Upload
karina-anindita
View
325
Download
42
Embed Size (px)
Citation preview
CATATAN KULIAH
EP-3076
PROTEKSI SISTEM TENAGADosen : Dr. Ir. Dipl. Ing. H. Reynaldo Zoro
Oleh :
Hadi Setiadi (18010033)
Niki Sabrina (18009027)
Karina Anindita (18010059)
Eres Putra Wardhoyo (18010066)
Adi Yudha Permana (18010038)
Gregorius Alvin T. Purnomo (18010062)
Reynaldi Tanta Paribo (18010007)
Budi Sutrisno (18010051)
Teknik Tenaga Listrik
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika
Institut Teknologi Bandung
2013
Daftar IsiPENDAHULUAN.....................................................................................................................................3
Sumber-Sumber Tegangan Lebih...........................................................................................................4
1.1 Pendahuluan................................................................................................................................4
1.2 Tegangan Lebih Petir...................................................................................................................8
1.3 Tegangan Lebih Sementara........................................................................................................29
1.4 Tegangan Lebih Hubung............................................................................................................33
1.5 Petir pada Masyarakat Modern.................................................................................................37
2.1 Pendahuluan..............................................................................................................................39
2.2 Rangkaian pengganti Suatu Hantaran Transmisi........................................................................41
2.3 Persamaan Differensial untuk Saluran yang Uniform................................................................42
2.4 Impedansi Terpa/Surja..............................................................................................................49
2.5 Kecepatan Rambat Gelombang.................................................................................................52
2.6 Pemantulan pada Beban Tahanan.............................................................................................52
2.7 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban Induktansi....................................................................56
2.8 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban Kapasitif.......................................................................57
2.9 Rangkaian Trafo Pada Saat Terjadinya Gelombang Berjalan......................................................58
2.10 Refleksi Dan Refraksi...............................................................................................................59
2.11 Diagram Bewley.......................................................................................................................60
2.12 Rangkaian Pengganti Gelombang Berjalan pada Satu Titik......................................................61
2.13 Refleksi dan Refraksi pada Busbar dengan n Cabang...............................................................63
2.14 Metoda Bergeron....................................................................................................................64
2.15 Contoh Soal..............................................................................................................................65
Perlindungan Terhadap Tegangan Lebih Petir.....................................................................................72
3.1 Mekanisme Petir........................................................................................................................72
3.2 Terpa Petir.................................................................................................................................74
3.3 Tegangan Lebih oleh Terpa Petir...............................................................................................76
3.4 Perlindungan Terhadap Petir.....................................................................................................81
3.5 Perlindungan Hambatan Udara Terhadap Sambaran Langsung................................................84
3.6 Perlindungan Peralatan Listrik Terhadap Gelombang Berjalan..................................................87
3.7 TINGKAT PENGENAL DARI PENANGKAP PETIR (RATING ARRESTER)..........................................95
3.8 PEREDAM TERPA (SURGE ABSORBER).......................................................................................98
Koordinasi Isolasi...............................................................................................................................101
1
4.1. Pendahuluan...........................................................................................................................101
4.2. Definisi....................................................................................................................................101
4.3. Penentuan Isolasi Hantaran....................................................................................................102
4.4. T.I.D dan Tingkat Isolasi dari Peralatan ke Gardu....................................................................103
4.5. Pemilihan dan Letak Penangkap Petir.....................................................................................104
SUPLEMEN.........................................................................................................................................117
TEGANGAN LEBIH DAN KOORDINASI ISOLASI....................................................................................117
DAFTAR ISTILAH.............................................................................................................................117
TABEL 1 PENETAPAN TINGKAT ISOLASI TRANSFORMATOR DAN PENANGKAP PETIR........................119
TABEL 2 CHARACTERISTIC LIGHTNING ARRESTER..............................................................................120
TABEL 3 MAXIMUM IMPULSE SPARKOVER TEST VOLTAGES..............................................................122
TABEL 4 MAXIMUM RESIDUAL VOLTAGE..........................................................................................125
TABEL 5 STANDARD INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV SERIES I (BASED ON CURRENT PRACTICE IN MOST EUROPEAN AND SEVERAL OTHER COUNTRIES)..................................................................126
TABEL 6 STANDAR INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV.............................................................127
SERIES II (BASED ON CURRENT PRACTICE IN THE UNITED STATES OF AMERICA, CANADA AND SOME OTHER COUNTRIES)...........................................................................................................................127
TABEL 7 STANDARD INSULATION LEVELS FOR 52kV≤Um<300kV......................................................128
TABEL 8 STANDARD INSULATION LEVELS FOR ≥300kV......................................................................129
TABEL 9 IMPULSE POWER FREQUENCY WITHSTAND LEVELS FOR VARIOUS SYSTEMS VOLTAGES....130
TABEL 10F.O.V OF STANDARD DISCS (256X146)................................................................................131
TABEL 11 RECOMENDED INSULATION LEVEL FOR LINES...................................................................132
TABEL 12OVERVOLTAGE FACTORS....................................................................................................133
2
PENDAHULUAN
Materi dalam mata kuliah EP-3076 Proteksi Sistem Tenaga dikhususkan untuk membahas
tentang proteksi sistem terhadap tegangan lebih. Secara garis besar, pokok bahasan yang akan
dipelajari di mata kuliah ini adalah:
1. Sumber-sumber tegangan lebih
2. Gelombang berjalan
3. Perlindungan terhadap tegangan lebih
4. Koordinasi isolasi
Di bab awal kuliah akan dipelajari mengenai sumber dari permasalahan yang dibahas dalam
bagian sumber-sumber tegangan lebih. Selanjutnya, setelah mengetahui sumber masalah,
akan dibahas mengenai karakteristik dan hal apa saja yang ditimbulkan serta dipengaruhi
(efek gangguan) dari sumber masalah ini. Hal ini akan dibahas pada bab gelombang berjalan.
Setelah mengetahui efek gangguan yang timbul, maka akan dipelajari mengenai cara-cara
untuk melindungi sistem dari efek yang ditimbulkan oleh ganguan (dibahas pada bab tiga).
Pada bagian akhir, akan dibahas mengenai koordinasi dari berbagai peralatan isolasi yang
dipasang untuk melindungi sistem dari gangguan yang timbul sehingga dapat dicapai sistem
proteksi yang memenuhi standar teknis dan juga ekonomis.
3
BAB 1Sumber-Sumber Tegangan Lebih
1.1 PendahuluanAda tiga jenis bentuk fungsi tegangan terhadap waktu yang dikenal secara umum, diantaranya
tegangan DC, tegangan AC dan tegangan impuls.
Gambar 1.1 Jenis-Jenis Fungsi Tegangan
Tegangan lebih adalah tegangan yang hanya terdapat ditahan untuk waktu terbatas. Secara
umum dapat dibagi menjadi:
1. Berdasarkan bentuknya:
a. Tegangan lebih periodik
b. Tegangan lebih aperiodik
2. Berdasarkan sebabnya:
a. Sebab luar (external over voltage)
b. Sebab dalam (internal over voltage)
Sedangkan klasifikasi menurut standar IEC adalah:
1. Tegangan lebih atmosfer/petir
2. Tegangan lebih temporer
3. Tegangan lebih surja hubung
4
Gambar 1.2 Jenis-jenis Tegangan Lebih
1.1.1 Tegangan lebih atmosfer
Contoh : Tegangan lebih petir (Lightining Over Voltage)
Tegangan lebih petir dapat berjalan di salah satu dari ketiga jenis fungsi tegangan
lebih di atas sehingga teramati magnitude tegangan yang meningkat sangat tinggi
secara tiba-tiba pada selang waktu yang sangat sempit (sekitar 100µS). Berikut contoh
ilustrasi gambar tegangan lebih petir yang menumpang pada fungsi tegangan
sinusoidal.
5
(a)
(b)
Gambar 1.3 Ilustrasi Tegangan Lebih Petir pada Tegangan Sinusoid
1.1.2 Tegangan lebih switching/penyaklaran (Switching Over Voltage)
Contoh : saat ON dan OFF saklar
Switching over voltage (SOV) terjadi saat dilakukan proses penyalaan saklar. Pada
kondisi penyaklaran ideal, misal dengan sumber DC, tegangan akan langsung berubah
dari 0V menjadi VDC seperti yang ditunjukkan dengan garis putus-putus pada gambar
6
1.4. Tetapi dalam kenyataannya kondisi ideal ini tdak mungkin dicapai, dimana harus
dilewati kondisi transien terlebih dahulu sehingga akan terjadi fluktuasi tegangan yang
magnitudenya akan menuju nilai VDC. Teganan lebih penyaklaran adalah beda
potensial antara tegangan puncak fluktuasi pertama dengan VDC.
Gambar 1.4 Switching Over Voltage.
Untuk lebih memahami fenomena tegangan lebih petir dan tegangan lebih
penyaklaran, berikut ditampilkan grafik perbandingan antara kedua jenis tegangan
lebih ini.
Gambar 1.5 Perbandingan Kurva antara Switching Overvoltage dan Lightning
Overvoltage
7
Pada gambar diatas, label lightning menunjukkan kondisi tegangan lebih akibat petir dan
label operations menunjukkan kondisi tegangan lebih akibat proses penyaklaran. Teramati
bahwa kondisi LOV memiliki magnitude yang jauh lebih besar dari kondisi SOV dan kondisi
LOV (sekitar 100µS) memiliki waktu gangguan yang lebih singkat dari waktu gangguan
akibat SOV (sekitar 1000µS - 2000µS).
1.1.3 Tegangan lebih sementara
Contoh : saat terjadi short circuit satu fasa.
Ilustrasi short circuit satu fasa dapat dilihat pada gambar 1.6. Pada gambar ini,
diilustrasikan fasa A mengalami short circuit sehingga titik ground seolah-olah
berpindah ke ujung dari vector A. Kejadian ini mengubah magnitude dari vector B
dan vector C menjadi lebih tinggi dari keadaan awal. Peningkatan nilai magnitude
inilah yang disebut sebagai temporary overvoltage.
1.6 Short Circuit Satu Fasa
1.2 Tegangan Lebih Petir
1.2.1 Proses Terjadinya Petir
Pada keadaan tertentu, dalam lapisan atmosfer bumi terdapat gerakan angin ke atas membawa
udara lembab. Makin tinggi dari muka bumi, makin rendah tekanan dan temperaturnya. Uap
air mengkondensasi menjadi titik air, dan membentuk awan.
Tiga syarat yang harus ada agar awan petir dapat terbentuk adalah:
Up-Draft :udara naik ke atas akibat pemanasan permukaan tanah atau sifat orografis
dari permukaan tanah tersebut.
Aerosol :partikel yang mengambang dan bersifat higroskopis(menyerap air seperti
garam laut) atau partikel industri yang naik bersama up-draft.
8
Udara lembab :udara lembab dibutuhkan untuk membentuk hailstone (Indonesia
memiliki daerah hutan yang cukup luas sehingga memiliki udara yang
cukup lembab).
\
Gambar 1.7 Proses terjadinya Awan CB
Angin keras yang meniup ke atas membawa awan lebih tinggi. Pada ketinggian ±5 km,
membeku menjadi Kristal es yang turun lagi karena adanya gravitasi bumi. Karena tetesan air
mengalami pergeseran horizontal maupun vertikal, maka terjadilah pemisahan muatan listrik.
Tetesan air yang bermuatan positif biasanya berada di bagian atas, dan yang bermuatan
negative di bagian bawah.
Dengan adanya awan yang akan timbul muatan induksi pada muka bumi, hingga timbul
medan medan listrik. Mengingat dimensinya, bumi dianggap rata terhadap awan. Jadi awan
dan bumi dianggap sebagai kedua plat kondensator. Jika medan listrik yang terjadi melebihi
medan tembus udara, maka akan terjadi pelepasan muatan. Pada saat itulah terjadi petir.
Kondisi ketidakmantapan di dalam atmosfer, dapat saja timbul akibat pemisahan tidak seperti
di atas. Misalnya muatan yang berpisah ke arah horizontal, yang kemudian menimbulkan
pelepasan muatan antar dua awan. Atau pemisahan muatan vertikal tersebut terjadi
sebaliknya, hingga arah discharge muatan atau petir juga terbalik.
9
Adapun tipe-tipe petir yaitu:
1. Cloud to cloud discharge
Petir terjadi dari suatu awan CB ke awan lainnya.
2. Cloud to ground flash
Petir terjadi dari suatu awan CB ke tanah.
3. Intracloud discharge
Sambaran petir terjadi di dalam suatu awan CB
4. Cloud to air discharge
Petir terjadi antara awan CB ke udara (tidak sampai ke tanah ataupun awan lainnya).
Fenomena ini umumnya terjadi di daerah gurun karena kurangnya udara lembab.
Dari tipe-tipe di atas, jika diklasifikasikan berdasarkan pelepasan muatannya, petir cloud to
ground flash dapat dikelompokkan lagi menjadi:
a. Negative cloud-to-ground (downward negative leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan negatif dari awan ke tanah.
b. Positive ground-to-cloud (upward positive leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan positif dari tanah ke awan.
c. Positive cloud-to-ground (downward positive leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan positif dari awan ke tanah.
d. Negative ground-to-cloud (upward negative leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan negatif dari tanah ke awan.
10
Gambar 1.8 Ilustrasi Beberapa Tipe Petir
Pada tanah datar seringkali terjadi downward leader. Sedangkan untuk struktur tinggi
seringkali terjadi upward leader karena memicu petir dari tanah ke awan diakibatkan medan
yang kuat.
1.2.2 Tahapan Sambaran Petir ke Tanah
Pada saat gradient listrik di awan melebihi harga tembus udara yang terionisasi, terjadilah
pilotstreamer, yang menenetukan arah perambatan muatan dari awan ke udara yang
ionisasinya rendah. Diikuti dengan titik cahaya.
11
Setiap sambaran petir bermula sebagai suatu lidah petir (stepped leader) yang bergerak turun
(down leader), dari awan bermuatan. Kemudian gerakan pilot streamer yang diikuti dengan
lompatan-lompatan titik-titik cahaya yang dinamakan step leader. Arah setiap langkah step
leader berubah-ubah, sehingga secara keseluruhan jalannya tidak lurus dan patah-patah.
Menurut hipotesa Wagner dan Hileman, step leader terdiri dari dua bagian yaitu suatu inti
tipis berdaya hantar tinggi, disebut kanal dan dikelilingi oleh suatu muatan ruang negative,
disebut korona.
Gambar 1.9 Model Stepped Leader dari Wagner dan Hileman
Gradien tegangan di dalam selubung korona mempunyai karakteristik suatu pelepasan
muatan korona, temperaturnya rendah, tertembusi oleh banyak alur.
12
Jika suatu saat ujung kanal mencapai suatu titik maksimum dalam perambatannya berupa
suatu lompatan, selubung korona akan mendahului terbentuknya pada bagian depan ujung
kanal. Bila pembentukan selubung korona konsentrasi energy pada ujung kanal mencapai
harga kritis atau jika arus pada salah satu alur korona mencapai harga kritis (sekitar 1A),
maka akan terjadi perambatan kanal. Kecepatan tinggi perambatan kanal dapat diterangkan
sebagai terinduksinya muatan dengan cepat pada ujung kanal. Gejala ini berulang terus pada
step leader dari awan ke permukaan bumi.
Bila kanal lidah lompat dari komponen pertama petir telah dekat ke permukaan bumi, maka
dengan proses yang sama dari bumi akan terbentuk pula kanal muatan positif, menuju ke
awan sebagai akibat beda potensial yang tinggi. Kanal muatan positif ini akan bertemu
dengan ujung stepped leader di atas permukaan bumi.
Pada suatu itu sambaran balik (return stroke) yang bercahaya sangat terang bergerak dari
bumi ke awan melalui jalan yang sama dengan turunnya step leader tersebut. Sambaran balik
adalah aliran muatan positif dari bumi ke suatu pusat muatan di awan.
