ANALISIS KONFIGURASI JARINGAN TEGANGAN MENEGAH
PT. CHEVRON PACIFIC INDONESIA TERHADAP SAMBARAN PETIR
DAN PERBAIKANNYA
TUGAS AKHIR
Diajukan sebagai syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung
Oleh:
MUHAMAD AHLUL FIRDAUS
NIM : 18009020
PROGRAM STUDI TEKNIK TENAGA LISTRIK
SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2015
ANALISIS KONFIGURASI JARINGAN TEGANGAN MENENGAH
PT. CHEVRON PACIFIC INDONESIA TERHADAP SAMBARAN PETIR
DAN PERBAIKANNYA
oleh :
MUHAMAD AHLUL FIRDAUS
NIM: 18009020
TUGAS AKHIR
Telah diterima dan disahkan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar
SARJANA TEKNIK
Bandung, Februari 2015
Pembimbing 1 Pembimbing 2
_____________________ _____________________
Dr. Ir. Djoko Darwanto Dr-Ing. Deny Hamdani
NIP 130672121 NIP 999023206
i
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala kebaikan dan
karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir yang berjudul
Analisa Konfigurasi Jaringan Tegangan Menegah PT. Chevron Pacific
Indonesia Terhadap Sambaran Petir dan Perbaikannya. Selama menjalani
pendidikan sarjana di ITB, penulis mendapatkan banyak sekali bantuan dari
berbagai pihak. Pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima
kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Dr. Ir. Djoko Darwanto dan Dr.-Ing. Deny Hamdani selaku
pembimbing tugas akhir atas semua ilmu, bimbingan dan bantuan
yang diberikan selama pengerjaan tugas akhir. Di mana selama
pengerjaan tugas akhir penulis menghadapi banyak rintangan dan
halangan, namun atas bantuan dan bimbingannya, alhamdulillah
segala rintangan tersebut dapat teratasi dengan baik.
2. Dr. Tri Desmana Rachmilda, ST.MT selaku dosen wali akademik
penulis selama kuliah di Teknik Tenaga Listrik ITB atas semua
arahan yang diberikan.
3. PT. Chevron Pacific Indonesia atas bantuan dan data yang sudah
diberikan untuk pengerjaan tugas akhir ini.
Penulis juga menyadari masih banyak kekurangan di laporan Tugas Akhir ini,
karena itu penulis kritik dan saran dari pembaca sekalian. Akhir kata, semoga
laporan tugas akhir ini bisa bermanfaat bagi semua pihak, terutama para pelaku
di bidang teknik tenaga listrik. Sekian dan terima kasih.
Bandung, Februari 2015
Penulis
ii
ABSTRAK
Dalam Tugas Akhir ini akan ditampilkan konfigurasi eksisting
jaringan tegangan menengah 13.8kV milik PT. Chevron Pacific Indonesia
(untuk selanjutnya ditulis PT. CPI) dan kaitannya dengan proteksi terhadap
sambaran petir. Berdasarkan data Ground Flash Density (GFD), PT. CPI
terletak di daerah dengan rata-rata sambaran petir tahunan yang tinggi.
Menurut data perusahaan, sambaran petir telah berakibat hingga 80%
outage pada jaringan distribusi 13,8 kV. Maka dari itu akan dilakukan
pengamatan dan evaluasi terhadap parameter-parameter sambaran petir
yaitu arus puncak, tegangan sambaran, tegangan induksi, yang dapat
menyebabkan Flashover maupun back-Flashover pada jaringan 13,8 kV
PT. CPI. Pengamatan dilakukan dengan cara perhitungan arus petir
maksimal yang dapat menyambar kawat fasa menggunakan metoda bola
gelinding/ rolling sphere, dan simulasi menggunakan perangkat lunak
ATP-EMTP dengan metoda Bergeron.
Selain itu, dilakukan pula perbaikan desain terhadap konfigurasi
jaringan distribusi 13.8kV milik PT. CPI. Dengan modifikasi pada jaringan
yaitu dengan menggunakan iGEW (isolated Ground Earth Wire), akan
diamati perbandingan parameter-parameter sambaran petir sebelum dan
sesudah dilakukan modifikasi. Pengamatan dan analisa dilakukan dengan
perhitungan dan simulasi menggunakan perangkat lunak ATP-EMTP.
Dengan dilakukan modifikasi ini akan mengurangidampak outage akibat
sambaran petir dan akan meningkatkan reliabilitas dari keseluruhan sistem
PT.CPI.
Kata Kunci: proteksi sambaran petir, arus puncak, tegangan sambaran, tegangan
induksi, jaringan distribusi PT.Chevron Pacific Indonesia, EMTP, iGEW
iii
ABSTRACT
On this final assignment, will be performed the existing
configuration of 13.8kV distribution lines of PT. Chevron Pasific
Indonesia and its corresponds to the lightning flash protection. For the
information, PT. Chevron Pacific Indonesia is located in the area that has a
very high isoucreunic level (Ground Flash Density). Based on the company
data, the lightning flashs are affected to the most of power outage on the
lines. So it is necessary to make some observations to the lightning
parameters, such as peak current, flash voltage, and induced voltage that
can cause the Flashover or backflashover through the lines. The
observations are done by calculation to its parameters, and simulation
using ATP-EMTP.
Besides the study on the existing configuration, the improvisat ion to
the lines will be done by the modification through the lines configuration
with iGEW (isolated Ground Earth Wire). It will makes some
improvement to the protection system. By doing this methode it will be
reduce the outage and improve the realibility of the whole system of PT.
CPI.
Keywords: lightning flash protection, peak current, lightning voltage, induce voltage,
distribution lines of PT.Chevron Pacific Indonesia, ATP-EMTP, iGEW
iv
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .............................................................................................. i
ABSTRAK ............................................................................................................... ii
ABSTRACT ........................................................................................................... iii
DAFTAR ISI ........................................................................................................... iv
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. vii
DAFTAR
TABEL...................vii
BAB I
PENDAHULUAN ................................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang................................................................................................1
1.2 Tujuan Penelitian....3
1.3 Pembatasan Masalah...4
1.4 Metode Penelitian.......4
1.5 Sistematika Penulisan.........4
BAB II
DASAR TEORI....................6
2.1 Tegangan Lebih Akibat Sambaran Petir.....................................6
2.1.1 Sambaran Langsung Pada Kawat Fasa....................7
2.1.2 Sambaran Pada Kawat Tanah..............9
2.1.3 Sambaran Pada Puncak Menara....................13
2.2 Impedansi Surja..........................................................................................14
v
2.3 Arus Kritikal Sambaran Petir Pada Kawat Fasa..........16
2.4 Perubahan Besar Resistivitas Tanah Terhadap Jarak Pentanahan...............17
BAB III
PENGOLAHAN DATA PARAMETER SAMBARAN PETIR................19
3.1. Perhitungan Parameter Sambaran Petir pada Kawat Fasa...................19
3.1.1 Double Pole SAA......................19
3.1.2 Single Pole Tipe A....................22
3.2. Simulasi Sambaran Langsung Pada Kawat Fasa.............26
3.2.1 Double Pole A (StudiKasus).....27
3.2.1.1 Konfigurasi dan Dimensi Pole...........29
3.2.1.2 Parameter Elektrik Pole..............30
3.2.1.3 Resistansi Tanah.....32
3.2.1.4 Arus Petir............32
3.2.1.5 Hasil Simulasi.........33
3.2.2 Single Pole Tipe A................34
3.2.2.1 Konfigurasi dan Dimensi Pole.......35
3.2.2.2 Parameter Elektrik Pole..............36
3.2.2.3 Resistansi Tanah.....38
3.2.2.4 Arus Petir................38
3.2.2.5 Hasil Simulasi.........................39
3.3 Simulasi Sambaran Pada Kawat Tanah................40
3.3.1 Arus Petir...............41
vi
3.3.2 Double Pole (Studi Kasus)41
3.3.2.1 Rangkaian Simulasi................41
3.3.2.2 Hasil Simulasi.............41
3.3.3 Single Pole A (Studi Kasus)......................44
3.3.3.1 Rangkaian Simulasi............44
3.3.3.2 Hasil Simulasi.................44
3.4 Perbaikan/Modifikasi pada Jaringan Eksisting................................................47
3.4.1 Simulasi Perbaikan/Modifikasi Jaringan 13,8 kV.............................48
BAB IV
HASIL SIMULASI DAN ANALISIS...................................................................51
4.1 Rekapitulasi Hasil Perhitungan........................................................................51
4.1.1 Konfigurasi Sudut Lindung dan Arus Kritikal..................................51
4.1.2 Sambaran Langsung pada Kawat Fasa..............................................52
4.1.3 Tegangan Kawat Fasa Akbiat Sambaran pada Kawat Tanah............53
4.1.4 Tegangan Akibat Sambaran pada Kawat Tanah (Rangkaian
Modifikasi).................................................................................................54
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN.............................................................................57
5.1 Kesimpulan......................................................................................................57
5.2 Saran.................................................................................................................59
DAFTAR PUSTAKA.............60
vii
DAFTAR GAMBAR
BAB I
Gambar 1.1. Penyebab outage pada PT. CPI...................1
Gambar 1.2. Data outage PT. CPI menurut level tegangan jaringa.........................3
BAB II
Gambar 2.1. Kurva Arus Petir vs Waktu..................................................................6
Gambar 2.2. Tipe-Tipe Sambaran Pet......................................................................7
Gambar 2.3. Konfigurasi Kawat Fasa..........8
Gambar 2.4. Konfigurasi Konduktor ASCR............................................................9
Gambar 2.5. Kawat Tanah .............................10
Gambar 2.6. Skema Sudut Lindung.......................................................................10
Gambar 2.7. Hubungan konsep sudut lindung dan besar arus sambaran...........11
Gambar 2.8. Lebar area perlindungan kawat tanah............................11
