang isolator (l) t = waktu tembus, µs Panjang isolator merupakan total jumlah piringan/ disc yang digunakan, sehingga panjang isolator sangat ditentukan oleh jumlah piringan isolator yang digunakan. 1
Jurnal Amplifier Vol. 2 No. 1, Mei 2012
Gambar 1. Impedansi Satu Kawat Tanah
Gambar 2. Impedansi Dua Kawat Tanah
C. Impedansi Surja Kawat Tanah, Faktor Gandengan dan Impedansi Surja Menara Besarnya impedansi surja dari kawat tanah tunggal dengan tidak adanya pengaruh korona adalah, ⎛2h ⎞ Z g = 60 ln ⎜ t ⎟ ⎝ r ⎠
(2)
Faktor gandengan antara kawat tanah dan kawat fasa merupakan perbandingan impedansi surja kawat fasa (Za1) dan impedansi surja kawa tanah (Z11). Untuk sistem dengan satu kawat tanah seperti pada Gambar 1, besarnya faktor gandeng k adalah, (3)
dengan, ⎛a' ⎞ Z a1 = 60 ln ⎜ 1 ⎟ ⎜ a1 ⎟ ⎝ ⎠
(4)
Z11 = Z 22 = Z g
(5)
Jika bidang referensi adalah tanah, jarak antara kawat tanah pada menara dan bayangannya GW' adalah a = 2h. X1 merupakan jarak vertikal kawat tanah dan kawat fasa, sedangkan b merupakan setengah jarak antar kedua kawat fasa, maka
a1 =
x12 + b2
(6)
a1' =
(a - x1 ) 2 + b 2
(7)
Untuk dua kawat tanah digunakan persamaan Impedansi bersama yang tidak dipengaruhi korona (Gambar 2). ⎛ bf 1 ⎞ Z f 1 = 60 ln ⎜ ⎟ ⎜ af1 ⎟ ⎝ ⎠
2
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
⎛b ⎞ Z12 = 60 ln ⎜ 12 ⎟ ⎝ a12 ⎠
(9) (10)
Besarnya impedansi surja kawat tanah dan faktor kopling untuk jaringan dengan dua kawat tanah adalah
dengan, ht = tinggi kawat tanah pada menara Zg = impedansi surja kawat tanah r = jari-jari konduktor kawat tanah
⎛Z ⎞ k = ⎜ a1 ⎟ ⎝ Z11 ⎠
⎛ bf 2 Z f 2 = 60 ln ⎜ ⎜ af 2 ⎝
(8)
Z11 + Z12 2 Z f1 + Z f 2
Zg =
(11)
k=
(12)
Z11 + Z12
Impedansi surja menara dihitung menurut persamaan Sergeant dan Daveniza yang mengelompokkan menara berdasarkan strukturnya sehingga impedansi menara dapat dihitung. Untuk menghitung impedansi surja menara jenis ini, ⎡ 2( h 2 + ( rm ) 2 ⎤ Z t = 30 ln ⎢ ⎥ ( rm ) 2 ⎣ ⎦
(13)
dengan, h = tinggi menara rm = jari-jari menara transmisi D. Penangkapan Petir oleh Saluran Transmisi Suatu saluran transmisi di atas tanah dapat dikatakan membentuk bayang-bayang listrik pada tanah yang berada di bawah saluran transmisi itu. Petir yang biasanya menyambar tanah di dalam bayang-bayang itu akan menyambar saluran transmisi sebagai gantinya, sedangkan petir di luar bayang-bayang itu sama sekali tidak menyambar saluran. Koefisien terusan a pada puncak menara untuk gelombang yang datang dari dasar menara, a=
2Z g Z g1 + 2 Z t
(14)
Dengan koefisien pantulan b pada puncak menara: b = a −1
(15)
ISSN: 2089-2020
Ketika terjadi sambaran, maka akan terjadi induksi tegangan pada puncak menara yang berpotensi timbulnya flashover. Tegangan pada puncak menara ini akan berjalan ke dua sisi jaringan, dengan karakteristik yang sama. Besarnya tegangan pada puncak menara dapat dihitung, eo =
Z g Zt Io kV Z g + 2Zt t
(16)
Saat terjadinya sambaran, maka terjadi juga pantulan gelombang pada dasar menara yang besarnya, d=
R − Zt R + Zt
(17)
Besarnya tegangan lebih akibat sambaran petir akan langsung dirasakan oleh isolator hantaran, baik itu yang menyebabkan terjadinya flashover maupun yang tidak sampai terjadinya flashover. Flashover akan terjadi apabila tegangan pada isolator sama dengan atau lebih besar dari tegangan api kritis isolator/CFO. Tegangan pada isolator dihitung dengan rumus,