Ciri-ciri lidah sambaran petir yang kedua adalah tidak adanya percabangan, disebut sebagai
lidah panah (dart leader) setelah lidah panah mencapai bumi, suatu sambaran balik bergerak
cepat menuju ke awan seperti sambaran balik yang pertama. Dengan dilepaskannya muatan
listrik dari pusat muatan kedua, terbentuklah lidah petir pada saat muatan ketiga dengan
proses yang sama terulang kembali. Pada umumnya hampir separuh sambaran petir
merupakan sambaran ganda seperti yang disebutkan di atas.
13
Gambar 1.10 Tahap Sambaran Petir ke Tanah
Petir akan lebih memilih menyabar di tempat yang memiliki kerapatan medan tinggi (karena
memiliki tegangan tembus yang lebih rendah). Kerapatan medan yang tinggi pada petir dapat
terjadi karena inhomogenitas dari medan listrik yang ditimbulkan akibat ketidakrataan
permukaan bumi (misal ada bangunan).
14
Gambar 1.11 Garis medan di laut
Gambar 1.12 Garis medan di daratan
15
1.2.3 Karakteristik Terpa Arus Petir
1.2.3.1 Pengaruh Polaritas Awan
Bagian dasar awan kebanyakan bermuatan negative, tetapi dapat juga bermuatan postif.
Polaritas ini berpengaruh pada besar arus disamping arahnya.
Gambar 1.13 Tipe-Tipe Arus Sambaran
Dibawah awan positif arus sambaran perintis berkisar Antara 1000-3000 A di bawah awan
negative berkisar 50 – 300A. Tetapi sambaran balik berkisar 8 – 150 kA di bawah awan
negative dan sampai 300 kA di bawah awan positif.
1.2.3.2 Bentuk Arus Petir
K. Berger telah melakukan pengamatan dan pegukuran terhadap arus petir, yang dijelaskan
pada gambar di bawah ini:
16
Gambar 1.14 Osilogram Arus Petir Negarif
Gambar 1.15 Osilogram Arus Petir Positif
1.2.3.3 Parameter Petir
Parameter ini berguna dalam studi efek perusakan akibat sambaran petir, dan kemungkinan
pemanfaatannya.
1. Arus pujcak, menentukan drop tegangan resistif, misal pada tahanan pentanahan.
2. Kecuraman kenaikan arus (di/dt), menentukan tegangan jatuh induktif, misal pada
konduktor, rangkaian terkopling magnetis.
17
3. Muatan arus ( , merupakan ukuran energi arus petir sebagai arus
loncat petir ke logam. Di daerah tropis, impuls petir yang terjadi lebih panjang. Hal
ini dapat merusak material secara fisik (bisa melumerkan material).
4. Integral kuadrat arus , merupakan dasar efek mekanik dan panas
impuls listrik pada resistor. Gaya impuls dapat menghancurkan beda ataupun objek
yang disambar.
Gambar 1.16 Parameter Petir
Contoh pengaruh induktansi dari sambaran petir:
Kenapa komputer pada lantai atas gedung bertingkat dapat rusak akibat petir yang
menyambar gedung?
18
Gambar 1.17 Ilustrasi Gelombang EM dari Sambaran Petir
Petir yang menyambar di atas gedung dan dialirkan ke ground akan memancarkan gelombang
elektromagnetik selama perjalanannya. Gelombang EM tersebut akan mempengaruhi saluran
instalasi perkabelan menuju komputer di dalam gedung.
BC 50 mm2 L = 1 μH/m
Tower L = 1 μH/m
Kabel 0.5-0.037 μH/m
Bila diketahui sebuah penangkal petir dengan jenis BC 50 mm2 disambar arus petir 40 kA
dengan nilai resistansi R=5Ω tinggi tower 60m dan dengan kerapatan arus 30 A/μs . m.
Didapat
. 30 = 200+1800=2000kV
Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa percuma untuk meng-0 kan netral karena nilai
tegangannya masih besar. Yang akan berpengaruh besar adalah nilai L. Karena itu lebih baik
digunakan kabel misal
a. N2XSY 1x50 mm2 20 kV yang memiliki L=0.5 μH/m
b. Ericone 1x50 mm2 (double shielded) yang memiliki L = 0.037 μH/m
19
1.2.3.4 Karakteristik Petir
Jika dibuat dalam poin-poin penting, beberapa karaktersitik petir yang dapat disimpulkan:
o Upetir : 100MV
o Ipetir : 200.000 A
o Suhu kanal petir : 10.000oC
o Ciri fisik badan yang terkena petir akan menjadi lebam (biru-biru).
o Petir dapat berjalan horizontal
o Menyambar dimana saja, setiap detik di permukaan bumi terjadi ribuan sambaran ke
tanah dan sambaran itu dapat berasal dari lebih 15 km jaraknya dari awan petir.
o Sambaran petir awan ke awan lebih banyak dibandingkan sambaran ke tanah
o Hari guruh maksimum :
o Eropa : 30
o Amerika : 100
o Jepang : 80
o Korea : 80
o Australia : 20
o Indonesia : 300 (bogor tertinggi di dunia)
1.2.4 Mekanisme Sambaran Petir
1.2.4.1 Pengaruh Bentuk Permukaan Bumi
Petir lebih cenderung menyambar tempat-tempat yang tinggi di permukaan bumi. Hal ini
karena kuat medan disekitar ujung atau puncak bangunan tersebut lebih rapat, dan sifat dari
muatan akan cenderung mengumpul pada puncak atau ujung dari bagian yang runcing, begitu
pula tepian-tepian runcing bangunan.
Bukan tidak mungkin pula sebuah bangunan yang tinggi tidak disambar petir pada
puncaknya, tetapi pada dasarnya ataupun tengahnya. Hal ini disebabkan oleh adanya
lompatan dari stepped leader.
1.2.4.2 Pengaruh Resistifitas
Arus Petir akan didischarge ke bumi dengan jalan yang paling konduktif atau paling kecil
resistifitasnya.
20
1.2.4.3 Efek Kedekatan dengan Konduktor Pentanahan
Saat konduktor penangkal petir dilalui arus sambar petir, sangatlah mungkin orang ataupun
bangunana disekitarnya akan diloncati oleh arus sambar tersebut.
1.2.4.4 Kepadatan Sambaran Petir
Dalam perencanaan pengamatan terhadap sambaran petir, angka kepadatan (frekuensi) harus
ditinjau dulu, untuk menentukan mutu pengamatan yang akan dipasang. Hal ini dapat
diketahui dengan mempergunakan peta hari guruh pertahun (Isokeraunic level). Kemudian
mencari harga korelasinya dengan kepadatan sambaran petir ke tanah.
Untuk menentukan kepadatan sambaran petir dapat diperoleh dari hubungan empiris sebagai
berikut.
Sambaran/km2/tahun
Sambaran/km2/tahun (sirait, 1982)
Sambaran/km2/tahun
Dimana P = jumlah curah hujan /tahun, mm
Jumlah sambaran petir ke tanah hanya ±25% dari seluruh pelepasan muatan yang terjadi di
alam.
Semakin besar harga kepadatan sambaran petir pada suatu daerah, maka kegagalan
perlindungan dari saluran transmisi atau gardu induk akan semakin besar.
Sambaran petir ke tanha saat ini diukur dengan Lightning Location System menggunakan
teknologi satelit, sehingga akurasi menjadi sangat baik, Indonesia saat ini dapat
memnafaatkan Jringan Deteksi Petir Nasional (JADPEN) sejak tahun 1995.
1.2.4.5 Radius Sambar Petir
Untuk daerah tropis
21
Untuk daerah sub-tropis (berdasar IEC 62305/2006)
di mana i adalah nilai arus dalam satuan kilo Ampere.
Gambar 1.18 Ilustrasi Radius Sambar Petir
1.2.4.6 Jarak dan Kecepatan Petir
Jarak terjadinya petir:
di mana t adalah waktu dalam satuan detik.
22
Gambar 1.19 Ilustrasi Penghitungan Jarak Terjadinya Petir
Lidah petir akan turun ke tanah bila kuat medan cukup.
Gambar 1.20 Ilustrasi Stepped Leader dan Return Stroke
Kecepatan rambat petir dari awan :
kecepatan rambat petir return stroke :
di mana c adalah kecepatan cahaya = 3x108 m/s
1.2.5 Peralatan Pemantau Petir
Lightning Warning System :
o Field Mill
o Thunderstorm Sensor
Lightning Location System :
o Location Techniques :
1. Time of Arrival (TOA)
Indonesia memiliki LPATS (Lightning Position and Tracking System)
yang bisa memantau T.O.A (Time of Arrival) dari petir. TOA
menggunakan bebrapa sensor yang dipasang pada lokasi-lokasi
23
tertentu. Dengan mengetahui perbedaan waktu deteksi dari masing-
masing sensor maka lokasi petir dapat diketahui.
Gambar 1.21 Ilustrasi Sistem TOA
2. Radio Goniometry : Magnetic Direction Finding (DF)
3. IMPACT Technology : Gabungan antara DF dan TOA
4. Interferometry
o Description of System :
1. Long Range Detection Networks
2. VLF/LF Location Networks
3. Global Lightning Detection Networks
o Observation Satelites :
1. Optical Detection
2. Other Satelites
1.2.6 Potensi Petir di Daerah Tropis
Petir di daerah tropis seperti di Indonesia berbeda dengan di daerah subtropis, dan kemungkinan terjadinya tergantung pada keadaan setiap hari dan tahun. Keaadan ini digambarkan pada Gambar 1 dan 2 sebagai pengamatan di Gunung Tagkuban Perahu yang menunjukkan kemungkinan terjadinya sambaran petir harian/stroke frequency statistics dan variasi bulanan/monthly variant.
24
Gambar 1.22 Sumber Gambar Sambaran Petir Harian[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]
Dan terbentuknya awan guntur terjadi akibat adanya gerakan udara ke atas, adanya kelembapan dan tersedianya partikel aerosol dari garam laut dan polutan industri.
Gambar 1.23 Sumber Gambar Data Variasi Bulanan di Daerah Tropis[Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]
Gerakan udara ke atas dapat terjadi karena pemanasan permukaan tanah oleh matahari dan atau keadaan permukaan tanah yang bergunung-gunung. Udara naik akan membawa partikel aerosol dan kelembapan. Pada ketinggian 4-6 km dengan tempeartur 0 sampai -100C, terbentuk cairan dan batu es. Semakin ke atas gerakan udara naik ini, semakin besar butiran es, dan karena gaya beratnya akan jatuh kembali ke tanah. Benturan gerakan udara naik dan jatuhnya butiran es menyebabkan terjadinya pemisahan muatan. Muatan positif terkumpul di bagian atas dan muatan negatif di bagian bawah. Jika muatan cukup besar maka akan terjadi loncatan muatan ke tanah yang disebut petir. Suatu badai petir selama pelepasan muatan akan mengalirkan arus sekitar 0.5A.
25
Gambar 1.23 Sumber Gambar Pembentukan Muatan Awan Petir[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]
Dan awan bermuatan akan tumbuh ke atas mencapai 10-14 km untuk daerah tropis dengan ketinggian awan 1.5-2 km di atas tanah. Setelah pelepasan muatan, akan terjadi lagi pengumpulan muatan di awan, dan dalam waktu 10-20 detik, petir berikutnya akan terjadi. Jika awan guntur terbentuk, terjadi kuat medan listrik di atmosfer, dengan besar 1 V/cm di atas tanah, 0.02 V/cm pada ketinggian 9 km dan 10 V/cm di dalam awan tanpa adanya pelepasan muatan. Pada saat terjadi sambara petir, kuat medan listrik bisa mencapai 4 kV/cm. Petir mempunyai frekuesni antara 106 sampai 107 Hz, sehingga dapat menggangu radio dan alat komunikasi.
Hari guntur ditentukan oleh jumlah hari dimana guntur terdengar dan jika dalam satu hari terdengar guntur berkali-kali maka disebut satu kilometer guntur. Teknologi pemantauan petir yang lebih maju telah mengukur jumlah sambaran petir 1 km2 per hari, sehingga tingkat kerapatan petir (NT) pada suatu daerah dapat diketahui.
26
Gambar 1.24 Sumber Gambar Kerapatan Sambaran Petir Jawa Barat[Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]
Gambar 1.25 Sumber Gambar Oscillogram Petir Positif dan Negatif[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro
Sebagai perbandingan, jumlah sambaran petir di Eropa(Alpen) +-4 sambaran/km2/tahun. Sedangkan untuk jumlah sambaran petir di Indonesia(Gn. Tangkuban Perahu) +-10
27
sambaran/km2/tahun. Sambaran petir berupa arus petir dengan bentuk gelombang impuls, dengan waktu muka gelombang 1-10µs dan ekor gelombang 50-100µs dengan arus petir dari 100 sampai 100 kA. Sambaran petir negatif dapat terjadi berkali-kali(multiple stroke) dan sambaran positif biasanya berupa hugh stroke.
Gambar 1.26 Sumber Gambar Statistik Arus Puncak Petir, Switzerland-Indonesia[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro
1.2.7 Fungsi Petir
Efek dari petir tidak semua buruk. Petir sendiri memiliki fungsi yang sangat berguna untuk
keseimbangan alam. Beberapa manfaat dari petir adalah:
1. Menghasilkan nitrat
Nitrat berfungsi untuk kesuburan tanaman.
2. Menghasilkan ozon
Ozon berfungsi untuk melindungi dari ultraviolet.
28
1.3 Tegangan Lebih SementaraTegangan lebih jenis ini umumnya teredam lemah, dan berhubungan erat dengan tegangan
lebih switching.
Terdapat tiga macam jenis dari tegangan ini:
1. Tegangan lebih sementara dengan frekuensi dekat atau sama dengan frekuensi kerja
50Hz. Hal ini disebabkan oleh:
a. Ground fault.
Pada sistem yang titik netralnya tidak ditanahkan dan pada sistem dengan titik
netral ditanahkan melalui inductor, maka pada saat gangguan tanah akan akan
terjadi kenaikan tegangan pada fasa yang sehat. Karena ini akan menyebabkan
terjadinya transien, maka akan terjadi tegangan yang bisa mencapai harga
maksimum sebesar .
Pada sistem dengan titik bintang ditanahkan maka impedansi urutan nol
mempunyai pengaruh yang sangat besar pada tegangan lebih di frekuensi
normal. Fenomena yang terjadi adalah penurunan tegangan sehingga terjadi
kenaikan arus hubung singkat.
Suatu sistem dapat dinyatakan memiliki konfigurasi pentanahan langsung jika
tegangan fasa sehat ke tanah pada saat gangguan satu fasa ke tanah
mempunyai harga 0,8 kali dari tegangan fasa ke fasa.
b. Pelepasan beban tiba-tiba (load restriction).
Pada kondisi normal, beban di supply oleh generator, dan saat terjadi
pelepasan beban tiba-tiba maka tegangan pada generator dan trafo akan naik
sesuai dengan batas penguatan dari generator. Fenomena pelepasan beban ini
menyebabkan terjadinya tegangan lebih transien.
29
Gambar 1.27 Pelepasan Beban Tiba-Tiba
c. Efek Ferranti pada penghantar panjang yang terbuka (Ferranti Effect).
Efek Ferranti akan terjadi jika ada pelepasan beban pada ujung hantaran yang
panjang. Pelepasan beban pada umumnya memiliki harga δ=1,4. Harga ini
akan menjadi lebih besar jika diikuti oleh gangguan tanah.
Gambar 1.28 Pelepasan Beban dengan δ=1,4
d. Self-excitation.
30
2. Tegangan lebih sementara dengan frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi kerja.
Kejadian tegangan lebih jenis ini jarang terjadi, tetapi tidak menutup kemungkinanan
akan terjadi. Beberapa contoh tegangan lebih ini adalah:
a. Penutupan/pembukaan trafo yang tidak bersamaan
Gambar 1.29 Penutupan/Pembukaan Trafo yang Tidak Bersamaan
Resonansi akan terjadi jika:
31
b. Hubungan kabel tanpa beban
Gambar 1.30 Hubungan Kabel Tanpa Beban
Resonansi seri akan terjadi jika:
3. Tegangan lebih sementara dengan frekuensi di bawah frekuensi kerja
Fenomena ini umumnya terjadi pada sistem yang dikompensir dan tidak terlalu
berbahaya.
