ANALISIS PROTEKSI TEGANGAN LEBIH TRANSIEN PADA BASE

TRANSCEIVER STATION (BTS) AKIBAT SAMBARAN PETIR PADA

MENARA TELEKOMUNIKASI

(Skripsi)

Oleh

YOGA PUTRA PRATHAMA

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

ABSTRACT

ANALYSIS OF TRANSIENT OVERVOLTAGE PROTECTION ON BASE

TRANSCEIVER STATION (BTS) DUE TO LIGHTNING STRIKE IN

TELECOMMUNICATION TOWER

By

YOGA PUTRA PRATHAMA

Lightning is a natural phenomena which cannot be prevented. Lightning mostly

occurs in tropical regions including Indonesia. Lightning strikes result in

overvoltage in electrical power systems. If overvoltage due to lightning strike is

more higher than insulation level of equipment, it become damage to the equipment.

Base Transceiver Station (BTS) is prone to lightning strike because it have a tall

structure, i.e. antenna telecommunication, more over all equipment in BTS have

low insulation level.

This research analyzes the capacity of overvoltage protection system in BTS using

MATLAB/Simulink 8.1 program tool. Overvoltage protection system consists of

various SPDs. There are two SPDs used in this research, i.e Metal Oxide Varistor

(MOV) and Gas Discharge Arrester (GDA). There are three installation

configuration of SPDs, i.e only MOV, only GDA and parallel combination of MOV

and GDA. All SPDs were installed between phase- and neutral-line and neutral-

and PE-line. A lightning impulse voltage standard 1,2/50 µs was supplied to the top

of antenna. The impulse voltage was varied between 500 V to 10 kV to investigate

the capacity of SPDs.

Voltages between phase- to neutral-line and neutral- to PE-line were measured in

the simulation. The results show lowest capacity of SPDs is MOV. The MOV can

withstand impulse voltage up to 1.3 kV and the residual voltage between phase to

neutral is 487.11 V. The GDA can withstand impulse voltage up to 1.7 kV and the

residual voltage between phase to neutral is 495.77 V. The highest capacity of SPDs

was achieved by parallel combination of MOV and GDA. This configuration can

withstand impulse voltage up to 4.5 kV and the residual voltage between phase to

neutral is 491.54 V. The Insulation Level of equipment in BTS is 500 V, hence the

voltage between phase to neutral during lightning strike are not damage to the

equipment of BTS. This research recommends a parallel combination of MOV and

GDA as SPDs at BTS.

Keywords : Lightning strikes, overvoltage, Base Transceiver Station (BTS), Surge

Protective Devices (SPDs), Metal Oxide Varistor (MOV), Gas Discharge Arrester

(GDA), Basic Insulation Level (BIL).

ABSTRAK

ANALISIS PROTEKSI TEGANGAN LEBIH TRANSIEN PADA

BASE TRANSCEIVER STATION (BTS) AKIBAT SAMBARAN PETIR

PADA MENARA TELEKOMUNIKASI

Oleh

YOGA PUTRA PRATHAMA

Petir merupakan fenomena alam yang tidak dapat dihindari. Petir sering terjadi pada

wilayah beriklim tropis termasuk Indonesia. Sambaran petir akan menyebabkan

tegangan lebih pada sistem tenaga listrik. Jika tegangan lebih diakibatkan oleh

sambaran petir lebih tinggi dari batas isolasi peralatan, akan menyebabkan

kerusakan pada peralatan. Base Transceiver Station (BTS) mudah terkena

sambaran petir karena mempunyai struktur bangunan yang tinggi yaitu antena

telekomunikasi dan semua peralatan BTS yang memiliki batas isolasi rendah.

Penelitian ini dilakukan untuk menganalisis kapasitas sistem proteksi tegangan

lebih pada BTS dengan menggunakan program MATLAB/Simulink 8.1. Sistem

proteksi tegangan lebih terdiri dari beberapa peralatan proteksi surja (SPDs). SPDs

yang digunakan pada penelitian ini, yaitu Metal Oxide Varistor (MOV), dan Gas

Discharge Arrester (GDA). Penelitian ini menggunakan tiga konfigurasi SPDs,

yaitu MOV, GDA dan kombinasi MOV+GDA yang terhubung paralel. Peralatan

SPDs dipasang antara fasa - netral dan antara netral – PE. Tegangan impuls standar

1,2/50 µs disuplai ke bagian puncak menara BTS. Tegangan impuls divariasikan

antara 500 V sampai dengan 10 kV untuk meneliti kapasitas dari SPDs.

Tegangan antara fasa – netral dan netral – PE diukur pada simulasi. Hasil simulasi

menunjukkan kapasitas terendah dihasilkan dari sistem proteksi yang menggunakan

MOV. MOV mampu menahan tegangan impuls sampai 1,3 kV dengan tegangan

sisa sebesar 487,11 V. Penggunaan GDA sebagai SPDs peralatan proteksi surja

mampu menahan tegangan impuls sampai 1,7 kV dengan tegangan sisa terukur

sebesar 495,77 V. Kapasitas yang paling tinggi adalah dengan kombinasi MOV dan

GDA yang terhubung secara paralel. Konfigurasi MOV dan GDA mampu menahan

tegangan impuls sampai 4,5 kV dengan tegangan potong sebesar 491,54 V. Batas

isolasi peralatan tegangan rendah pada BTS adalah 500 V. Oleh karena itu tegangan

lebih antara fasa – netral selama sambaran petir tidak menimbulkan kerusakan pada

peralatan. Penelitian ini merekomendasikan peralatan proteksi surja (SPDs) yaitu

MOV dan GDA yang dipasang secara paralel.

Kata Kunci : sambaran petir, tingkat batas isolasi, sistem tenaga listrik, tegangan

lebih, Base Transceiver Station (BTS), peralatan proteksi surja, Metal Oxide

Varistor (MOV), Gas Discharge Arrester (GDA).

ANALISIS PROTEKSI TEGANGAN LEBIH TRANSIEN PADA BASE

TRANSCEIVER STATION (BTS) AKIBAT SAMBARAN PETIR

PADA MENARA TELEKOMUNIKASI

Oleh

YOGA PUTRA PRATHAMA

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Purbolinggo, tepatnya di

Toto Harjo pada tanggal 22 Juni 1993,

merupakan anak pertama dari dua saudara

pasangan Bapak Priyono Subagiyo (Alm) dan

Ibu Bonatin S.Pd.

Dengan rahmat Allah S.W.T penulis telah

menyelesaikan pendidikan diawali dengan Pendidikan Taman Kanak (TK) Peritwi

Purbolinggo pada tahun 1999, dilanjutkan dengan Sekolah Dasar (SD) 02 Toto

Harjo pada tahun 2005, kemudian Sekolah Menengah Pertama (SMP) 1

Purbolinggo pada tahun 2005, dan Sekolah Menengah Atas (SMA) 1 Purbolinggo

pada tahun 2011.

Penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik,

Universitas Lampung pada tahun 2011 melalui jalur masuk mandiri atau UML.

Penulis aktif sebagai anggota Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro divisi SOSEK

(Sosial dan Ekonomi) pada tahun 2012 -2013. Penulis juga pernah menjadi asisten

Sistem Proteksi, Analisa Sistem Tenaga dan Transmisi Daya Elektrik di

Laboratorium Sistem Tenaga Elektrik.

Penulis menjalani Kuliah Kerja Nyata (KKN) sebagai program pengabdian

masyarakat di Desa Mulyo Sari, Kecamatan Padang Cermin, Kabupaten Pesawaran

dengan melaksanakan beberapa program kerja di Desa tersebut. Dalam

pengaplikasian ilmu kelektroan penulis melakukan Kerja Praktik pada Divisi

HAR/Mekanik Listrik di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Tarahan Unit 3

dan 4 pada 02 Februari – 02 Maret 2015 dengan judul “Analisis Kegagalan

Transformator Daya Berdasarkan Hasil Uji Minyak Isolasi Menggunakan Metode

DGA (Dissolved Gas Analysis) Pada PT. PLN (Persero) Sektor Pembangkitan

Tarahan.