TABEL 1 HUBUNGAN ANTARA ARUS PETIR DAN SERINGNYA TERJADI [2]
Besarnya Arus Puncak Petir (kA) 20 40 60 80 100 160 200
Seringnya Terjadi
36 34 20 8 1,2 0,5 0,3
TABEL 2 HUBUNGAN ANTARA WAKTU UNTUK MENCAPAI PUNCAK DAN SERINGNYA TERJADI [2]
Waktu untuk Mencapai Harga Puncak (mikro-sekon) 0,5 1,0 1,5 2,0
Seringnya Terjadi
7 23 22 48
⎧ ⎡⎧ ⎛ h x ⎞⎫ ⎛ 2h ⎞⎤ ⎫ ⎪(1− k)t + d ⎢⎨t − 2⎜ t − 1 ⎟⎬ + (b − ka ) ⎜t − t ⎟⎥ +⎪ ⎝ c ⎠⎥⎦ ⎪ ⎢⎣⎩ ⎝ c c ⎠⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎛ 4ht ⎞⎤ ⎪ 2 ⎡⎧ ⎛ ht x1 ⎞⎫ ⎪ (18) Vi = eo ⎨d b ⎢⎨t − 2⎜ − ⎟⎬ + (b − ka ) ⎜ t − ⎟⎥ + ⎬ c c c ⎠⎭ ⎝ ⎠⎦⎥ ⎪ ⎣⎢⎩ ⎝ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪d3b2 ⎡⎧t − 2⎛ 3ht − x1 ⎞⎫ + (b − k ) ⎛ t − 6ht ⎞⎤ ⎪ ⎢ ⎥ ⎨ ⎬ a ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎪ ⎪ c c c ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎩ ⎭ ⎣ ⎦ ⎩ ⎭
E. Probabilitas Terjadinya Tembus/Busur Api Hal yang paling merasakan efek terjadinya tegangan lebih adalah isolator, akan tetapi tidak semua tegangan lebih yang tejadinya menyebabkan terjadinya tembus/busur api. Tembus/busur api sangat ditentukan oleh tegangan api kritis/CFO isolator hantaran yang digunakan. CFO isolator sendiri sangat dipengaruhi oleh panjang isolator yang digunakan, semakin panjang isolator maka harga CFO akan semakin tinggi, sehingga kemungkinan untuk terjadinya tembus semakin kecil. Muka gelombang petir yang menyambar sa luran transmisi berkisar antara 0,5 – 2 µs, ini karena pada waktu itu gelombang pantulan negatif dari menara yang berdekatan sudah sampai pada menara yang disambar petir, dan gelombang ini akan memperkecil tegangan pada menara. Tabel 1 memberikan hubungan antara waktu tembus, besar arus petir dan seringnya terjadi. Sedangkan hubungan waktu dan untuk mencapai nilai puncak dengan seringnya petir terjadi, dapat dilihat pada Tabel 2. Untuk saluran ganda (2 penghantar), probabilitas terjadinya tembus / probabilitas gangguan merupakan
Gambar 3. Lebar Jalur Perisaian terhadap Sambaran Petir
total kemungkinan terjadinya tegangan yang melebihi tegangan api kritis / CFO isolator yang digunakan,
PFL = PF L0,5 μS + PF L1,0 μS PF L1,5 μ S PF L2,0 μ S
(19)
Suatu jaringan dapat dibuat sebagai suatu bayangbayang listrik. Lebar bayang-bayang listrik dari suatu saluran transmisi (W) telah diberikan oleh Whitehead (Gambar 3): W = (b + 4 h 2 ) meter
(20)
Jumlah Sambaran Petir Jumlah sambaran Petir ke bumi adalah sebanding dengan jumlah hari guruh per tahun atau “Iso Keraunic Level” (IKL) ditempat itu. Untuk Indonesia digunakan, N = 0,15 IKL dengan, N = jumlah sambaran per km2 per tahun IKL = jumlah hari guruh per tahun Jadi jumlah sambaran pada saluran transmisi per tahun sepanjang 100 km adalah, (21) N L = 0, 015 IKL (b + 4 h 2 ) sambaran/100km
3
Jurnal Amplifier Vol. 2 No. 1, Mei 2012
Jumlah gangguan pada saluran transmisi SUTM dan SUTT, probabilitas untuk terjadinya gangguan pada SUTM dan SUTT adalah 0,6 maka besarnya gangguan. BFOR = N 0 = 0, 6 N L PFL
(22)
F. Sistem Proteksi Petir pada Saluran Transmisi Kawat Tanah Provost mengemukakan suatu resume yang sangat baik mengenai peranan kawat tanah, adapun isi resumenya adalah: 1. Untuk sudut perlindungan θ ≤ 180 perisai kawat transmisi itu baik. 2. Untuk sudut perlindungan θ ≤ 300 kurang baik, dan 3. Untuk sudut perlindungan θ > 400 jelek.