Walaupun memiliki amplitude kecil, pengaruh yang ditimbulkan oleh tegangan ini
adalah:
1. Karena berlangsung lama, tegangan ini menentukan tingkat isolasi luar dan dalam.
Terutama kekuatan isolasi peralatan terhadap pengotoran permukaan.
2. Karena tegangan lebih ini timbul akibat tegangan lebih hubung dan petir dengan
amplitude tinggi, maka hal ini menjadi berbahaya bagi arrester. Jika tegangan
lebih ini lebih tinggi dari tegangan sisa arrester, akan terjadi kemungkinan
penyalaan bunga api pada arrester, sehingga timbul pembebanan thermis yang
berlebihan.
32
1.4 Tegangan Lebih Hubung
Biaya instalasi dan peralatan pada tegangan tinggi dan ekstra tinggi sangat ditentukan oleh
biaya isolasinya. Tegangan lebih hubung harus ditekan serendah mungkin agar biaya dapat
ditekan.
1.4.1 Sumber-Sumber Tegangan Lebih Hubung
Setiap terjadi perubahan posisi dari saklar penghubung, setiap perubahan tiba-tiba dari
parameter listrik dalam sistem dan setiap gangguan yang terjadi akan menimbulkan proses
transien dalam sistem. Kemungkinan-kemungkinan ini dapat terjadi karena:
1. Penutupan saklar pada hantaran panjang yang terbuka (line energization)
Gambar 1.31 Penutupan Saklar Pada Hantaran Panjang yang Terbuka
2. Penutupan kebali saklar pada hantaran yang terbuka (reclosing = energization of a line
with trapped charge)
Gambar 1.32 Penutupan Kembali pada Hantaran yang Terbuka
3. Penutupan kembali sisi tegangan rendah (Low voltage side energization of a line)
33
Gambar 1.33 Penutupan Kembali Sisi Tegangan Rendah
4. Penutupan saklar pada transmisis dengan trafo tanpa beban
Gambar 1.34 Penutupan Saklar pada Transmisis dengan Trafo Tanpa Beban
5. Pelepasan beban tiba-tiba pada ujung hantaran
Gambar 1.35 Pelepasan Beban Tiba-TIba pada Ujung Hantaran
6. Pelepasan beban tiba-tiba pada ujung hantaran yang diikuti dengan pelepasan beban
pada ujung pengirim
34
Gambar 1.36 Pelepasan Beban Tiba-Tiba di Ujung Hantaran yang Diikuti dengan
Pelepasan Beban pada Ujung Pengirim
7. Pembukaan hantaran tanpa beban
Gambar 1.37 Pembukaan Hantaran Tanpa Beban
8. Pelepasan trafo yang berbeban kosong
Gambar 1.38 Pelepasan Trafo yang Berbeban Kosong
9. Pelepasan beban induktif dari trafo gulungan tersier
35
Gambar 1.39 Pelepasan Beban Induktif dari Trafo Gulungan Tersier
10. Pelepasan reactor kompensasi
Gambar 1.40 Pelepasan Reaktor Kompensasi
11. Pelepasan pada gardu Antara
Gambar 1.41 Pelepasan pada Gardu Antara
12. Gangguan satu fasa ke tanah tanpa pembukaan pemutus
36
Gambar 1.42 Gangguan Satu Fasa ke Tanah Tanpa Pembukaan Pemutus
Operasi saklar pada transmisi yang panjang dapat menimbulkan tegangan yang sangat tinggi,
sedangkan transmisi-transmisi tegangan tinggi dan ekstra tinggi umumnya digunakan untuk
menyalurkan daya untuk jarak yang jauh, oleh karena itu tegangan lebih hubung dengan
semua akibat yang ditimbulkan akan lebih diperhatikan pada transmisi tegangan tinggi, ekstra
tinggi dan ultra tinggi.
1.5 Petir pada Masyarakat ModernLatar Belakang:
o Indonesia berada di jalur khatulistiwa. Dimana memiliki thunder storm days 100-200
pertahun yang diukur oleh BMKG di lebih dari 160 stasiun pengamatan. Hasil
pengukuran dipetakan pada IKL atau Isokeraunic map.
o Teknologi semakin canggih dimana digunakan komponen elektronik dan
mikroprosesor yang memiliki tingkat isolasi rendah sehingga sangat sensitif terhadap
PEDP (Pulse Electromagnetic dari Petir) atau LEMP (Lightning Electromagnetic
Pulse)
o Karakteristik petir di Indonesia yang merupakan negara di daerah tropis yang berbeda
dengan karakteristik petirdi daerah sub tropis.
o Kurangnya informasi tentang bahaya petir sehingga kurangnya awareness terhadap
hal ini.
o Banyak terdapat instalasi-instalasi penting dan berbahaya yang menjadi easy target
bagi petir.
Petir yang dihasilkan oleh awan CB merupakan hambatan bagi manusia untuk
melakukan fungsi produksinya membangun infrastruktur. Petir ini dapat menyebabkan
37
bencana yang sifatnya merusak (single simultaneous & panic catastrophe seperti pada
bencana petir terbesar di Cilacap pada tahun 1995).
1.43 Petir di Masyarakat Modern
Pencegahan terhadap kerusakan yang ditimbulkan petir dapat dilakukan dengan memahami
karakteristik petir yang diantaranya melalui :
a. Lightning protection system (baik dari sisi internal maupun eksternal).
b. Lightning detection system (baik pada real time maupun historical).
Adapun ancaman yang ditimbulkan petir dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok
yaitu ancaman akibat sambaran langsung (menimbulkan kerusakan dan struktur yang hancur,
ledakan, kebakaran dan kematian) dan sambaran tidak langsung (menimbulkan induksi
elektromagnetik, elevasi tegangan dan sebagainya).
38
BAB 2 Gelombang Berjalan
2.1 PendahuluanFenomena gelombang berjalan adalah salah satu kejadian yang sangat umum kita temui di
kehidupan sehari-hari. Contohnya terdekatnya adalah gelombang yang berjalan yang muncul
pada air saat kita melempar batu ke air.
Gambar 2.1 Gelombang Berjalan di Permukaan Air
Fenomena gelombang berjalan ini juga terjadi saat sambaran petir terjadi, sambaran itu dapat
mengenai kabel tanah, kabel fasa, menara transmisi dan sebagainya.
Gambar 2.2 Fenomena Petir Menyambar Kabel Fasa
Saat petir menyambar satu kabel fasa atau satu kabel tanah, maka fenomena
gelombang berjalan membagi dua gelombang petir dimana gelombang tersebut berajalan ke
arah kiri dan kanan. Masing-masing gelombang memiliki magnitude arus setengah kali dari
magnitude arus sambaran (karena terbagi dua). Jika Petir menyambar menara transmisi yang
39
memiliki kabel tanah, maka gelombang arus petir akan terbagi tiga dimana dua gelombang
mengalir ke kiri dan kanan di kabel tanah, dan satu gelombang mengalir menuju ground
melalui menara transmisi. Ilustrasi yanglebih jelas dapat di lihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Ilustrasi Gelombang Berjalan dari Sambaran Petir
Fenomena gelombang berjalan ini akan berkaitan erat dengan karakteristik dari saluran
yang dilewatinya. Didasari dari hal ini nantinya akan dikenal istilah koefisien refraksi (ρ)
yang menunjukkan gelombang yang diteruskan dan koefisien refleksi (β) yang menunjukkan
gelombang yang diteruskan. Faktor-faktor yang mempengaruhi karaktersitik gelombang
berjalan akibat samabran petir adalah adanya perubahan karakteristik dari:
R (Untuk R>Zp, R=Zp, dan R<Zp), Zp : Zphase pada kabel,
L,
C,
Kondisi CB (terbuka atau tidak), dsb.
40
2.2 Rangkaian pengganti Suatu Hantaran Transmisi
R Δx = elemen tahanan seri dari sistem dengan panjang Δx
L Δx = elemen induktansi seri
G Δx = Konduktansi Shunt ( merupakan arus bocor antara satu konduktor dengan konduktor
lainnya)
C Δx = kapasitas shunt
Hantaran dianggap sebagai hantaran tanpa rugi-rugi dimana R= 0 dan G = 0. Pada
hantaran ini gelombang merambat tanpa adanya distorsi. Rugi-rugi yang akan mengganggu
gelombang berjalan yaitu rugi-rugi tembaga, rugi-rugi dialectric dan rugi-rugi korona.
41
2.3 Persamaan Differensial untuk Saluran yang Uniform
Harga U dan I merupakan harga tegangan dan arus sesaat yang mengalir dalam
sistem. Arus dan tegangan ini merupakan fungsi tempat dan waktu.
Dengan menggunakan Hukum Kirchoff untuk tegangan pada loop a-b-c-d, maka
didapatkan
Dengan mengabaikan differensial tingkat dua maka diperoleh :
Jika maka didapatkan
42
Dengan menggunakan Hukum Kirchoff untuk arus diperoleh :
Jika maka didapatkan
Persamaan dan merupakan persamaan differensial simultan yang harga u dan
i nya dapat dicari
didiferensialkan terhadap
didiferensialkan terhadap
:
Jadi
43
Dengan cara mengeliminasi u ke dalam i diperoleh :
Persamaan dan disebut juga Persamaan Telegraphic.
Hantaran dianggap sebagai hantaran tanpa rugi-rugi dimana harga dan .
Pada hantaran ini gelombang merambat tanpa adanya distorsi. Pada keadaan sebenarnya
rugi-rugi ini tetap ada sehingga akan meredam atau menganggu gelombang berjalan.
Rugi-rugi ini diantaranya adalah rugi-rugi tembaga, rugi-rugi dielectric, dan rugi-rugi
korona. Surja petir sebagai contoh akan diredam oleh korona hingga separuh harga
tegangan awalnya setelah gelombang petir ini berjalan hanya beberapa kilometer.
Pengambilan harga dan ini dapat dianggap cukup baik untuk analisa dan
lebih sederhana jika rugi-rugi sangat kecil dibandingkan dengan energi yang disalurkan
hantaran.
Persamaan dan dengan dan akan menjadi sebagai berikut :
Kedua persamaan ini merupakan persamaan gelombang tegangan dan arus yang
merambat ke arah muka dan belakang dengan kecepatan
Gelombang yang merambat ke depan didefinisikan sebagai
44
atau
Gelombang yang merambat ke belakang
atau
Dimana
Buktikan : bahwa merupakan solusi persamaan atau
Bukti : Ambil
Sehingga dapat dinilai sebagai
Diferensiasi terhadap
dari
Jadi :
45
Ambil turunan kedua dari ; maka diperoleh
didiferensiasikan terhadap
Turunan kedua dari
Sehingga diperoleh dari dan :
Jadi terbukti bahwa adalah solusi dari persamaan .
Dengan cara yang sama dapat dibuktikan bahwa :
adalah solusi dari persamaan .
Persamaan diferensial adalah linier maka jumlah dari dua solusi tetap solusi.
Karena pada setiap saat (tempat dan waktu) gelombang datang dan gelombang pantul
akan bersuperposisi.
Maka solusi lengkap untuk tegangan pada hantaran tanpa rugi-rugi adalah :
46
atau
menyatakan gelombang datang, yaitu gelombang berjalan menuju
harga yang semakin besar.
menyatakan gelombang mundur/pantul.
Buktikan :
Bukti : (a)
(b) Lihat buku Prof. Boeck :
merupakan gelombang superposisi
47
Karena arus juga merupakan persamaan Telegraphic, maka solusi yang sama berlaku
juga untuk arus.
dari persamaan
Buktikan : bahwa
Jadi :
48
disebut sebagai impedansi terpa atau .
Karena pada hantaran tanpa rugi-rugi harga adalah murni tahanan disebut juga
sebagai .
Jadi dari diperoleh
Dimana
Gambar :
49
2.4 Impedansi Terpa/Surja(i) Hantaran dua kawat dengan udara sebagai dielectric
dimana:
D = jarakantara 2 konduktor
R = radius dari konduktor
(ii) Hantaran Coaxial
dimana:
50
Umumnya :
Detail dari impedansi terpa hantaran udara adalah:
20kV → 200-250 Ω
20kV → 250-300 Ω
20kV → 300-350 Ω
20kV → 350-400 Ω
20kV → 400-450 Ω
51
2.5 Kecepatan Rambat Gelombang
Hantaran udara : V =
Kabel :
2.6 Pemantulan pada Beban TahananJika gelombang tegangan atau arus menemui dikontinuitas pada hamparan (perubahan
impendansi hantaran) seperti :
-ujung dari suatu hantaran
-perubahan tiba-tiba dari impedansi terpa
-pencabangan
Maka gelombang seluhruhnya atau sebagian akan dipantulkan
52
Misalkan pada ujung suatu transmisi ditutup oleh tahanan
Pada setiap harga x:
Pada x = L :
Pada beban :
Dari persamaan dan diperoleh :
53
Dimana :
Dari hasil perhitungan diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
Refleksi Pada Hantaran Yang Terhubung Singkat
54
Pada suatu hantaran yang ujungnya dihubung singkat,gelombang pantulnya akan
berharga negative dari gelombang datang sehingga superposisinya menjadi nol.Sedangkan
arus pantul akan berharga positif dari gelombang datang sehingga superposisinya menjadi
dua kalinya. Penjelasannya sebagai berikut:
Saat geombang datang meluncur,terdapat 2 besaran di dalamnya yaitu tegangan dan arus
yang tergantung satu sama lain dengan rumus
Di dalam sistem terdapat energi yang disimpan dalam bentuk:
Energi medan listrik akibat adanya kapasitansi sistem
Energi medan magnet karena adanya induktansi sistem
Energi ini bergerak dengan kecepatan : , yang nilainya lebih besar dari energy
elektromagnetik.
Jika gelombang dalam perambatannya menjumpai titik hubung singkat,maka medan
listrik akan hilanh karena kapasitansi hantaran melepaskan energi yang disimpannya ke titik
hubung singkat yang membuat bertambah besarnya arus pada hubung singkat. Energi
magnetis ditimbulkan oleh arus pada titik hubung singkat yang bertindak sebagai sumber
yang meluncurkan gelombang pantul.
Refleksi Pada Hantaran Yang Terbuka
RL= ; βL= = =1
Jadi UL’’=UL’; IL’’=IL’;
Maka UL=UL’+UL’’=2UL’ dan IL=IL’+IL’’=0;
Gelombang tegangan pantul mempunyai besar yang sama dengan gelombang datang
sehingga tegangan di titik L menjadi 2 kali. Gelombang arus pantul berlawanan(negatif)
dengan gelombang datang sehingga arus di titik L menjadi nol. Penjelasannya:
55
Saat gelombang mencapai titik yang terbuka, arus menjadi nol sehingga medan magnet
hilang dan membangkitkan EMF. Dengan demikian tegangan pada titik yang terbuka
berharga dua kali dari gelombang datang.
Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban RL=ΓO
βL= =0
maka UL’’=0; dan IL’’=0;
Dalam hal ini tidak terjadi pantulan gelombang karena hantaran
mempunyai karakteristik yang sama dengan beban shingga secara listrik
impedansinya sama dan tak ada diskontinuitas.
Jika ,maka bagian gelombang yang dipantulkan merupakan reversal dari arus
saja.
Jika maka bagian gelombang yang dipantulkan merupakan reversal dari
tegangan saja. Reversal adalah pemantulan.
56
2.7 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban Induktansi
Ambil p=d/dt
UL=L. =L.p.IL
UL=UL’+UL’’
UL’+UL’’=L.p( - )
Jika gelombang datang adalah gelombang dengan muka segiempat dengan harga
UL’=U,maka d/dt . UL’=0 dan persamaan diatas menjadi:
Maka
Diperoleh ln(
57
Bentuk logaritma ini diubah ke bentuk eksponensial dengan mengambil K sebagai
konstanta eksponensial yang berisi konstanta integrasi,maka:
Koefisien K harus dicari batas syarat yang menghubungkan UL’’ dan t.Saat gelombang
datang,induktansi L belum bisa melalukan arus,maka gelombang akan dipantulkan
sepenuhnya.Tegangan pantul sama besarnya dengan tegangan gelombang datang.Maka
persamaan diatas menjadi
UL’’=U(-1+2 )
Gelombang pantul akan berubah dari harga u pada t=0, menjadi –u. Penjelasannya:
Saat gelombang sampai di terminal terdapat tegangan sebesar u.Setelah beberapa saat
arus mulia mengalir melalui L.Arus akan mengalir lebih bebas pada t yang lebih besar
sampai akhirnya seperti terjadi hubungan singkat pada terminal dimana tegangan pada
terminal akan semakin kecil.
