BAB II
TINJAUAN
PUSTAKA
2.1 Umum
Seperti
yang telah kita ketahui bahwa pusat pembangkit listrik umumnya dihubungkan
dengan saluran transmisi udara yang menyalurkan tenaga listrik dari pusat
penbangkit ke pusat-pusat konsumsi tenaga listrik, yaitu gardu-garduinduk (GI).
Sedangkan saluran transmisi udara ini rawan sekali terhadap sambaranpetir yang
menghasilkan gelombang berjalan (surja tegangan) yang dapat masuk kepusat
pembangkit listrik. Oleh karena itu, dalam pusat listrik harus ada lightningarrester
(penangkal petir) yang berfungsi menangkal gelombang berjalan dari petir yang
akan masuk ke instalasi pusat pembangkit listrik. Gelombang berjalan juga dapat
berasal dari pembukaan dan penutupan pemutus tenaga atau circuit breaker(switching),
surja tegangan yang disebabkan oleh switching lebih besar dari pada surja
petir. Saluran udara yang keluar dari pusat pembangkit listrik merupakan bagian
instalasi pusat pembangkit listrik yang paling rawan sambaran petir dan
karenanya harus diberi lightning arrester. Selain itu, lightning arrester harus
berada di depan setiap transformator dan harus terletak sedekat mungkin dengan
transformator. Hal ini perlu karena pada petir yang merupakan gelombang
berjalan menuju ke transformator akan melihat transformator sebagai suatu ujung
terbuka (karena transformator mempunyai isolasi terhadap bumi/tanah) sehingga
gelombang pantulannya akan saling memperkuat dengan gelombang yang datang.
Berarti transformator dapat mengalami tegangan surja dua kali besarnya tegangan
gelombang surja yang datang. Untuk mencegah terjadinya hal ini, lightning
arresterharus dipasang sedekat mungkin dengan transformator.
A.
Kelemahan dan kerugian lightning arrester type expulsi
· Terbatas pada sistem yang mempunyai besar arus sistem kurang dari 1/3 dari
besarnya arus terpa. Karena arus yang sangat besar menyebabkan fiber habis
terbakar dan arus yang terlalu kecil tidak mampu menghasilkan cukup gas pada
tabung untuk mematikan busur api.
· Karena setiap arrester bekerja, permukaan tabung akan rusak karena
terbakar maka arrester ini mempunyai batasan pada jumlah operasinya dimana
arrester ini masih dapat berfungsi dengan baik.
· Walaupun termasuk pemotong terpa yang murah karena kemampuannya memotong
arus ikutan namun sama sekali tidak cocok untuk perlindungan
peralatan-peralatan gardu yang mahal karena V-T (Tegangan – Waktu)
karakteristiknya yang buruk.
b.
Pemakaian lightning arrester jenis Expulsi:
· Umumnya dipakai untuk melindungi isolator transmisi. V-T
karakteristik dari arrester ini lebih datar daripada isolator sehingga
dapat mudah dikoordinasikan untuk melindungi isolator dari tembus permukaan.
· Dipakai pada tiang transmisi sebelum memasuki peralatan untuk memotong
arus terpa yang datang sehingga berfungsi mengurangi kerja dari arrester di
gardu.
· Pada trafo-trafo kecil di pedesaan dimana pemotong petir tipe tahanan tak
linear sangat mahal dan pemakaian sela batang akan memberikan perlindungan yang
cukup.
· Pada tiang transmisi tertentu yang sangat tinggi (misalnya penyeberangan
sungai) dimana kemungkinan disambar petir cukup tinggi.
c.
Jenis-jenis lightning arrester
type expulsi:
·
Jenis Transmisi digunakan pada jaringan transmisi
untuk melindungi isolator
·
Jenis Distribusi digunakan untuk melindungi trafo
pada jaringan-jaringan distribusi dan peralatan-peralatan distribusi.
2.
Non Linear Type Lightning
Arrester (Arrester Tipe Tahanan Tak Linear).
a.
Jenis Silicon Carbide ( SiC)
Arrester ini terdiri dari
beberapa sela yang tersusun seri dengan piringan-piringan tahanan, dimana
tahanan ini mempunyai karakteristik sebagai berikut: harga tahanannya turun
dengan cepat pada saat arus terpa mengalir sehingga tegangan antara terminal
arrester tidak terlalu besar dan harga tahanan naik kembali jika arus terpa
sudah lewat sehingga memotong arus ikutan pada titik nol pertamanya. Sela api
(sparks gap) dan tahanan disusun secara seri dan ditempatkan didalam rumah
porselen kedap air sehingga terlindung dari kelembapan, pengotoran dan hujan.