Gambar 2.9. Skematik Sambaran pada kawat tanah..............12
Gambar 2.10 Skematik Sambaran pada Puncak Menara.......................................14
Gambar 2.11 Definisi Mutual Impedansi Dua Konduktor.....................................15
BAB III
Gambar 3.1 Konfigurasi Tiang Double Pole SAA.................................................20
Gambar 3.2 Tiang Double Pole SAA 13,8 kV...................................................20
Gambar 3.3 Konfigurasi dan Dimensi crossarm Double Pole SAA......................21
Gambar 3.4 Konfigurasi Single Pole Tipe A........................................................23
viii
Gambar 3.5 Tiang Single Pole Tipe A 13,8 kV.................................................24
Gambar 3.6 Konfigurasi dan Dimensi Crossarm Single Pole Tipe A..................25
Gambar 3.7.Data Line dan Pemodelan yang Digunakan...27
Gambar 3.8 Sumber Tegangan AC Simulasi.....27
Gambar 3.9 Rangkaian simulasi kondisi eksisting double Pole....28
Gambar 3.10 Koordinat Kawat Fasa dan Kawat Tanah Double Pole....29
Gambar 3.11. Konfigurasi Kawat fasa dan Kawat Tanah Double Pole.....30
Gambar 3.12. Parameter Input Pole Untuk Double Pole SAA......30
Gambar 3.13. Keterangan Input Parameter Pole....31
Gambar 3.14. Input Resistansi Tanah............32
Gambar 3.15. Input Arus Petir...33
Gambar 3.16. Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Double Pole) Pole
no.3.........................................................................................................................33
Gambar 3.17. Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Double Pole) Pole no.1
s/d 4................................34
Gambar 3.18. Rangkaian Simulasi Kondisi Eksisting Single Pole........35
Gambar 3.19. Koordinat Kawat Fasa dan Kawat Tanah Single Pole....36
Gambar 3.20. Konfigurasi Kawat Fasa dan Kawat Tanah Single Pole.........36
Gambar 3.21. Parameter Input Pole Untuk Tipe Single Pole A....37
Gambar 3.22. Keterangan Input Parameter Pole....37
Gambar 3.23. Resistansi Tanah..................38
Gambar 3.24. Input Arus Petir Single .Pole...39
Gambar 3.25. Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Single Pole) Pole no.....39
Gambar 3.26. Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Single Pole) Pole 1 s/d
4..........40
Gambar 3.27. Input Arus Petir.......................................41
Gambar 3.28. Rangkaian Simulasi Sambaran Kawat Tanah (Double Pole)......41
Gambar 3.29. Tegangan Kawat Fasa Akibat Sambaran Petir 15 kA pada Kawat
Tanah (Double Pole) Pole no.342
ix
Gambar 3.30. Tegangan Kawat Fasa Akibat Sambaran Petir 15 kA pada Kawat
Tanah (Double Pole) Pole 1 s/d 4.......42
Gambar 3.31. Tegangan Kawat Fasa (Tegangan Induksi) Akibat Sambaran pada
Kawat Tanah (Double Pole) Pole 3............................................................43
Gambar 3.32. Tegangan Kawat Fasa (Tegangan Induksi) Akibat Sambaran pada
Kawat Tanah (Double Pole) Pole 1 s/d 4 no.3....44
Gambar 3.33 Rangkaian Simulasi Sambaran Kawat Tanah (Single Pole).............44
Gambar 3.34 Tegangan Kawat Tanah Akibat Sambaran Petir (Single Pole) Pole
3..............................................................................................................................45
Gambar 3.35 Tegangan Kawat Tanah Akibat Sambaran Petir (Single Pole) Pole
1 s/d 4.....................................................................................................................45
Gambar 3.36 Tegangan Kawat Fasa (Tegangan induksi) Akibat Sambaran pada
Kawat Tanah (Single Pole) Pole 3......................................................................46
3.37 Tegangan Kawat Fasa (Tegangan induksi) Akibat Sambaran pada Kawat
Tanah (Single Pole) Pole 1 s/d 4.........................................................................46
3.38 Rangkaian Modifikasi Jaringan......................................................................48
3.39 Tegangan Kawat Fasa pada Rangkaian Modifikasi Untuk Jarak Pentanahan
1,5 dan 10 meter.....................................................................................................49
3.40 Tegangan Kawat Tanag pada Rangkaian Modifikasi Untuk Jarak Pentanahan
1,5 dan 10 meter.....................................................................................................50
x
DAFTAR TABEL
BAB I
Tabel 1.1 GFD di seluruh area operasi PT. CPI.......................................................2
Tabel 1.2 GFD di atas seluruh jaringan 13,8KV PT. CPI dari tahun ke tahun........2
BAB III
Tabel 3.1 Dimensi Double Pole SAA........20
Tabel 3.2 Dimensi Single Pole Tipe A...............................23
BAB IV
Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Sudut Lindung dan Arus Kritikal Sambaran Petir....51
Tabel 4.2 Hasil Perhitungan dan Simulasi Sambaran Langsung pada Kawat
Fasa........................................................................................................................ 52
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan dan Simulasi pada Kawat Tanah..............................53
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Pada Jaringan Perbaikan/Modifikasi.............................55
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Untuk memenuhi kebutuhan listriknya, PT. Chevron Pacific Indonesia
(yang selanjutnya disebut PT. CPI) memiliki sistem kelistrikan AC dengan
frekuensi 60Hz yang sepenuhnya mereka kelola s1endiri dari hulu (sistem
penbangkitan), sistem transmisi, hingga hilir (sistem distribusi). Pada setiap
sistem jaringan diperlukan sistem proteksi terhadap tegangan lebih yang
mungkin terjadi. Salah satunya adalah proteksi terhadap sambaran petir.
Sambaran petir pada jaringan dapat menyebabkan terjadinya tegangan
lebih yang dapat menyebabkan terjadinya kegagalan / outage pada sistem.
Pada jaringan listrik PT. CPI terjadinya outage sangat berpengaruh besar
terhadap kelangsungan operasional perusahaan secara keseluruhan. Terutama
pada sumur-sumur produksi minyak yang PT. CPI kelola, dikarenakan
jaringan listrik tersebut langsung terhubung ke beban berupa motor-motor
pompa minyak di sumur-sumur produksi. Oleh karena itu, setiap kali terjadi
gangguan/outage pada jaringan, target lifting minyak harian PT. CPI akan
terganggu. Berdasar data PT. CPI, pada tahun 2010 sambaran petir menjadi
penyebab tertinggi terjadinya outage pada sistem.
Gambar 1.1 Penyebab Outage PT. CPI
Data outage tersebut berkorelasi dengan data dari BMKG, di mana
jaringan PT. CPI terletak pada daerah dengan kepadatan sambaran petir
24,86%
22,59%
11,78%
8,27%
6,70%
6,22%2,76%
2,65%2,97%11,19% Unidentified
Lightning
N/A
Unidentified (Fuse)
2
tahunan (Groud Flash Density) yang cukup tinggi. Jaringan distribusi
13.8KV PT. CPI merupakan jaringan terpanjang diantara jaringan level
tegangan lain, memiliki potensi terkena sambaran petir yang terbesar
dibandingkan dengan jaringan pada level tegangan lainnya. Berikut adalah
GFD di area CPI tahun 2010-2012 :
Year 2010 2011 2012 2010-2012
Lightning Strike (flash) 15070 14169 8910 38149
Area (km2) 22267,8
GFD (Flash/km2/year) 0,68 0,64 0,40 0,57
Tabel 1.1. GFD di seluruh area operasi PT. CPI
Dari keseluruhan jaringan PT. CPI, jaringan tegangan menengah 13,8
kV menempati urutan tertinggi dalam GFD. Berikut tabel GFD pada area
jaringan tegangan menengah 13,8 kV:
Year 2010 2011 2012 2010-2012
Lightning Strike (flash) 910 897 969 2776
GFD (Flash/km2/year) 0,73 0,72 0,78 0,74
Tabel 1.2. GFD diatas seluruh jaringan 13,8 kV PT. CPI dari tahun ke
tahun
Sedangkan menurut data outage PT. CPI berdasarkan level jaringan,
jaringan tengangan menengah 13,8 kV menempati peringkat pertama dalam
hal frekuensi terjadinya outage (97,58%). Berikut data outage PT. CPI
menurut level tegangan jaringan.
3
Gambar 1.2. Data Outage PT. CPI menurut level tegangan jaringan.
Berdasarkan data-data tersebut dapat ditarik hipotesa bahwa kejadian
outage tertinggi PT. CPI adalah disebabkan oleh petir yang terjadi pada
jaringan tegangan menengah 13,8 kV. Maka dari itu diperlukan pengamatan
dan analisa secara menyeluruh terkait sambaran petir pada jaringan 13,8 kV
untuk mengurangi terjadinya outage. Pengamatan dan analisa dilakukan pada
parameter-parameter sambaran petir pada jaringan, yaitu arus puncak,
tegangan puncak, tegangan induksi, BIL sistem, dan konfigurasi isolasi
jaringan 13,8 kV untuk kondisi saat ini (eksisting). Selain itu setelah
mengetahui dan menganalisis konfigurasi jaringan tegangan menengah
eksisting terhadap sambaran petir, maka dilakukan perbaikan terhadap
kondisi eksisting jaringan tersebut. Perbaikan konfigurasi jaringan tegangan
menengah 13,8 kV dilakukan untuk mengurangi terjadinya penyebab outage
pada jaringan. Dengan dilakukannya perbaikan pada jaringan tersebut
diharapkan dapat meningkatkan reliabilitas dari keseluruhan sistem PT. CPI.
1.2 Tujuan Penelitian
Penelitian yang dilakukan dalam Tugas Akhir ini memiliki tujuan sebagai berikut:
a. Menganalisis parameter-parameter sambaran petir pada jaringan tegangan
menengah 13,8 kV PT. CPI.
b. Melakukan perbaikan / modifikasi pada jaringan tegangan menengah
13.8KV PT. CPI terhadap sambaran petir.
97,58%
0,48%
0,48% 1,21% 0,24%
13.8KV
115KV
4.16KV
44KV
SUBSTATION
4
c. Sebagai saran kepada PT. CPI untuk menerapkan perbaikan / modifikasi
jaringan tegangan menengah 13,8 kV dalam rangka mengurangi outage
akibat sambaran petir pada sistem, sehingga dapat meningkatkan
reliabilitas sistem secara keseluruhan.
1.3 Pembatasan Masalah
Adapun batasan-batasan dalam penelitian ini antara lain,
a. Pengamatan pada jaringan 13.8KV yang menurut data PT. CPI terjadi
outage.
b. Pengamatan tersebut untuk melihat terjadinya outage akibat tegangan lebih
oleh sambaran petir.
c. Simulasi sambaran petir pada jaringan tegangan menengah 13,8 kV PT.