Pada terminal:UL=UL’+UL’’=U+ U(-1+2 )= 2
Arusnya: IL= (1- )
2.8 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban KapasitifJika sebuah kapasitor C dipasang pada terminal hantaran, maka pada saat gelombang
datang,terminal akan terhubung singkat, sehingga tegangan pada terminal adalah 0. Besar
arus saat ini adalah 2 kali gelombang arus datang.Jika C telah diisi maka akan timbul
tegangan pada terminal. Pada C yang telah terisi penuh,tegangan akan 2 kali lipat dan arus
menjadi 0.
UL’’=U(1-2
UL=2U(1-
58
IL’=2U/Γ
Jika sebuah gelmbang berjalan yang ditimbulkan oleh sambaran petir menuju ke trafo
daya maka trafo akan lebih bersikap sebagai rangkaian kapasitif. Surja petir mempunyai
muka gelombang yang sangat curam, sehingga dalam waktu yang sangat pendek tidak
memungkinkan arus mengalir pada induktansi yang berharga besar dari gulungan trafo.
Tetapi terdapat kapsitansi antara masing-masing gabungan trafo dan kapasitansi antara
gulungan trafo ke inti besi dan trafo. Hal ini menyebabkan trafo bereaksi sebagai beban
kapastif.
2.9 Rangkaian Trafo Pada Saat Terjadinya Gelombang Berjalan
Rangkaian Pengganti Lengkap
59
Rangkaian Pengganti Untuk Kondisi Awal
Rangkaian Pengganti untuk Kondisi Akhir
2.10 Refleksi Dan Refraksi
60
Pada X=L;
UL=UL’+UL’’
IL=IL’+IL’’
Ρl=Koefisien Refraksi
2.11 Diagram Bewley
Faktor refraksi: ρ=Uk/U’=2
Faktor refleksi: ρ-β=1
61
2.12 Rangkaian Pengganti Gelombang Berjalan pada Satu Titik
UK=U’+U’’
UK = 2U’- . ik
62
Pada beban tahanan :
63
2.13 Refleksi dan Refraksi pada Busbar dengan n CabangJika pada satu titik terdapat n cabang maka 1 cabang merupakan hantaran yang dilalui
gelombang terpa ; (n-1) hantaran merupakan hantaran parallel yang akan dilalui oleh
gelombang refraksi.
64
2.14 Metoda BergeronDari rumus 9 dan 11
Tegangan total : U
Arus total : I
65
Gelombang maju +
Gelombang mundur –
Semua tegangan pada saat gelombang berjalan = contant
Gelombang maju = U = -
Gelombang mundur = U = +
2.15 Contoh SoalContoh 1. Diketahui : Transmisi tegangan tinggi mempunyai panjang 300 km
Γ = 500 Ω
Ujung hantaran dihubung singkat
66
Gelombang datang konstan mempunyai harga 3000 Volt pada
ujung lainnya
Ditanyakan :
a) Gambarkan perubahan tegangan pada setiap titik pada hantaran
b) Hitung besar arus pada titik pengirim (s) setelah 0.004 sekon
Jawab :
Arus :
0 < t <0.001
t = 0.001
0.001<t<0.002
t=0.002 s
67
0.002<t<0.003
t = 0.003
0.003<t<0.004
t = 0.004
Contoh 2 : hantaran kabel
(18 % diteruskan)
68
Contoh 3 : Dua gardu induk dihubungkan dengan sebuah kabel dengan impedansi terpa
60 Ω dan sebuah hantaran udara dengan impedansi terpa 400 Ω. Sebuah terpa sebesar 100 kV
bergerak dari hantaran udara menuju GI yang dihubungkan melalui kabel tanah.
Ditanya : Berapa gelombang arus dan tengangan pantul pada titik sambungan?
Jawab :
A
Tegangan yang diteruskan:
Arus pantul:
Arus yang diteruskan:
(check)
69
Contoh 4 :Suatu hantaran udara A dan C dihubungkan dengan kabel sepanjang B
km.
Impedansi terpa A : 500 Ω
B : 70 Ω
C : 600 Ω
Gelombang terpa dengan amplitudo 20 kV yang panjangnya ~ bergerak dari A
ke C. Tentukan besar tegangan setelah pantulan kedua di C.
Jawab :
Setelah pantulan kedua gelombang di C adalah:
70
Contoh 5 :Sebuah kabel dengan impedansi terpa 100 Ω pada ujungnya disambung pada
dua hantaran udara dengan impedansi masing-masing adalah 600 dan 1000 Ω.
Sebuah gelombang impuls degan muka curam sebesar 2 kV dengan ekor ~
bergerak sepanjang kabel menuju kedua hantaran terbuka tersebut.
Hitung tegangan/arus pada titik sambungan
Jawab :
Pada titik T tegangan adalah U
Gelombang pantul refleksi:
71
72
BAB 3
Perlindungan Terhadap Tegangan Lebih Petir
3.1 Mekanisme Petir
Petir merupakan pelepasan muatan listrik di udara, yang terjadi:
1. Diantara awan-awan,
2. Antara pusat-pusat muatan didalam awan tersebut,
3. Antara awan dan tanah.
Lebih banyak pelepasan muatan (discharge)terjadi antara awan-awan dan di dalam awan itu
sendiri dari pada pelepasan muatan yang terjadi antara awan ke tanah, tetapi petir awan-tanah
ini sendiri sudah cukup besar untuk dapat menyebabkan terjadinya kerusakan pada benda-
benda di permukaan tanah.
Petir merupakan proses alam yang tejadi di atmosfir pada waktu hujan (thunder storm).
Muatan akan terkonsentrasi di dalam awan ataubagian dari awan dan muatan yang
berlawanan akan timbul pada permukaan tanah dibawahnya.
Jika muatan bertambah, beda potensial antara awan dan tanah akan naik, maka kuat medan di
udara pun akan naik. Jika kuat medan ini melebihi kuat medan diantara awan-awan tersebut
maka akan terjadi pelepasan muatan.
Kuat medan yang diperlukan untuk memulai aliran (streamer) adalah EB = 10 – 40 kV/m,
pada awan yang mempunyai ketinggian 1 – 2 km diatas tanah dapat menghasilkan
tegangan100 MV.
73
Pilot leader yang membawa muatan akan mengawali aliran ke tanah sehingga saluran yang
dibuat oleh pilot leader ini menjadi bermuatan dan kuat medan (potential gradient) dari ujung
leader ini sangat tinggi. Selama pusat muatan di awan mampu memberikan muatannya pada
ujung leader lebih besar dari kuat medan udara, maka leader (petir) akan tetap mampu
melanjutkan perjalanannya (lihat gambar P.S.T.I). Jika kuat medan pada ujung leader lebih
kuat dari medan udara, maka petir (leader) akan terhenti dan muatan akan dilepaskan tanpa
pelepasan muatan yang lengkap (tidak ada pukulan ke tanah).
Pelepasan Muatan
74
Pada saat leader mendekati tanah, kuat medan statis pada permukaan tanah akan naik cukup
tinggi untuk menghasilkan aliran ke atas yang pendek menyongsong pilot leader, titik tempat
bertemunya dua aliran yang berbeda muatan ini disebut “striking point” (titik pukul).
Kecepatan naik bisa mencapai kecepatan yang jauh lebih tinggi dari kecepatan pilot leader
(30m/µs).
Jika muatan pada awan telah dilepas ke bumi maka tegangan pada awan tersebut akan turun,
akibatnya mungkin terjadi beda tegangan yang tinggi antara awan ini dengan pusat muatan
lainnya pada awan tersebut. Akibatnya akan terulang kembali pelepasan muatan melalui
kanal yang terbentuk oleh pelepasan muatan pertama,
Peristiwa ini disebut pelepasan muatan berurutan (multiple lighting stroke) yang sering
terjadi di alam.
3.2 Terpa Petir
75
Terpa petir dapat digambarkan sebagai berikut:
Dimana :
t1 berharga 1 ~ 10 µs
t2 berharga 10 ~ 100 µs
Terpa petir umumnya digambarkan sebagai t1/t2
Polaritas petir dalam statistic yaitu petir positif sebesar 14%, petir negative sebesar 80% dan
petir positif/negative sebesar 6%.
Data statsitik petir di India:
25% dibawah 10 kA
86% dibawah 50 kA
11% antara 50 – 100 kA
2% antara 100 – 150 kA
0.5% > 150 kA
Arus petir tertinggi yang pernah diukur adalah 400 kA
Statistik Petir di Eropa:
76
I [kA](di/dt)max
[kA/m]Q = i dt [AS] i2 dt [A2s]
50%Negatif 30 40 7.5 0.055
Positif 35 24 80 0.65
5%Negatif 80 120 40 0.55
Positif 250 32 350 15.0
Arus petir
tertinggi yang
pernah diukur
515 230 400 19.0
3.3 Tegangan Lebih oleh Terpa PetirBahaya tegangan labih yang dapat terjadi pada sistem tenaga (hantaran udara, menara, gardu
induk) dapat berupa:
a. Sambaran langsung.
b. Sambaran tak langsung.
3.3.1 Sambaran Langsung pada Kawat Phasa
Jika hantaran udara tersambar petir, maka tegangan pada titik sambar adalah:
77
Muatan yang dilepas oleh petir pada konduktor akan mengtalir ke dua arah dalam bentuk
gelombang berjalan.
Jika: Î = 30 kA ; ZL = 300 Ω;
Maka
78
3.3.2 Sambaran pada Menara
Sambaran langsung pada menara akan menyebabkan terjadinya kenaikan tegangan yang
dapat menyebabkan terjadinya Back Flash Over.
Îs = arus petir
L = induktansi menara
RE = tahanan kaki menara
l = tinggi menara
Untuk tinggi menara yang normal, maka harga L ≈ 10 µH, jika
R = 10 Ω, Îs =30 kA, di/dt ≈ 10 kA/µs; maka
VM = 30.10 + 10 µH . 10 kA/µs = 400 kV
Jika tegangan sistem 150 kV, maka :
Jadi VM = 520 kV.
79
Jika tegangan terpa petirmelebihi tegangan tembus dari isolator (Flash overvoltage) maka
terjadi back flash over.
Lihat table 10 → FOV dari Disc untuk 150 kV → ± 255 kV sehingga telah telah terjadi back
flash over.
3.3.3 Sambaran pada Menara dengan Kawat Tanah
80
3.3.4 Sambaran Langsung pada Gardu mungkin juga terjadi, yang dapat menyebabkan
kerusakan peralatan sehingga terhentinya pelayanan daya dalam waktu lama. Kemungkinan
sambaran ini dihindarkan dengan melindungi gardu dengan kawat tanah/batang-batang
konduktor dan pentanahan yang baik (<5 Ω).
3.3.5 Sambaran Tidak Langsung, dapat terjadi karena :
Induksi elektromagnetik (arus) akibat terjadinya pelepasan muatan di dekat sistem.
Induksi elektrostatis sebagai akibat adanya awan bermuatan diatas hantaran udara.
81
Muatan yang diinduksikan ke konduktor : Q = C.V; dimana V = E.h
3.4 Perlindungan Terhadap Petir3.4.1 Perlindungan Gardu dan Gardu Induk Terhadap Sambaran Langsung
Umumnya gardu – gardu terdapat di dalam gedung atau lapangan (switch - yard), untuk
melindunginya terhadap sambaran petir diperlukan:
Batang – batang tembaga atau kawat tanah pelindung yang berfungsi untuk menarik
petir atau menerima sambaran petir.
Dalam hal ini biasanya menggunakan bahan metal (tembaga/ aluminium) yang
dipasang langsung diatas atau didekat bangunan dalam bentuk batang tegak lurus
atau kawat tanah pelindung.
Perlindungan dianggap baik jika dari 1000 sambaran ke gardu 999 akan mengenai
pelindung dan 1 akan mengenai peralatan yang dilindungi. Hal ini disebut Proteksi
Sambaran 0.1%. Secara kasar maka proteksi dengan sambaran 0.1% ini dapat
diperoleh dengan cara sebagai berikut:
Satu batang tunggal atau menara membentuk satu kerucut perlindungan dengan
puncak menara pelindung sebagai ujung kerucut dan radius pada permukaan tanah
sebagai alas kerucut yang membentuk sudut 30° dengan vertical.
Atau dengan kata lain kerucut perlindungan harus mempunyai diameter yang kira –
kira sama dengan tinggi dari menara pelindung D≈h.
82
Kawat penghantar atau bagian dari konstruksi dengan impedansi rendah yang
berfungsi menyalurkan pelepasan muatan dari petir ke tanah.
Dalam hal ini diperlukan persyaratan sebagai berikut:
Tahanan yang rendah ( daya hantar dan penampang yang sesuai sambungan –
sambungan hantaran yang baik dan bebas dari korosi).
Reaktansi yang rendah ( dicegah adanya lekukan – lekukan penghantar yang tajam
dan rangkaian – rangkaian tertutup / loops)
Jika penghantar yang digunakan cukup panjang dan membentuk loop maka arus
petir dengan muka yang curam akan menghasilkan tegangan yang tinggi akibat
adanya induktansi.
Misal: di/dt = 10 kA/µsdanL = 0.4µH/m, maka
V= L. (di/dt) = 4000V/m
Jika panjang kawat penghantar 50 m, maka
V = 4000 x 50 = 200kV
Jarak yang cukup dengan benda – benda lain (clearance) yang bersifat mengantarkan
arus listrik untuk mencegah mengalirnya arus melalui benda – benda tersebut ke
tanah.
Perlindungan dari gardu induk dan hantaran udara yang masuk ke gardu terutama
diberikan pada jarak ± 2 km dari gardu untuk membatasi amplitude gelombang yang
datang.
83
Penangkal petir pada gardu tanpa pelindung kawat tanah.
Tahanan tanah yang rendah
Jika perlindungan kawat tanah (overhead ground wires) tidak bias digunakan maka
perlindungan tambahan sambaran langsung terhadap kawat phasa di dekat gardu
induk dapat diperoleh dengan menggunakan Protector tube pada setiap menara.
Perlindungan dari gardu induk hanya dapat dilakukan dengan perlindungan kawat
tanah atau batang tembaga dan tahanan pentanahan yang rendah dari gardu induk itu
sendiri.
84
3.5 Perlindungan Hambatan Udara Terhadap Sambaran LangsungPerlindungan hantaran udara dengan menggunakan kawat tanah merupakan metoda
perlindungan yang cukup efektif terhadap sambaran langsung ke kawat phasa.
Alternative lain dapat juga digunakan yakni hantaran udara tanpa kawat tanah tetapi harus
dilengkapi dengan alat pelindung lain yaitu Protection tubes.
Proteksi dengan Kawat Tanah
Satu atau lebih kawat tanah dapat digunakan untuk perlindungan:
Dalam pemilihan kawat tanah factor mekanisnya lebih diperhatikan daripada factor
elektrisnya. Kawat tanah harus mempunyai ketahanan tarik yang tinggi dan tidak
gampang berkarat
Dari hasil pengetesan laboratorium dan pengalaman lapangan menunjukkan bahwa
sudut perlindungan yang baik adalah:
Proteksi sambaran 0.1% atau sudut perlindungan maksimum 30°
Tahanan pentanahan, isolasi dan jarak bebas (clearance) antara kawat tanah dan kawat
phasa adalah hal – hal yang penting dalam perencanaan transmisi dengan kawat tanah.
Jika suatu tiang transmisi disambar petir pada kawat tanahnya, maka arus akan
mengalir pada menara dan kawat tanah.
