Proteksi Tegangan Lebih

Tegangan lebih pada sistem Tenaga

• Studi tegangan lebih pada sistem tenaga meliputi besar, bentuk, lama dan frekuensi kejadiannya.

• Studi masalah ini tidak hanya dilakukan pada titik dimana tegangan lebih terjadi tetapi juga pada semua titik sepanjang jaringan transmisi dimana surja itu bergerak.

Tipe-tipe tegangan lebih

• tegangan lebih pada sistem tenaga dapat dikelompokkan menjadi dua tipe, yaitu :– Tegangan lebih eksternal : Dibangkitkan oleh gangguan

atmosfir. Salah satu gangguan ini adalah petir.

• Tegangan lebih Internal ; Dibangkitkan oleh perubahan kondisi operasi jaringan. Teg lebih internal dp dibagi menjadi :a. Tegangan lebih switchingb. Tegangan lebih temporer

Tegangan lebih Petir

• Petir merupakan mekanisme listrik di udara, yang terjadi :– Diantara awan-awan

– Antara pusat-pusat muatan di dalam awan tersebut.

– Antara awan dan tanah.

• petir awan-tanah ini sudah cukup besar untuk dapat menyebabkan terjadinya kerusakan pada benda-benda di permukaan tanah.

Terpa Petir• t1 berharga 1 s/d 10 det.• t2 berharga 10 s/d 100 det.• Statistik petir :

– 24% dibawah 10 kA

– 86% dibawah 40 kA

– 11% antara 40 s/d 100 kA

– 2% antara 100 s/d 140 kA

– 0,4% lebih besar 140 kA

t2

t1

kV

t

0,3

0,5

0,9

Tegangan Lebih oleh Terpa Petir

• Bahaya tegangan lebih oleh terpa petir dapat terjadi pada system tenaga (hantaran udara, Menara, Gardu Induk) dapat berupa :– Sambaran langsung– Sambaran tak langsung

Tegangan Lebih oleh Terpa Petir Sambaran Langsung Pada Kawat Fasa Muatan yang dilepas oleh petir pada

konduktor akan mengalir kedua arah dalam bentuk gelombang berjalan.

Jika hantaran udara terkena petir, maka tegangan pada titik sambaran adalah :

Is

Is

2

Is

2 2

I.Z V s

LL

• Jika I = 30 kA; ZL = 300 Ohm, Maka, VL = 15. 300 = 4,5 MV

• Sambaran langsung ke kawat fasa dapat juga menyebabkan timbulnya tegangan lebih pada fasa lainnya sebagai akibat adanya kopling magneti dari sistem. Tegangan ini dapat juga menyebabkan

flash over pada isolator udara.

Tegangan Lebih oleh Terpa Petir

• dimana , • I : Arus petir• L : Induktansi Menara• RE : Tahanan Kaki Menara• L : Tinggi Menara

R E

V L

V M

Is

lLE sM V

dt

diL R.i V

Sambaran Pada Menara Besarnya tegangan pada sambaran

menara adalah :

Tegangan Lebih oleh Terpa Petir• Contoh :

• Untuk tinggi menara normal, L = 10 H, jika R = 10 , = 30 kA, = 10 kA/det, maka VM = 400 kV + VL. Jika tegangan sistem 150 kV, maka VL = 120 kV, sehingga VM = 520 kV

Jumlah Disc Dry FOV (KV rms)

Wet FOV (KV rms)

Impulse FOV (KV rms)

1 80 50 150 2 155 90 255 3 215 130 355 4 270 170 440 5 325 215 525 6 380 255 610 7 435 295 695 8 485 335 780 9 540 337 860 10 590 415 945 11 640 455 1025 12 690 490 1105 13 735 525 1185 14 785 565 1265 15 830 600 1345 16 875 630 1425 18 965 690 1585 19 1010 720 1665 20 1055 750 1745 25 1280 900 2145 30 1505 1050 2550

dt

di

Tegangan Lebih oleh Terpa Petir

Sambaran Pada Menara dengan Kawat Tanah

R E

Is = 32 kA

Z L = 300

R E = 10

IM = 30 kA

IE = 1 kA

Tegangan Lebih oleh Terpa Petir– Sambaran Tidak Langsung

• Dapat terjadi karena :– Induksi elektromagnetik

(arus) akibat terjadinya pelepasan muatan di dekat sistem

– Induksi elektrostatis sebagai akibat adanya awan bermuatan di atas hantaran udara.