CPI dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak ATP-EMTP.
1.4 Metode penelitian
Tahapan pelaksanaan tugas akhir ini adalah:
1. Studi literatur mengenai sambaran petir pada jaringan.
2. Pengumpulan data dari PT. CPI.
3. Melakukan perhitungan parameter-parameter sambaran petir pada jaringan
tegangan menengah 13,8 kV PT. CPI
4. Melakukan simulasi sambaran petir pada jaringan tegangan menengah 13,8
kV PT. CPI dengan menggunakan perangkat lunak ATP-EMTP.
5. Perancangan serta simulasi dari perbaikan konfigurasi jaringan tegangan
menengah 13,8 kV yang diusulkan.
6. Membandingkan dan melakukan analisis terhadap hasil simulasi antara
kondisi eksisting dengan kondisi setelah dilakukan modifikasi.
7. Penyusunan laporan Tugas Akhir.
8. Sidang Tugas Akhir
1.5 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini dibagi menjadi beberapa bab, yaitu :
5
Bab I Pendahuluan, meliputi latar belakang, tujuan penelitian, batasan
masalah, metode penelitian, dan sistematika penulisan.
Bab II Dasar Teori, berisi teori-teori yang berkaitan dengan tugas akhir
ini, meliputi teori tegangan lebih akibat sambaran petir, impedansi surja,
arus maksimum sambaran petir pada kawat fasa, perubahan besar
resistivitas tanah terhadap jarak pentanahan.
Bab III Pengolahan Data Parameter Sambaran Petir meliputi
perhitungan parameter sambaran petir pada kawat fasa, simulasi sambaran
langsung pada kawat fasa, simulasi sambaran pada kawat tanah,
perbaikan/modifikasi pada jaringan eksisting
Bab IV Hasil Simulasi dan Analisis, meliputi rekapitulasi perhitungan
konfigurasi sudut lindung dan arus kritikal, sambaran langsung pada kawat
fasa, sambaran pada kawat tanah, sambaran pada kawat tanah untuk
rangkaian modifikasi
Bab V Kesimpulan dan Saran, merupakan kesimpulan dan saran yang
dibuat penulis berdasarkan hasil analisis.
6
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Tegangan Lebih Akibat Sambaran Petir
Studi yang dilakukan oleh komite IEEE-EEI menyimpulkan bahwa
sambaran petir merupakan penyebab terbesar kejadian outage [1]. Kesimpulan
tersebut didapat setelah dilakukan pengumpulan data dan analisis selama 14 tahun
pada 42 perusahaan operator di Amerika Serikat dan Kanada. Outage yang terjadi
karena sambaran petir diakibatkan oleh overvoltage (tegangan lebih pada sistem).
Secara umum overvoltage adalah tegangan transien yang lebih besar dari tegangan
maksimum operasi yang diperbolehkan dari sistem. Pada tegangan transien ini
terdapat perbedaan dari besarnya, durasi dan frekuensinya. Karakteristik dari
tegangan lebih transien bisa dilihat dari diagram berikut :
Gambar 2.1. Kurva Arus Petir vs Waktu
Sambaran petir terjadi akibat perbedaan polaritas muatan antara awan dan
bumi. Menurut Berger tipe dari sambaran petir dapat dibagi menjadi 4, yaitu
sambaran petir negatif dari bumi ke awan (bawah ke atas) dan sebaliknya, dan
sambaran petir positif dari bumi ke awan (bawah ke atas) dan sebaliknya. Berikut
adalah ilustrasi tipe sambaran menurut Berger :
7
Gambar 2.2 Tipe-Tipe Sambaran Petir (Sumber : Insulation Coordination
of Power Systems by Andrew R. Hileman)
Sekitar 85-95% sambaran petir pada struktur yang memiliki ketinggian
kurang dari 100 meter berjenis sambaran petir negatif dari awan ke bumi /
negative downward. Oleh karena itu pada perhitungan dan simulasi untuk
sambaran petir pada jaringan tegangan menengah 13,8 kV dengan ketinggian
kurang dari 100 meter, diasumsikan jenis petir yang digunakan adalah petir
negatif.
Tegangan lebih akibat sambaran petir pada jaringan listrik dapat dibagi
menjadi 3, yaitu : sambaran langsung pada kawat fasa, sambaran pada puncak
tower, dan sambaran pada kawat tanah.
2.1.1. Sambaran Langung pada Kawat Fasa
Jika kawat fasa tersambar oleh petir, maka tegangan pada titik sambaran
adalah :
8
= 2
Persamaan 2.1. Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa
Dengan Zo : Impedansi kawat fasa
Im : Arus maksimum petir pada kawat fasa
Sambaran langsung ke kawat fasa dapat menyebabkan timbulnya tegangan
lebih pada fasa lainnya sebagai akibat adanya kopling magnetis dari sistem. Oleh
karena itu impedansi Zo merupakan impedansi bersama dari ketiga fasa. Di mana
persamaan umum impedansi adalah sebagai berikut :
=
Persamaan 2.2. Impedansi Surja Kawat Fasa
Dengan L : Induktansi bersama kawat fasa
C : Kapasitansi bersama kawat fasa
Dengan persamaan di atas untuk menghitung impedansi kawat fasa harus
diketahui terlebih dahulu besar induktansi bersama kawat fasa.Karena untuk
jaringan jarak jauh induktansi lebih dominan daripada resistansi.Hal ini
dikarenakan besarnya arus yang mengalir melalui konduktor berhubungan dengan
parameter induktansi. Untuk 3 fasa menggunakan hubungan sebagai berikut :
Gambar 2.3. Konfigurasi Kawat Fasa
Mengikuti persamaan sebagai berikut :
= 2 107 ln ( 12 33 /) H/m
9
Persamaan 2.3. Induktansi Bersama Kawat 3 Fasa
Dengan D1,D2,D3: Jarak antar fasa
Ds = GMR = 0.7788r konduktor (untuk 3 fasa dengan
jarak sama)
Sedangkan untuk konfigurasi konduktor ASCR (Alumunium Steel Carbon
Reinforced), GMR sudah ditentukan oleh manufaktur. Pada jaringan distribusi
13.8kV menggunakan ASCR jenis oriole dengan GMR =7.724 x 10^-3 m.
Gambar 2.4. Konfigurasi Konduktor ASCR
Kapasitansi bersama kawat tanah dihitung dengan persamaan berikut :
Persamaan 2.4. Kapasitansi Bersama Kawat Tanah
Dengan D = 12 33
r = radius konduktor
2.1.2 Sambaran Pada Kawat Tanah
Pada mulanya, kawat tanah dipasang untuk mengurangi tegangan induksi
pada konduktor fasa yang disebabkan sambaran petir di sekitar tanah. Saat ini riset
membuktikan bahwa tegangan induksi yang diakibatkan karena sambaran tidak
langsung tidak memiliki ancaman pada jaringan. Sejak saat itu kawat berfungsi
untuk melindungi kawat fasa dari sambaran petir secara langsung. Berikut adalah
skema dari kawat tanah dalam jaringan.
10
Gambar 2.5. Kawat Tanah
Perlindungan kawat tanah terhadap kawat fasa tergantung pada besarnya
sudut lindung. Sudut lindung adalah sudut yang terbentuk Antara titik kawat tanah
dengan kawat fasa. Berikut adalah skema sudut lindung.
Gambar 2.6. Skema Sudut Lindung
Pada jaringan listrik umumnya besar sudut lindung adalah 30.Sudut
lindung sendiri adalah sudut kritis dimana petir yang datang dengan besarnya
sudut lindung tersebut akan menyambar kawat fasa. Sedangkan semakin besar
arus sambaran petir maka besarnya jari-jari lingkup yang tersambar akan semakin
besar sesuai dengan persamaan [IEEE04]:
R= 10 0.65
Persamaan 2.5. Radius Sambaran Petir
Dengan R: Jari-jari sambaran petir (m)
I: besarnya arus sambaran (kA)
11
Maka semakin besar arus sambaran, maka sudut lindungnya akan semakin
kecil, begitu juga sebaliknya semakin kecil arus petir maka sudut lindungnya
semakin besar, seperti terlihat pada gambar berikut :
Gambar 2.7.Hubungan Konsep Sudut Lindung dan Besar Arus Sambaran
Kawat tanah pada jaringan tenaga listrik juga berfungsi untuk melindungi
area di bawahnya yang terlingkupi area perlindungan sebagai berikut :
Gambar 2.8 Lebar area perlindungan kawat tanah pada jaringan tenaga
listrik (Sumber : Electromagnetic Transients in Power Systems by Pritindra
Chowduri)
Persamaan lebar area perlindungan adalah :
W = b + 4H (m)
Persamaan 2.6 lebar area perlindungan kawat tanah
12
Impedansi surja sambaran pada kawat tanah pada dasarnya sama dengan
persamaan 2 di atas. Namun untuk induktansi bersama dua kawat tanah,
persamaan yang dipakai adalah sebagai berikut :
L = 2 107 ln ( /)
Persamaan 2.7.Induktansi bersama kawat tanah.