Dengan mengalirnya arus I3 di menara, maka akan terjadiperbedaan tegangan sebesar:
85
K adalah faktor kopling, dimana
Sehingga V3 = Vm-V2 = Vm-K.Vm = Vm (1-K)
Dimana :
a = jarak kawat tanah ke kawat fasa
b = jarak kawat tanah ke bayangan kawat fasa
h = tinggi kawat tanah ke tanah
r = jari-jari kawat tanah
V3 = beda tegangan Antara kawat tanah dengan kawat fasa
Jika jarak bebas antar kawat tanah / menara ke kawat phasa terlalu kecil atau sambaran
petir dengan arus cukup besar maka akan terjadi tembus (flashover) antara kawat tanah /
menara ke kawat phasa yang biasa disebut back flashover.
Keuntungan lain dari pemakaian kawat tanah adalah:
Kawat tanah pada batas – batas tertentu akan membentuk tabir elektrostatis (electrostatic
screening) yang dapat menurunkan induksi tegangan pada kawat phasa jika terjadi
pelepasan muatan dari awan disekitarnya.
86
Hasil penelitian Peek :
1. Satu kawat tanah akan mengurangi induksi elektrostatis menjadi ½ dari akibat induksi
tanpa kawat tanah
2. Dua kawat tanah menjadi ⅓ nya
3. Tiga kawat tanah menjadi ¼ nya
Proteksi dengan Alat Bantu
Metoda ini telah menunjukkan keandalan yang cukup tinggi dalam melindungi hantaran
udara terhadap sambaran petir.
Peralatan ini mempunyai bagian yang mengontrol pelepasan muatan dan mematikan
busur api ikutan (follow current)
Alat yang paling terkenal adalah protector tube yang pada dasarnya terdiri dari tabung
fiber dengan dua elektroda diujungnya. Alat ini dipasang pada menara dibawah
konduktor. Elektroda bawah ditanahkan.
Jika terjadi terpa pada hantaran maka sela seri akan short dan bunga api akan membakar
sebagian dinding fiber sehingga timbul gas. Gas netral ini akan menekan bunga api dan
terjadi proses de-ionisasi, akibatnya tidak terjadi penyalaan kembali (restriking) setelah
arus system melalui titik nol pertamanya.
87
3.6 Perlindungan Peralatan Listrik Terhadap Gelombang Berjalan
Penggunaan kawat tanah pada hantaran dan gardu 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 tersebut dapat berupa :
a. Tegangan tembus luar (external flashover), merusak isolator, bagian – bagian
permukaan peralatan.
b. Tegangan tembus dalam (internal flashover) :
1. Merusak isolasi utama dari peralatan ke tanah
2. Merusak isolasi antara bagian – bagian dalam peralatan (isolasi antara
gulungan dari trafo)
c. Tegangan lembus luar dan dalam (internal and external flashover) yang mungkin
terjadi sebagai akibat isolasi yang terjadi dalam peralatan.
Poin a dan b1 disebabkan oleh amplitude dari gelombang
Poin b2 disebabkan oleh kecuraman gelombang dating
Poin c disebabkan oleh gelombang curam dengan ekor gelombang yang panjang.
Dengan demikian maka dipandang perlu penggunaan peralatan pelindung pada gardu untuk
melindungi trafo dan peralatan lain terhadap gelombang berjalan yang mungkin sampai di
gardu.
Singkatnya:
Perlindungan kawat tanah , mencegah system disambar petir sedangkan alat – alat pelindung
di gardu, memberikan perlindungan terhadap gelombang berjalan yang disebabkan oleh petir.
Alat pelindung yang paling umum digunakan adalah penangkap petir (arrester). Alat ini
dihubungkan antara kawat phasa dengan tanah pada gardu, dengan tujuan menyalurkan
tegangan lebih tinggi ke tanah sampai pada batas aman untuk peralatan. Jika sebuah
gelombang mencapai arrester akan terjadi tembus pada tegangan tertentu (UA) dan arus akan
melalui impedansi rendah ke tanah. Jika arus terpa telah lalu dan tegangan kembali normal,
maka impedansi ini harus menjadi besar.
88
F = Sela berlapis
R(i) = Tahanan tergantung arus
UA = Tegangan tembus dari sela = tegangan kerja arrester
Beberapa karakteristik arrester ideal, di antaranya :
1. Tidak bekerja pada tegangan sistem normal.
Tegangan tembus arrester pada frekuensi jala-jala (power frequency breakdown) dibuat lebih
tinggi dari tegangan lebih sempurna (single line to ground fault) yang mungkin terjadi pada
sistem.
2. Mampu mengalirkan arus ke tanah ketika gelombang transien memiliki puncak yang lebih
tinggi dari tegangan tembus/tegangan kerja arrester (UA).
3. Aliran arus terpa ke tanah tidak menyebabkan arrester rusak ataupun tegangan terminal
arrester lebih tinggi dari tegangan sumber.
4. Tidak mengalirkan arus sistem ke tanah (follow current) ketika gangguan telah diatasi.
Tiga jenis penangkap petir yang umum dipakai, di antaranya :
1. Sela batang ( Rod Gap ).
89
Terdiri dari batang elektroda yang diletakkan antara hantaran dan tanah. Merupakan alat
pemotong petir yang paling sederhana di mana harus diperhatikan hal-hal berikut:
- Tegangan tembus sela batang/rod gap diatur 20% lebih rendah dari tegangan tembus
impuls dari isolator.
- Jarak antara sela dan isolator 1/3 jarak sela untuk mencegah bunga api bergerak kea rah
isolator.
- Nilai dari sela batang/rod gap bergantung pada tegangan sistem, yaitu
Tegangan
Sistem (kV)Sela (cm)
33
66
132
275
23
35
65
123
Aplikasi sela batang/rod gap , seringkali digunakan pada :
a. Bushing insulator dari trafo.
b. Isolator tahanan udara, berupa Tanduk api (Arching Horn) atau ring api (Arching Ring).
c. Pemutus Daya (Circuit Breaker).
Kekurangan penggunaan sela batang/rod gap :
1. Tidak berfungsi bila kecuraman muka gelombang datang terlalu besar
2. Tidak bisa memotong arus ikutan (Follow Current).
Bunga api terjadi karena terionisasinya udara antara elektroda batang akibat beda tegangan
yang tinggi. Hal ini menyebabkan berkurangnya kekuatan isolasi pada sela udara.
Contoh : sela yang memiliki kapasitas tahanan hingga 30 kV turun menjadi ±50V dan
menyebabkan arus sistem ikut mengalir ke tanah. Hal ini menyebabkan pemutus daya
(circuit breaker) akan bekerja untuk menghilangkan gangguan. Padahal untuk menutup
CB dibutuhkan waktu yang cukup lama untuk proses de-ionisasi di antara sela setalah
bunga api mati.
3. Tingginya muatan listrik (Q) menyebabkan diperlukannya material-material dengan kekuatan
isolasi yang tinggi. Hal ini dikarenakan sela batang/rod gap dapat meleleh akibat energi panas
dengan temperature tinggi yang dilepas melalui bunga api.
90
4. Karakteristik tembus dari sela batang/rod gap sangat dipengaruhi oleh keadaan alam
(kelembaban, temperature, tekanan, dan lain-lain).
5. Sela batang/rod gap merupakan jenis pemotong petir yang paling sederhana dan juga
dipengaruhi oleh polaritas dari terpa karena itu tidak dapat diandalkan sebagai pelindung
utama terhadap terpa petir pada sistem tenaga listrik. Pada sistem tenaga listrik, prioritas
pelayanan daya dan perlindungan peralatan sangat diutamakan.
Meskipun tidak terlalu bisa diandalkan, sela batang/rod gap tetap digunakan karena harganya yang
relatif murah.
Terdapat beberapa peralatan hasil modifikasi dari sela batang/rod gap, di antaranya :
1. Sela sekring/Fuse gap
Merupakan sela batang/rod gap yang dilengkapi sekring yang terhubung seri untuk
memutus follow current.
Keuntungan : Pemasangan sekring membuat CB tidak perlu membuka.
Kekurangan : Karakteristik tembus masih sama dengan sela batang/rod gap dan diperlukan
perawatan dan penggantian sekring.
2. Sela kontrol/Control gap
Merupakan sela batang/rod gap yang terdiri dari susunan dua buah sela untuk mendekati
karakteristik dari sela bola. Sela bola memiliki karakteristik V-T yang lebih baik.
Dapat digunakan dengan atau tanpa sekring.
2. Tabung pelindung ( Protector Tube ) / Expulsion Type Lightning Arrester.
Merupakan tabung yang terdiri dari :
a. Dinding tabung yang terbuat dari bahan yang mudah menghasilkan gas bila dilalui arus
b. Sela batang yang biasa diletakkan pada isolator porselin. Berfungsi untuk mencegah
arus mengalir dan membajar fiber pada tegangan jala-jala setelah gangguan diatasi
c. Sela pemutus bunga api yang diletakkan di dalam tabung dengan salah satu
elektrodanya dihubungkan ke tanah.
Aplikasi :
Tabung pelindung/Protector Tube biasanya dimiliki oleh setiap kawat fasa dimana ketika
tegangan terpa melalui sela batang dan sela bunga api, impedansi tabung pelindung/protector
tube menurun sehingga arus terpa dan arus sistem dapat mengalir ke tanah. Tegangan antara
terminal hantaran dengan tanah akan turun setelah tembus terjadi karena akan terdapat
tegangan bunga api pada tabung yang akan sedikit menghalangi aliran arus akibat arus yang
dilalukan oleh tabung.
91
Proses yang terjadi :
Arus yang mengalir akan membakar fiber dan menghasilkan gas yang bergerak cepat ke
arah lubang pembuangan di bagian bawah arrester. Tekanan gas akan mematikan bunga
api saat arus melewati titik nol pertama. Waktu pemadaman busur api hanya ½ atau 1
cycle sehingga RRV (Rate of Recovery Voltage) lebih lambat dari rate of rise kekuatan
dielektrik dari isolasi.
Beda waktu tersebut cukup pendek untuk dapat dibaca oleh rele pelindung sehingga CB
akan tetap bekerja dan pelayanan tidak terganggu.
Sistem dapat bekerja dengan normal segera setelah gas ditekan keluar dan api menjadi
padam.
Kerugian :
a. Penggunaan terbatas pada sistem yang memiliki besar arus sistem kurang 1/3 besar arus
terpa. (arus yang terlalu besarmenyebabkan fiber habis terbakar sedangkan arus yang
terlalu kecil tidak mampu menghasilkan gas untuk mematikan busur api.
b. Permukaan tabung akan rusak setiap arrester bekerja karena terbakar. Arrester memiliki
batasan pada jumlah operasinya di mana arrester masih dapat berfungsi dengan baik.
c. Tidak cocok untuk peralatan-peralatan gardu yang mahal karena karakteristik V-T
buruk.
Pemakaian :
a. Umumnya dipakai untuk melindungi isolator transmisi V-T. Karakteristik dari arrester
lebih datar daripada isolator sehingga muda dikoordinasikan.
b. Dipakai pada tiang transmisi sebelum memasuki gardu untuk memotong besar arus
terpa yang datang sehingga mengurangi kerja arrester.
c. Dipakai pada trafo-trafo kecil di pedesaan di mana pemotong petir jenis katup sangat
mahal dan pemakaian sela batang dapat memberikan perlindungan yang cukup.
d. Dipakai pada tiang transmisi tertentu yang sanga tinggi di mana kemungkinan
disambar petir yang cukup tinggi.
Jenis :
92
Jenis transmisi, digunakan pada jaringan transmisi untuk melindungi isolator.
Jenis Distribusi, digunakan untuk melindungi trafo pada jaringan-jaringan distribusi
dan peralatan-peralatan distribusi
3. Penangkap petir biasa jenis katup ( Conventional Valve Type Arrester).
Peralatan ini dikenal juga sebagai pemotong petir jenis tidak linier yang terdiri dari
beberapa sela tersusun seri dengan piringan-piringan tahanan.
Berikut beberapa karakteristik tahanan:
a. Harga tahanan turun cepat saat arus terpa mengalir sehingga tegangan antara
terminal arrester tidak terlalu besar.
b. Harga tahanan naik saat arus terpa sudah lewat sehingga membatasi follow current
dari power frequency voltage.
c. Sela api/sparks gap dan tahanan disusun secara seri dan ditempatkan di dalam
rumah porselen kedap air sehingga terlindung dari kelembaban, pengotoran, dan
hujan.
Sela api terdiri dari beberapa elemen yang disusun secara seri. Masing-masing
elemen memiliki dua elektroda dengan alat pengionisasi awal. Tahanan dipasang di antara dua
elemen secara parallel guna mengatur tegangan antara masing-masing elemen.
Tahanan pengatur (grading resistor) mampu mencegah terjadi tembus antar fasa dan
antara fasa ke tanah ketika terjadi perubahan tegangan yang lambat pada sistem, mencegah
terjadinya tembus akibat gangguan pada sistem seperti misalnya tegangan tembus dalam
(internal voltage), gangguan atau fasa ke tanah, dan penaikan tegangan pada ujung transmisi.
Sedangkan bila terjadi perubahan tegangan yang cepat pada sistem, tegangan tidak
lagi diatur pada sela yang terhubung seri. Pengaruh dari tidak seimbangnya kapasitansi antara
sela dengan tanah terjadi pada seluruh tahanan pengatur. Tegangan terpa yang dating dan
umumnya terkonsentrai pada sela ini akan menyebabkan seluruh arrester juga mengalami
tembus. Pengaturan tegangan dengan tahanan juga meyebabkan naiknya kemampuan
pemutusan arus oleh sela api.
Arus bocor pada tahanan dalam keadaan operasi normal sistem ≤ 0.1 mA. Arus ini
cukup untuk mempertahankan temperatur bagian dalam pemotong petir 5o lebih tinggi dari
temperature sekelilingnya sehingga berfungsi untuk mencegah masuknya uap air ke bagian
dalam pemotong petir.
Tahanan Tak Linier (Non-linier resistor)
Bahan pembuat piringan tahanan adalah : bahan Thrite Metrosil, bahan an-organis
dengan dasar campuran Silicon Carbide, dan ikatan tanah liat berbentuk lempengan
bulat.
93
Harga tahanan naik dengan cepat jika arus dan tegangan naik.
Tegangan sisa (tegangan puncak yang timbul di antara terminal penangkap petir pada
saat terjadinya tembus) dibatasi walau arus yang mengalir besar.
Lempeng resistor akan kembali memiliki harga tahanan yang tinggi sesaat setelah
gelombang arus yang disebabkan oleh tegangan terpa dilepas ke tanah. Akibatnya
arus sistem yang ikut mengalir pada saat terjadi tembus akan memiliki harga yang
rendah sehingga arus ikutan ini akan dipotong pada saat melalui titik nol pertamanya.
Sebelum terpa mencapai trafo, terpa akan mengalirkan petir. Dibutuhkan ±0.25 μs
untuk tegangan terpa mencapai tegangan tembus sela yang membuat penangkap petir
bekerja.
Kenaikan tegangan terpa yang cepat menyebabkan elemen non linier memiliki harga
tahanan yang rendah dan memungkinkan energi dari terpa dilepas ke tanah. Sehingga,
terpa yang masuk ke peralatan yang dilindungi, tidak membahayakan peralatan
sistem.
Dibutuhkan hanya ±20-30 μs untuk keseluruhan proses.
Tegangan kerja atau tegangan pelepasan (UA) dari penangkap petir adalah tegangan
maksimum yang terjadi di terminal penangkap petir.
Kekurangan penangkal petir dengan protector tube:
1. Keandalan penangkap petir dipengaruhi uap air yang masuk ke bagian dalam penangkap
petir. Untuk mengatasinya, dapat dilakukan dengan menutup rapat-rapat penangkap petir
tersebut karena di bagian dalam dari beberapa jenis penangkap petir diisi oleh gas dan
memiliki peralatan pencegah untuk menghindarkan terjadi kelembaban. Selain itu,
terdapat juga penangkap petir yang mengizinkan arus bocor terus mengalir pada batasan
tertentu sehingga dapat mengurangi kelembaban pada bagian dalam penangkap petir.