C

Tegangan Lebih switching – Tegangan lebih switching asli

• Terdapat banyak penyebab terjadinya surja switching pada sistem tenaga. :• Pengisian saluran transmisi dan kabel.

– Pengisian saluran yang sisi jauhnya terbuka– Pengisian saluran yang memilki terminal trafo pada keadaan tak berbeban– Pengisian saluran melalui sisi tegangan rendah trafo

• Pengisian kembali saluran. – pengisian saluran transmisi ketika digunakan recloser kecepatan tinggi.

• Load rejection. – Ini dipengaruhi oleh pembukaan circuit breaker pada ujung saluran yang jauh. Ini dapat

juga diikuti pembukaan saluran pada ujung sisi kirim.• proses switching “on-off” dari peralatan. Semua operasi switching pada elemen

jaringan transmisi akan menghasilkan surja, terutama pengoperasian peralatan berikut :

– switching reactor tegangan tinggi– switching trafo yang dibebani oleh reactor pada belitan tersiernya– switching pada trafo tak berbeban

• Pada saat terjadi kegagalan atau pemutusan sistem yang mengalami kegagalan

Tegangan Lebih switching Pengisian saluran

transmisi tak berbeban

V salV sumb

R L

Ci(t)v s(t)

i(t)dtC

1

dt

di(t)L R.i(t) (t)v s

Vs(t) = Vm sin (t + T) Vc(t) = Vc sin (t + T - ) + A.e-

t.sin (1t + + )

Penggunaan kawat tanah

• selain memberikan perlindungan yang baik terhadap sambaran petir juga dapat mengurangi gangguan tegangan lebih yang terjadi akibat induksi elektromagnetis pada hantaran

• Tetapi hal ini belum cukup baik untuk melindungi peralatan-peralatan dari gelombang berjalan yang masih dapat mencapai gardu dan menimbulkan kerusakan.

Kerusakan-kerusakan akibat gelombang berjalan

a. tegangan tembus luar (external flashover), merusak isolator, bagian-bagian permukaan peralatan (oleh amplitudo)

b. Tegangan tembus dalam (Internal flashover) :1. Merusak isolasi utama dari peralatan ke tanah. (oleh

amplitudo)2. Merusak isolasi antara bagian-bagian dalam peralatan

(isolasi antara gulungan dari trafo) (oleh kecuraman)c. Tegangan tembus Luar dan Dalam yang mungkin terjadi

sebagai akibat osilasi yang terjadi pada peralatan oleh gelombang curam dengan ekor yang panjang.

Fugsi peralatan pelindung

• Peralatan pelindung pada gardu untuk melindungi trafo dan peralatan lain terhadap gelombang berjalan yang mungkin sampai di gardu.

Arrester

• Alat ini dihubungkan antara kawat fasa dengan tanah pada gardu, dengan tujuan menyalurkan tegangan lebih tinggi ke tanah sampai pada batas aman untuk peralatan.

F

R(i)

i

U A

Karakteristik

1. Pada tegangan sistem yang normal arrester tak boleh bekerja. Tegangan tembus arrester pada frekuensi jala-jala harus lebih tinggi dari tegangan lebih sempurna yang mungkin terjadi pada sistem.

2. Setiap gelombang transien dengan tegangan puncak yang lebih tinggi dari tegangan tenbus arrester (UA) harus mampu mengerjakan arrester untuk mengalirkan arus ke tanah.

3. Arrester harus mampu melalukan arus terpa ke tanah tanpa merusak arrester itu sendiri dan tanpa menyebabkan tegangan pada terminal arrester lebih tinggi dari tegangan sumbernya sendiri.

4. Arus tidak boleh mengalir ke tanah setelah gangguan diatasi (follow current). Follow current harus dipotong begitu gangguan telah lalu dan tegangan kembali normal.