Dengan d : jarak Antara dua kawat tanah
r : radius kawat tanah
Skematik untuk kasus sambaran pada kawat tanah dapat dilihat pada
gambar berikut :
Gambar 2.9. Skematik Sambaran Pada Kawat Tanah (Sumber :
Insulation Coordination for Power Systems, by Andrew R. Hileman)
Arus sambaran akan terbagi menjadi 2 yang akan berjalan berlawanan arah
sepanjang kawat tanah menuju puncak menara terdekat. Tegangan yang timbul
akibat arus ini adalah:
Vs = Zs
Persamaan 2.8 Besar Tegangan Sambaran Pada Kawat Tanah
Dengan Zs = impedansi surja kawat tanah
Sedangkan tegangan induksi yang timbul pada kawat fasa dikarenakan
elektromagnetik kopling, adalah :
13
Vp = Ksp. Vs
Persamaan 2.9. Besar tegangan kawat fasa akibat sambaran pada kawat
tanah
Dengan Ksp = Zsp/Zs
Zsp = impedansi surja mutual antara kawat tanah dan
kawat fasa
Perbedaan tegangan antara kawat tanah dan kawat fasa adalah :
Vsp = (1- Ksp)Vs
Persamaan 2.10 Perbedaan tegangan kawat tanah dan kawat fasa
2.1.3 Sambaran Pada Puncak Menara
Sambaran pada puncak menara akan menyebabkan terjadinya kenaikan
tegangan yang dapat menyebabkan backflashover. Backflashover adalah
Flashover dari koordinasi isolasi yang disebabkan oleh sambaran petir pada yang
normalnya terjadi pada potensial pentanahan. Besar tegangan yang terjadi akibat
sambaran pada puncak menara, mengikuti persamaan berikut :
= x +
+
Persamaan 2.11. Besar Tegangan Sambaran Puncak Menara
Dengan Is : Arus petir (kA)
L : Induktansi menara
Re : tahanan kaki menara
= 2
3
Jika Vm melebihitegangan tembus dari isolator maka akan terjadi back
flash over. Skematik untuk kasus sambaran pada puncak menara dapat dilihat
pada gambar berikut :
14
Gambar 2.10 Skematik Sambaran Pada Puncak Menara (Sumber :
Insulation Coordination for Power Systems, by Andrew R. Hileman)
2.2 Impedansi Surja
Impedansi surja pada gangguan transient adalah resistivitas dalam pada
suatu material, yang memiliki induktansi dan kapasitansi diri. Induktansi dan
kapasitansi dalam material tersebut yang mempengaruhi kecepatan gelombang
berjalan melalui material tersebut. Di mana dalam hal ini, suatu gangguan
transient seperti sambaran petir yang terjadi pada suatu material akan sangat
dipengaruhi oleh impedansi surja material tersebut. Persamaan impedansi surja
pada umumnya adalah sebagai berikut :
=
Persamaan 2.12 Impedansi Surja
Dan kaitannya dengan kecepatan rambat gelombang adalah sebagai berikut
:
v = 1
15
Persamaan 2.13 Hubungan kecepatan rambat gelombang dan impedansi
Di mana L adalah induktansi dan C adalah kapasitansi per satuan panjang.
Sehingga didapatkan besaran Z (impedansi surja) dalam satuan ohm. Untuk
multiple conductors jarak antara satu konduktor dengan konduktor lain, radius
konduktor, dan ketinggian konduktor tersebut dari muka tanah akan
mempengaruhi besarnya impedansi surja. Hal ini dikarenakan akan timbul mutual
induktansi dan kapasitansi atara keduanya. Sehingga perhitungan impedansi nya
menggunakan mutual impedansi surja, sebagai berikut :
Gambar 2.11 Definisi Mutual Impedansi Dua Konduktor (Sumber :
Insulation Coordination for Power Systems, by Andrew R. Hileman)
Dengan impedansi sendiri konduktor adalah
1 = 60 ln211
2 = 60 ln222
Persamaan 2.14 Impedansi surja sendiri untuk dua konduktor
Dan impedansi surja mutual antara konduktor adalah :
12 = 60 ln1212
Persamaan 2.15 Impedansi Surja Mutual
16
Tegangan pada konduktor yang dilalui gelombang berjalan pada dua
konduktor yang sejajar adalah sebagai berikut :
1 = 11 + 212
2 = 112 + 22
Persamaan 2. 16 Tegangan Pada Konduktor Akibat Gelombang Transient
2.3 Arus Kritikal Sambaran Petir Pada Kawat Fasa
Petir menyambar kawat fasa dikarenakan kegagalan perlindungan kawat
tanah. Kegagalan kawat tanah dalam melindungi kawat fasa diakibatkan karena
sudut lindung yang tidak memenuhi standard, atau karena arus petir yang
menyambar besarnya di bawah arus kritikal sudut perlindungan kawat tanah.
Besarnya arus minimum sambaran petir pada suatu daerah digunakan sebagai
salah satu parameter desain koordinasi isolasi pada sistem tenaga listrik. Untuk
mengetahui sacara pasti berapa besarnya arus minimum sambaran petir di suatu
daerah dapat digunakan data dari stasiun lokal pengamatan petir setempat. Namun
dalam studi ini tidak ada data mengenai besarnya arus sambaran petir di wilayah
PT. CPI. Oleh karena itu digunakan analisis sudut proteksi. Dengan mengetahui
besarnya sudut proteksi dari Pole akan dapat dihitung besarnya jari-jari
maksimum sambaran petir. Dengan persamaan berikut :
=180
1(1- H/R)
Persamaan 2.17. Hubungan Antara radius sambaran petir, tinggi tiang dan sudut
lindung
Dimana : sudut lindung (di dapat dari datasheet)
H:tinggi Pole (m) (didapat dari datasheet)
r:jari-jarisambaranpetir
Dengan persamaan di atas, dimana besar diketahui, maka besarnya nilai r dapat
dihitung. Setelah nilai r diketahui maka besarnya arus sambaran dapat diketahui
dengan persamaan [IEEE04] :
17
=
10
0.65
Persamaan 2.18.Arus maksimum sambaran pada kawat fasa.
dimana
Im : Arus minimum (kA)
R : jari-jari sambaran petir (m), yang didapat dari
persamaan2.5.
2.4 Perubahan Besar Resistivitas Tanah Terhadap Jarak Pentanahan
Tiang jaringan tenaga listrik yang tertanam dalam tanah yang memiliki
resistansi tertentu. Sehingga resistansi pentanahan harus diperhatikan agar
serendah mungkin. Hal ini dikarenakan ketika petir menyambar pada puncak tiang
atau kawat tanah, gelombang berjalan tersebut harus disalurkan dengan aman ke
dalam tanah dan tidak terdisipasi.
Resistansi pentahanan kaki dari tiang jaringan, Rtf adalah parameter yang
penting yang menentukan proteksi dari jaringan tersebut ketika mendapatkan
sambaran petir langsung pada tiang. Tegangan gelombang berjalan dari puncak
tiang akan dipantulkan kembali pada reisitansi pentanahan kaki tiang. Jika Rtf
lebih kecil daripada impedansi surja tiang (Zt), makagelombang akan berjalan
dengan polaritas berlawanan pada puncak tiang, yang akan mengurangi tegangan
pada puncak tiang. Sehingga dengan demikian, untuk mengurangi tegangan
berlebih akibat sambaran petir yang berakibat pada terjadinya outage perlu
dilakukan modifikasi agar nilai Rtf dapat sekecil mungkin. Geri et al [3] telah
memerivikasi model dan rumus-rumus resistansi sistem pentanahan dengan
simulasi langsung bagaimana perilaku tanah pada saat arus petir masuk ke bumi
dari elektroda pentanahan. Model rangkaian dari titik ground rod sampai ke bumi
tak terhingga
Dengan nilai resistansi masing-masing bagian-bagian sebagai berikut:
18
= 1
2
=
2 + 22=
2
+ 1
+ 1
=
2 +22=
2
+1
+1
=
2 +22=
2
+1
+1
Persamaan 2.19 Resistansi Pentanahan
Ri adalah radius tanah disekitar ground rod yamg mengalami ionisasi
yang lebarnya berubah sebagai fungsi arus. adalah resistivitas tanah terionisasi
dianggap sama dengan risistivitas ground rod. Di luar itu resistivitas tanah
dianggap konstan. Besar radius ionisasi dianggap mengikuti rumus :
= , ()
2
dengan = 2410.215
19
BAB III
PENGOLAHAN DATA PARAMETER SAMBARAN PETIR
Pada konfigurasi jaringan tegangan menengah 13,8 kV PT. CPI terdapat 2
jenis tiang yang digunakan yaitu tiang ganda (Double Pole), dan tiang tunggal
(Single Pole). Di mana masing-masing jenis tiang tersebut memiliki 4 macam
jenis yang berbeda konfigurasinya.
Untuk mengetahui parameter-parameter sambaran petir pada setiap
konfigurasi tiang tersebut, perlu dilakukan perhitungan dan simulasi. Parameter
sambaran petir yang dihitung adalah arus sambaran pada kawat fasa, impedansi
surja kawat fasa, tegangan sambaran kawat fasa. Berikut adalah perhitungan
parameter sambaran pada kawat fasa untuk konfigurasi jaringan 13,8 kV tipe
Double Pole SAA dan Single Pole tipe A. Untuk perhitungan parameter sambaran
petir pada konfigurasi tiang tipe yang lainnya akan ditampilkan pada lampiran.
3.1 Perhitungan Parameter Sambaran Petir pada Kawat Fasa
3.1.1 Double Pole SAA
Double Pole SAA merupakan tiang berbahan baja galvanis dengan dua
tiang setinggi 18,89 m dan lengan (cross arm) dengan lebar 2,89 m berada
3,96 m dari puncak tiang.
20
Gambar 3.1. Konfigurasi Tiang Double Pole SAA
Tabel 3.1. Dimensi Tiang Double Pole SAA
Berikut adalah foto dari 13,8 kV Double Pole SAA :
Gambar 3.2. Tiang Double Pole SAA 13,8 kV
Arus Sambaran Pada Kawat Fasa
Dimensi Unit
British SI
H (Height of Pole) 62 18,89 m
W (Width of Crossarm) 9-6 2,89 m
h (Height of Top Pole-
Crossarm) 13 3,96 m
D (Pipe pile) 12.75" 0,3238 m
b (width of mid sec
crossarm) 14' 4,2672 m
21
Mengacu pada dimensi tiang dapat dihitung besarnya arus sambaran petir
pada kawat fasa, dengan persamaan (2.8) sebagai berikut :
=
10
0.65
Dengan nilai R yang didapat dari persamaan (2.9) berikut :
=180
1(1- H/R)
Dan memasukkan nilai pada konfigurasi tiang Double Pole SAA :
= 36.12 (sudut lindung)
H = 18.89 m (tinggi tiang)
Diperoleh nilai jarak sambaran R = 19. 1 m. Nilai R dimasukkan ke
persamaan
=
10
0.65
Maka diperoleh besarnya arus sambaran pada kawat fasa untuk Double
Pole SAA, I = 2,706 kA
Impedansi Surja Pada Kawat Fasa
Konfigurasi eksisting kawat 3 fasa pada double-Pole SAA
Gambar 3.3. Konfigurasi dan dimensi crossarm Double Pole SAA
Persamaan induktansi diri untuk 3 fasa :
= 2 107 ln ( 12 33 /)
Dengan memasukkan
D1 = D2 = 16 = 4, 878 m
D3 = 2 D1 = 32 = 9.753 m
22
Ds = GMR = 0.0255ft (ACSR oriole) = 7,724 x10^-3 m
Diperoleh nilai L = 1.3358 x 10^-6 H/m
Persamaan kapasitansi untuk 3 fasa :
D = 12 33
= 4.978 4.878 9.7533
= 6,145 m
r = 9,41 x 10^-3 m
Diperoleh nilai C = 8,597 x 10^3 F/km = 8,597 x 10^-12 F/m
Maka Impedansi surja pada kawat fasa :
=
Dengan L = 1.3358 x 10^-6 H/m
C = 8.597 x 10^-12 F/m
Diperoleh Zo = 394,182
Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa
Dengan menggunakan persamaan 2.1, yaitu :
= 2
Dan memasukkan Zo = 394,182 dan Im = 2,706 kA diperoleh
= 533,32 KV
3.1.2 Single Pole Tipe A
Single Pole Tipe A merupakan tiang berbahan baja galvanis dengan sebuah
tiang setinggi 15,392 m dan lengan (cross arm) dengan lebar 1,447 m
berada 2,743 m dari puncak tiang (lihat Tabel).