Gambar 4. Perisaian Tidak Sempurna; XS = Daerah Tidak Terlindung [2]
Kemudian Konstenko, Poloroy, dan Rosenfeld mengemukan bahwa jumlah gangguan petir karena kegagalan perisaian adalah sebagai fungsi dari sudut perisai θ dan tinggi menara ht, jadi jumlah gangguan karena kegagalan perisaian, SFOR = N SF = φ N Lη
(24)
dengan, NL = jumlah sambaran pada saluran / jaringan η = probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api, untuk SUTM dan SUTT = 1 Bila sambaran petir mendekat pada jarak S dari saluran dan bumi, sambaran petir itu akan dipengaruhi oleh benda apa saja yang berada di bawah dan melompati jarak S untuk mengadakan kontak dengan benda itu. Jarak S disebut jarak sambaran, dan inilah konsep dari teori elektro geometris. Selanjutnya bila Xs = 0, maka dinamakan perisaian aktif (Gambar 4). Jarak sambaran adalah sebagai fungsi dari muatan, oleh karena itu dari arus dalam kanal dari sambaran petir yang mendekatinya. Jarak sambaran itu diberikan oleh Whitehead sebagai, S = 8 I 0,65 meter. Pada Gambar 5 Sambaran A akan mengakhiri lompatannya pada kawat tanah karena berada pada busur OP, dan jarak ke kawat fasa melebihi S. Sambaran C hanya akan melompati ßS karena berada pada garis QR, dan jaraknya ke kawat fasa melebihi ßS. Koefisien ß memperbolehkan kecenderungan yang kuat bahwa jarak sambaran akhir dari petir itu ke bumi. Harga koefisien ß menurut Anderson adalah 1. Sambaran B segera setelah mencapai busur PQ, akan menyambar hanya kawat fasa karena jaraknya ke kawat tanah dan bumi lebih besar dari jarak sambaran. Dalam pembahasaan ini diasumsikan bahwa semua sambaran vertikal. Lebar Xs adalah daerah yang tidak terlindung di mana sambaran akan mengenai kawat fasa. 4
Gambar 5. Perisaian Efektif [2]
G. Gangguan Petir pada Seperempat Jarak dan Setengah Jarak dari Menara pada Saluran Transmisi Untuk gangguan pada seperempat dan setengah gawang jarak dari menara diabaikan, hal ini karena jarak aman antara kawat fasa dan kawat tanah dan kawat fasa ke kawat fasa sangat besar sehingga kekuatan impuls isolasi dari udara di tempat-tempat tersebut cukup besar untuk mencegah terjadinya lompatan api. Perbandingan jumlah sambaran petir yang menyambar menara atau disekitarnya adalah 60% dari seluruh jumlah sambaran dan sisanya sebesar 40% pada seperempat dan setengah gawang yang besarnya berturut-turut 30% dan 10%. Harga lightning performance dari jaringan transmisi adalah penjumlah probabilitas jumlah gangguan pada isolator (back flashover rate). Whitehead telah membuat pengelompokan keandalan sistem proteksi petir dari saluran transmisi. Hal ini bisa dilihat seperti pada Tabel 3. Lightning Perfomance merupakan harga back flashover dan standart trip-out adalah harga besarnya shielding flashover dari saluran. Dari Tabel 3 di atas terlihat bahwa untuk harga back flashover jaringan lebih kecil dari -1, maka sistem proteksi dikatakan dalam keadaan terbaiknya / optimal dengan besar harga shielding flashover bekisar antara 0,5 – 0,0625. Sementara harga back flashover lebih besar dari 1, maka sistem mulai ada masalah, dan saat harganya 4-5 maka sistem dikatakan jelek sekali.
ISSN: 2089-2020
TABEL 3 INDEK PENILAIAN LIGHTNING PERFORMANCE WHITEHEAD [13] Lightning Perfomance
Standart Tripout (10-2km-1yr-1)
-4
0 – 0,0625
-3
0,125
-2
0,25
-1
0,5
0
1
1
2
2
4
3
8
4–5
16 – 32
Indek Keandalan
Lightning Proof Superior Grounding and Shielding Excellent Grounding and Shielding Good Grounding and Shielding Good or Fair Grounding; Good or Fair Shielding Good Grounding; Fair Shielding Fair Grounding; Poor Shielding Poor Grounding and/or Poor Shielding Poor Grounding; Poor Shielding; Low Insulation Level or unshielded lines
Gambar 6. Diagram Alir Analisa Lightning Perfomance TABEL 4 SPESIFIKASI MENARA TRANSMISI SUTM 70 KV
3. METODE PENELITIAN Evaluasi dalam penelitian menggunakan metode IEC yang dapat diaplikasikan dengan baik untuk sistem dengan tegangan menengah sampai tegangan tinggi yaitu 20 kV – 150 kV. Pada metode IEC yang dipergunakan dalam penelitian ini, pengaruh tegangan sistem dianggap kecil sehingga bisa diabaikan. Hasil lightning performance merupakan penjumlahan dari probabilitas jumlah gangguan pada isolator (back flashover rate) dan probabilitas jumlah gangguan petir akibat kegagalan perisaian (shielding flashover rate). Untuk menghitung besarnya jumlah back flashover pada isolator dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan (1–18) sedangkan untuk menghitung jumlah shielding flashover digunakan persamaan (19), sementara itu besarnya lightning performance sendiri dihitung dengan persamaan (21). Evaluasi perbaikan untuk menurunkan lightning performance transmisi dilakukan 3 simulasi yaitu dengan penambahan isolator hantaran, dengan Penambahan kawat tanah dan melalui Pemasangan Transmission Line Arrester (TLA).
4. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Karateristik Petir Provinsi Bengkulu
Berdasarkan data yang dikeluarkan oleh Stasiun Metereologi dan Geofisika (BMG) Kelas II Pulau Baai, Bengkulu mempunyai hari guruh per tahun adalah 359 kali dengan kecuraman arus petir 18,2031 kA/µs. Besarnya jumlah hari guruh di Bengkulu menurut BMKG Pulau Baai Bengkulu (2010) adalah 50 / tahun,
Spesifikasi
Nilai
Overall height of tower (standart lower) Height of lowest cross arm (standart lower) Vertical spacing of cross arms : Top and midlle conductor Midlle and buttom conductor
25,9 m 16,8 m
2,9 m 2,9 m
Sumber : PT. PLN (Persero) P3B Sumatra, Unit Pelayanan Transmisi Bengkulu
dengan bahwa jumlah sambaran petir cenderung lebih besar terjadi pada musim hujan, hal ini terlihat pada bulan September, Oktober, November, dan Desember, dengan demikian jumlah hari guruh sangat dipengaruhi oleh cuaca. Karakteristik Petir kota Bengkulu memiliki arus puncak (di/dt) adalah 18,2031(kA/µs). B. Data Teknis SUTM 70 kV Pekalongan-Bengkulu Menara Menara transmisi yang digunakan adalah jenis lattice, dengan satu kawat tanah yang dipasang pada sisi puncak menara (kawat tanah berada diatas kawat fasa) yang spesifikasinya dipelihatkan pada Tabel 4. Kawat Fasa Spesifikasi kawat fasa yang digunakan pada SUTM 70 kV diperlihatkan pada Tabel 5. Kawat Tanah Spesifikasi kawat tanah yang digunakan pada SUTM 70 kV diperlihatkan pada Tabel 6. Isolator Spesifikasi isolator yang digunakan pada SUTM 70 kV diperlihatkan pada Tabel 7.
5
Jurnal Amplifier Vol. 2 No. 1, Mei 2012
TABEL 5 SPESIFIKASI KAWAT FASA SUTM 70 KV
TABEL 8 TEGANGAN API KRITIS ISOLATOR TERHADAP WAKTU TEMBUS ISOLATOR
Spesifikasi
Nilai
Jenis material Diameter Tegangan kawat / S Andongan Jari – jari kawat fasa Resistansi X Induktansi L Kapasitansi C Tinggi rata-rata untuk, R pada menara S pada menara T pada menara
ACSR 185 cm2 19 mm 6620 kg 1,5 m 0,0095 m 0,157 ohm/km 0,347 mH/km 0,30 µF/km 24,1 m 21,2 m 18,3 m
Muka Gelombang Petir (µs) 0,5 1 1,5 2
V50% (kV) 4414,861 3074,224 944,1537 840,2600
Sumber : PT. PLN (Persero) P3B Sumatra, Unit Pelayanan Transmisi Bengkulu
TABEL 6 SPESIFIKASI KAWAT TANAH SUTM 70 KV Spesifikasi Jenis material Diameter Tagangan/S Tinggi rata-rata kawat tanah pada menara Andongan
Nilai Galvanized Steel Wire 9,6 mm 6500 kg 25,9 m 0,9 m
Sumber : PT. PLN (Persero) P3B Sumatra, Unit Pelayanan Transmisi Bengkulu
TABEL 7 SPESIFIKASI ISOLATOR SUTM 70 KV Spesifikasi Jenis material Jumlah piring Spacing Time breakdown isolator Power power prequency withstand Dry one minute Wet one minute Min. electro-mechanical failing load
Nilai Ceramic 7 keping 146 mm 2 µs 70 kv 40 kV 70 kV
Sumber : PT. PLN (Persero) P3B Sumatra, Unit Pelayanan Transmisi Bengkulu
Tahanan Kaki Menara Besarnya tahanan kaki menara (R) yang digunakan adalah bervariasi antara 1 ohm-33 ohm, dengan sistem pentanahan batang konduktor ground rod. SUTM 70 kV Pekalongan-Bengkulu terdiri dari 172 menara, dengan rata-rata tahanan kaki menara 5,518 ohm. C. Perhitungan Back Flashover Rate (BFOR) V50% dikenal sebagai CFO/tegangan api kritis isolator, besarnya sangat dipengaruhi oleh panjang isolator hantaran yang digunakan. Pada SUTM 70 kV dianggap tidak terjadi korona, konfigurasi saluran menggunakan 1 (satu) kawat tanah, dengan ht adalah tinggi kawat tanah diatas menara dan
6
Gambar 7. Referensi Menara
lintasan saluran adalah tanah bergelombang, maka ht = h = 25,9 m, serta diameter kawat tanah d = 9,6 mm, sehingga jari-jari kawat tanah r = 0,0048 m, maka besarnya impedansi surja kawat tanah (persamaan 2); Z g = 557,1918 ohm. Faktor kopling kawat tanah merupakan perbandingan antara impedansi surja kawat tanah dan impedansi kawat fasa terhadap bayang kawat tanah. Faktor kopling juga dipengaruhi oleh jumlah kawat tanah yang digunakan. Untuk menentukan besarnya faktor kopling kawat tanah, maka dapat dibuat referensi menara transmisi. Besarnya faktor kopling kawat tanah dan kawat fasa adalah 0,2612. Impedansi menara dapat dihitung berdasarkan persamaan Sergeant dan Daveniza, dengan struktur menara lattice. Besarnya impedansi menara dapat dihitung dengan Persamaan 13 adalah 175,1176 ohm. Untuk menentukan besarnya harga koefisien terusan a pada puncak menara untuk gelombang yang datang dari dasar menara digunakan persamaan 14. Dari perhitungan didapat Zg = 557,1918 ohm dan Zt = 175,1176 ohm. Jadi besarnya koefisien a adalah = 1,2281 Koefisien pantulan b pada puncak menara untuk gelombang yang datang dari dasar menara (pers. 15) yaitu 0,2281 Tegangan pada puncak menara (pers. 12) dipengaruhi oleh arus puncak petir yang menyambar struktur/jaringan. Diketahui Zg = 557,1918 ohm dan Zt = 175,1176 ohm. Besarnya tegangan pada puncak menara adalah 107,5283Io/t kV. Besarnya tegangan pada puncak