PERSEMBAHAN

Dengan rahmat dan segala rasa syukur kepada Allah S.W.T, yang telah meridhoi dan

menuntun langkah hambaMu, sehingga skripsi ini

dapat terselasaikan.

Shalawat berserta salam kepada Rosulullah Muhammad S.A.W, yang telah menuntun

manusia ke jalan yang penuh rahmat dan sebagai suri tauladan yang diajarkan kepada kita

semua sebagai hamba Allah S.W.T.

Dan

Kupersembahkan karya kecil nan sederhana ini kepada :

Ayahanda ku tercinta Priyono Subagiyo (Alm) dan,

Ibunda ku tercinta Bonatin S.Pd

Karya ini memang sederhana dan tidak seberapa daripada pengorbananmu yang besar dan tak

kenal lelah dalam merawat serta mendidik ku hingga sekarang ini.. Ayah dan Ibu yang selalu

mendoakan aku tak terputus begitu juga dengan doaku kepada kalian yang setiap hari

kupanjatkan. Selalu Doakan, semoga aku bisa mengangkat derajat keluargaku, dan bisa

berbakti kepada masyarakat, bangsa dan Negara.

Adikku Yona Vidya Dhari

Terimakasih karena selalu mendukung, memberikan semangat, inspirasi dan selalu mendoakan

untuk keberhasilan kita sekarang hingga masa mendatang..

Serta

Almamaterku tercinta Universitas Lampung

MOTTO

“Sulit Atau Tidaknya Jalan Yang Kamu Lalui, Janganlah

Menyerah, Yakinlah! Jika Kamu Berusaha, Pasti Ada Hasilnya”.

(Yoga Putra Prathama)

“Dan bersabarlah kamu, sesungguhnya janji Allah adalah benar”.

(QS. Ar-Rum : 60)

“Don’t Watch the Clock; Do What it Does. KEEP GOING!”.

(Sam Levenson)

SANWACANA

Alhamdulillahi Robbil ‘Alamin, penulis memanjatkan puji syukur kahadirat Allah

S.W.T, yang senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis

mampu menyelasaikan penelitian skripsi ini dengan judul “ANALISIS

PROTEKSI TEGANGAN LEBIH TRANSIEN PADA BASE TRANSCEIVER

STATION (BTS) AKIBAT SAMBARAN PETIR PADA MENARA

TELEKOMUNIKASI” . Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk meraih

gelar Sarjana Teknik (S.T) pada program studi S1 Teknik Elektro, Jurusan Teknik

Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Lampung.

Dalam penyusunan skripsi ini tidak terlepas dari bantuan, dorongan, serta saran dari

berbagai pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada :

1. Kepada Ayah (Alm) dan Ibu, terimakasih atas motivasi dan segala

pengorbanan yang telah kalian berikan kepada Saya hingga saat ini. Dan

semoga kesabaran dan perjuangan kita akan berbuah manis di esok hari sampai

di masa mendatang.

2. Kepada Adikku Yona Vidya Dhari, yang telah memberikan motivasi, inspirasi

dan semangat kepada Saya. Selamat belajar dan menempuh pendidikan di

perguruan tinggi Universitas Lampung.

xiii

3. Bapak Prof. Suharno, Msc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Lampung.

4. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc. sebagai Ketua Jurusan Teknik

Elektro.

5. Ibu Dr. Eng. Diah Permata, S.T., M.T sebagai Dosen Pembimbing Utama.

Ucapan terimakasih atas ketersedian waktunya untuk membimbing,

memberikan arahan, pengalaman, nasihat, dan ilmu yang beliau berikan selama

proses penyelesaian skripsi ini.

6. Bapak Dr. Henry B.H Sitorus S.T., M.T. sebagai Dosen Pembimbing

Pendamping (II), yang telah banyak memberikan saran, masukan dalam

penyusunan skripsi ini

7. Bapak Dr. Herman H. Sinaga S.T., M.T. sebagai Sekretaris Jurusan Teknik

Elektro dan sekaligus sebagai Dosen Penguji, yang turut memberikan masukan

dan saran dalam proses penyusunan skripsi ini.

8. Ibu Dr. Ing. Melvi, S.T., M.T. sebagai dosen Pembimbing Akademik.

Terimakasih atas ketersedian waktu dalam membimbing saya, memberikan

nasihat dan motivasi selama menjadi mahasiswa.

9. Sahabat seperjuangan di Laboratorium Sistem Tenaga Elektrik, Gusmau Rado

Pratama, Alex Munandar, M. Fikri Ibrahim, Rani Kusuma Dewi, Fanny

Simatupang, terimakasih atas dukungan dan motivasinya.

10. Sahabat seperjuangan Yeremia Luhur Wiyoto, Mariyo Yoshua Sitorus,

Andreas Siregar, Hajri. Tri Saputra, terimakasih atas izinnya dalam

menggunakan Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi dalam menyelesaikan

skripsi ini.

xiv

11. Sahabat The Genk Sigit Santoso, S.T., Reynold Tjandi S.T., Yusuf Afandi,

Andi Irawan, Edi Supriyanto terimakasih atas canda tawa dan motivasi, dan

saran kepada penulis.

12. Seganap pihak yang tidak bisa penulis uraikan satu persatu.

Terlepas daripada itu semua, bahwa penulis menyadari skripsi ini masih banyak

terdapat kekurangan atau kesalahan. Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik

yang bersifat membangun guna kebaikan dan kemajuan skripsi ini. Penulis

menyampaikan semoga skripsi ini dapat berguna bagi kita semua, terutama kepada

para pembaca seperti mahasiswa Fakultas Teknik guna mengembangkan ilmu

pengetahuan dan dapat berguna bagi Nusa dan Bangsa.

Bandarlampung, 30 Agustus 2018

Penulis

Yoga Putra Prathama

xv

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRACT ................................................................................................... i

ABSTRAK ..................................................................................................... iii

HALAMAN JUDUL ..................................................................................... iv

LEMBAR PERSETUJUAN ......................................................................... vi

LEMBAR PENGESAHAN .......................................................................... vii

LEMBAR PERNYATAAN .......................................................................... viii

RIWAYAT HIDUP ....................................................................................... ix

PERSEMBAHAN .......................................................................................... xi

MOTTO ......................................................................................................... xii

SANWACANA .............................................................................................. xiii

DAFTAR ISI .................................................................................................. xvi

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xix

DAFTAR TABEL ......................................................................................... xxi

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ....................................................................................... 1

1.2. Tujuan Penelitian ................................................................................... 3

1.3. Manfaat Penelitian ................................................................................. 3

1.4. Rumusan Masalah .................................................................................. 3

1.5. Batasan Masalah .................................................................................... 4

1.6. Sistematika Penulisan ............................................................................ 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1.Tegangan Lebih Transien .......................................................................... 6

xvi

2.2. Proteksi Tegangan Lebih Transien ........................................................ 8

2.2.1. Gas-Discharge Arrester (GDA) ……………………………… 9

2.2.1.1 Fase Pre-breakdown ................................................... 10

2.2.1.2. Fase Breakdown ......................................................... 11

2.3.1.3. Fase Arc ....................................................................... 12

2.2.2. Metal-oxide Varistor (MOV) …………………………………. 12

2.3. Sistem Pentanahan Base Transceiver Station (BTS) ............................. 14

2.4. Studi Pendahuluan yang Sudah Dilaksanakan ....................................... 17

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................ 19

3.2. Alat dan Bahan ...................................................................................... 19

3.3. Tahap Pembuatan Tugas Akhir ............................................................. 20

3.4. Pelaksanaan Penelitian ........................................................................... 21

3.4.1. Pembangkitan Tegangan Impuls Petir ....................................... 22

3.4.2. Konduktor Penyalur (Down Conductor) ..................................... 23

3.4.3. Pentanahan Menara BTS ............................................................ 23

3.4.4. Metal Oxide Varistor (MOV) ..................................................... 25

3.4.5. Gas Discharge Arrester (GDA) .................................................. 26

3.4.6. Saluran Daya (Line) .................................................................... 27

3.4.7. Transformator Tegangan Rendah ............................................... 27

3.5. Tahapan Simulasi Rangkaian ................................................................ 28

3.5.1. Sistem BTS dengan menggunakan Proteksi MOV .................... 28

3.5.2. Sistem BTS dengan menggunakan Proteksi GDA .................... 29

3.5.3. Sistem BTS dengan menggunakan Proteksi GDA dan MOV .. 29

3.6. Diagram Alir Penelitian ......................................................................... 31

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Skenario Penelitian ................................................................................. 32