Distribusi tegangan yang
tidak merata diantara celah sela api (sparks gap) menimbulkan masalah.Untuk
mengatasi ini dipasang kapasitor dan tahanan non linear paralel dengan sela
api.Pada daerah tegangan yang lebih tinggi kapasitor dan tahanan linear dihubungkan
dengan paralel dengan badan celah. Bila tegangan lebih menyebabkan loncatan
bunga api pada celah-celah yang diserikan, arus akan sangat tinggi untuk
mempercepat redanya tegangan lebih.
Tegangan tertinggi yang akan
muncul pada penangkal petir adalah tegangan loncatan atau tegangan yang terjadi
pada tahanan tak linear pada saat lonjakan arus mengalir. Tegangan loncatan
bunga api terendah dari penangkal disebut tegangan loncatan pulsa bunga api
seratus persen (Maximum 100% Impulse Spark Over Voltage). Tegangan yang
dibangkitkan tahanan non linear pada saat arus loncatan mengalir disebut
tegangan residu. Semakin rendah harga-harga ini semakin baik tingkat
perlindungan pada peralatan.
Arus bocor yang mengalir
melalui tahanan dalam dalam keadaan operasi normal dari sistem tidak melebihi
0,1 mA. Arus ini sudah cukup untuk mempertahankan temperature dibagian dalam
arrester lima derajat lebih tinggi dari temperature sekeliling sehingga
mencegah masuknya uap air kebagian dalam arrester.Gambar arrester jenis ini diperlihatkan
pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Elemen-elemen arrester jenis Silicon Carbide
b.
Jenis Metal Oxide ( MOV)
Gambar 3.6 Elemen-elemen arrester jenis Metal Okside
Arrester jenis Metal Oxide hanya terdiri dari
unit-unit tahanan tak linear yang terhubung satu sama lainnya tanpa memakai
sela percik pada setiap unit.
Untuk arrester jenis Metal Oxide material tahanan
tak linear pada dasarnya keramik yang dibentuk dari oksida seng ( ZnO) dengan
penambahan oksida lain. Bahan ini telah banyak dipakai untuk perlindungan
rangkaian-rangkaian yang bekerja pada beberapa kV sampai dengan tegangan
transmisi. Karena derajad ketidaklinearan yang tinggi, bahan ini memungkinkan
penyederhanaan dalam desain dan dapat memperbaiki penampilan dalam lingkungan
tertentu.
c.
Jenis-jenis lightning arrester tipe tahanan tak linear
·
Jenis Gardu
(Station Type) , jenis ini merupakan penangkap petir paling efisien dan mahal
yang umumnya digunakan untuk melindungi peralatan-peralatan penting pada
gardu-gardu besar ( sistem dengan tegangan diatas 70 kV).
·
Jenis
Hantaran (Line Type) , jenis ini lebih murah dan digunakan untuk melindungi
gardu dengan tegangan kerja dibawah 70 kV.
·
Penangkap
petir jenis gardu untuk melindungi motor/generator, digunakan untuk sistem
dengan tegangan 2,2 kV sampai 15 kV.
·
Penangkap
petir sekunder (Secondary Arrester) berguna untuk melindungi
peralatan-peralatan tegangan rendah dengan tegangan kerja sistem antara 120 V
sampai 750 V.
3.1.2
Tingkat Pengenal Dari Lightning
Arrester (Rating Lightning Arrester)
1.
Tegangan nominal atau tegangan
pengenal
(Nominal
Voltage Arrester) adalah tegangan dimana arrester masih dapat bekerja sesuai
dengan karakteristiknya. Arrester tidak dapat bekerja pada tegangan maksimum
sistem yang direncanakan, tetapi mampu memutuskan arus ikutan dari sistem
secara efektif. Tegangan pengenal dari arrester harus lebih tinggi dari
tegangan phasa sehat ketanah, jika tidak demikian maka arrester akan melewatkan
arus ikutan sistem terlalu besar yang menyebabkan arrester rusak akibat beban lebih
termis (thermal overloading). Tegangan tertinggi sebagai
berikut:
·
Tegangan sistem tertinggi (system highest voltage), umumnya diambil harga
110% dari harga tegangan nominal sistem.