ISSN: 2089-2020
TABEL 9 PROBABILITAS TERJADINYA TEMBUS t (µdet)
0,5 (7%)
1 (23%)
1,5 (22%)
2,0 (48%)
I0 (kA)
20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200
Seringnya Terjadi (%)
36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3
Vi (kV)
439,9737 879,9475 3576,929 4769,329 5961,729 9538,658 11923,187 252,5542 505,1084 757,6626 2737,642 3736,277 5475,284 6844,105 190,0810 380,1621 570,2431 760,3241 950,4051 4120,826 5151,168 158,8444 317, 6889 476,5333 635,3778 794,2222 3443,868 4304,564
V50% (kV)
4414,861
3074,224
944,1537
840,26
TABEL 10 HARGA CFO ISOLATOR TERHADAP PANJANG ISOLATOR Probabilitas Gangguan (%)
8 1,2 0,5 0,3 1,2 0,5 0,3 1,2 0,5 0,3 0,5 0,3
menara sangat mempengaruhi besar tegangan yang menyebabkan flashover pada isolator. Koefisien pantulan d pada dasar menara untuk gelombang yang datang dari puncak menara (pers. 17) adalah (-0,9389). Tegangan yang timbul pada isolator akan menyebabkan terjadi tembus (flashover) yaitu bila tegangan pada isolator sama dengan atau lebih dengan tegangan api kritis isolator, besarnya tegangan yang timbul pada isolator dapat ditentukan (persamaan 18) = 3736,277 kV. Vi merupakan besar tegangan yang dirasakan oleh isolator akibat tegangan lebih dari sambaran petir. Probabilitas tembusnya isolator merupakan penjumlahan total kemungkinan terjadinya lompatan api. Maka probabilitas tembus total (Pers. 20) dengan saluran ganda adalah = 0,03968 BFOR setiap tahun untuk SUTM 70 kV diketahui koefisien gangguan jaringan adalah 0,6 (pers. 22) = 2,4794 gangguan per 100km. Jadi jumlah gangguan akibat sambaran pada kawat tanah/menara adalah 2,4794 gangguan/100 km setiap tahunnya. Gangguan ini dikenal dengan BFOR yaitu lewat denyar yang terjadi pada isolator akibat tegangan yang timbul pada isolator lebih besar daripada tegangan api kritis isolator. Perhitungan Shielding Flashover Rate (SFOR) Perbandingan dari jumlah petir yang mengenai kawat fasa dan jumlah petir yang mengenai saluran
Panjang Isolator/ Jumlah Disc
1,022 m/ 7 disc 1,168 m/ 8 disc 1,314 m/ 9 disc
Muka Gelombang Petir (kV) 0,5 µs
1,0 µs
1,5 µs
2,0 µs
4414,861
3074,224
944,1537
840,2600
5045,749
3513,515
2924,090
960,2928
5676,366
3952,535
3289,669
2927,613
transmisi dihitung dengan pers 24 setiap tahun. Jadi jumlah gangguan akibat kegagalan perisaian SFOR = NSF adalah 0,0104 gangguan/100 km setiap tahunnya sehingga perlindungan jaringan dengan satu kawat tanah sudah cukup. LP Saluran transmisi Pekalongan-Bengkulu adalah 1,3491 gangguan /tahun Berdasarkan tabel Indek Whitehead, maka saluran transmisi Pekalongan-Bengkulu mempunyai indek keandalan “Good Grounding : Fair Shielding”. Sistem transmisi Pekalongan-Bengkulu mempunyai LP dengan klasifikasi pentahanan kaki menara sudah bagus dan perfoma shieldingnya cukup. Kajian Perbaikan Lightning Performance SUTM 70 kV Pekalongan-Bengkulu Berdasarkan harga lightning performance yang didapat dari hasil perhitungan “Good Grounding ; Fair Shielding”, maka studi perbaikan dikaji dari sisi perfoma shielding (Fair Shielding) sementara untuk pentahanan kaki menara sudah baik “Good Grounding”. Kajian perbaikan sistem dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu penambahan panjang isolator hantaran sehingga akan memperbesar harga tegangan kritis isolator (V50%), penambahan kawat tanah untuk memperbesar sudut perisaian kawat tanah dan pemasangan Transmission Line Arrester (TLA). Perhitungan Perbaikan Shielding dengan Penambahan Isolator Hantaran Isolator merupakan komponen yang berfungsi sebagai pemisah antara bagian yang bertegangan (kawat fasa) dengan bagian yang tidak bertegangan (menara). Tujuan utama penambahan keping isolator adalah untuk memperbesar nilai BIL (basic insulation level)/CFO dari isolator hantaran. Besarnya tegangan CFO dari isolator untuk setiap penambahan isolator dapat dilihat pada Tabel 10. Pada Tabel 10, harga tegangan CFO isolator semakin besar dengan bertambahnya panjang isolator, dengan demikian harga tegangan api kritis isolator akan semakin besar dan selanjutnya akan memperkecil BFOR dan pada akhirnya akan memperkecil lightning performance. Probabilitas terjadinya tembus untuk isolator hantaran 8 disc / 1,168 m dapat dilihat pada Tabel 11.