4.1.1. Pembangkitan Tegangan Impuls ................................................ 32

4.1.2. Metal Oxide Varistor (MOV) .................................................... 34

4.1.3. Gas Discharge Arrester (GDA) ................................................. 36

xvii

4.2. Parameter Komponen Peralatan Sistem Base Tranceiver Station

(BTS) ..................................................................................................... 40

4.3. Rangkaian Simulasi ............................................................................... 41

4.3.1. Simulasi Pertama : MOV ........................................................... 41

4.3.2. Simulasi Kedua : GDA ........................................................... 42

4.3.3. Simulasi Ketiga. : Kombinasi MOV dan GDA ....................... 43

4.4. Data Hasil Simulasi ............................................................................... 43

4.4.1. Simulasi Pertama : MOV ......................................................... 44

4.4.2. Simulasi Kedua : GDA ........................................................... 47

4.4.3. Simulasi Ketiga. : Kombinasi MOV dan GDA ........................ 49

4.5. Batas Kenaikan Tegangan Impuls yang Aman untuk Peralatan Tegangan

rendah .................................................................................................... 52

BAB V SIMPULAN DAN SARAN

5.1. Simpulan ................................................................................................ 54

5.2. Saran ....................................................................................................... 55

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 56

LAMPIRAN A

LAMPIRAN B

LAMPIRAN C

LAMPIRAN D

xviii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Bentuk gelombang tegangan impuls ........................................ 6

Gambar 2.2 Susunan komponen GDA dengan dua buah elektroda ............ 9

Gambar 2.3 Struktur dalam Metal Oxide Varistor (MOV) ........................ 13

Gambar 2.4 Model rangkaian MOV ........................................................... 13

Gambar 2.5 Tower BTS (Base Transceiver Station) ................................... 14

Gambar 2.6 Shelter BTS tampak depan ..................................................... 15

Gambar 2.7 Peralatan tegangan rendah pada shelter BTS ......................... 15

Gambar 2.8 Rangkaian ekuivalen dan struktur pentanahan batang elektroda

pada BTS ............................................................................... 16

Gambar 3.1 Blok Diagram rangkaian simulasi ......................................... 22

Gambar 3.2 Model down conductor .......................................................... 23

Gambar 3.3 Model driven rod ................................................................... 24

Gambar 3.4 Rangkaian ekuivalen MOV ..................................................... 25

Gambar 3.5 Model saluran daya ................................................................. 27

Gambar 3.6 Tranformator tegangan rendah ............................................... 27

Gambar 3.7 Skematik sistem BTS dengan proteksi MOV ......................... 28

Gambar 3.8 Skematik sistem BTS dengan proteksi GDA .......................... 29

Gambar 3.9 Skematik sistem BTS dengan proteksi GDA dan MOV ........ 30

Gambar 3.10 Alur penyelesaian pemodelan sistem proteksi ......................... 31

Gambar 4.1 Blok pembangkitan tegangan impuls 1,2/50-µs ...................... 33

Gambar 4.2 Tegangan impuls standar 1,2/50-µs ......................................... 33

Gambar 4.3 Model Metal Oxide Varistor (MOV) pada simulink ................. 34

Gambar 4.4 Rangkaian Pengujian MOV .................................................... 35

Gambar 4.5 Hasil tegangan pemotongan MOV ........................................... 35

xix

Gambar 4.6 Model Gas Discharge Arrester (GDA) pada simulink............. 36

Gambar 4.7 Pemodelan fase pre-breakdown ................................................ 36

Gambar 4.8 Pemodelan fase breakdown ...................................................... 37

Gambar 4.9 Pemodelan fase busur (arc) ...................................................... 37

Gambar 4.10 a) Parameter nilai fasa pre-breakdown , b) Parameter nilai fasa

breakdown c) Parameter nilai fasa arc.................................... 38

Gambar 4.11 Rangkaian pengujian GDA ..................................................... 39

Gambar 4.12 Hasil tegangan sisa GDA ........................................................ 40

Gambar 4.13 Rangkaian Simulasi dengan MOV ......................................... 42

Gambar 4.14 Rangkaian Simulasi dengan GDA ........................................... 42

Gambar 4.15 Rangkaian Simulasi dengan MOV dan GDA .......................... 43

Gambar 4.16 Grafik tegangan dan arus pada impuls 1,5 kV menggunakan

MOV ........................................................................................ 45

Gambar 4.17 Grafik tegangan dan arus pada impuls 5 kV menggunakan

MOV ........................................................................................ 45

Gambar 4.18 Grafik tegangan dan arus pada impuls 1,7 kV menggunakan

GDA ........................................................................................ 47

Gambar 4.19 Grafik tegangan dan arus pada impuls 5 kV menggunakan

GDA ......................................................................................... 48

Gambar 4.20 Grafik tegangan dan arus pada impuls 4,5 kV menggunakan

kombinasi MOV dan GDA ..................................................... 50

Gambar 4.21 Grafik tegangan dan arus pada impuls 5 kV menggunakan

kombinasi MOV dan GDA ..................................................... 50

Gambar 4.22 Grafik hasil tegangan sisa SPDs terhadap BIL pada VPH-N .... 52

xx

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Bentuk tegangan impuls petir di beberapa Negara ....................... 8

Tabel 3.1 Alat dan bahan penelitian ............................................................ 19

Tabel 4.1 Parameter GDA ........................................................................... 39

Tabel 4.2 Parameter Komponen pada BTS ................................................. 41

Tabel 4.3 Data Pengukuran dan Keterangan pada Simulasi ......................... 44

Tabel 4.4 Hasil pengukuran dengan menggunakan MOV ........................... 46

Tabel 4.5 Hasil pengukuran dengan menggunakan GDA ............................ 49

Tabel 4.6 Hasil pengukuran dengan menggunakan MOV dan GDA ........... 51

Tabel 4.7 Kapasitas tegangan impuls yang mampu ditahan (withstand

impulse-voltage) oleh SPDs dan tegangan sisa ............................. 54

xxi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Petir merupakan gejala alam yang tidak dapat dikendalikan ataupun dicegah oleh

manusia. Kejadian petir terbentuk karena adanya ketidakseimbangan antara awan

bermuatan negatif dan awan bermuatan positif di atmosfer. Sambaran petir tidak

hanya menyambar ke area datar seperti lapangan, namun objek dengan struktur

yang tinggi akan sangat rentan terhadap sambaran petir. Objek – objek yang

mempunyai struktur bangunan tinggi antara lain pepohonan, perumahan, gedung

pencakar langit, menara transmisi listrik, dan menara pemancar Base Transceiver

Station (BTS).

Base Transceiver Station (BTS) adalah infrastruktur telekomunikasi yang berperan

sebagai pemancar jaringan nirkabel dengan pengguna perangkat komunikasi.

Kontruksi menara BTS terdiri dari menara telekomunikasi, panel utama (main

panel), antena pemancar dan sistem pengkabelan. Struktur BTS yang didesain

sangat tinggi, tentu rawan terhadap sambaran petir. Sambaran langsung merupakan

kejadian ketika petir menyambar bagian konduktor pada menara telekomunikasi.