·
Koefisien pentanahan , didefenisikan sebagai perbandingan antara tegangan
rms phasa sehat ke tanah dalam keadaan gangguan pada tempat dimana arrester
dipasang, dengan tegangan rms phasa ke phasa tertinggi dari sistem dalam
keadaan tidak ada gangguan. Jadi tegangan pengenal dari arrester (arrester
rating) adalah tegangan rms phasa ke phasa x 1.10 x koefisien pentanahan.
·
Sistem yang ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 0.8.Arrester
disebut arrester 80%. Sistem yang tidak ditanahkan langsung
koefisien pentanahannya 1,0 .Arrester ini disebut arrester 100%.
2. Arus Pelepasan Nominal ( Nominal Discharge Current )
Adalah arus
pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan
untuk menentukan kelas dari arrester sesuai dengan :
· Kemampuan melewatkan arus
· Karakteristik Perlindungan
Bentuk
gelombang arus pelepasan tersebut adalah :
a.
Menurut standar Inggris/Eropa (IEC) 8 μs / 20 μs
b.
Menurut standar Amerika 10 μs/ 20 μs dengan kelas
·
Kelas Arus 10 kA untuk perlindungan Peralatan besar dengan frekuensi
sambaran petir yang cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70 kV.
· Kelas arus 5 kA untuk tegangan sistem dibawah 70 kV
· Kelas 2,5 kV untuk gardu-gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah 22 kV.
· Kelas arus 1,5 kA untuk melindungi trafo-trafo kecil.
3.
Tegangan Percik Impuls 100 % (
100 % Impulse Spark Over Voltage)
Adalah tegangan
gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal arrester sebelum arrester
itu bekerja. Bentuk gelombang impuls petir seperti gambar 3.7 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 percik minimum dari
penangkal petir maka penangkap petir ini akan bekerja memotong terpa petir
tersebut dan mengalirkan ke tanah.
Gambar 3.7. Tegangan impuls petir standar(IEC Publ.60-2,1973)
4.
Tegangan Sisa (Residual Voltage
dari dischargeVoltage)/ Tegangan Kerja
Adalah tegangan
yang timbul diantara terminal arrester pada saat arus pelepasan mengalir ke
tanah.Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu arrester tergantung kepada
kecuraman gelombang arus yang datang (di/dt dalam A/ μs) dan amplitudo dari
arus pelepasan. Untuk menentukan tegangan sisa ini digunakan impuls arus
sebesar 8 μs/20 μs (standar IEC) dengan harga puncak arus pelepasan 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
karakteristik tahanan yang tidak linear dari arrester.
Umumnya
tegangan sisa tidak akan melebihi BIL (Basic Insulation Level = Tingkat
Isolasi Dasar = TID) dari peralatan yang dilindungi walaupun arus
pelepasan maksimum mencapai 65 kA hingga 100 kA.
5.
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 arrester.
6. Tegangan
Percikan Frekuensi Jala-jala ( Power Frequency Spark Over Voltage)
Arrester tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam
(internal over voltage) dengan amplitude yang rendah karena dapat membahayakan
sistem.
Untuk alasan
ini maka ditentukan tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum.
·
Menurut standar Inggris tegangan percikan jala-jala minimum = 1.6
x tegangan pengenal arrester.
· Menurut Standar IEC (International Electrotechnical Commision)
tegangan percikan jala-jala minimum adalah = 1.5 x tegangan pengenal arrester.
7. Tegangan Percikan Akibat Pensaklaran (Spark Over
Voltage by Switching Over Voltages)
Tegangan percik pada celah seri akibat terkenal
gangguan tegangan lebih oleh proses pensaklaran oleh peralatan penghubung
(switchgear).Karakteristik gelombang impuls surja hubung dinyatakan dengan 250
/ 2500 μs.
3.2 Koordinasi
Isolasi
Korelasi
antara kemampuan isolasi peralatan listrik dengan alat pelindung (protective
device) sehingga isolasi dari peralatan terlindung dari bahaya tegangan lebih.
Tujuan koordinasi isolasi ini adalah untuk menciptakan suatu sistem yang
bagian-bagiannya, masing-masing dan satu sama lain mempunyai ketahanan isolasi
yang sedemikian rupa sehingga dalam setiap kondisi operasi kualitas pelayanan /
penyediaan tenaga listrik dapat dicapai dengan biaya seminimum mungkin.
Koordinasi
isolasi yang baik akan mampu menjamin :
·
Bahwa
isolasi peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan
tegangan tidak normal yang mungkin timbul dalam sistem.
·
Bahwa
isolasi peralatan akan gagal hanya jika terjadi tegangan lebih luar.