7
Jurnal Amplifierr Vol. 2 No. 1, Mei 2012
TABEL A 11 PROBABILITASS TERJADINYA TEMBUS UNTUK PANJANG ISOLA ATOR 8 DISC C / 1,168 M t (µdet)
I0 (kA)
Seringnya Terjadi (%)
Vi (kV)
0,5 (7%)
20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200
36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3
439,9737 879,9475 3576,929 4769,329 5961,729 9538,658 11923,187 252,5542 505,1084 757,6626 2737,642 3736,277 5475,284 6844,105 190,0810 380,1621 570,2431 760,3241 950,4051 4120,826 5151,168 158,8444 317, 6889 476,5333 635,3778 794,2222 3443,868 4304,564
1 (23%)
1,5 (22%)
2,0 (48%)
V50% V (kV)
50445,749
3515,515
29924,09
8440,26
Probabiilitas Ganggu uan (%))
1,2 0,5 0,3 1,2 0,5 0,3 0,5 0,3 0,5 0,3
TABEL A 12 LIGHTNING PERFOMANCE E UNT TUK BERBAGAI PANJANG ISOLA ATOR
Jumlah Keping / Dics Isolator 7 8 9
Lightning Perfomancee (gangguaan/km/tahun)) 1,34491 0,79911 0,60019
Maka PFL total untukk panjang isolator 8 disc addalah setiap tahun adalah 1,44966 gangguan / 100 1 km. Sehinngga LP = 0,7911 gangguan / taahun. a Penambahan isolator hantarann hanya akan memperbesarr V50% isolatoor sehingga haarga CFO isollator akan semakkin tinggi, akan a tetapi tidak menceegah terjadinya saambaran ke saluran. s Pada Tabel 12, dapat d dilihat harga LP untuk bebberapa variasi panjang isolaator. Berdasaarkan Tabel 11, besarnyaa harga lighttning performancee saluran transsmisi sebandinng dengan jum mlah isolator yangg dipasang, semakin s panjaang isolator yang y dipasang maka m harga lightning peerformance akan a semakin keccil dan sebalikknya semakinn pendek isollator yang dipasanng maka hargga lightning performance p y yang didapat akann semakin turuun (41%). Perhitungan n Perbaik kan Shiellding den ngan Penambahan Kawat Tan nah Kawat tanah meruppakan komponen yang saangat penting untuuk melindungi kawat fasa teerhadap sambaran langsung pettir. Kawat tannah harus dipaasang sedemiikian 8
Gam mbar 8. Protekssi Kawat Tanahh
Gam mbar 9. Referennsi Menara T Transmisi dengan 2 Kawatt Tanah TABELL 13 PROBABILITAS R TER RJADINYA TEMBU US UNTUK DUA KAWAT TANAH t (µd det)
I0 (kA)
Seeringnya T Terjadi (%)
V Vi (kV V)
0,5 %) (7%
20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200 20 40 60 80 100 160 200
36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3
308,55560 617,11120 925,66680 33444,682 41800,988 66899,364 83611,976 197,22081 394,44163 591,66244 788,88325 986,00407 42755,567 53444,391 160,00922 320,11844 480,22765 640,33687 800,44609 34700,697 43388,439 141,55342 283,00684 424,66026 566,11368 707,66710 30688,533 38355,463
1 (23 3%)
1,5 2%) (22
2,0 (48 8%)
V50% (kV)
61 4414,86
24 3074,22
37 944,153
6 840,26
Probabilitas Gangguan (%)
0,5 0,3 0,5 0,3 0,5 0,3 0,5 0,3
sehingga mem mberikan suddut perlindu ungan yangg ksimal terhaddap kawat fassa. Pada umu umnya kawatt mak tanaah dipasang diatas kawatt fasa. Secarra geometris,, perllindungan kaw wat tanah dapaat dilihat padaa Gambar 8. Untuk studdi penambahaan kawat tanaah, dilakukann stud di penambahaan kawat tanaah dengan meenggunakan 2 kaw wat tanah denggan jarak antaar kawat tanah h 2 meter sertaa
ISSN: I 2089-20200
TABEL A 14 PERBANDING GAN HARGA LIGH HTNING PERFORM MANCE UNTUK DUA VARIASI KAWAT TANAH
Jumlah kaawat tanah 1 kawat tannah 2 kawat tannah
Jumlah h gangguan 1,3491 ganggguan/km/tahuun 0,5473 ganggguan/km/tahuun Gam mbar 11. Pemoodelan TLA TABELL 15 PROBABILITAS R TER RJADINYA TEMBU US DENGAN PEMA ASANGAN TLA
Gambar 10. Pemasangan TLA A pada Jaringann Keterangan: 1. Pemasangan TLA T langsung pada kawat fasa 2 Pemasangan TLA 2. T dari Isolattor 3. Pemasangan TLA T pada lenggan isolator