23
Gambar 3.4. Konfigurasi Single Pole Tipe A
Parameter Desain Unit
British SI
H (Height of Pole) 50-6 15.392 m
W (Width of Crossarm) 4-9 1.447 m
h (Height of Top Pole-
Crossarm) 9 2.743 m
D (Pipe pile) 8.625" 0.219 m
Tabel 3.2. Dimensi Single Pole Tipe A
Berikut adalah foto dari 13,8 kV Single Pole Tipe A :
24
Gambar 3.5. Tiang Single Pole Tipe A 13,8 kV
Arus Sambaran Pada Kawat Fasa
Mengacu pada dimensi tiang dapat dihitung besarnya arus sambaran petir
pada kawat fasa, dengan persamaan (8) sebagai berikut :
=
10
0.65
Dengan nilai R yang didapat dari persamaan (9) berikut :
=180
1(1- H/R)
Dan memasukkan nilai pada konfigurasi tiang Double Pole SAA :
= 27,8 (sudut lindung)
H = 15,39 m(tinggi tiang)
Diperoleh nilai jarak sambaran R = 15.52 m. Nilai R dimasukkan ke
persamaan
=
10
0.65
25
Maka diperoleh besarnya arus sambaran pada kawat fasa untuk Double
Pole SAA, I = 2 kA
Impedansi Surja Pada Kawat Fasa
Konfigurasi eksisting kawat 3 fasa pada singleTipe A
Gambar 3.6. Konfigurasi dan Dimensi Crossarm Single Pole Tipe A
Persamaan induktansi diri untuk 3 fasa :
= 2 107 ln ( 12 33 /)
Dengan memasukkan
D1 = 3 = 0.9144 m
D2 = 518 = 1.9812 m
D3 = 818 = 2.8954 m
Ds = GMR = 0.0255 ft (ACSR oriole)= 7.724 x10^-3 m
Diperoleh nilai L = 1.0831 x 10^-6 H/m
Persamaan kapasitansi untuk 3 fasa :
D = 12 33
= 0.1944 1.9812 2.89543
= 1.037 m
r = 9.41 x 10^-3 m
Diperoleh nilai C = 0,01185 F/km = 1,185 x 10^-11 F/m
Maka Impedansi surja pada kawat fasa :
26
=
Dengan L = 1.0831 x 10^-6 H/m
C = 1,185 x 10^-11 F/m
Diperoleh Zo = 302,325
Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa
Dengan menggunakan persamaan 1, yaitu :
= 2
Dan memasukkan Zo = 302,325 dan Im = 2kA diperoleh
=302,325 KV
3.2 Simulasi Sambaran Langsung Pada Kawat Fasa
Simulasi sambaran pada kawat fasa menggunakan perangkat lunak ATP-EMTP.
Simulasi dilakukan dengan asumsi jaringan tanpa koordinasi insulasi dan
menggunakan metode Bergeron. Dengan memasukkan faktor skin effect dan real
transfer matrix. Dengan menggunakan simulasi ini akan dilihat dampak dari
Flashover maupun back-Flashover pada jaringan. Beikut ini adalah masukan
parameter-parameter mekanik dan elektrik dari simulasi sambaran langsung pada
kawat fasa :
27
Gambar 3.7. Data Line dan Pemodelan yang Digunakan
Gambar 3.8. Sumber Tegangan AC Simulasi
3.2.1 Double PoleA (Studi Kasus)
Untuk simulasi konfigurasi jaringan tipe Double Pole, rangkaian
yangdigunakan adalah sebagai berikut:
28
Gambar 3.9.Rangkaian simulasi kondisi eksisting Double Pole.
Rangkaian di atas adalah rangkaian simulasi Double Pole, dengan
menggunakan 4 buah tiang listrik (Pole 1, Pole 2, Pole 3, Pole 4).
Konfigurasi jaringan Double Pole terdiri dari 5 kawat yaitu 3 kawat fasa,
dan 2 kAwat tanah. Di mana pada beberapa titik tersebut dipasang probe
untuk mengukur tegangan akibat sambaran petir. Tegangan yang terukur
adalab besar tegangan pada titik tersebut terhadap reference 0 pada titik
tak hingga. Probe pengukur tegangan dipasang pada titik-titik berikut:
a. Kawat fasa puncak Pole 1 dengan label probe : phs1.
b. Kawat fasa antara Pole 1 dan Pole 2 dengan label probe : phs2.
c. Kawat fasa antara Pole 2 dan Pole 3 dengan label probe : phs 3.
d. Kawat fasa antara Pole 4 dan Pole 5 dengan label probe : phs4.
e. Kawat fasa puncak Pole 5 dengan label probe : phs 5.
f. Ground wire puncak Pole 1 dengan label probe : gwr1.
g. Ground wire antara Pole 1 dan Pole 2 dengan label probe : gwr2.
h. Ground wire antara Pole 2 dan Pole 3 dengan label probe : gwr3.
29
i. Ground wire antara Pole 4 dan Pole 5 dengan label probe : gwr4.
j. Ground wire puncak Pole 5 dengan label probe : gwr5.
k. Tanah pada dasar Pole 1 dengan label probe : gr1.
m. Tanah pada dasar Pole 1 dengan label probe : gr2.
n. Tanah pada dasar Pole 1 dengan label probe : gr3.
o. Tanah pada dasar Pole 1 dengan label probe : gr4.
Probe pada rangkaian di atas, sama dengan pada rangkaian-rangkaian
simulasi berikutnya. Sedangkan untuk konfigurasi letak (koordinat) dari
tiap kawat tersebut dimasukkan dalam input parameter sebagai berikut :
3.2.1.1 Konfigurasi dan Dimensi Pole
Dimensi tiang yaitu tinggi tiang, lebar crossarm, jari-jari kawat, jarak antar
kawat fasa, dan juga dengan kawat tanah yang dapat dilihat pada gambar
tekniknya dimasukkan dalam parameter Line/Cable berikut ini :
Gambar 3.10. Koordinat Kawat Fasa dan Kawat Tanah Double Pole
30
Sehingga konfigurasi jaringan 13,8 kV tipe Double Pole SAA dapat dilihat
dalam potongan a-a berikut ini :
Gambar 3.11. Konfigurasi Kawat Fasa dan Kawat Tanah Double Pole
3.2.1.2 Parameter Elektrik Pole
Pada rangkaian simulasi, LINE Z ekivalen dengan tiang dari jaringan 13,8
kV PT. CPI. Setelah dilakukan perhitungan parameter tiang, maka input
dari LINE Z untuk tipe Double Pole SAA adalah sebagai berikut :
Gambar 3.12. Parameter Input Pole Untuk Tipe Double Pole SAA
31
Dengan keterangan tiap masukkan dari parameter tersebut adalah
sebagai berikut :
Gambar 3.13. Keterangan Input Parameter Pole
Sebagai input, dipilih ILINE = 1. Di mana B adalah kecepatan rambat
gelombang elektromagnetik yaitu 300 x 10^5 m/s dan A adalah impedansi
dari Pole, yang didapat dari perhitungan sebagai berikut :
Zp = 1/2 (Zs + Zm)
Persamaan 10. Impedansi Double Pole
dimana
Zs = 60 ln (H/r) + 90 (r/H) 60
Zm = 60 ln (H/b) + 90 (b/H) 60
Dengan memasukkan data dari datasheet yaitu jari-jari pile r = 0,3238 m,
tinggi tiang H = 18,89 m, lebar lengan b = 4,267 m, diperoleh nilai
impedansi surja dari puncak tiang Zp = 117,551. Sedangkan nilai R/l
adalah resistivitas Pole per satuan panjang yang diperoleh dari perhitungan
berikut :
=
32
Persamaan 11. Resistivitas Pole Per Satuan Panjang
Dimana
R : Resistansi ()
L : panjang Pole (m)
: resistivitas (.m)
A : luas penampang Pole (m^2)
Berdasarkan datasheet perhitungan perhitungan luas penampang Pole (A)
sebagai berikut:
= (. (. . )
Diperoleh nilai A= 0.03811 m2. Maka dengan memasukkan resistivitas ()
steel carbon yaitu 1.43 x 10^-7.m dan A = 0.03811 m2 ke persamaan
11, diperoleh nilai
= . /.
3.2.1.3 Resistansi Tanah
Input parameter resistansi tanah adalah sebagai berikut :
Gambar 3.14. Input Resistansi Tanah
Besar nilai resistansi tanah dipilih 25, yaitu berdasarkan nilai rata-rata
hasil pengukuran di lapangan.
3.2.1.4 Arus Petir
Input parameter sumber arus petir sebagai berikut :
33
Gambar 3.15. Input Arus Petir
Arus petir yang digunakan adalah 2,7 kA sesuai dengan hasil perhitungan
merupakan besar arus petir maksimum yang akan menyambar kawat fasa.