Sambaran petir secara langsung menimbulkan bahaya terhadap peralatan –

2

peralatan telekomunikasi yang ada pada BTS. Apabila ruang peralatan di BTS

terkena induksi dari sambaran petir, maka berakibat kerusakan pada peralatan

bertegangan rendah. Kerusakan tersebut disebabkan karena peningkatan tegangan

yang melebihi batas isolasi dari peralatan komunikasi bertegangan rendah.

Peralatan proteksi tegangan lebih dipasang pada panel utama BTS dengan tujuan

membatasi tegangan lebih yang menuju ke peralatan tersebut. Peralatan proteksi

yang umumnya dipasang pada tegangan rendah adalah Surge Protective Devices

(SPDs). SPDs terdapat tiga jenis yaitu varistor, gas discharge tube, dan avalanche

diode. SPDs yang digunakan dalam penelitian adalah jenis Gas-Discharge Arrester

(GDA) dan Metal-oxide Varistor (MOV). Karakteristik MOV adalah respon waktu

terhadap tegangan lebih sangat cepat tetapi kebocoran arus saat breakdown sangat

besar. Karakteristik GDA yaitu kebocoran arus pada saat breakdown sangat kecil

tetapi respon terhadap tegangan lebih sangat lambat.

Tugas akhir ini mensimulasikan dan menganalisis tegangan lebih pada BTS yang

diproteksi oleh MOV dan GDA. Komponen yang akan diproteksi adalah pada panel

utama BTS yaitu, peralatan tegangan rendah. Amplitudo tegangan impuls yang

disuplai akan divariasikan dan peralatan tegangan rendah pada panel utama BTS

diproteksi dengan SPDs kelas I yaitu MOV, GDA, dan kombinasi MOV dan GDA

secara paralel kemudian membuat rangkaian simulasi ke dalam perangkat lunak

MATLAB/Simulink 8.1.

3

1.2. Tujuan Penelitian

Berdasarkan permasalahan, tujuan dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Membuat model proteksi tegangan lebih untuk Base Transceiver Station

(BTS) menggunakan Metal Oxide Varistor (MOV), dan Gas Discharge

Arrester (GDA).

2. Melakukan simulasi sambaran impuls petir secara langsung pada menara

telekomunikasi terhadap sistem proteksi tegangan rendah pada Base

Transceiver Station (BTS).

3. Menganalisis kenaikan tegangan yang terjadi akibat sambaran petir pada

peralatan komunikasi bertegangan rendah.

1.3. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang penulis lakukan dalam pembuatan Tugas Akhir ini adalah

sebagai berikut :

1. Mengetahui model sistem proteksi tegangan lebih pada Base Transceiver

Station (BTS) dengan menggunakan peralatan proteksi Metal Oxide Varistor

(MOV) dan Gas Discharge Arrester (GDA).

2. Mengetahui kapasitas tegangan lebih pada Surge Protection Devices (SPDs)

yang digunakan.

1.4. Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

4

1. Bagaimana memodelkan proteksi tegangan lebih pada Base Transceiver

Station (BTS) dengan MATLAB/Simulink 8.1.

2. Bagaimana membuat simulasi proteksi tegangan lebih Base Transceiver

Station (BTS) pada MATLAB/Simulink 8.1.

3. Bagaimana melihat tegangan sisa pada sistem proteksi SPDs yang

disimulasikan pada MATLAB/Simulink 8.1.

1.5. Batasan Permasalahan

Batasan masalah diadakan supaya isi dan pembahasan Tugas Akhir menjadi lebih

terperinci dan terarah guna mendapatkan tujuan yang diinginkan. Maka diperlukan

batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah :

1. Jenis impuls yang digunakan adalah berdasarkan standar tegangan impuls

IEC yaitu 1,2/50 μs.

2. Tegangan petir yang disuplai down conductor (konduktor penyalur) adalah

beda potensial antara batang vinial dan pentanahan menara Base Transceiver

Station (BTS).

3. Hanya menganalisis sambaran petir secara langsung pada menara Base

Transceiver Station (BTS).

4. SPD yang digunakan yaitu GDA dengan tegangan kerja 230 VL dan MOV

dengan tegangan kerja 250 VL.

5. GDA yang dimodelkan hanya terdiri dari tiga fase pengoperasiannya yaitu,

fase pre-breakdown, fase breakdown, dan fase arc .

6. Gelombang sinusoidal diabaikan.

5

1.6. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan dalam penyusunan Tugas Akhir ini adalah sebagai

berikut :

BAB I Pendahuluan berisi tentang latar belakang penelitian, tujuan

penelitian, manfaat penelitian, rumusan penelian, batasan

masalah, serta sistematika penulisan.

BAB II Penjelasan teori tentang tegangan lebih transien, tinjauan materi

mengenai gelombang impuls, penjelasan mengenai MOV (Metal

Oxide Varistor), GDA (Gas Discharge Arrester), dan tinjauan

mengenai Base Transceiver Station (BTS).

BAB III

BAB IV

BAB V

Metodologi penelitian ini berisi tentang waktu dan tempat

penelitian yang dilakukan, prosedur penelitian, pemodelan

rangkaian, skematik sistem proteksi pada BTS dan diagram alur

penelitian.

Bab ini berisi tentang pembahasan mengenai pemodelan sistem

proteksi BTS dengan variasi SPDs yang telah disimulasikan

kemudian didapatkan hasil analisa pada setiap percobaan.

Bab terakhir ini berisi mengenai simpulan dan saran yang penulis

dapatkan setelah melakukan hasil simulasi dan analisis.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tegangan Lebih Transien

Tegangan lebih pada sistem tenaga listrik harus dapat diamankan oleh sistem

dengan waktu yang relatif cepat. Tegangan lebih transien salah satunya adalah petir.

Petir mempengaruhi keandalan sistem distribusi karena merupakan penyebab

utama gangguan listrik yang terkait dengan kerusakan peralatan sistem dan pada

beban bertegangan rendah [1]. Peralatan – peralatan elektronika umumnya

menggunakan tegangan dengan level kerja yang rendah yang berakibat sangat

rentang dengan adanya perubahan amplitudo yang besar.

Gambar 2.1 Bentuk gelombang impuls tegangan [2]

Keterangan

Tf = Waktu muka gelombang (O’A)

Tt = Waktu ekor gelombang (O’B)

Vmaks = Tegangan Puncak

7

Bentuk dan waktu gelombang impuls dapat diatur dengan mengubah nilai

komponen dari rangkaian generator impuls [3].

1) Nilai puncak (peak value) merupakan nilai maksimum gelombang impuls.

2) Muka gelombang (wave front) didefinisikan sebagai bagian gelombang yang

dimulai dari titik nol sampai titik puncak. Waktu muka (Tf) adalah waktu yang

dimulai dari titik nol sampai titik puncak gelombang.

3) Ekor gelombang (wave tail) didefinisikan sebagai bagian gelombang yang

dimulai dari titik puncak sampai akhir gelombang. Waktu ekor (Tt) adalah

waktu yang dimulai dari titik nol sampai setengah puncak pada ekor

gelombang.

Tegangan lebih transien dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis gelombang

berdasarkan karakteristik dari bentuk gelombang [4].

1) Bentuk muka lambat (slow front), yang dikarakteristikan oleh waktu muka

20<T1<5000µs dan waktu ekor T2 20 ms. Untuk pekerjaan eksperimen,

bentuk gelombang ini disimulasikan sebagai impuls surja hubung 250/2500

µs.

2) Bentuk muka cepat (fast front), yang dikarakteristikan oleh waktu muka

0,1<T1<20µs. Untuk pekerjaan eksperimen, bentuk gelombang ini

disimulasikan sebagai impuls petir 1.2/50 µs.

3) Bentuk muka sangat cepat (very fast front), yang dikarakteristikan oleh waktu

muka 3<T1<10 ns.