d addalah jenis dan maaterial kawat tanah yang digunakan sama. Penaambahan kaawat tanah akan meruubah konfigurasi saluran, terrutama menaara. Penambaahan kawat tanah akan mempeengaruhi faktoor kopling anntara kawat tanah dengan kawatt fasa. Besarnyya impedansi surja kawat taanah untuk sisstem dengan 2 (duua) kawat tannah adalah = 168,3435 1 ohm m. Vi merupakan besar b tegangann yang dirasaakan oleh isollator akibat teganggan lebih darri sambaran petir, p tidak seemua tegangan Vi menyebabkann tembus padda isolator. Harga H b mukaa gelombang petir p Vi secara lenngkap untuk berbagai dapat dilihat pada Tabel 133. Maka LP total unttuk panjang isolator 10 disc adalah, LP = 0,5473 ganggguan / tahun. Penambbahan kawatt tanah dappat menurunnkan lightning peerformance sebesar 59,44%, akan teetapi penambahan memerlukann sumber daya d yang lebih l banyak karenna akan merubbah konfiguraasi jaringan seecara keseluruhan, disamping itu memerlukkan waktu yang y m nnya. lama untuk merealisasikan
Perhitungan n Perbaik kan Shiellding den ngan Penggunaan n Transmissioon Line Arrester (TLA) TLA merupakan m jeenis arresterr yang dipassang pada jaringaan transmisi (menara). Prinsip kerja dari TLA adalah ketika terjaddi sambaran petir p langsungg ke p kawat fasa yang menyeebabkan teganngan lebih pada m kawat fasa yang berjaalan ke duaa sisinya, maka tegangan ituu akan disalurrkan secara laangsung ke taanah sebagai p penetralisisrny ya sehinggga menguraangi tegangan indduksi yang yaang terjadi paada isolator. TLA T arus dilengkapi dengan d konduuktor yang mengalirkan m lebih langssung ke taanah (penetrralisir teganngan langsung ke tanah).
t (µd det)
I0 (kA)
Seeringnya T Terjadi (%)
V Vi (kV V)
0,,5 (7% %)
20 40 60 80 10 16 20 20 40 60 80 10 16 20 20 40 60 80 10 16 20 20 40 60 80 10 16 20
36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3 36 34 20 8 1,2 0,5 0,3
378,33274 756,66547 30755,850 4101,043 51266,236 82022,086 102522,743 182,00205 364,00410 546,00614 728,00819 910,11024 39466,302 49322,742 116,55849 233,11697 349,77546 466,33394 582,99243 932,66788 31599,318 83,866700 167,77341 251,66011 335,44682 419,33352 670,99363 838,66704
1 (23 3%)
1,,5 (22 2%)
2,,0 (48 8%)
V50% (kV)
61 4414,86
24 3074,22
37 944,153
6 840,26
Probabilitas Gangguan (%)
1,2 0,5 0,3 0,5 0,3 0,3 -
Dengan dem mikian makaa akan dapat memperkecill ga lightning performance p ddari sistem. Berikut B contohh harg pem masangan TLA A pada salurran transmisi sebagaimanaa ditu unjukan pada Gambar G 10. TLA yang dipasang padda saluran traansmisi, dapatt direepresentasikann seperti pada Gambar 11. Dari Gambbar 11, dapat dilihat bahw wa TLA akann mem mperkecil tahhanan kaki m menara (C). Untuk studii perb baikan denngan penam mbahan TL LA, dengann men nggunakan sppesifikasi TLA A 98 kV/10 kA A MCOV dann z = 10 ohm. Tahanan kaaki menara bbaru adalah 0,2929 ohm.. Tah hanan kaki menara m R haanya akan mempengaruhi m i besarnya nilai kooefisien pantuulan d pada dasar d menara.. Sem makin besar TLA T yang dippasang, maka tahanan kakii men nara akan semakin s keciil. Hal ini karena TLA A dipaasang paralllel terhadap tahanan kaki k menara.. Pen nambahan TL LA akan memperkecil tahanan t kakii men nara. 9
Jurnal Amplifier Vol. 2 No. 1, Mei 2012
TABEL 16 PERBANDINGAN HARGA LIGHTNING PERFOMANCE JARINGAN TANPA TLA DAN JARINGAN DENGAN PEMASANGAN TLA Harga LP (gangguan/tahun)
Indek
Jaringan tanpa TLA Jaringan dengan TLA
1,3491 0,2697