Hubungan antara tegangan dan arus dari lempengan tahanan non-linier (Thyrite) adalah :
Jika pemotong petir memiliki N lempengan :
di mana :
K=4650
α=1-β=0.72
94
Cara kerja penangkap petir :
2. Ada kemungkinan jenis penangkap petir ini tidak bereaksi cukup cepat dalam
mendeteksi gelombang datang dengan muka yang sangat curam yang menuju ke
gardu.
Suatu keuntungan bahwa selama dalam perjalanannya ke gardu gelombang tersebut
akan mengalami peredaman.
Macam penangkap petir jenis katup adalah sebagai berikut :
a. Jenis gardu (Station Type)
Jenis ini adalah yang paling effisien dan paling mahal yang umumnya digunakan
untuk melindungi peralatan-peralatan penting pada gardu-gardu besar (sistem dengan
tegangan di atas 70 kV).
b. Jenis hantaran (Line Type)
Jenis ini lebih murah dan digunakan untuk melindungi gardu-gardu dengan tegangan
kerja sistem dibawah 70 kV.
c. Penangkap petir jenis gardu untuk melindungi motor/generator, digunakan untuk
sistem-sistem dengan tegangan 2.2 kV sampai 15 kV.
d. Penangkap petir sekunder (Secondary Arrester)
Untuk perlindungan peralatan-peralatan tegangan rendah dengan tegangan kerja
sistem antara 120 V sampai 750 V.
95
3.7 TINGKAT PENGENAL DARI PENANGKAP PETIR (RATING ARRESTER)1. Tegangan nominal atau tegangan pengenal (U A) (Nominal Voltage Arrester)
Adalah tegangan dimana penangkap petir masih dapat bekerja sesuai dengan
karaktersitiknya. Penangkap petir tidak dapat bekerja pada tegangan maksimum
sistem yang direncanakan, tetapi masih tetap mampu memutuskan arus ikutan dari
sistem secara efektif.
Penangkap petir umumnya tidak dapat bekerja jika ada gangguan phasa ke tanag di
satu tempat dalam sistem, karena itu tegangan pengenal dari penangkap petir harus
lebih tinggi dari tegangan phasa sehat ke tanag, jika tidak demikian maka, penangkap
petir akan melalukan arus ikutan sistem yang terlalu besar yang menyebabkan
penangkap petir rusak akibat beban lebih termis (thermal overloading).
Untuk mengetahui tegangan maksimum yang mungkin terjadi pada phasa yang sehat
ke tanah sebagai akibat gangguan satu phasa ke tanah perlu diketahui.
- Tegangan sistem tertinggi (system highest voltage), umumnya diambil harga
110% dari harga tegangan nominal sistem.
- Koefisien Pentanahan
Didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan rms phasa sehat ke tanah
dalam keadaan gangguan pada tempat dimana penangkap petir dipasang, dengan
tegangan rms phasa ke phasa tertinggi dari sistem dalam keadaan tidak ada
gangguan.
Jadi :
Tegangan pengenal daru suatu penangkap petir (arrester rating)
= Tegangan rms phasa ke phasa tertinggi x koefisien pentanahan
= Tegangan rms phasa ke phasa x 1.10 x koefisien pentanahan
Sistem yang ditanahkan langsung, koefisien pentanahannya 0.8. Penangkap
petirnya disebut sebagai penangkap petir 80%.
Sistem yang tidak ditanahkan langsung koefisien pentanahannay 1.0.
Penangkap petirnya disebut sebagai penangkap petir 100%.
Contoh :
Sistem 150 kV mempunyai tegangan pengenal penangkap petir sebagai berikut :
a. Jika ditanahkan langsung :
U = 150 x 1.10 x 0.8 = 132 kV
b. Jika tidak ditanahkan langsung :
U = 150 x 1.10 x 1.0 = 165 kV
96
2. 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
b. Karakteristik pelindungnya
Bentuk gelombang arus pelepasan tersebut adalah :
- Menurut standard Inggris/Eropa (IEC) 8 µs/20 µs
- Menurut standard Amerika 10 µs/20 µs dengan kelas PP 10 kA, 5 kA, 2.5 kA, dan
1.5 kA.
a. Kelas arus 10 kA, untuk perlindungan gardu induk yang besar dengan
frekuensi sambaran petir yang cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70
kV.
b. Kelas arus 5 kA sama seperti (a), untuk tegangan sistem dibawah 70 kV.
c. Kelas arus 2.5 kA, untuk gardu-gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah
22 kV, dimana pemakaian kelas 5 kA tidak lagi ekonomis.
d. Kelas arus 1.5 kA, untuk melindungi trafo-trafo kecil di daerah-daerah
pedalaman.
3. Tegangan Percikan Frekuensi Jala-Jala (Power Frequency Spark Over Voltage)
Penangkap petir tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam (internal over
voltage) dengan amplituda yang rendah karena dapat membahayakan sistem.
Untuk alasan ini maka ditentukan tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum.
- Menurut standard Inggris (B.S)
Tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum = 1.6 x tegangan pengenal
penangkap petir
- Menurut standard IEC
Tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum = 1.5 x tegangan pengenal
penangkap petir
4. Tegangan Percikan Impuls Maksimum (Maximum Impuls Spark Over Voltage)
Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal penangkap
petir sebelum penangkap petir tersebut bekerja.
Bentuk gelombang impuls tersebut menurut IEC Publ. 60 – 2 adalah 1.2 µs/50 µs. Hal
ini menunjukkan bahwa jika tegangan puncak terpa petir yang datang mempunyai
harga yang lebih tinggi atau sama dengan tegangan percikan maksimum dari
97
penangkap petir, maka penangkap petir tersebut akan bekerja memotong terpa petir
tersebut dan mengalirkannya ke tanah.
Tegangan percikan impuls maksimum untuk masing-masing tegangan sistem dapat
dilihat pada tabel 3.
5. Tegangan Sisa (Residual Voltage dari Discharge Voltage)
Adalah tegangan yang timbul diantara terminal penangkap petir pada saat arus petir
mengalir ke tanah.
Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu penangkap petir tertentu tergantung
pada kecuraman gelombang arus yang datang (di/dt dalam A/µs) dab amplituda dari
arus pelepasan (discharge current). Untuk menentukan tegangan sisa ini digunakan
impuls arus sebesar 8 µs/20 µs (IEC Standard) dengan harga puncak 5 kA dan 10 kA.
Untuk harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka tegangan sisa ini tidak akan naik
lebih tinggi lagi. Hal ini disebabkan karena karaktersitik tahanan yang tidak linier dari
penangkap petir.
Umumnya tegangan sisa tidak akan melebihi BIL (Basic Insulation Level = Tingkat
Isolasi Dasar = TID) daripada peralatan yang dilindungi walaupun arus pelepasan
maksimumnya (Maximum Discharge Current) mencapai 65 kA atau 100 kA.
6. Arus Pelepasan Maksimum (Maximum Discharge Current)
Adalah arus terpa maksimum yang dapat mengalir melalui penangkap petir setelah
tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari penangkap petir.
Bentuk gelombang arus terpa menurut standard IEC : 4 µs/10 µs
KELAS PENANGKAP PETIR (ARUS
PELEPASAN NOMINAL)
[AMPERE]
HARGA PUNCAK ARUS
TERPA
[KILO AMPERE]
10.000 tugas berat 100
10.000 tugas ringan 100
5.000 65
2.500 25
1.500 10
98
3.8 PEREDAM TERPA (SURGE ABSORBER)Kerusakan pada peralatan yang disebabkan oleh gelombang terpa tidak saja bergantung
pada amplituda gelombang yang datang tetapi juga tergantung pada kecuraman muka
gelombang.
Perlindungan dapat dilakukan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang mampu
mengurangi kecuraman gelombang datang tersebut. Alat-alat ini dikenal dengan peredam
terpa (surge absorber surge modifier).
Alat-alat tersebut adalah :
1. Kondensator
Jika diletakkan antara phasa dengan tanah akan mengurangi kecuraman gelombang
datang sehingga mampu melindungi gulungan trafo dari stress tegangan yang tinggi
yang terjadi pada gulungan.
Kondensator juga memberikan perlindungan terhadap gelombang dengan amplituda
rendah tetapi mempunyai frekuensi tinggi, hal ini disebabkan karena impedansi
kondensator yang berbanding terbalik dengan frkeuensi. ZC akan tinggi jka f rendah
dan ZC akan rendah jika f tinggi.
Kondensator murni tidak dapat menyerap energi dari gelombang berjalan atau
menyerap energi karena terjadinya pelepasan dengan frekuensi tinggi. Energi ini akan
dipantulkan dari peralatan yang dilindungi ke sistem yang nantinya akan diserap oleh
tahanan dari hantaran dan tahanan pentanahan.
Jika tahanan diletakkan seri dengan kondensator maka kombinasi ini akan menyerap
sebagian energi tersebut.
2. Induktor
Diletakkan seri dengan hantaran udara dan paralel dengan tahanan. Gelombang dengan
muka yang curam dan gelombang dengan frekuensi tinggi akan menghadapi induktor
dengan impedansi tinggi, sehingga gelombang ini akan dipaksa melalui tahanan.
Pada tahanan energi gelombang tersebut akan diserap.
99
Pada arus dengan frekuensi normal, induktir mempunyai impedansi yang rendah
sehingga arus akan dapat melaluinya.
Untuk mengatasi masalah ferranti juga digunakan peredam surga (Surge Absorber)
yang terdiri dari gulungan induktor yang dikopling secara magnetis (tetapi tidak
elektris) ke pembungkus atau tabung metalnya.
Adanya pengaruh filter dalam rangkaian ini dimana arus dengan frekuensi akanditahan
oleh peredam, energy dari gelombang terpa akan dilepaskan ke tanah melalui dinding
tabung dengan cara induksi bersama Antara gulungan dan tabung.
Suatu cara untuk memperkecil kecuraman gelombang dating adalah sebagai berikut:
Jika gemlombang curam datang, maka tabung pelindung E akan bekerja untuk
memotong amplitude gelombang, gelombang curam yang sudah terpotong akan
melalui induktor L dimana akan terjadi induksi tegangan tinggi pada L, sehingga sela
G akan bekerja. Akibatnya tahanan R akan terbuhung seri dengan tabung pelindung E.
Jadi:
4. Gelombang datang akan dikurangi kecuramannnya oleh R dan L
5. Amplitudanya dipotong oleh tabung pelindung
100
Pemasangan peredam surja dan penangkal petir pada transformator 3 phasa disebuah
gardu.
101
BAB 4
Koordinasi Isolasi
4.1. PendahuluanKorelasi antara kemampuan isolasi peralatanperalatan listrik dan sirkuit di satu pihak
dan alat-alat pelindung di lain pihak sedemikian sehingga isolasi dari peralatan tersebut
terlindung dari bahaya-bahaya tegangan lebih secara ekonomis disebut sebgai koordinasi
isolasi dari sistem tenaga listrik.
Tujuannya adalah untuk menciptakan suatu sitem yang bagian-bagiannya, masing-
masing dan satu sama lainnya mempunyai ketahanan isolasi yang sedemikian rupa sehingga
dalam setiap kondisi operasi kualitas pelayanan tenga kistrik dapat dicapai dengan biaya
seminimum mungkin.
Koordinasi isolasi yang baik akan mampu :
a. Isolasi peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan
tegangan tidak normal yang mungkin timbul dalam sistem
b. Isolasi peralatan akan gagal hanyaaa jika terjadi tegangan lebih luar
c. Jika kegagalan terjadi, maka hanya pada tempat-tempat yang menimbulkan kerusakan
minimum
Masalah koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut hal-hal berikut :
1. Penentuan tingkat isolasi dari isolasi hantaran
2. Menentukan Tingkat Isolasi Standar = T.I.D (BIL) dari peralatan
3. Pemilihan penangkap petir (Lightning Arrester)
4.2. Definisia. Tegangan tembus kering (Dry F.O.V) dari suatu isolasi adalah tegangan frekuensi
jala-jala yang dapat menimbulkan kegagalan pada isolasi.
b. Tegangan tembus basah (Wet F.O.V) dari suatu isolasi adalah tegangan frekuensi
jala-jala yang dapat menimbulkan kegagalan pada isolasi jika isolasi tersebut
disemprot oleh sumber air dengan ketentuan sebagai berikut :
102
- Daya hantar air 9000 – 11000 Ω - cm
- Temperatur air dan temperature sekitar sebesar 10o C
-Susut penyemprotan air kea rah isolasi adalah 45o
- Volume air adalah 0.305 cm3 /menit
c. Tegangan tembus impuls adalah tegangan impuls dengan bentuk gelombang 1.2 µs/50
µs yang diberikan pada isolasi sehingga terjadi kegagalan .
d. Daya tahan dari kekuatan isolasi adalah teganagn puncak standard yang masih dapat
ditahan oleh isolasi yang disebut dengan BIL
e. Karakteristik Tegangan-Waktu dari tegangan impus adalah suatu kurva yang
merupakan tempat kedudukan dari harga-harga tegangan tembus dan waktu tembus
pada muka, puncak dan ekor gelombang yang diberikan pada suatu peralatan.
4.3. Penentuan Isolasi Hantaran Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan terjadinya
tegangan lebih petir, tegangan lebih switching, dan tegangan lebih frekuensi jala-jala. Dengan
bertambahnya pengetahuan akan phenomena petir, maka dimungkinkan untuk menentukan
keandalan sistem berdasarkan parameter-parameter petir yang telah diketahui tersebut.
Misalnya pada sistem-sistem tegangan tinggi diatas 123 KV dapat direncanakan keandalan
sistem terhadap bahaya sambaran petir dengan cara :
- Penggunaan kawat tanah ( < 15o )
- Tahanan kaki menara yang rendah ( < 10 Ω)
Isolasi dari hantaran udara harus cukup tinggi untuk mencegah terjadinya kegagalan dengan
memperhitungkan pengaruh lingkungan yang dapat memurunkan tegangan tembus yang umumnya
diambil factor tegangan lebih.
Faktor Tegangan Lebih
103
Tegangan Sistem Teganagn lebih SwitchingTeganagn lebih Frekuensi
Jala-Jala
150 KV 6.5 Upn 3.0 Upn
220 KV 6.5 Upn 3.0 Upn
400 KV 6.5 Upn 3.0 Upn
500 KV 6.5 Upn 3.0 Upn
Upn = Tegangan antara phasa ke netral (rms)
Dalam praktek umumnya isolator hantaran udara masih dinaikkan harga tahan isolasi dengan
cara menambah beberapa piringan isolator lagi untuk menjaga kemungkinan adanya isolator
yang rusak. Untuk tegangan sistem sampai 220 KV, ditambah 1 piringan, untuk 400 KV
biasanya ditambah 2 piring isolator. Pada table 10 diberikan harga tegangan tembus dari
piringan standar ukuran 254 x 146 mm ( F.O.V of standard disks 254 x 146 mm). Isolasi
hantaran udara tidak berhubungan langsung dengan tingkat isolasi peralatan didalam gardu.
Walalupun demikian sangat menentukan didalam koordinasi isolasi karena tegangan tembus
impuls pada isolasi hantaran udara menentukan tegangn impuls tertinggi yang masuk ke
gardu berupa gelombang berjalan.
Arus yang mengalir pada penangkap petir yang terletak di gardu dapat dihitung dari :
- Impedansi terpa hantaran udara
- Tegangan gelombang dating
Tegangan kerja penangkap petir ( UA) pada harga arus tersebut akan merupakan tingkat
perlindungan yang dipakai sebagai dasar untuk pengamana peralatan didalam gardu.
Tegangan pelepasan (Residual Voltage) pada penangkap petir kadang-kadang berubah
tegantung pada arus terpa. Kawat tanah yang dipasang pada hantaran udara satu atau dua
kilometer sebelum memasuki gardu akan menjamin bahwa tingkat isolasi hantaran udara dan
impedansi terpa dari hantaran sangat menentukan besar tegangan dan arus terpa yang sampai
ke gardu. Kawat tanah harus dipasang pada posisi yang paling optimum diatas kawat phasa
untuk mencegah sambaran langsung. Tegangan terpa dengan muka gelombang curam yang
berasal dari tempat cukup jauh dari grdu akan mengalami peredaman sehingga kecuramannya
akan berkurang pada saat sampai di gardu.