8

Tabel 2.1 Bentuk tegangan impuls petir di beberapa Negara [3]

Standar Sebagai Acuan Nilai 𝑻 𝒇 × 𝑻𝒕

Japan 1 × 40 𝜇𝑠

Germany 1 × 50 𝜇𝑠

United Kingdom 1 × 50 𝜇𝑠

United States 1,5 × 40 𝜇𝑠

IEC 1,2 × 50 𝜇𝑠

Bentuk gelombang impuls dapat direpresentasikan dalam bentuk persamaan

matematik. Standar impuls petir umumnya dimodelkan dengan persamaan double

exponential [5].

𝑢(𝑡) = 𝑘𝑢 . 𝑈𝑚𝑎𝑥 . (𝑒𝑥𝑝 (𝑡

𝜏2) − 𝑒𝑥𝑝 (

𝑡

𝜏1) ) [𝑉]

Simulasi menggunakan perangkat lunak berbasis rangkaian seperti

MATLAB/Simulink dengan menginput nilai konstanta 𝜏1 dan 𝜏2, dan nilai puncak

Vp untuk membangkitkan bentuk gelombang yang merepresetasikan gelombang

impuls petir. Persamaan 2.1 menjadi acuan sebagai sumber tegangan impuls petir

yang akan disimulasikan dengan program simulink pada sub-block matlab function.

2.2 Proteksi Tegangan Lebih Transien

Perancangan proteksi peralatan tegangan lebih adalah hal yang sangat vital pada

sistem tenaga listrik. Peralatan proteksi ini sebagai pelindung sistem tenaga listrik

dari gejala – gejala abnormal yang terjadi sewaktu – waktu pada sistem tenaga

listrik.

(2.1)

9

Proteksi peralatan bertegangan rendah adalah menggunakan Surge Protective

Devices (SPDs). SPDs pada dasarnya terbentuk dari kombinasi satu atau lebih

komponen berikut: Gas-Discharge Arrester (GDA), Metal-oxide Varistor (MOV),

dan Silicon Avalanche Diodes (SADs) . GDA mempunyai kapasitas pemutus arus

yang paling besar tetapi waktu respon lebih lambat, sehingga untuk mendapatkan

unjuk kerja yang optimal diperlukan kombinasi dari ketiganya. Kombinasi yang

paling umum dipakai pada proteksi tegangan rendah adalah GDA dan MOV [6].

2.2.1 Gas-Discharge Arrester (GDA)

Gas Dischard Arester (GDA) merupakan sebuah alat pelindung tegangan lebih

yang digunakan untuk memproteksi adanya gangguan abnormal yang terjadi pada

sistem kelistrikan. GDA adalah salah satu tipe crowbar protection. Simbol dan

sususan kompenen yang terdapat dalam GDA direpresentasikan oleh Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Susunan komponen GDA dengan dua buah elektroda [7].

GDA umumnya terdiri dari dua atau lebih elektroda logam yang dipisahkan oleh

celah yang terletak di dalam sebuah tabung tertutup rapat dan di dalamnya berisi

10

gas lembam atau campuran gas berupa Argon (Ar), Helium (He), Hidrogen (H).

Jarak elektroda dipertahankan oleh keramik, kaca atau bahan bahan isolasi lainnya,

yang merupakan bagian dari tabung penutup [7].

Gas Discharge Arrester (GDA) adalah salah satu peralatan penting untuk proteksi

tegangan rendah (low-voltage). GDA bekerja sebagai tabung pelepasan muatan

(discharge). Elektroda akan berfungsi sebagai anoda atau katoda tergantung dari

polaritas tegangan yang terhubung pada kedua terminal dari GDA. Jika celah GDA

mendapatkan peluahan atau tekanan listrik yang tinggi akibat surja tegangan

melebihi batas kekuatan isolasi gas yang mengisi celah diantara kedua elektroda

maka akan terjadi proses tembus isolasi (breakdown) pada celah di dalam tabung

GDA tersebut. Saat tegangan tembus terjadi diantara kedua elektroda tersebut

impedansi antara kedua elektroda sangat rendah.

GDA dimodelkan melalui tahapan – tahapan fisik proses pelepasan muatan gas

pada saat GDA dalam kondisi operasi. Terdapat tiga fase yang dimodelkan dalam

GDA yang direpresentasikan yaitu: fase sebelum tembus (pre-breakdown phase),

fase tembus (breakdown fase), fase terbentuk busur api (arc phase).

2.2.1.1 Fase Pre-breakdown

Tahapan pertama adalah pre-breakdown, tahapan ini terminal pada gas arrester

tidak melebihi saat tegangan breakdown atau dikenal dengan istilah 𝑈𝐷𝐶, bahwa

arrester akan menjadi isolator yang bagus apabila tegangan impuls tidak melebihi

tegangan tembus atau 𝑢 < 𝑈𝐷𝐶. Waktu tunda saat pelepasan muatan dapat dihitung

dari respon terhadap pengujian GDA dengan formulasi [5].

11

𝑡𝑑 = 𝛼 . 𝑆−𝑏 [𝑠] (2.2)

Dengan 𝛼 merupakan koefisien, b merupakan koefiesien interpolasi dapat

ditentukan saat pengukuran. S merupakan kemiringan tegangan muka dapat

diekspresikan dengan volt per detik. Pada fase ini dapat ditentukan oleh resistansi

variable yang mana dapat ditunjukan dengan switch. Switch akan terbuka (open),

jika tidak dalam kondisi discharge. GDA pada kondisi discharge atau switch dalam

kondisi tertutup (closed). Persamaan untuk resistan yang berubah ditentukan oleh

[5] ;

𝑹𝒔(𝒕) =

{

𝑹𝒔𝟎 ;

𝑹𝒔𝟎 . 𝐞𝐱𝐩 (−𝒕 − (𝒕𝑫𝑪 + 𝒕𝒅

𝝉𝟎𝟏) ;

𝑹𝒔𝟏;

𝒕 < 𝒕𝑫𝑪 + 𝒕𝒅

𝒕 ≥ 𝒕𝑫𝑪 + 𝒕𝒅 (2.3)

𝑹𝒔 ≤ 𝑹𝒔𝟏

Berdasarkan Persamaan 2.3 dengan parameter 𝑅𝑠0 adalah resistansi saat switch

dalam kondisi terbuka, 𝑅𝑠1 dikondisikan dengan switch tertutup, 𝜏01 adalah waku

konstan saat switch mulai tertutup, dan 𝑡𝑑 adalah saat ketika tegangan masuk pada

GDA mencapai nilai saat terjadi tegangan breakdown 𝑈𝐷𝐶.

2.2.1.2 Fase Breakdown

Fase ini diindikasikan dengan percikan yang mulai terbentuk di dalam GDA.

Kondisi gas yang berada di dalam tabung GDA akan sangat terionisasi dan arus

yang melewatinya akan meningkat. Peningkatan nilai arus ini dapat dimodelkan

dengan perubahan resistansi sesuai dengan persamaan Toepler [5];

12

𝑹(𝒕) =𝒌𝑻 . 𝒅

∫ 𝒊𝒅𝒕𝒕

𝒕𝑫𝑪+ 𝒕𝒅

(2.4)

Pada fase breakdown, arus akan sangat besar sedangkan untuk resistansinya akan

menurun.

2.2.1.3 Fase Arc

Model busur api ini didefinisikan sesuai dengan pemodelan Schavenmaker.

Persamaan resistansi (konduktansi) ditentukan oleh [5]:

𝟏

𝒈 ∙ 𝐝𝒈

𝐝𝒕= 𝐝 𝐥𝐧(𝒈)

𝐝𝒕= 𝟏

𝝉 ∙ (

𝒖 ∙ 𝒊

𝐦𝐚𝐱(𝑼𝒂𝒓𝒄 ∙ |𝒊|, 𝑷𝟎 )− 𝟏) ; 𝑹 =

𝟏

𝒈

(2.5)

Fase ini ditandai dengan adanya plasma, yang terdiri dari gas yang sangat panas dan

sangat terionisasi.