3.2.1.5 Hasil Simulasi
Setelah rangkaian jaringan dengan masukan parameter di atas
disimulasikan, diperoleh plot sebagai berikut :
a. Analisis Flashover
Gambar 3.16.Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Double Pole) -
Pole no.3
34
Gambar 3.17. Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Double Pole) Pole
no.1 s/d 4
Dari hasil simulasi dengan arus petir 2.7KA diperoleh besar tegangan
maksimum terjadi pada titik sambaran (Pole 3) adalah 354 KV. Besar
tegangan sambaran terukur akan semakin mengecil semakin jauh dari titik
sambaran. Dari hasil simulasi juga diperoleh kenaikan tegangan muka
(front stepness) yaitu : S = 354kV / 4.15 s = 85.301 kV / s.
3.2.2 Single Pole Tipe A
Simulasi sambaran pada kawat fasa menggunakan perangkat lunak ATP-
EMTP. Untuk simulasi Single Pole, rangkaian yang digunakan adalah
sebagai berikut:
35
Gambar 3.18. Rangkaian Simulasi Kondisi Eksisting Single Pole
Rangkaian di atas adalah rangkaian simulasi Single Pole, dengan
menggunakan 4 buah tiang listrik (Pole 1, Pole 2, Pole 3, Pole
4).Konfigurasi jaringan Single Pole terdiri dari 4 kawat yaitu 3 kawat fasa,
dan 1 kawat tanah. Di mana pada beberapa titik dipasang probe untuk
mengukur tegangan akibat sambaran petir. Konfigurasi letak dari tiap
kawat tersebut dimasukkan dalam input parameter sebagai berikut :
3.2.2.1 Konfigurasi dan Dimensi Pole
Dimensi tiang yaitu tinggi tiang, lebar crossarm, jari-jari kawat, jarak antar
kawat fasa, dan juga dengan kawat tanah yang dapat dilihat pada gambar
tekniknya dimasukkan dalam parameter Line/Cable berikut ini :
36
Gambar 3.19. Koordinat Kawat Fasa dan Kawat Tanah Single Pole
Sehingga konfigurasi jaringan 13,8 kV tipe Single Pole A dapat dilihat
dalam potongan a-a berikut ini :
Gambar 3.120. Konfigurasi Kawat Fasa dan Kawat Tanah Single Pole
3.2.2.2 Parameter Elektrik Pole
Pada rangkaian simulasi, LINE Z ekivalen dengan tiang dari jaringan 13,8
kV PT. CPI. Setelah dilakukan perhitungan parameter tiang, maka input
dari LINE Z untuk tipe Single Pole A adalah sebagai berikut :
37
Gambar 3.21. Parameter Input Pole Untuk Tipe Single Pole A
Dengan keterangan tiap masukkan dari parameter tersebut adalah sebagai
berikut :
Gambar 3.22. Keterangan Input Parameter Pole
Sebagai input, dipilih ILINE = 1. Di mana B adalah kecepatan rambat
gelombang elektromagnetik yaitu 300 x 10^5 m/s dan A adalah impedansi
dari Pole, yang didapat dari perhitungan sebagai berikut :
Zp = 60 ln (H/r) + 90 (r/H) 60
Persamaan 12. Impedansi Single Pole
38
Dengan memasukkan data dari datasheet yaitu jari-jari pile r = 0,219 m,
tinggi tiang H = 15,39 m, diperoleh nilai impedansi surja dari puncak tiang
Zp = 196.42. Sedangkan nilai R/l adalah resistivitas Pole per satuan
panjang yang diperoleh dengan persamaan 11 dari perhitungan berikut :
Berdasarkan datasheet perhitungan perhitungan luas penampang Pole (A)
sebagai berikut:
= (. (. . )
Diperoleh nilai A= 0.02564 m2. Maka dengan memasukkan resistivitas ()
steel carbon yaitu 1.43 x 10^-7.m dan A = 0.03811 m2 ke persamaan
11, didapat nilai
= . /.
3.2.2.3 Resistansi Tanah
Input parameter grounding (resistivitas tanah) adalah sebagai
berikut :
Gambar 3.23. Input Resistansi Tanah
Besar nilai resistansi tanah dipilih 25, berdasarkan nilai rata-rata hasil
pengukuran di lapangan.
3.2.2.4 Arus Petir
Sedangkan untuk input parameter sumber arus petir sebagai berikut :
39
Gambar 3.24. Input Arus Petir Single Pole
Arus petir yang digunakan adalah 2 kA sesuai dengan hasil perhitungan
merupakan besar arus petir maksimum yang akan menyambar kawat fasa
Single Pole.
3.2.2.5 Hasil Simulasi
Setelah dilakukan simulasi, diperoleh plot sebagai berikut :
a. Analisis Flashover
Gambar 3.25.Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Single Pole) -Pole
no.3
40
Gambar 3.26. Tegangan Sambaran Pada Kawat Fasa (Single Pole) Pole
1 s/d 4
Dari hasil simulasi dengan arus petir 2 kA diperoleh tegangan terbesar
terjadi pada titik sambaran (Pole 3) adalah 355 kV. Besar tegangan
sambaran terukur akan semakin mengecil semakin jauh dari titik
sambaran. Dari hasil simulasi juga diperoleh kenaikan tegangan muka
(front stepness) yaitu : S = 355kV / 5.15 s = 68.93 kV / s.
3.3 Simulasi Sambaran Pada Kawat Tanah
Pada perhitungan menggunakan metode rolling sphere di atas, diperoleh nilai arus
critical yang menyambar kawat fasa sebesar 2,7 kA. Akan tetapi, probabilitas
terjadinya petir dengan besar 2,7 kA hanya 3% (IEEE 1992). Rata-rata besar arus
sambaran petir mencapai 20KA. Sebagian besar petir yang menyambar jaringan
(petir dengan besar arus lebih dari 2,7 kA) akan menyambar kawat tanah. Oleh
karena itu dalam kasus ini dilakukan simulasi dengan menggunakan arus 15 kA
dan menyambar kawat tanah. Parameter yang diubah dalam simulasi sambaran
pada kawat tanah hanyalah arus petir sedangkan parameter yang lainnya tetap.
41
3.3.1 Arus Petir
Input arus petir (15 kA) untuk sambaran pada kawat tanah adalah sebagai
berikut :
Gambar 3.27. Input Arus Petir
3.3.2 Double Pole A (Studi Kasus)
3.3.2.1 Rangkaian Simulasi
Gambar 3.28. Rangkaian Simulasi Sambaran Kawat Tanah (Double Pole)
3.3.2.2 Hasil Simulasi
42
Berikut adalah plot tegangan kawat tanah akibat sambaran petir 15 kA :
Gambar 3.29.Tegangan Kawat Tanah Akibat Sambaran Petir 15 kA Pada
Kawat Tanah (Double Pole) - Pole 3
Gambar 3.30. Tegangan Kawat Tanah Akibat Sambaran Petir 15 kA Pada
Kawat Tanah (Double Pole) Pole 1 s/d 4
Dari plot di atas dapat dilihat tegangan terbesar dirasakan pada kawat
tanah Pole 3 (pada titik sambaran), yaitu mencapai 617KV. Dari hasil
43
simulasi juga diperoleh kenaikan tegangan muka (front stepness) yaitu : S
= 617kV / 0,69 s = 894,22 KV/s.
Berikut adalah plot tegangan induksi pada kawat fasa yang terjadi kopling
elektromagtik akibat sambaran petir pada kawat tanah :
Gambar 3.31.Tegangan Kawat Fasa (Tegangan Induksi) Akibat Sambaran
Pada Kawat Tanah (Double Pole) - Pole 3
44
Gambar 3.32. Tegangan Kawat Fasa (Tegangan Induksi) Akibat
Sambaran Pada Kawat Tanah (Double Pole) Pole 1 s/d 4
Dari plot di atas dapat dilihat tegangan terbesar dirasakan pada kawat fasa
Pole 3, yaitu mencapai 151KV. Dari hasil simulasi juga diperolehkenaikan
tegangan muka (front stepness) yaitu : S = 151KV / 0.71 s = 212,67 KV /
s.
3.3.3 Single Pole A (Studi Kasus)
3.3.3.1 Rangkaian Simulasi
Gambar 3.33. Rangkaian Simulasi Sambaran Kawat Tanah (Single Pole)
3.3.3.2 Hasil Simulasi
Berikut adalah plot tegangan kawat tanah yang terjadi akibat sambaran
petir 15 kA :
45
Gambar 3.34.Tegangan Kawat Tanah Akibat Sambaran Petir (Single Pole)
- Pole 3
Gambar 3.35.Tegangan Kawat Tanah Akibat Sambaran Petir (Single Pole)
- Pole 1 s/d 4
Dari plot di atas dapat dilihat tegangan terbesar dirasakan pada kawat fasa
Pole 3, yaitu mencapai 627 KV. Dari hasil simulasi juga diperoleh
kenaikan tegangan muka (front stepness) yaitu : S = 627 kV / 0.68 s =
922,058 KV / s.
46
Berikut adalah plot tegangan induksi pada kawat fasa yang terjadi akibat
sambaran petir pada kawat tanah :
Gambar 3.36.Tegangan Kawat Fasa (Tegangan Induksi) Akibat Sambaran
Pada Kawat Tanah (Single Pole) - Pole 3
Gambar 3.37. Tegangan Kawat Fasa (Tegangan Induksi) Akibat Sambaran
Pada Kawat Tanah (Single Pole) Pole 1 s/d 4
47
Dari plot di atas dapat dilihat tegangan terbesar dirasakan pada kawat fasa
Pole 3, yaitu mencapai 202 kV. Dari hasil simulasi juga diperoleh
kenaikan tegangan muka (front stepness) yaitu : S = 202kV / 0.71 s =
284.5 kV / s.
3.4 Perbaikan/Modifikasi pada Jaringan Eksisting
Rancangan baru untuk jaringan tegangan menengah 13,8 kV PT. CPI yang
berbeda dari yang lama adalah menerapkan IEEE Guide 1410[1] yang secara
spesifik menganjurkan pemakaian ground wire dan ground lead yang terisolir dari
tiang. Rancangan ini disebut iGEW (isolated Ground Earth Wire). Kawat tanah /
ground wire dipasang dipuncak tiang diikat ke isolator tipe pin. Sebelum sampai
ke titik tumpu isolator pin, ground lead disambungkan ke ground wire dan
dituntun turun kebawah menggunakan fiberglass standoffs untuk memberi jarak
yang cukup agar tidak terjadi Flashover antara ground lead ke kawat fasa disekitar
posisi cross arm. Setelah melewati posisi letak fasa terbawah ground lead baru
diikatkan ke tiang.