Jenis arrester

• Ada tiga jenis arrester yang umum digunakan, yaitu :

1.Sela batang (rod gap)

2.Tabung pelindung (Protector tube) atau expulsion type Lightning Arrester

3.Penangkap petir biasa jenis katup (Conventional Valve Type Arrester)

Sela Batang (Rod Gap)

• Merupakan alat pemotong petir yang paling sederhana berupa batang elektroda yang diletakkan antara hantaran dan tanah. Rod gap banyak digunakan pada :

• Bushing Insulator dari trafo• Pada isolator hantaran udara, berupa tanduk api

(Arching Horn) atau Ring api (Arching ring)• Pemutus daya (Circuit Breaker)

Sela Batang (Rod Gap)

   Untuk mencegah gelombang petir tembus melalui permukaan isolator, maka tegangan tembus dari sela batang harus di set 20% lebih rendah dari tegangan tembus impulse dari isolator.

  Jarak antara sela dengan isolator tidak boleh kurang dari 1/3 jarak sela untuk mencegah bunga api bergerak ke arah isolator

s

d

Tegangan Sistim (kV)

Sela(cm)

33 23

66 35

132 65

275 123

Keterbatasan dalam penggunaannya.

1. Tidak berfungsi jika gelombang datang mempunyai muka yang curam.

2. Tidak bisa memotong ikutan (follow current). Kekuatan isolasi pada sela turun setelah ionisasi. Sela yang tadinya dapat menahan tegangan dari jala-jala hingga 30 kV setelah terjadinya bunga api turun menjadi 50% sehingga arus sistim ikut mengalir ke tanah. Akibatnya circuit Breaker akan bekerja untuk menghilangkan gangguan. Untuk menutup CB kembali diperlukan waktu yang cukup untuk proses de ionisasi diantara sela setelah matinya bunga api.

Keterbatasan dalam penggunaannya

3. Dapat meleleh akibat energi panas dengan tempertur tinggi yang dilepas melalui bunga api.

4. Karakteristik tembus dari sela batang dipegaruhi oleh keadaan alam seperti kelembaban, temperatur, tekanan dan lain-lain.

5. tidak dapat diandalkan sebagai pelindung utama terhadap petir pada sistem tenaga listrik dimana prioritas pelayanan daya dan perlindungan peralatan sangat diutamakan

Expulsion Lightning Arrester • Merupakan tabung yang terdiri dari :• a). Dinding tabung yang terbuat dari

bahan yang mudah menghasilkan gas jika dilalui arus (fiber)

• b). Sela batang (external series gap) yang biasanya diletakkan pada isolator porselin, untuk mencegah arus mengalir dan membakar fiber pada tegangan jala-jala setelah gangguan diatasi.

• c). Sela pemutus bunga api diletakkan dalam tabung, salah satu elektroda dihubungkan ke tanah.

Lubang keluar Gas

Tabung BungaApi

Sela Batang

Expulsion Lightning Arrester

• Pada waktu tegangan terpa melalui sela batang dan sela bunga api impedasi tabung akan menjadi rendah sehingga arus terpa dan arus sistim dapat mengalir ke tanah. arus yang mengalir akan membakar fiber dan menghasilkan gas untuk mematikan bunga api yang selanjutnya bergerak dengan cepat ke arah lubang pembuangan di bagian bawah arrester

Keterbatasan

• Terbatas pada sistem yang mempunyai besar arus sistem kurang dari 1/3 arus terpa.

• Pada saat arrester bekerja, permukaan tabung akan rusak karena terbakar, maka arrester ini mempunyai batasan pada jumlah operasinya,

• Walaupun termasuk pemotong terpa yang murah karena kemampuannya memotong arus ikutan, namun sama sekali tidak cocok untuk perlindungan peralatan-peralatan gardu yang mahal, karena karakteristik V-t nya yang buruk.

Pemakaian :

• Tabung pelindung dipakai untuk melindungi isolator transmisi..

• Dipakai pada tiang transmisi sebelum memasuki gardu untuk memotong besar arus terpa yang datang, sehingga berfungsi mengurangi kerja arrester di gardu.