2.2.2 Metal-oxide Varistor (MOV)

Metal-oxide Varistor (MOV) adalah sebuah resistor non-linear dengan beberapa

sifat semi konduktor. MOV akan bekerja jika terjadi peningkatan tegangan yang

berakibat pada perubahan nilai resistansi. Struktur dari MOV ditunjukkan pada

Gambar 2.3.

13

Gambar 2.3 Struktur dalam metal oxide varistor (MOV) [8].

MOV akan mendeteksi kehadiran tegangan berlebih dan akan bersifat seperti

saklar yang bertujuan membuang arus yang berlebih melalui varistor. Model

rangkaian MOV diperlihatkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Model rangkaian MOV [9].

MOV dalam kondisi “off” atau tidak menghantar sampai surja timbul pada saluran

yang diproteksi. MOV akan bersifat ‘on” atau bekerja jika terjadi tegangan berlebih

yang mengalir ke MOV tersebut. Apabila tegangan surja tersebut melebihi batas

maksimum tegangan yang diijinkan, maka tegangan berlebih tersebut akan di

potong (clamping).

ROFF

RON

C

L

RVAR

14

2.3 Sistem Pentanahan Base Transceiver Station (BTS)

Bangunan BTS terdiri dari dua bagian utama yaitu tower dan shelter. Tower BTS

adalah menara yang terbuat dari rangkaian besi yang berbentuk segi empat atau

segitiga. Rangkaian besi tersebut bertujuan untuk menempatkan antena dan radio

pemancar maupun penerima sinyal telekomunikasi. Fasilitas telekomunikasi yang

umumnya terisolasi dan terletak pada dataran tinggi, rentan terhadap sambaran petir

secara langsung. Sambaran petir tersbut dapat mengarah ke saluran tegangan rendah

dan transformator sekunder dari BTS [1]. BTS sebagai sarana telekomunikasi

diperlihatkan oleh Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Tower Base Transceiver Station (BTS)

Sedangkan Shelter adalah bangunan equipment room lataknya di bawah menara.

Ukuran shelter umumnya berukuran 3 x 3 meter yang ditunjukkan pada Gambar

2.6.

15

Gambar 2.6 Shelter BTS tampak depan

Di dalam shelter BTS akan menampung peralatan – peralatan tegangan rendah

seperti combiner, module per carrier, core module (modul inti), power supply, fan

(kipas) pendingin, dan AC/DC converter yang diperlihatkan pada gambar 2.7.

Gambar 2.7 Peralatan tegangan rendah pada shelter BTS.

16

Tower BTS dilengkapi dengan sistem pentanahan yang berfungsi untuk

mengalirkan arus apabila terjadi sambaran petir ke menara. Arus petir yang

meluahkan muatan melalui struktur logam menara dapat menimbulkan kenaikan

potensial yang cukup tinggi pada struktur logam terhadap tanah..

Gambar 2.8 Rangkaian ekuivalen dan struktur pentanahan batang elektroda pada

BTS .

Sistem penatanahan menara adalah menggunakan driven rod yang

direpresentasikan dengan rangkaian ekuivalen R, L, C seperti yang terlihat pada

Gambar 2.9. Perhitungan nilai resistansi R bantang elektroda ditentukan [10]

𝑅 = 𝜌

2𝜋𝑙 (𝑙𝑛 (

8𝑙

𝑑) − 1)

Persamaan untuk menghitung nilai induktansi L dari batang elektroda ditentukan

oleh persamaan [10].

𝐿 = 2𝑙 𝑙𝑛 (4𝑙

𝑑) . 10−7

Kapasitansi C dari batang elektroda adalah [10]:

L

R C

(2.6)

(2.7)

(2.8)

17

𝐶 = 𝜀𝑟𝑙

18 𝑙𝑛 (4𝑙𝑑) . 10−9

Kenaikan tegangan tanah (ground potential rise/GPR) dapat membahayakan

peralatan elektronika apabila sistem equipotential bonding tidak efektif. Struktur

menara termasuk sistem pentanahan yang terintegrasi dengan pondasi menara harus

dapat membatasi GPR.

2.4 Studi Pendahuluan yang Sudah Dilaksanakan

Beberapa penelitian yang telah dilakukan sebelumnya antara lain :

a) Penelitian ini telah didahului dengan penelitian pengaruh sambaran petir

terhadap sistem proteksi pada tower BTS oleh Dany Suryawan, Diah Permata,

dan Nining Purwasih. Penelitian tersebut hanya menggunakan MOV sebagai

peralatan proteksi tegangan lebih. Penelitian yang diusulkan saat ini MOV

diparalelkan dengan GDA yang mempunyai karakteristik kapasitas

pemotongan arus yang lebih besar. Penambahan GDA dapat memperbaiki

profil tegangan sisa hasil pemotongan tegangan lebih oleh peralatan proteksi.

Amplitudo tegangan yang rendah di bawah ambang kekuatan isolasi aman

terhadap peralatan.

b) Janez Ribic, Jose Pihler, dan member IEEE, dengan judul penelitian

“Overvoltage Protection Using a Gas Discharge Arrester Within the Matlab

Program Tool” membahas mengenai pemodelan dari GDA dengan

memvariasikan sumber tegangan yang berupa tegangan impuls petir, sumber

tegangan tinggi AC dan kombinasi dari keduanya. Penelitian tersebut

18

menggunakan pelindung tegangan lebih berupa GDA yang di simulasikan

oleh program Simulink MATLAB Tool.

c) Sei Hyun Lee, dengan judul penelitian “Improving Breakdown Voltage

Characteristics of GDAs Using Trigger Voltage” dalam penelitian tersebut

membahas mengenai pemodelan GDA (Gas Discharge Arrester) dengan

menggunakan program tool ATP-Draw dengan memvariasikan sumber

tegangan petir. Penelitian ini membandingkan terhadap dua kondisi yaitu,

tanpa trigger dan kondisi trigger terhadap hasil simulasi dan pengujian.

Karakteristik kerja GDA dengan tegangan 18.5 kV/µs dan dengan peak

voltage sebesar 4 kV. Hasil pengujian (simulation) pada kondisi tanpa trigger

diperoleh tegangan 2043 V dengan durasi 306 ns, kemudian hasil pada

eksperimen menunjukan tegangan 2356 V dengan durasi 225 ns. Dan untuk

hasil saat pengujian (simulation) pada kondisi dengan trigger diperoleh

tegangan 984 V dengan waktu 149 ns dan pada hasil eksperimen diperoleh

tegangan 998 V dengan waktu 146 ns.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi, Jurusan Teknik

Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Lampung. Waktu penelitian di mulai pada

bulan September 2016 hingga September 2017. BTS yang digunakan adalah salah

satu provider telepon yang terdapat di Bandarlampung.

3.2. Alat dan Bahan

Alat dan bahan diperlukan untuk menunjang dalam penyelesaian Tugas Akhir.

Adapun alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

Tabel 3.1 Alat dan bahan penelitian

1. Hardware (Perangkat Keras)

Perangkat keras yang dipergunakan

sebagai pendukung penelitian in adalah

satu buah laptop ASUS type A45V

Series, Intel CoreTM i3-2370M -

2.4GHz.

20

2. Software (Perangkat Lunak)

Penelitian ini ditunjang sebuah

perangkat lunak sebagai tool untuk

melakukan simulasi yaitu

MATLAB/Simulink Version 8.1

(R2013a)

3.3 Tahap Pembuatan Tugas Akhir

Tahapan pembuatan tugas akhir merupakan langkah – langkah yang penulis

lakukan dalam melakukan penelitian adalah sebagai berikut :

1. Studi literatur

Tahapan studi literatur ini merupakan langkah kegiatan untuk mempelajari

berbagai referensi sebagai acuan dari sumber melalui buku – buku, e-book,

jurnal ilmiah dan internet guna mendapatkan pemahaman pendukung

mengenai proteksi tegangan lebih transien.