EEE Guide 1410 sebetulnya hanya berbicara tentang tiang kayu, namun
rancangan ini bermanfaat juga untuk tiang besi sebagaimana yang ada di PT. CPI.
Untuk tiang kayu fenomena gelombang berjalan melalui tiang sebagai pantulan
dari tanah ke puncak tiang tidak terjadi. Hal yang berbeda akan terjadi pada tiang
besi. Ground lead perlu dijaga berjarak yang cukup dari tiang dengan
menggunakan fiberglass standoffs dan menanamkannya ke bumi pada jarak yang
cukup jauh. Dengan cara demikian maka tiang besi sebagai saluran hanya akan
mendapat tegangan di dasar tiang dari gelombang yang sudah menjalani jarak
antara titik tanam sistem pentanahan ke kaki tiang. Semakin jauh jarak tersebut
semakin kecil tegangan yang sampai di kaki tiang tersebut. Diharapkan
gelombang yang naik keatas sampai ke crossarms tidak lagi cukup untuk memicu
backflashover.
Meskipun demikian pada tiang besi ada juga masalah yakni tegangan
induksi yang dihasilkan oleh aliran arus di ground lead. Untuk keperluan itu perlu
48
disimulasi dengan menganggap tiang sebagai kawat yang paralel dengan ground
wire.
3.4.1 Simulasi Perbaikan/Modifikasi Jaringan 13,8 kV
Salah satu usulah peningkatan keandalan jaringan distribusi 13,8 kV
terhadap sambaran petir adalah modifikasi grounding kawat tanah, dimana
kawat tanah diground atau ditanahkan langsung ke grounding kaki tower
secara terisolasi. Pada saat ini tiang transmisi dan distribusi menggunakan
tiang besi logam yang konduktif dan kawat tanah dihubungkan langsung di
ujung tiang, dengan demikian kawat tanah di grounding ke tanah melalui
tiang besi. Sambaran petir pada kawat tanah akan menyebabkan penaikkan
tegangan sangat tinggi pada kawat tanah, pada kaki tower dan juga
penaikkan tegangan pada cross arm dudukan insulator, sehingga terjadilah
Backflashover loncatan tegangan dari tanah, dari cross arm ke kawat fasa.
Modifikasi dengan perubahan penghubungan kawat tanah langsung ke
pentanahan dan tidak lagi menggunakan tiang besi, kawat tanah
digrounding langsung ke pentanahan dengan kabel berisolasi, maka
sambaran petir pada kawat tanah, tegangan tinggi yang terjadi pada kawat
tanah tidak akan menaikkan tegangan tower, juga tidak menaikkan tegangan
cross arm, yang dengan demikian tidak terjadi lagi Backflashover.
Simulasi dilakukan dengan arus petir 20KA sedangkan parameter-parameter
yang masih sama dengan simulasi yang sebelumnya. Berikut adalah
rangkaian perbaikan/modifikasi yang digunakan :
Gambar. 3.38. Rangkaian Modifikasi Jaringan (Double Pole)
49
Bagian yang dimodifikasi yaitu bagian yang dilingkari garis biru yang
merupakan representasi dari dipisahkannya pentanahan dengan tiang dan
dimodelkan sebagai pembagi tegangan. Modifikasi ini dilakukan untuk
dapat memperkecil tegangan yang dirasakan oleh tiang ketika sambaran
petir terjadi sehingga backflashover dapat dihindarkan. Berikut adalah hasil
simulasinya :
Gambar 3.39. Tegangan Kawat Fasa Pada Rangkaian Modifikasi Untuk
Jarak Pentanahan 1,5 dan 10 meter
Dari plot di atas dapat dilihat bahwa tegangan puncak yang dirasakan kawat
fasa pada setiap jarak yang berbeda menghasilkan tegangan puncak yang
berbeda pula. Pada jarak 1 meter tegangan puncaknya adalah 70KV, pada 5
meter adalah 60KV, dan 10 meter adalah 58KV.
50
Gambar 3.40. Tegangan Kawat Tanah Pada Rangkaian Modifikasi Untuk
Jarak Pentanahan 1,5 dan 10 meter
Dari plot di atas dapat dilihat bahwa tegangan puncak yang dirasakan kawat
tanah pada setiap jarak yang berbeda menghasilkan tegangan puncak yang
berbeda pula. Pada jarak 1 meter tegangan puncaknya adalah 140KV, pada 5
meter adalah 110KV, dan 10 meter adalah 105KV.
51
BAB IV
HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
4.1 Rekapitulasi Hasil Perhitungan
Setelah dilakukan perhitungan dan simulasi untuk konfigurasi tiang tipe
yang lain, diperoleh hasil sebagai berikut:
4.1.1 Konfigurasi Sudut Lindung dan Arus Kritikal
Tipe Pole Tinggi Struktur Sudut Lindung Arus Kritikal
Lebar Jarak
Perlindungan
Double Pole SAA 18,89 m 36,12 2, 706 kA 79,82 m
Double Pole SBB dan SCC 18,89 m 31,8 2,694 kA 80,43 m
Single Pole Tipe A,B,dan C 15,39 m 27,8 2 kA 61,56 m
Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Sudut Lindung dan Arus Kritikal Sambaran Petir
Mengacu pada rekomendasi oleh Young dan Brown-Whitehead,
konfigurasi sudut lindung jaringan tegangan menegah 13,8 kV PT. CPI masih
berada dalam zona aman. Berikut kurva Young dan Brown-Whitehead :
Gambar 4.1. Rekomendasi Tinggi Struktur Terhadap Sudut Lindung (Sumber :
Insulation for Coordination Power Systems by Andrew R. Hileman)
Dari perhitungan arus kritikal diperoleh nilai di bawah 3 kA untuk semua
jenis tiang. Hal ini berarti konfigurasi geometri dari sudut lindung sudah baik
sehingga arus kritikal yang dapat menyambar kawat fasa nilainya sangat kecil.
52
Menurut data IEEE-1992 besar arus petir kurang dari 5 kA hanya 3%. Dengan
demikian 97% petir yang menyambar akan mengenai kawat tanah. Sehingga dapat
dikatakan kawat tanah pada jaringan tegangan menengah PT. CPI dapat
melindungi kawat fasa dari sambaran petir pada umumnya.
Konfigurasi kawat tanah pada jaringan listrik juga berfungsi sebagai
perlindungan sambaran petir untuk objek-objek di sekitarnya. Dari hasil
perhitungan diperoleh lebar jarak perlindungan untuk objek-objek yang berada di
bawah jaringan tegangan menengah PT. CPI. Untuk Single Pole nilainya lebih
kecil dikarenakan jumlah kawat tanahnya hanya satu. Sehingga lebar area
perlindungannya kurang dari tipe Double Pole.
4.1.2 Sambaran Langsung Pada Kawat Fasa
Tabel. 4.2 Hasil Perhitungan dan Simulasi Sambaran Langsung Pada Kawat Fasa
Pada hasil perhitungan manual dan simulasi terdapat perbedaan
dikarenakan pada perhitungan manual hanya menghitung besar tegangan
maksimum yang mungkin terjadi akibat sambaran petir. Namun dengan
menggunakan simulasi dengan metode Bergeron menggunakan proses iterasi
Tipe Pole Arus Impuls
(kA) Zo ()
Vmaks-
perhitungan (kV)
Vmaks-
simulasi (kV)
S Kecuraman
(kV / s)
VTanah
Maks (kV)
Double Pole
A 2.7 394.18
536.195 354
85.3
27
Double Pole
B 2.7 397.68 536.868 354
85.3
27
Double Pole
C 2.7 397.68 536.868 354
85.3
27
Single Pole A 2 302.32 302.32 355 68.93 21.3
Single Pole B 2 302.32 302.32 355 68.93 21.3
Single Pole C 2 302.32 302.32 355 68.93 21.3
53
gelombang berjalan akibat sambaran petir tersebut. Sehingga data yang
ditampilkan oleh hasil simulasi lebih akurat karena melalui iterasi berulang.
Berdasarkan hasil di atas, besar tegangan yang timbul pada kawat fasa
akibat sambaran langsung sangat tinggi dan jauh melebihi batas BIL isolator
jaringan 13,8 kV. Oleh karena itu, jika kawat fasa mendapat sambaran langsung
(hanya dengan arus kritikal maksimum atau di bawahnya) maka isolator akan
mengalami Flashover dan akan terjadi outage pada sistem. Namun, kemungkinan
terjadinya Flashover akibat sambaran langsung tersebut sangatlah kecil
dikarenakan probabilitas terjadinya sambaran petir dengan arus di bawah 5 kA
hanya 3% (IEEE 1992).
4.1.3 Tegangan Kawat Fasa Akibat Sambaran Pada Kawat Tanah
Tipe Pole Arus Impuls (kA) Vkawat Tanah (kV) Kecuraman Petir (kV / s)
Vind-
kawat Fasa
(kV)
S Kecuraman
Petir (kV / s)
Vtanah
Maks
(kV)
Double Pole A 15 617 894,22 151 212,67 7
Double Pole B 15 617 894,22 151 212,67 7
Double Pole C 15 617 894,22 151 212,67 7
Single Pole A 15 627 922,05 202 284,5 126
Single Pole B 15 627 922,05 202 284,5 126
Single Pole C 15 627 922,05 202 284,5 126
Tabel 4.3. Hasil Perhitungan dan Simulasi Sambaran Pada Kawat Tanah
Pada jaringan 13,8 kV, dengan menggunakan metode bola gelinding
(Rolling-Sphere Methode) diperoleh besar arus sambaran petir tertinggi yang
masih dapat menyambar langsung kawat fasa adalah 2,7 kA. Probabilitas
terjadinya sambaran petir dengan besar arus di bawah 2,74 kA adalah kurang dari
3% (IEEE 1992). Dengan menggunakan perhitungan manual, maupun dengan
menggunakan simulasi ATP-EMTP besar tegangan akibat sambaran langsung
pada kawat fasa yang terjadi jauh diatas BIL (tingkat isolasi dasar) semua jenis
insulator yang dipasang. Maka dari itu terjadilah Flashover pada permukaan
54
insulator. Sambaran langsung pada kawat fasa dapat menyebabkan Flashover
pada jaringan 13,8 kV karena melebihi batas BIL (TID Tingkat Isolasi Dasar)
insulator. Akan tetapi kemungkinan (probabilitas) kejadiannya kurang dari 3%,
atau sangat tidak mungkin kawat fasa tersambar petir.