• Pada trafo-trafo kecil di pedesaan, dimana pemotong petir jenis katup sangat mahal

• Pada tiang transmisi tertentu yang sangat tinggi dimana kemungkinan disambar petir cukup tinggi

Valve type lightning Arrester

• Arrester ini terdiri dari beberapa sela yang tersusun seri dengan piringan-piringan tahanan, dimana tahanan ini mempunyai karakteristik sebagai berikut :

• Harga tahanan turun dengan cepat pada saat arus terpa mengalir sehingga tegangan antara terminal Arrester tidak terlalu besar dan harga tahanan akan naik kembali jika arus terpa sudah lewat sehingga membatasi arus ikutan dari power frekuensi voltage

Tegangan pengenal penangkap petir (Arrester Rating)

• tegangan dimana penangkap petir masih dapat bekerja sesuai dengan karakteristknya. Penangkap petir tidak boleh bekerja pada tegangan maksimum sistim yang direncanakan, tetapi masih tetap mampu memutuskan arus ikutan dari sistim secara efektif. karena itu tegangan pengenal dari penangkal petir harus lebih tinggi dari tegangan fasa sehat ke tanah

• Tegangan rms fasa ke fasa x 1,10 x koefisien pentanahan.

Arus pelepasan nominal (Nominal Discharge Current)

• Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan untuk menentukan kelas dari penangkap petir sesuai dengan :

• a.       Kemampuannya melalukan arus dan

• b.      Karakteristik pelindungnya

• Bentuk gelombang arus pelepasan tersebut adalah :      Menurut standar Inggris/Eropa (IEC) 8 s/20 s.      Menurut standard Amerika 10 us/ 20 us

Tegangan Percikan Frekuensi jala-jala

(Power frekuensi Spark over Voltage)

• tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum, yaitu :

• Standard Inggris• Tegangan percikan frekuensi jala-jala

minimum = 1,6 x Tegangan pengenal pp• Standard I E C• Tegangan percikan frekuensi jala-jala

minimum = 1,5 x Tegangan pengenal pp

Tegangan percikan Impulse Maksimum

• Adalah gelombang tegangan impulse tertinggi yang terjadi pada terminal penangkap petir sebelum penangkap petir bekerja.

• Bentuk gelombang tersebut menurut I E C adalah 1,2/50 s.

Tegangan Sisa

• Adalah tegangan yang timbul diantara terminal penangkap petir pada saat arus petir mengalir ke tanah

• Untuk menentukan tegangan sisa ini digunakan impulse arus sebesar 8/20 s dengan harga puncak 5 kA dan 10 kA.

• Umumnya tegangan sisa tidak akan melebihi BIL atau TID (Basic Insulation Level = Ingkat Isolasi Dasar) dari peralatan yang dilindungi walaupun arus pelepasan maksimumnya 55 kA atau 100 kA.

Arus Pelepasan Maksimum

• Adalah arus terpa maksimum yang dapat mengalir melalui penangkap petir setelah tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari penangkap petir.

 

Kelas Penangkap petir Arus pelepasan

Nominal (Ampere)

Harga Puncak Arus Terpa

(Kilo Ampere)

10.000600025001500

100652510

Contoh• Suatu transformator 5 MVA, 66/11 kV membutuhkan

suatu penangkap petir trafo yang dihubungkan pada sistem 66 kV mempunyai variasi perubahan tegangan sampai 10%. Titik bintang trafo ditanahkan langsung. Pilihlah kelas penangkap petir dari table berikut :

Kelas(kV)

Tegangan Percikan Impulse maksimum

(kV)

Tegangan Sisa (8/20) pada 10.000 Ampere

506073

172215258

176220264

• Disamping itu diketahui juga hal-hal sebagai berikut :

• a.   TID rafo pada sisi 66 kV : 350 kV• b. Tegangan lebih dinamis dari

sistem : 1,3 x Tegangan Kerja sistem • c. Tegangan percikan frekuensi jala-

jala : 1,5 x Tegangan penangkap petir • d. faktor keamanan 5% dari

perhitungan untuk menentukan tegangan pengenal penangkap petir. 

Jawab • Tegangan pengenal Penangkap petir = 66 x 1,1 x

0,8 x 1,05 = 60,98 kV• Dari table pilih Tegangan pengenal 60 kV.• Percikan Impulse maksimum = 215 kV, TID =

350 kV• Faktor keamanan yang tersedia = 350 – 215 = 130

kV• Tegangan percikan frekuensi jala-jala = 60 x 1,5 =

90 kV• Tegangan lebih dinamis dari sistem = 1,3 x 60/3

= 50 kV.