2. Studi Bimbingan

Tahapan ini adalah melakukan diskusi, konsultasi, dan solusi guna

menyelesaikan penelitian tugas akhir ini.

3. Perancangan Simulasi

Pembuatan model sistem proteksi tegangan lebih pada BTS termasuk

pembangkitan impuls, konduktor penyalur, saluran tegangan rendah,

transformator distribusi sisi sekunder, sistem pentanahan menara BTS,

Metal Oxide Varistor (MOV) dan Gas Discharge Arrester (GDA).

21

4. Pengambilan Data

Pengambilan data diperlukan setelah dilakukannya running simulasi pada

MATLAB/Simulink 8.1. Data yang diambil adalah data karakteristik impuls

petir standar IEC. Simulasi pengaruh sambaran petir pada peralatan

tegangan tegangan rendah dengan memvariasikan amplitudo gelombang

surja petir. Terdapat tiga percobaan dalam tugas akhir ini diantaranya,

melakukan simulasi dengan menggunakan Surge Protective Device(s)

(SPD) berupa, MOV, GDA, serta kombinasi MOV dan GDA.

5. Analisis dan Pembahasan

Tahapan ini adalah melakukan studi analisis dan pembahasan setelah

dilakukannya hasil pengujian pada simulasi. Analisa dan pembahasan

diperlukan guna untuk mendapatkan kesimpulan yang akan dicapai.

6. Pembuatan Laporan

Tahap akhir yang dilakukan adalah pembuatan laporan terhadap data hasil

yang diujikan/disumulasikan yang ditulis secara lengkap.

3.4 Pelaksanaan Penelitian

Tahapan ini adalah memodelkan suatu sub-block komponen pendukung dalam

melakukan simulasi pada sistem proteksi BTS. Berikut merupakan blok diagram

pemodelan rangkaian simulasi yang dijelaskan pada Gambar 3.1.

22

Gambar 3.1 Blok diagram rangkaian simulasi

Setelah pemodelan dari seluruh sistem telah selesai kemudian dilakukan simulasi

terhadap model tersebut menggunakan MATLAB/Simulink. Berikut merupakan

pemodelan dari berbagai kompenen.

3.4.1 Pembangkitan tegangan tinggi impuls petir

Pemodelan pembangkitan tegangan tinggi impuls adalah berdasarkan standar IEC

yaitu 1,2/50 µs [9]. Pembangkitan ini menggunakan model persamaan [4].

𝑢(𝑡) = 𝑘𝑢 . 𝑈𝑚𝑎𝑥 . (𝑒𝑥𝑝 (𝑡

𝜏2) − 𝑒𝑥𝑝 (

𝑡

𝜏1) ) [𝑉]

Dengan keterangan :

𝑘𝑢 = 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑘𝑒𝑛𝑎𝑖𝑘𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚

𝑈𝑚𝑎𝑥 = 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 (v)

𝑡 = 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 (s)

𝜏2 = 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 𝑚𝑢𝑘𝑎 𝑔𝑒𝑙𝑜𝑚𝑏𝑎𝑛𝑔 (𝑠)

𝜏1 = 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 𝑒𝑘𝑜𝑟 𝑔𝑒𝑙𝑜𝑚𝑏𝑎𝑛𝑔 (𝑠)

Memodelkan Pembangkitan

Tegangan Impuls

Memodelkan Down Conductor

(Konduktor Penyalur)

Memodelkan Pentanahan Menara BTS

Memodelkan Metal Oxide

Varistor (MOV)

Memodelkan Gas Discharge Arrester

(GDA)

Memodelkan Saluran Tegangan

Rendah

Memodelkan Transformator Sisi

Sekunder

Melakukan Simulasi Rangkaian

(3.1)

23

3.4.2 Konduktor penyalur (Down Conductor)

Model konduktor penyalur diperlihatkan pada Gambar 3.2 :

Gambar 3.2. Model down conductor [11].

Dengan persamaan yang digunakan sebagai berikut :

S

lRrod

Nilai indukantasi L konduktor penyalur ditentukan oleh [11] :

lLLrod

Di mana :

= Resistifitas konduktor

l = Panjang konduktor penghubung

tanah

S = Luas permukaan konduktor

penghubung tanah

Di mana :

L = Induktansi konduktor

penghubung tanah

l = Panjang konduktor penghubung

tanah

3.4.3 Pentanahan Menara BTS

Sistem pentanahan yang digunakan dalam simulasi adalah model driven rod seperti

pada Gambar 3.3 :

RF

LF

(3.2)

(3.3)

24

Gambar 3.3 Model sebuah driven rod [10]

Nilai R dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

𝑅 = 𝜌

2𝜋𝑙 (𝑙𝑛 (

8𝑙

𝑑) − 1)

Induktansi L dari batang elektroda ditentukan oleh persamaan berikut :

𝐿 = 2𝑙 𝑙𝑛 (4𝑙

𝑑) . 10−7

Kapasitansi C dari batang elektroda ditentukan oleh :

𝐶 = 𝜀𝑟𝑙

18 𝑙𝑛 (4𝑙𝑑) . 10−9

Keterangan :

ρ = resistivitas tanah

l = kedalaman pentanahan elektroda batang (𝑟𝑜𝑑)

d = diameter elektroda batang (𝑟𝑜𝑑)

εr = konstanta dielektrik tanah (𝑠𝑜𝑖𝑙 𝑑𝑖𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐)

C

L

R

(3.4)

(3.5)

(3.6)

25

3.4.4 Metal Oxide Varistor (MOV)

Pemodelan rangkaian MOV direpresentasikan oleh rangkaian ekuivalen MOV

seperti pada Gambar 3.2 :

Gambar 3.4 Rangkaian ekuivalen MOV [9]

R merupakan pemodelan resistansi non linear yang dipengaruhi oleh tegangan.

Ron adalah kondisi saat MOV bekerja, sedangan Roff adalah kondisi saat MOV

bersifat isolator.

Pengoperasian varistor dan hubungan antara tegangan dan arus direpresentasikan

oleh persamaan :

𝐼 = 𝑘𝑉𝛼

k merupakan koefisien konstanta dan nilai 𝛼 adalah derjat non linear yang data

ditentukan oleh persamaan [9]:

𝛼 = log (

𝐼2𝐼1⁄ )

log (𝑉2𝑉1⁄ )

,

RVAR

L

ROFF C

RON

(3.7)

(3.8)

26

3.4.5 Gas Discharge Arrester (GDA)

Pemodelan gas discharge arrester pada penelitian ini adalah dengan menggunakan

fase pengoperasian yang terdiri dari fase pre-breakdown, fase

breakdown, dan fase arc [7] :

a) Fase Pre-breakdown

Nilai resistansi pada fase ini ditentukan oleh persamaan sebagai berikut :

𝑹𝒔(𝒕) =

{

𝑹𝒔𝟎 ;

𝑹𝒔𝟎 . 𝐞𝐱𝐩 (−𝒕 − (𝒕𝑫𝑪 + 𝒕𝒅

𝝉𝟎𝟏) ;

𝑹𝒔𝟏;

𝒕 < 𝒕𝑫𝑪 + 𝒕𝒅

𝒕 ≥ 𝒕𝑫𝑪 + 𝒕𝒅

𝑹𝒔 ≤ 𝑹𝒔𝟏

Berdasarkan persamaan di atas dengan parameter 𝑅𝑠0 adalah resistansi saat switch

dalam kondisi terbuka, 𝑅𝑠1 dikondisikan dengan switch tertutup, 𝜏01 adalah waku

konstan saat switch mulai tertutup, dan 𝑡𝑑 adalah saat ketika tegangan masuk pada

GDA mencapai nilai saat terjadi tegangan breakdown 𝑈𝐷𝐶 [7].