4.4. T.I.D dan Tingkat Isolasi dari Peralatan ke GarduUntuk setiap tegangan sistem Tingkat Isolasi Dasar telah ditentukan sesuai dengan
standar internasional yang berlaku. Sebagian besar peralatan di gardu induk dibuat dengan
104
tingkat isolasi yang sama. Kecuali trafo yang kadang-kadang di produksi denga tingkat
isolasi yang rendah dan trafo umumnya dilindungi langsung pleh penangkap petir.
Daerah Lindung penangkap petir ditentukan oleh :
- Ketahan isolasi dari peralatan
- Tegangan kerja dari penangkapan petir
- Jarak antara penangkap petir dengan peralatan tersebut
Peralatan –peralatan yang terletak di luar dari daerah lindung penangkap petir akan diberikan
T.I.D yang satu tingkat lebih tinggi. Pada umumnya tingkat isolasi dari peralatan gardu
seperti pemutus daya busbas, saklar pemisah, trafo pengukuran mempunyai T.I.D 10% lebih
tinggi dari T.I.D trafo.
4.5. Pemilihan dan Letak Penangkap PetirDalam pemilihan penangkap petir ditentukan langkah-langkah seperti :
a. Ditentukan besarnya tegangan lebih phasa ke tanah atau tegangan lebih lain akibat
kerja sistem yang tidak normal
b. Membuat suatu perkiraan besarnya tegangan pengenal tegangan petir pada frekuensi
jala-jala
c. Memilih arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui penangkap petir
d. Menentukan tegangan pelepasan maksimum dari penangkap petir
e. Menentukan tingkat ketahanan tegangan impuls gelombang penuh dari peralatan yang
dilindungi
f. Memastikan bahwa tegangan kerja penangkap petir berada dibawah T.I.D peralatan.
g. Menentukan jarak lindung antara penangkap petir dan peralatan yang akan dilindungi
5a. Tegangan lebih Frekuensi jala-jala
Tegangan lebih akan timbul pada terminal penangkap petir yang tergantung pada :
- Gangguan pada sistem : gangguan satu phasa ke tanah dapat menyebabkan
naiknya tegangan phasa sehat lainnya.
- Pelepasan beban tiba-tiba akan menaikkan tegangan sistem
- Kecepatan lebih : pelepasan beban tiba-tiba menyebabkan terjadinya overspeed
pada generator yang kecepatannya tergantung jenis penggerak mula, jenis
covernor, karakteristik inersia dan konstanta waktu dari rangkaian listrik.
- Switching transient : tegangan lebih yang disebabkan pukulan kembali dari
pemutus daya dapat terjadi pada satu atau dua cycle.
- Sebab-sebab lain :
105
Interaksi antara reaktansi magnetisasi trafo dengan kapasitansi saluran
Eksistensi dari motor induksi oleh shunt kapasitor
Pemakaian mesin-mesin dengan kutub salient tanpa dumper gulungan
Umumnya tegangan lebih sistem yang diperhitungkan adalah tegangan lebih sistem
karena gangguan satu phasa ke tanah dalam menentukan tegangan pengenal dari penangkap
petir. Tegangan lebih ini dapat dihitung dengan metoda komponen simetris, dimana koefisien
dari pentanahan ditentukan. Koefisien pentanahan didefinisikan sebagai perbandingan
tegangan rms tertinggi dari phasa yang sehat pada titik dimana penangkap petir dipasang
pada saat gangguan satu phasa ke tanah terhadap tegangan rms phasa-phasa tertinggi pada
saat tidak ada gangguan.
Dalam pemilihan tegangan pengenal penangkap petir maka harus ditinjau ke tiga metoda
pentanahan :
- Ditanahkan efektif
Adalah sistem yang jika terjadi gangguan pada sistem, maka tegangan lebih phasa
sehat ke tanah tidak melebihi 80% dari tegangan phasa-phasa sistem yang normal.
- Ditanahkan tidak efektif
Adalah sistem yang jika terjadi gangguan pada sistem, maka tegangan lebih phasa
sehat ke tanah lebih tinggi 80% tapi kurang dari 100% tegangan phasa-phasa
sistem yang normal.
- Terisolasi
Adalah sistem yang jika terjadi gangguan pada sistem, maka tegangan lebih phasa
sehat ke tanah lebih tinggi dari100% tegangan phasa sistem yang normal
5.b. Perkiraan Besarnya Tegangan Pengenal Penangkap Petir
Jika tegangan tertinggi dari sistem dan koefisien pentanahan sudah diketahui, maka
tegangan pengenal penangkap petir sudah dapat dihitung secara kasar. Untuk pentanahan
tidak efektif dan pentanahan terisolasi dalam praktek biasanya diambil koefisien pentanahan
100%
5.c. Pemilihan Arus Pelepasan Impuls dari Penangkap Petir
106
Untuk penangkap petir yang dipasang di gardu berlaku:
Dengan:
Ia = arus pelepasan arrester
Ud = tegangan gelombang datang
UA = tegangan kerja (tegangan sisa)
Z = impedansi terpa dar hantaran
Contoh:
Pada sistem 220 kV, digunakan isolator hantaran sejumlah 11 buah. Tentukan Ia!
Jawab:
- Dari tabel 10, untuk 11 keping isolator, impulse FOV = 1025 kV.
- Tegangan pengenal arrester = 110% * 220 kV * 0.8 = 196 kV.
(diasumsikan tegangan sistem 220 kV ditanahkan efektif sehingga digunakan
rumus:
tegangan pengenal arrester = 110% * teg.sistem * 0.8).
Untuk sistem 220 kV, tegangan pengenal standar = 198 kV).
- Untuk tegangan pengenal arrester 198 kV, dari tabel 2, untuk arus pelepasan 10
kA, tegangan sisa atau tegangan kerja adalah 649 kV.
- Ambil impedansi hantaran 450 ohm.
Maka,
107
5.d. Tegangan Pelepasan (Tegangan Kerja) Penangkap Petir
Ini adalah karakteristik yang paling penting dari penangkap petir untuk perlindungan dalam
gardu. Tegangan kerja ini menentukan tingkat perlindungan dari penangkap petir. Jika
tegangan kerja penangkap petir ada di bawah TID dari peralatan yang dilindungi, maka
dengan faktor keamanan yang cukup, perlindungan peralatan yang optimum dapat diperoleh.
Tegangan kerja tergantung pada:
- Arus pelepasan penangkap petir
- Kecuraman gelombang arus (di/dt)
Tegangan kerja penangkap petir akan naik dengan naiknya arus pelepasan, tetapi kenaikan ini
sangat dibatasi oleh tahanan tidak linear dari penangkap petir.
Contoh:
- Ini arus dari 5 kA ke 20 kA hanya menaikkan tegangan kerja sampai 25%.
- Bertambahnya kecuraman arus pelepasan dari 1 kA/µs ke 5 kA/µs hanya
menaikkan tegangan kerja sampai 35%.
5.e. Penentuan TID dari Peralatan
Hal ini telah dibahas pada butir 4 di atas.
5.f. Faktor Perlindungan (Protection Margin)
Faktor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara TID dari peralatan yang
dilindungi dengan tegangan kerja dari penangkap petir. Pada waktu menentukan tingkat
perlindungan peralatan yang dilindungi oleh penangkap petir, umumnya diambil harga 10%
di atas tegangan kerja penangkap petir. Tujuannya adalah untuk mengatas penaikkan
tegangan pada kawat penghubung dan toleransi pabrik.
Besar faktor perlindungan ini umumnya 20% dari TID peralatan untuk penangkap petir yang
dipasang dekat dengan peralatan yang akan dilindungi.
108
Contoh:
- Tegangan kerja penangkap petir untuk sistem 220 kV adalah 649 kV (lihat tabel
2).
- Tingkat perlindungan ini ditambah 10% untuk kawat penghubung, toleransi pabrik
dan lain-lain, sehingga tingkat perlindungan penangkap petir menjadi 713 kV.
- Pilih BIL (TID) peralatan dari tabel 7, sebesar 950 kV.
- Faktor perlindungan = 950 kV – 713 kV = 237 kV.
Faktor perlindungan ini lebih besar 20% dari TID peralatan, sehingga pemilihan
penangkap petir di atas sudah dapat memberikan faktor perlindungan yang baik.
Jika tidak diperoleh faktor perlindungan yang cukup maka dipilih TID peralatan
setingkat lebih tinggi atau memilih tegangan kerja penangkap petir yang lebih rendah.
(Jadi faktor perlindungan) = (TID peralatan) – (tingkat perlindungan penangkap petir)
5.g. Jarak Lindung Penangkap Petir
Sebuah gelombang terpa yang berjalan menuju gardu akan dipotong amplitudonya oleh
penangkap petir hingga hanya memiliki amplitudo sebesar tegangan kerja penangkap petir.
Gelombang yang mempunyai kecuraman yang sama dengan gelombang aslinya ini akan terus
berjalan menuju gardu induk. Jika gardu ini merupakan ujung dari hantaran atau terhubung
109
langsung ke trafo, maka gelombang ini akan dipantulkan kembali ke penangkap petir dua kali
lebih besar dari gelombang datangnya, dan gelombang negatid akan dipantulkan kembali dari
penangkap petir ke trafo.
Tegangan gelombang datang maksimum yang terjadi pada trafo setelah pantulan pertama
adalah:
Dimana:
- Ut = 2 UA
- Ut = tegangan gelombang datang pada trafo [kV]
- UA = tegangan kerja arrester / penangkap petir [kV]
- du/dt = kecuraman dari gelombang datang [kV/µs]
- V = kecepatan rambat gelombang [di udara: 300 meter/µs]
- L = jarak antara trafo ke penangkap petir [m]
Jika Ut adalah harga tegangan dari TID trafo, maka jarak lindung penangkap petir tersebut
adalah:
Gambar dibawah ini menunjukkan kelebihan tegangan yang terjadi pada penangkap petir
sebagai fungsi dari jaraknya ke trafo.
110
Faktor lain yang menentukan besarnya gelombang yang datang pada peralatan adalah
banyaknya percabangan dari hantaran di gardu (pencabangan hantar, busbar).
Dari teori gelombang berjalan diketahui bahwa tegangan pada busbar yang mempunyai
jumlah cabang sebesar n adalah sebagai berikut:
; Di mana Ud = gelombang datang
Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa dengan terdapatnya banyak percabangan di
gardu (n) yang terhubung ke busbar yang sama, maka jarak antara trafo dengan penangkap
petir bisa diperbesar.
Jarak antara lokasi penangkap petir dengan lokasi alat yang dilindungi sudah banyak dihitung
dengan menggunakan komputer, sehingga dapat dituliskan dalam bentuk “standar
pemasangan penangkap petir pada gardu”, seperti yang terdapat pada tabel 13. Tabel ini
diambil dari standar NEMA (Amerika Serikat).
5.h. Lokasi dari Penangkap Petir
Umumnya alat-alat pelindung harus diletakkan saedekat mungkin dengan peralatan yang
akan dilindungi, terutama pada ujung transmisi di mana terdapat gardu atau trafo (bertujuan
melindungi gardu atau trafo).
Karena biaya yang mahal, maka tidak mungkin memasang penangkap petir pada setiap
peralatan di gardu untuk melindungi peralatan tersebut.
111
Hal ini (pemasangan penangkap petir pada setiap peralatan di gardu) tidak diperlukan karena
adanya faktor perlindungan dari penangkap petir. Oleh karena itu hanya peralatan-peralatan
penting saja uang dilengkapi dengan penangkap petir. Trafo merupakan peralatan yang paling
mahal dan paling penting dari suatu gardu induk. Jika trafo rusak maka
perbaikan/penggantinya akan mahal dan juga kerugian karena terputusnya daya cukup besar.
Selain itu trafo adalah ujung terminal dari suatu transmisi, tempat paling sering terjadi
pemantulan gelombang.
Pada sistem di atas 22 kV, TID dari trafo dapat diperendah pada batas-batas yang diizinkan
untuk memperkecil biaya isolasi.
Hal ini tidak dapat dilakukan pada TID dari saklar pemutus maupun pemutus daya (CB).
Karena alasan-alasan tersebut di atas, maka penangkap petir pada gardu induk umumnya
dipasang pada terminal trafo daya.
Jika:
1. Sebuah gardu tidak dilindungi oleh kawat tanah terhadap sambaran langsung dari
petir atau
2. Tidak cukupnya faktor perlindungan antara TID dari trafo dengan tingkat
perlindungan penangkap petir
atau
3. TID trafo sudah dikurangi satu atau dua tingkat di bawah TID standar
Maka penangkap petir harus dipasang pada terminal trafo.
Terminal pentanahan dari penangkap petir harus dihubungkan ke tangki trafo. Cara ini
digunakan untuk mencegah timbulnya tegangan yang cukup tinggi akibat adanya perbedaan
impedansi pentanahan antar trafo dengan penangkap petir. Karena 1 ohm tahanan pentanahan
akan dibangkitkan tegangan sebesar 1kV, jika arus pelepasan arrester adalah 10 kA.
112
Seperti yang telah disebutkan di awal, jika banyak pencabangan terdapat pada gardu induk,
maka gelombang datang akan terbagi menjadi gelombang-gelombang yang kecil sesuai
dengan impedansi terpanya.
Trafo yang dihubungkan dengan busbar sepeti di atas mungkin akan terlindung dari bahaya
gelombang berjalan. Walaupun demikian, penangkap petir tetap harus dipakai.
Penggunaan penangkap petir di sini dapat berfungsi sebagai pelindung tambahan. Dapat juga
dalam situasi demikian penangkap petir dipindahkan ke busbar sehingga peralatan-peralatan
lain juga dapat dilindungi; seperti pemutus daya, saklar pemisah, trafo-trafo pengukur, dll.
Bila ada peralatan-peralatan yang masih terletak di luar jarak lindung dari penangkap petir
maka dianjurkan TID dari peralatan ini dinaikkan satu atau dua tingkat lebih tinggi dari TID
standarnya.
Contoh 1:
Koordinasi isolasi untuk sistem 220 kV:
U = Un * 1.1 * 0.8
= 220 * 1.1 * 0.8
Dari tabel 3:
Pilih tegangan pengenal = 198 kV
Pilih arus pelepasan = 10 kA
Dari tabel 3 atau 4:
Tegangan sisa maksimum atau tegangan kerja penangkap petir
113
UA = 649 kV
Tingkat perlindungan penangkap petir
UA = (649*1.1) kV = 714 kV
TID trafo = UA + 20% faktor perlindungan
= (714 * 1.2) kV = 857 kV
1) Dari tabel 7 :
Dipilih TID trafo yang ≥ 867 kV; yaitu 950 kV
Diperoleh tegangan ketahanan jala-jala sebesar 895 kV
Dari tabel 12:
Tegangan lebih switching =
Tegangan lebih sementara =
Dicek:
Ternyata tegangan lebih switching (825 kV) < TID peralatan (950 kV)
Ternyata tegangan lebih sementara (381 kV) < tegangan ketahanan jala-jala
(395 kV)
2) TID untuk peralatan; pemutus daya, trafo, pengukur, saklar penutup dan lain-lain
sebesar 950 * 1.1 = 1045 kV.
Dipilih TID peralatan setingkat leih tinggi sebesar 1050 kV
3) TID dari saklar sebesar 1050 * 1.1 – 1155 kV.
Dipilih TID standar dari tabel; sebesar 1175 kV. Hasil-hasil di atas disusun dalam tabel
sebagai berikut:
No. PERALATAN PADA GARDUTEGANGAN PUNCAK
IMPULS (kV)
TEGANGAN
KETAHANAN
FREKUENSI JALA-
JALA (kV)
1. TID Transformator 950 395
2.Peralatan (pemutus daya, trafo
pengukur, busbar, dll.)1050 460
3. Saklar Pemutus 1175 520
114
a) Antara masing-masing
kutub
b) Antara kutub 1050 460
Contoh 2:
Diketahui: ** Transformator, tegangan 132/33 kV.