Berdasarkan statistik IEEE probabilitas 50% sambaran petir di sekitar 15
kA. Sambaran petir pada kawat tanah dengan arus sambaran 15 kA, besar
tegangan pada kawat tanah untuk tipe Double Pole adalah 151 kV dengan
kecuraman petir 212,67 kV, untuk tipe Single Pole adalah 202 kV dengan
kecuraman petir 212,67 kV. Tegangan ini juga merupakan tegangan pada Pole
(tower) dan tegangan pada crossarm dudukan insulator dan melebihi BIL
insulator. Dengan demikian maka terjadilah backflashover atau flash over dari
tanah ke kawat fasa.
Flashover pada permukaan insulator akibat sambaran petir pada kawat tanah
maupun kawat fasa menyebabkan pengaliran arus hubung singkat yang tak
terpotong, menyebabkan terbukanya circuit breaker, terjadi gangguan pelayanan
daya. Hal ini menunjukkan korelasi yang kuat antara kerapatan sambaran petir
(GFD) dengan Fault (kegagalan pelayanan daya).
4.1.4 Tegangan Akibat Sambaran Pada Kawat Tanah (Rangkaian
Modifikasi)
Single
Pole Tipe
A
Arus
Impuls
(KA)
Tegangan
Kawat
Tanah
(KV)
Kecuraman
Petir (kV/
s)
Tegangan
Kawat Fasa
(KV)
Kecuraman
Petir (KV / s)
Kondisi
Eksisting 15 627 922,05 202 284,5
Modifikasi
(Jarak
pentanahan
1 m dari
20 140 70 70 8,75
55
tiang)
Modifikasi
(Jarak
pentanahan
5 m dari
tiang)
110 55 60 6,85
Modifikasi
(Jarak
pentanahan
10 m dari
tiang)
105 52,5 58 6,62
Tabel 4.4. Hasil Simulasi Pada Jaringan Perbaikan / Modifikasi
Dari hasil simulasi rangkaian modifikasi di atas terlihat bahwa semakin jauh
pentanahan dari tiang, semakin rendah tegangan yang dirasakan oleh kawat fasa
dan kawat tanah. Perubahan tegangan yang dirasakan ini, dengan jarak tertentu
dapat memperkecil tegangan antara kawat fasa dengan tiang sehingga
backflashover dapat dihindari.
Pada jarak 1 meter kita lihat adanya kenaikan tegangan di ground wire, ini
terjadi akibat dari perubahan resistansi pentanahan, tapi hal itu tetap tidak
mengubah bahwa penggeseran pentanahan ini berimbas baik terhadap tegangan
yang akan dirasakan oleh tiang.
Resistansi pentanahan kita dapatkan dari
=
+
dimana :
R : resistansi pentanahan
Rm : resistansi tanah dari permukaan ionisasi ke elektroda pengukuran
=
2
+ 1
+ 1
56
ri : resistansi permukaan ionisasi
=
2
= 2410.215
g : resistivitas tanah
Ig : arus sambaran
R : resistansi tanah dari elektroda pengukuran ke titik dimana potensial
bernilai 0
=2
+ 1
+ 1
Dari hasil di atas dapat dianalisa bahwa cukup dengan penggeseran
pentanahan sebesar 1 meter dari tiang dan mengacu pada BIL isolator terkecil
(isolator pin) yaitu 175 kV didapati bahwa sistem tidak akan mengalami gangguan
jika tersambar petir dengan arus 20KA (arus yang digunakan untuk simulasi
diatas). Dengan demikian, teknik penggeseran pentanahan akan mengurangi
resiko terjadinya gangguan akibat backflashover sampai 45%. Untuk jarak
pentanahan lebih dari 2 (dua) meter, resiko terjadinya gangguan akibat
backflashover dibawah 10 %.
57
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1. Dengan menggunakan metode bola gelinding (Rolling-Sphere Method)
diperoleh besar arus sambaran petir tertinggi yang masih dapat
menyambar langsung kawat fasa adalah 2,7 kA. Probabilitas terjadinya
sambaran petir dengan besar arus di bawah 2,74 kA adalah kurang dari
3%.
2. Dengan menggunakan perhitungan manual, besar tegangan akibat
sambaran langsung pada kawat fasa, untuk tipe Double Pole adalah
536 kV. Sedangkan dengan menggunakan simulasi EMTP besar
tegangan akibat sambaran langsung pada kawat fasa adalah 354 kV
dan kecuraman arus petir 85,3 kV/s. Walau terdapat perbedaan,
namun besar tegangan yang terjadi jauh diatas BIL (tingkat isolasi
dasar) semua jenis insulator yang dipasang dan terjadilah flash over
pada permukaan insulator.
3. Dengan menggunakan perhitungan manual, besar tegangan akibat
sambaran langsung pada kawat fasa, untuk tipe Single Pole adalah 302
kV. Sedangkan dengan menggunakan simulasi EMTP besar tegangan
akibat sambaran langsung pada kawat fasa adalah 355 kV dan
kecuraman arus petir 68,93 kV/s. Hasil ini jauh diatas BIL insulator.
4. Pada kesimpulan poin 1 dan 2 di atas, sambaran langsung pada kawat
fasa dapat menyebabkan Flashover pada jaringan 13,8 kV karena
melebihi batas BIL (TID Tingkat Isolasi Dasar) insulator. Akan tetapi
kemungkinan (probabilitas) kejadiannya kurang dari 2%, atau sangat
tidak mungkin kawat fasa tersambar petir.
5. Berdasar statistik IEEE probabilitas 50% sambaran petir di sekitar 15
kA. Dengan menggunakan simulasi EMTP, sambaran petir pada kawat
58
tanah dengan arus sambaran 15 kA, besar tegangan pada kawat tanah
ini, untuk tipe Double Pole adalah 151 kV dengan kecuraman petir
212,67 kV, untuk tipe Single Pole adalah 202 kV dengan kecuraman
petir 212,67 kV.Tegangan ini juga merupakan tegangan pada Pole
(tower) dan tegangan pada cross arm dudukan insulator dan melebihi
BIL insulator. Dengan demikian maka terjadilah Back Flashover
flash over dari tanah ke kawat fasa.
6. Berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi dengan ATP-EMTP ini,
maka sambaran petir secara langsung pada kawat fasa jaringan 13,8 kV
dengan magnitude diatas 15 kA, maupun pada kawat tanah dapat
menyebabkan terjadinya Flashover. Dengan Flashover pada
permukaan insulator, follow current (arus ikutan) hubung singkat akan
terjadi dan tidak akan terputus seperti pada arrester, menyebabkan
circuit breaker membuka (Fault).
7. Tingginya korelasi antara Fault (kegagalan pelayanan daya) dan
kerapatan sambaran petir dibuktikan dengan banyak terjadinya
Flashover pada permukaan insulator.
8. Suatu upaya menurunkan tegangan sambaran petir dengan
memperbaiki tahanan pentanahan, pada dasarnya tidak banyak
hasilnya, dikarenakan besarnya impedansi surja jaringan dan tower
(Pole). Dengan demikian harus dilakukan upaya lain untuk
menurunkan fault (kegagalan pelayanan daya).
9. Untuk memperbaiki performasi (unjuk kerja) jaringan distribusi 13,8
kV PT. CPI adalah dengan meniadakan sumber penyebab terjadinya
tegangan pada crossarm. Improvisasi yang dapat dilakukan adalah
pemasangan insulator pada kawat tanah dan langung diketanahkan
tanpa melewati Pole (kaki tower).
10. Dari hasil simulasi untuk rangkaian modifikasi, diperoleh kesimpulan
bahwa cukup dengan penggeseran pentanahan sebesar 1 meter
59
menggunakan metode iGEW (isolated Ground Earth Wire) dapat
menurunkan tegangan puncak pada kawat fasa dan kawat tanah hingga
30%. Dengan jarak ini beda tegangan pada insulator kawat tanah ke
kaki tower dibawah BIL insulator dan tidak akan terjadi flash over
pada insulator kawat tanah. Dengan demikian terjadinya back
Flashover juga akan terhindar.
5.2 Saran
Untuk mengurangi terjadinya Outage akibat sambaran petir pada jaringan
tegangan menengah 13,8 kV, PT. CPI disarankan untuk melakukan pilot project
pada jaringan eksisting menggunakan jaringan perbaikan/modifikasi. Perbaikan
jaringan/modifikasi tersebut adalah dengan pemasangan iGEW (isolated Ground
Earth Wire) pada jaringan eksisting. Dengan penerapan modifikasi tersebut
diharapkan akan mengurangi outage akibat sambaran petir pada jaringan tegangan
menengah 13,8 kV PT. CPI.
60
DAFTAR PUSTAKA
[1] Chowduri, Pritindra. Electromagnetic Transients in Power Systems, John
Wiley and Sons (1996)
[2] Chris, Violeta. Bala, Christina dan Craciun, Daciana. Simulation of Lightning
Overvoltages With ATP-EMTP AND PSCAD/EMTDC, ACTA Universitatis
Apulensis (2000)
[3] Datasheet of PT. Chevron Pacific Indonesia
[4] Denno, Khalil. High Voltage Engineering in Power Systems,CRC Press
(1992)
[5] Greenwood, Allan. Electrical Transients in Power Systems, John Wiley and
Sons, Second Editon (1991)
[6] Hileman, Andrew.R Insulation Coordination for Power System, Marcel
Dekker (1999)
[7] IEEE Guide for Improving Lightning Performance of Electric Power Overhead
Distribution Lines
[8] IEEE Guide for Improving Lightning Performance of Transmission Lines
[9] Piantini, Alexandre, Lightning Protection of Overhead Power Distribution
Lines, University of Sao Paulo (2008)
[10] R. Mostafizur dan Hossain Faisal, Lightining Surge Analysis On Vertical
Tower Using Electromagnetic Transient Program (EMTP, Departemen of
Electronics and Communication Engineering, KUET Bangladesh (2006)
[11] Zorro, Reynaldo. Diktat Kuliah Proteksi Sistem Tenaga, Penerbit ITB