Maka PFL total untuk panjang isolator 10 disc adalah, PFL = 0,0078. Diketahui NL = 104,1398 sambaran per 100 km/tahun, dan NSF = SFOR = 0,0104, maka setiap tahun adalah No = BFOR adalah 0,4874 gangguan/100 km. Jadi LP = 0,2697 gangguan/tahun Pemasangan TLA dapat meningkatkan lightning performance sebesar 79%, penggunaan TLA merupakan alternatif termudah dan cepat, karena selain fleksibel dan mudah diaplikasikan juga dapat meningkatkan lightning performance yang signifikan, akan tetapi harga masih mahal. Dari ketiga opsi studi perbaikan untuk diatas, maka dapat dibuat suatu kesimpulan dan perbandingan dalam hal pemasangan/instlasi. Penambahan isolator hantaran merupakan opsi yang paling mudah untuk dilakukan dan dari segi pendnaan juga murah, karena isolator yang ada dapat langsung diganti dengan yang baru. Penambahan piringan isolator tidak mencegah terjadinya lebih tegangan akan tetapi memperbesar CFO isolator saja. Penggunaan TLA memberikan kemudahan dalam pemasangan akan tetapi masih mahal (0,2697 gangguan/tahun), sedangkan penambahan kawat tanah memerlukan waktu yang lama dan pendanaan yang besar karena merubah konfigurasi jaringan yang ada, akan tetapi dapat meningkatkan sistem proteksi terhadap petir yang signifikan (lihat Tabel 13). Studi perbaikan dengan penambahan kawat tanah dan pemasangan TLA dapat menurunkan LP sehingga membuat proteksi sistem dari good grounding : Fair Shielding menjadi good grounding : good shielding.
5. KESIMPULAN 1. SUTM 70 kV Pekalongan-Bengkulu mempunyai lightning performance 1,3491 gangguan/tahun, sehingga dikelompokkan pada kategori “Good Grounding ; Fair Shielding”. 2. Studi perbaikan yang dilakukan adalah penambahan isolator hantaran, penambahan kawat tanah, dan
10
pemasangan TLA. Pemasangan TLA merupakan studi perbaikan yang paling mudah dan murah serta memberikan hasil yang memuaskan yaitu dapat menurunkan lightning performance sebesar 70%. Dengan demikian LP jaringan transmisi PekalonganBengkulu dapat ditingkatkan dari good grounding: fair shielding menjadi good grounding: good shielding.
REFERENSI [1] Ian, Stefanus H., “Evaluasi Sistem Proteksi Petir Pada SUTT dan GI 150 kV Batam”. Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2008. [2] Hutauruk, T.S., “Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja”, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1991. [3] Wikipedia, “Profil Provinsi Bengkulu”. From http://id.wikipedia.org/wiki/bengkulu. diakses pada 15:42, 6 Januari 2011, Bengkulu. [4] Zoro, Reynaldo, “Induksi dan Konduksi Gelombang Elektro Magnetik Akibat Sambaran Petir Pada Jaringan Tegangan Rendah”, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2009. [5] Rakov, Vladimir A. dan Martin A. Uman, “Lightning: Physics and Effects”, Department of electrical and Computer Engineering University of Florida, 2003. [6] R. Bhattarai, R. Rashedin, S. Venkatesan, A. Haddad, H. Griffiths, dan N. Harid, “Lightning Performance of 275 kV Transmission Lines”, High Voltage Energy Systems Group, School of Engineering, Cardiff University, United Kingdom, 2009. [7] Rizk, A.M. Farouk, “Modeling of Transmission Lines Exposure to Direct Lightning Strokes”, 1990. [8] M.T. Correia Barros, dkk, ”Methodologies for evaluating the Lightning Performance of Transmission Lines”. [9] A. Phayomhom dan S. Sirissumranukul, “Lightning Performance Improvement of 115 kV and 24 kV Circuits by External Ground in MEA’s Distribution System”, The International Conference on Sustainable Development, vol 12 -14, November 2008. [10] Rui Zhang, dkk, “Lightning Protection Performance Assessment of Shielding Failure for EHV Transmission Lines”, The International Conference on Electrical Engineering, 2009. [11] Abduh, Syamsir dan Angga Septian, “Analisa Gangguan Petir Akibat Sambaran Langsung Pada Saluran Transmisi Tegangan Ekstra Tinggi 500 kV”. JETri, Trisakti, 2009. [12]Becker, Amy E, “A Study of Lightning Flashes Attending Periods of Banded Heavy Snowfall. University of Missouri, Columbia, 2007.