TID tegangan tinggi 650 kV.
** Penangkap petir, tegangan kerja 400 kV.
Jarak ke trafo 30 m.
** Gelombang terpa, kecuraman tegangan 1000 kV/µs.
Kecepatan rambat 3*10^8 m/µs.
Ditanyakan: a) Berapa tegangan tertinggi yang tiba di trafo
b) Dapatkan penangkap petir melindungi trafo
Jawab:
Terpa mencapai trafo pada
Pada trafo, gelombang dipantulkan dengan kecuraman 2000 kV/µs. Setelah tegangan
mencapai 400 kV, penangkap petir bekerja yaitu pada t = 0.3 µs.
115
a) Sementara itu tegangan trafo setelah 0.3 µs adalah = 2000 * 0.3 kV = 600 kV.
Setelah penangkap petir bekerja, maka gelombang negatif dengan kecuraman -
2000 kV/µs dipantulkan ke trafo, sehingga hanya timbul tegangan maksimum 600
kV < dari TID trafo (650 kV)
b) Dengan menggunakan rumus empiris:
Contoh 3 :
Diketahui :
Transformator: Tegangan 132/33 kV; TID Tegangan Tinggi 550 kV
Hantaran udara: Tegangan tembus isolator udara (FOV) = 860 kV; Impedansi terpa =
400Ω
Gelombang terpa : du/dt = 500kV/µs
Ditanyakan :
116
a) Tentukan tegangan pengenal penangkap petir
b) Dimana letak yang paling baik
Jawab :
a) Teganan pengenal penangkap petir = 132 x 1.1 x 0.8 = 116 kV
Dari tabel 3 dipilih : -Tegangan pengenal = 120 kV
-Untuk arus pelepasan 5 kA; maka tegangan kerja = 400 kV
Tegangan kerja penangkap petir UA = 400 kV
Tingkat perlindungan penangkap petir = UA x 1.1
= 400 x 1.1 = 440 kV
Faktor perlinfungan =TID peralatan – tingkat perlindungan p.p
=550 kV – 440 kV = 110 kV
=110/550 x 100% = 20%
Jadi faktor perlindungan adalah 20% lebih rendah dari TID peralatan, sehingga memenuhi
syarat
Arus pelepasan pp = = 3300 Amp
Sehingga pemilihan kelas arus pp 5 kA adalah tepat.
b) Ut = UA + 2 du/dt . L/300
Ut = 550 kV/1.2 = 458 kV
458 = 400 + 2.500 x L/300
L = (458-400) x 300/1000 m = 17.4 m
Jadi penangkap petir diletakkan pada lokasi terjauh 17.4 m dari trafo daya
117
SUPLEMEN
TEGANGAN LEBIH DAN KOORDINASI ISOLASI
DAFTAR ISTILAH1. Tegangan pengenal dari
belitan transformator
Kutub len
= Rated voltage winding
= Line terminal
2. Tegangan ketahanan denyut
petir pengenal
Tingkat Isolasi Dasar
= Rated lightning imulse withstand voltage
= Basic Impulse Insulation Level
3. Penangkap petir jenis
tahanan tak linier
Penangkap petir jenis katup
= Non-linier resistor-type arrester
= Valve-type arrester
4. Tegangan pengenal dari
penangkap petir
= Rated voltage of an arrester
5. Tingkat pengaman dari
penangkap petir
= Protective level an arrester
6. Arus pelepasan dari
penangkap petir
= Discharge current of an arreseter
7. Arus pelepasan dari
penangkap petir
= Protective level of an arrester
8. Tegangan pelepasan dari
penangkap petir
= Residual voltage or discharge voltage of an arrester
9. Tegangan percikan denyut
muka gelombang dari
penangkap petir
= Front of wave impulse sparkover voltage of an arrester
10. Denyut tegangan petir
standar
= Standard lightning voltage impulse
118
11. Tegangan percikan denyut
petir standar dari pengangkap
petir
= Standard lightning voltage impulse
12. Gardu induk tak terlidungi
efektif
= Effectively shielded installations
119
TABEL 1
PENETAPAN TINGKAT ISOLASI TRANSFORMATOR
DAN PENANGKAP PETIR
SpesifikasiTegangan nominal sistem
150 kV 66 kV 20 kV
Tegangan tertinggi
untuk peralatan170 kV 72.5 kV 24 kV
Pentanahan Netral Efektif Tahanan Tahanan
Transformator
Tegangan pengenal150 kV 66 kV 20 kV
TID 650 kV 325 kV 125 kV
Penangkap petir
Tegangan pengenal
Arus pelepasan
nominal10 kA
10 kA
5 kA5 kA
Tegangan pelepasan 460 kV 500 kV 270 kV 76 kV
Tegangan percikan
denyut muka
gelombang
530 kV 577 kV 310 kV 88 kV 100 kV
Tegangan percikan
denyut standar460 kV 500 kV 270 kV 76 kV 87 kV
Kelas10 kA tugas berat
10 kA tugas ringan
10 kA tugas ringan
5 kA seri A5 kA Seri A
120
TABEL 2
CHARACTERISTIC LIGHTNING ARRESTER
Arrester
Voltage
Rating
Minimum
Dry or Wet
Power
Frequency
Sparkover
Voltage
Virtual
Steepness of
Front of
Wave
Sparkover
10,000 Ampere and 5,000
Ampere Arresters2,500 Ampere Arresters
Minimum Residual Voltage
for
Rate of Rise
in kV per
micro second
Max 100%
1.2/50
Sparkover
Voltage
Max front of
Wave
Sparkover
Voltage
Max 100%
1.2/50
Sparkover
Voltage
Max front of
Wave
Sparkover
Voltage
10,000 and
5,000
Ampere
Arresters
2,500
Ampere
Arresters
kV (rms) kV (rms) kV (peak) kV (peak) kV (peak) kV (peak) kV (peak) kV (peak)
3 30 1.3 15 13 15 13
4.5 37 17.5 20 17.5 20 17.5
6 52 22.5 26 22.5 26 22.5
7.5 62 28 31 28 31 28
9 76 32.5 (58) 38 (62) 32.5 38 32.5 (47)
12 100 43 (70) 50 (78) 43 50 43 (70)
121
1.5 times the
rated voltage
of the
arresters
15 120 54 (80) 62 (88) 54 62 54 (69)
18 150 65 (85) 75 (94) 65 75 65 (74)
21 176 76 88 76 88 76
24 200 87 100 87 100 87
27 224 97 112 97 112 97
30 250 108 125 108 125 108
33 274 119 137 119 137 119
36 300 130 150 130 150 130
60 500 216 250 - - 216
75 620 270 310 - - 270
96 740 324 371 - - 324
102 790 343 394 - - 343
108 840 363 418 - - 363
120 930 400 463 - - 400
138 1030 454 522 - - 454
186 1170 610 702 - - 610
198 1200 649 746 - - 649
318 1200 1040 1200 - - 1040
336 1200 1100 1260 - - 2100
122
123
TABEL 3
MAXIMUM IMPULSE SPARKOVER TEST VOLTAGES
Arrester
Ratings
Front
Steepness
F.o.W
10 kA Light and
heavy duty and 5
kA, Series A ††
5 kA, Series B †† 2.5 kA 1.5 kA
kV rms kV/µs
Std. **
kV,
peak
F.O.W.*
kV,
peak
Std. **
kV,
peak
F.O.W.*
kV,
peak
Std. **
kV,
peak
F.O.W.*
kV,
peak
F.O.W.*
kV,
peak
0.175 10 - - - - 2.2 3.5 3.5
0.280 10 - - - - 2.5 3.0 3.0
0.500 10 - - - - 3.0 4.5 4.5
0.660 10 - - - - 5.0 6.0 6.0
3 25 13 15 21 26 13 15
4.5 37 17.5 20 - 36 17.5 20
6 50 22.6 26 40 44 22.6 26
7.5 62 27 31 - 52 27 31
9 75 32.5 38 58 59 32.5 38
10.5 87 38 44 - - 38 44
12 100 43 50 70 73 43 50
15 125 54 62 80 83 54 62
18 150 65 75 85 91 65 75
21 175 76 88 ††† 106 76 88
24 200 87 100 ††† 121 87 100
27 225 97 112 ††† 133 97 112
30 250 108 125 ††† 143 108 125
33 275 119 137 ††† ††† 119 137
36 300 130 150 ††† ††† 130 150
39 325 141 162 ††† †††
42 350 151 174
51 425 184 212
54 450 195 224
124
60 500 216 250
75 625 270 310
84 700 302 347
96 790 324 371
102 830 343 394
108 870 363 418
120 940 400 463
126 980 420 485
138 1030 460 530
150 1080 500 577
174 1160 570 660
186 1180 610 702
198 1200 649 746
To
225†1200
3.28
UR ***
3.78
UR ***
To
396†1200
3.26
UR ***
3.76
UR ***
Above
396†1200 ††† †††
† For guideance, since standard ratings above 198 kV have not been established
††5 kA. Series A, arresters are based on practice in all countries; 5 kA. Series B, arresters
are based on practiced in Canada, US, and other countries
††† No values have yet been agreed upon
* F.O.W. = Front of wave voltage impulse sparkover test
** Std. = Standard lightning-voltage impulse sparkover test
*** UR = Rated voltage of arrester
125
Arrester Rating
Front steepn
ess F.O.W
10 kA Light and heavy-duty and 5 kA,
Series AϞϞ5 kA, Series BϞϞ 2.5 kA 1.5 kA
kV rms kV/µs Std.** kV, peak
F.O.W* kV,peak
Std** kV, peak
F.O.W* kV, peak
Std** kV, peak
F.O.W* kV, peak
F.O.W* kV,peak
1 2 3 4 5 6 7 8 9
108120126138
870940980
1030
363400420460
418463485530
150174186198
1080116011801200
500570610649
577660702746
To 225ϞTo 396Ϟ
Above 396Ϟ
120012001200
3.28 UR**3.26 UR**
ϞϞϞ
3.78 UR**3.76 UR**
ϞϞϞ
126
Ϟ For guidance, since standard rating above 198kV have not been established
ϞϞ 5kA, Series A, arrester are based on practice in all countries; 5kA, Series B, arrester are based on practice in Canada, U.S.A., and other countries
ϞϞϞ No value have yet been agreed upon
* F.O.W. =Front of Wave volatge impulse sparkover test as described in Sub-clause 61.3.1.
** Std. =Standard lightning-volatge impulse sparkover test as described in Sub-clause 61.2.
*** UR =Rated Volatge of arrester
TABEL 4
MAXIMUM RESIDUAL VOLTAGE
Arrester RatingkV, rms
10kA light and heavy-duty and 5kA, Series
A** kV, peak
5kA, Series B**
kV,peak2.5 kA kV,peak 1.5 kA kV,peak
(1) (2) (3) (4) (5)0.1750.2800.5000.660
----
----
2.22.53.05.0
2.22.53.05.0
34.56
7.5
1317.522.627
18243139
1317.522.527
910.51215
32.5384354
46-
5464
32.5384354
18212427
65768797
73839199
65768797
30333639
108119130141
107*********
108119130
42515460
151184195216
758496102
270302324343
108120126138
363400420460
150174186198
500570610649
To 225*To 396*
Above 396*
3.28 UR****3.26 UR****
**** For guidance, since standard ratings above 198kV have not been established** 5 kA, series A, arresters are based on practice in all countries; 5kA, series B, arresters are based
on practice in Canada, U.S.A., and other countries
127
*** No values have yet been agreed upon**** UR = rated voltage of arresters.
TABEL 5
STANDARD INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV
SERIES I (BASED ON CURRENT PRACTICE IN MOST EUROPEAN AND SEVERAL OTHER COUNTRIES)
Highest voltage for equipment Um (rms)
kV
Rated Lightning impulse withstand voltage (peak)
Rated power-frequency short
duration withstand voltage (rms)List 1 List 2
kV kV kV3.67.212
17.52436
2040607595145
40607595125170
102028385070
128
TABEL 6
STANDAR INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV
SERIES II (BASED ON CURRENT PRACTICE IN THE UNITED STATES OF AMERICA, CANADA AND SOME OTHER COUNTRIES)
Highest voltage for equipment Um (rms)
kV
Rated Lightning impulse withstand voltage (peak)
Rated power-frequency short
duration withstand voltage (rms)
500 kVA and below Above 500 kVA
kV kV kV4.4013.213.9714.5226.436.5
60
95
75
110
19
34
5070
150200
129
TABEL 7
STANDARD INSULATION LEVELS FOR 52kV≤Um<300kV1 2 3 4
Highest voltage for equipment Um (rms)
Base for p.u values
Um= (peak)
Rated Lightning Impulse withstand
voltage (rms)
Rated power-frequency short
duration withstand voltage (rms)
kV kV kV kV52
72.5123145170245
42.559100118139200
2503254505506507508509501050
95140185230275325360395460
130
TABEL 8
STANDARD INSULATION LEVELS FOR ≥300kV
Highest voltage for equipment Um (rms)
Base for p.u values
Um=
(peak)
Rated Lightning Impulse withstand voltage (rms)
Ratio between
rated lightning and
switching impulse
withstand volatges
Rated lightning impulse
withstand voltage(peak)
1 2 3 4 5 6kV kV p.u kV kV
300
362
420
525
765
245
296
343
429
625
3.06
3.47
2.86
3.21
2.76
3.06
2.45
274
2.08
2.28
2.48
750
850
950
1050
1175/
//1300/
//1425/
//1550
/1.13
/1.27/
1.12
/1.24/
1.11
/1.24/
1.12
/1.24/
1.11
/1.36//1.211.10/1.32//1.191.09/1.38//1.261.16/1.26
850
950
1050
1175
1300
1425
1550
1800
1950
131
/1.47/1.55
21002400
TABEL 9
IMPULSE POWER FREQUENCY WITHSTAND LEVELS FOR VARIOUS SYSTEMS VOLTAGES
APPLICATION AT 200C, A013 MILLIBARS(760 mmHg) PRESSURE AND 11 gr/m3
HUMIDITY (A) 7.25 kV AND BELOW
Normal System Voltage line to line kV(rms)
Highest system volatge line to line kV(rms)
Impulse withstand
voltage with standard full
wave+ve or ve kV(crest)
One minute power freq. Test voltage kV(rms)
List 1 List 26.611223666
7.2122436
72.5
6075125170325
22285070140
27355575140
(B) ABOVE 72.5 kVNormal System
Voltage line to line
kV(rms)
Highest system
volatge line to line kV(rms)
Impulse withstand kV(crest)
One minute power freq. Test voltage kV(rms)
Full Insulation
Reduced Insulation
Full Insulation
Reduced Insulation
110132150220380
380
123145170245
300
420
5506507501050
-
-
450550650900Or8251175Or
10501550Or
1425
230275325460
-
185230275395Or360510Or460680Or630
132
TABEL 10
F.O.V OF STANDARD DISCS (256X146)
No. Of Discs Dry FOV rms Wet FOV rms Impulse FOV (standard full wares)
kV crest123456789101112131415161819202530
801552152703253804354855405906406907357858308759651010105512801505
50901301702152552953353704154554905255656006306907207509001050
15025535544052561069578086094510251105118512651345142515851665174521452145
133
TABEL 11
RECOMENDED INSULATION LEVEL FOR LINES
Normal System Voltage
(kV)
Vpn (kV)
Switching overvoltage
kV crest
No. Of
Discs Reqd
Power Freq. Overvoltage
No. Of
Discs Reqd
No. Of Discs
Recomended Employed at present
132150220400500
7687127231289
76x6.5=49587x6.5=566127x6.5=825231x5=1155289x5=1445
5691317
76x3=22887x3=261127x3=381
231x3.3=762289x3.3=954
67102025
78112230
9/1010/1115/16
2434
134
TABEL 12
OVERVOLTAGE FACTORS
Normal System Voltage (kV) Switching Surge Flash Overvoltage
Power Frequency Flash-Over(Wet)
For 220 kVFor 400 kVFor 500 kV
6.5 Vpn5.0 Vpn5.0 Vpn
3.0 Vpn3.3 Vpn3.3 Vpn
135