b) Fase breakdown

Nilai resistansi pada fase ini ditentukan oleh Persamaan 2.4) [7]:

𝑹(𝒕) =𝒌𝑻 . 𝒅

∫ 𝒊𝒅𝒕𝒕

𝒕𝑫𝑪+ 𝒕𝒅

c) Fase Arc

Pemodelan pada fase ini adalah mengunakan model Cassie yang nilai resistansinya

ditentukan oleh Persamaan [7]:

(3.9)

(3.10)

27

𝟏

𝒈 ∙ 𝐝𝒈

𝐝𝒕= 𝐝 𝐥𝐧(𝒈)

𝐝𝒕= 𝟏

𝝉 ∙ (

𝒖 ∙ 𝒊

𝑷𝟎− 𝟏) ; 𝑹 =

𝟏

𝒈

3.4.6 Model Saluran Daya (Line)

Model saluran daya yang digunakan adalah model saluran daya untuk saluran

pendek dan yang direpresentasikan oleh elemen R dan L seperti yang diperlihatkan

pada Gambar 3.5 :

Gambar 3.5 Model saluran daya [12]

Saluran daya yang dipergunakan adalah konduktor jenis Aluminum Conductors

Steel-Reinforced atau ACSR 70 mm2, jika dikonversikan ke AWG/kcmil adalah

2/0. Penentuan nilai R dan L pada saluran fasa dihitung dengan menggunakan

program ATP-EMTP.

3.4.7 Transformator tegangan rendah.

Model transformator tegangan rendah dimodelkan seperti pada Gambar 3.4.

Gambar 3.6 Model transformator tegangan rendah[11].

(3.11)

28

3.5. Tahapan Simulasi Rangkaian

Terdapat tiga konfigurasi pemasangan SPDs yang dilakukan dengan menggunakan

MATLAB/Simulink seperti yang dijelaskan pada sub-bab berikut berikut :

3.5.1 Proteksi dengan Menggunakan MOV

Gambar 3.7 menunjukkan rangkaian skematik proteksi petir pada BTS. Surja petir

akan menyambar ke menara telekomunikasi yang disalurkan langsung menuju

pentanahan menara melalui konduktor penyalur yang terhubung ke bonding bar.

MOV sebagai peralatan proteksi surja dipasang antara PE-netral dan netral-fasa.

Konfigurasi ini akan melindungi peralatan tegangan rendah yang terdapat pada

panel utama BTS terhadap sambaran petir.

Gambar 3.7 Skematik sistem proteksi BTS dengan MOV

29

3.5.2 Proteksi dengan Menggunakan GDA

Pemasangan GDA sebagai peralatan proteksi surja sama dengan MOV yaitu antara

PE-netral dan antara netral-fasa.

Gambar 3.8 menunjukkan rangkaian skematik proteksi petir pada BTS. Tegangan

lebih akibat petir akan menuju saluran pentanahan melalui sebuah konduktor

penyalur (down conductor). Konfigurasi ini akan melindungi peralatan tegangan

rendah yang terdapat pada panel utama BTS terhadap sambaran petir.

3.5.3 Proteksi dengan menggunakan MOV+GDA

Kombinasi yang ketiga adalah GDA dan MOV yang dihubungkan secara paralel.

MOV+GDA dipasang antara fasa-netral dan netral-PE. Konfigurasi ini akan

melindungi peralatan tegangan rendah yang terdapat pana panel utama BTS

Gambar 3.8 Skematik sistem proteksi BTS dengan GDA

30

terhadap sambaran petir. Skematik sistem proteksi menggunakan GDA dan MOV

pada BTS ditampilkan pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9 Skematik sistem proteksi BTS dengan kombinasi GDA+MOV

31

3.6. Diagram Alir Penelitian

Penyusunan tugas akhir ini dilakukan dengan tahapan – tahapan seperti di

gambarkan pada diagram alir pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Alur penyelesaian pemodelan sistem proteksi BTS

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

5.1 Simpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis, maka simpulan dari penelitian ini adalah

sebagai berikut :

1. Analisis sistem proteksi proteksi tegangan lebih menggunakan peralatan SPDs

yaitu MOV, GDA serta kombinasi MOV dan GDA yang terhubung paralel

dapat dilakukan dengan menggunakan program MATLAB/Simulink.

2. Sistem proteksi tegangan lebih menggunakan MOV sebagai alat peroteksi surja

(SPDs) mampu menahan tegangan impuls hingga 1,3 kV dengan tegangan sisa

sebesar 487,11V.

3. Penggunaan GDA sebagai alat proteksi surja (SPDs) mampu menahan

tegangan impuls hingga 1,7 kV dengan tegangan sisa sebesar 495,77 V.

4. Kombinasi MOV dan GDA sebagai alat proteksi surja (SPDs) yang

dihubungkan secara paralel mampu menahan tegangan impuls hingga 4,5 kV

dengan tegangan sisa sebesar 491,54 V.

5. Kombinasi MOV dan GDA adalah yang paling baik untuk diterapkan pada

sistem proteksi BTS karena mampu menahan tegangan impuls sampai dengan

4,5 kV.

55

5.2 Saran

Model Gas Discharge Arrester (GDA) yang digunakan dalam penelitian ini

menggunakan pengontrolan waktu tunda td (delay time) terhadap waktu muka

gelombang impuls untuk mengatur waktu terjadinya discharge dan memerlukan

pengaturan waktu tunda td pada masing – masing tegangan impuls. Penelitian

selanjutnya dapat menggunakan model lain dari GDA seperti menggunakan switch

pengontrol tegangan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] P. N. Mikropoulos, T. E. Tsovilis, and S. G. Koutoula, “Lightning

Performance of Distribution Transformer Feeding GSM Base Station,” IEEE

Trans. Power Deliv., vol. 29, no. 6, pp. 2570–2579, Dec. 2014.

[2] B. L. Tobing, Dasar-Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi. Jakarta:

Erlangga, 2012.

[3] A. Arismunandar, Teknik Tegangan Tinggi, Edisi Kedua. Jakarta: PT Pradnya

Paramita, 1984.

[4] F. A. M. Rizk and G. N. Trinh, High Voltage Engineering. Florida: CRC

Press, 2014.

[5] J. Ribic, J. Pihler, and J. Vorsic, “Overvoltage Protection Using a Gas

Discharge Arrester Within the MATLAB Program Tool,” IEEE Trans. Power

Deliv., vol. 22, no. 4, pp. 2199–2206, Oct. 2007.

[6] M. M. Josephine and G. A. Ikechukwu, “Performance of Surge Arrester

Installation to Enhance Protection,” Adv. Sci. Technol. Eng. Syst. J., vol. 2,

no. 1, pp. 197–205, Jan. 2017.

[7] IEEE Std C62.42-1992, “IEEE Guide for the Application of Gas Tube

Arrester Low-Voltage Surge-Protective Devices,” Nov. 1987.

57

[8] Y. S. Kim, “Failure Prediction of Metal Oxide Varistor Using Nonlinear

Surge Look-up Table Based on Experimental Data,” Trans. Electr. Electron.

Mater., vol. 16, no. 6, pp. 317–322, Dec. 2015.

[9] V. Cooray and Institution of Engineering and Technology, Eds., Lightning

protection. London: Institution of Engineering and Technology, 2010.

[10] Gonos, I.F., Topalis, F.V. and Stathopulos I.A.: “ Transient Impedance of

Grounding Rods”, 11th International Symposium on High Voltage

Engineering, August 1999, London, UK, Vol. 2, pp.272-275.

[11] A. Rakotomalala, P. Auriol, and A. Rousseau, “Lightning Distribution

Through Earthing System,” presented at the IEEE International Symposium

on EMC, Chicago IL, USA, 1994, pp. 419-423.

[12] J. F. Schreiber and P. S. Sausen, “Modeling and Evaluation Power

Distribution Network Considering the Application of Smart Grids,” 3 Rd Int.

Conf. Eng. Optim., p. 9, Jul. 2012.