·
Bahwa jika
kegagalan terjadi maka hanya pada tempat-tempat yang menimbulkan kerusakan
paling minimum.
Masalah
koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut hal-hal sebagai berikut:
1.
Penentuan Isolasi Hantaran
Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan
terjadinya tegangan lebih petir (surja petir), tegangan lebih switching dan
tegangan lebih dengan frekuensi jala-jala. Dengan bertambahnya pengetahuan akan
fenomena petir maka dimungkinkan untuk menentukan keandalan sistem berdasarkan
parameter-parameter petir yang telah diketahui tersebut.Isolasi hantaran udara
harus cukup tinggi untuk mencegah terjadi kegagalan oleh surja hubung dan
tegangan lebih frekuensi jala-jala dengan memperhitungkan pengaruh
lingkungan/alam yang dapat menurunkan tegangan tembus dari isolator.
Dalam praktek umumnya isolator hantaran udara masih dinaikkan harga tahanan
isolasinya dengan cara menambah beberapa piringan isolator lagi untuk mencegah
kemungkinan isolator rusak. Isolasi hantaran udara tidak berhubungan langsung
dengan tingkat isolasi peralatan didalam gardu. Walaupun demikian sangat
menentukan didalam koordinasi isolasi karena tegangan tembus impuls pada
isolator hantaran udara menentukan tegangan impuls tertinggi yang masuk
ke gardu berupa gelombang berjalan.
2.
Tingkat Isolasi Dasar
Peralatan Peralatan
Tingkat Isolasi Dasar (Basic Insulation Level) merupakan daya tahan
terhadap tegangan impuls standar yang masih dapat ditahan isolasi. Sebagian
besar peralatan peralatan seperti transformator, pemutus daya, saklar pemisah,
transformator arus, transformator tegangan dibuat dengan tingkat isolasi yang
sama. Kecuali transformator yang diproduksi dengan tingkat isolasi yang lebih
rendah dengan alasan ekonomis dan transformator umumnya dilindungi langsung
oleh arrester.
Karena letaknya yang dekat dengan transformator, maka sebagian dari
peralatan di gardu akan terletak diluar daerah lindung dari arrester. Daerah
lindung ditentukan oleh: ketahanan isolasi dari peralatan, tegangan kerja dari
penangkap petir dan jarak antara penangkap petir dengan peralatan tersebut.
Peralatan – peralatan yang terletak diluar dari daerah lindung penangkap
petir akan diberikan Tingkat Isolasi Dasar yang satu tingkat lebih tinggi.Pada
umumnya tingkat isolasi dari peralatan gardu seperti pemutus daya busbar,
saklar pemisah, trafo pengukuran mempunyai T.I.D 10 % lebih tinggi dari TID
trafo.Tingkat isolasi antara kutub-kutub pada saklar pemisah yang terbuka harus
10-15 % lebih tinggi dari tingkat isolasi kutub tersebut ke tanah.
3.3
Pemilihan Lightning Arrester
Untuk penyederhanaan
dalam pemilihan lightning arrester ditentukan langkah-langkah sebagai berikut :
1.
Penentuan besarnya tegangan lebih satu phasa ke tanah atau tegangan lebih
akibat kerja sistem yang tidak normal pada lokasi dimana arrester dipasang.
Tegangan lebih ini akibat gangguan satu phasa ke tanah dapat menyebabkan
kenaikan tegangan phasa sehat lainnya. Besarnya
tegangan ini tergantung dari karakteristik sistem dan jenis pentanahan sistem
pada waktu gangguan terjadi.
2. Perkiraan besarnya tegangan pengenal arrester pada frekuensi jala-jala.
Jika tegangan tinggi sistem dan koefisien pentanahan sudah diketahui maka
tegangan pengenal dari arrester sudah dapat dihitung secara kasar. Tegangan
pengenal tidak boleh lebih rendah dari perkalian kedua harga diatas. Misal: Tegangan sistem 20 kV ditanahkan efektif maka tegangan
pengenal (110 % x 20 kV) x 0,8 = 17.6 kV. Tegangan pengenal standar untuk
sistem 20 kV adalah 17,6 kV.
3.
Memilih besarnya arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui
arrester. Untuk penangkap petir yang
dipasang digardu berlaku :
................................................................(3.1)
dimana :
= arus pelepasan arrester
= tegangan gelombang
datang/berdasarkan jumlah isolator terpasang.
= tegangan sisa
/tegangan residual.
Z = impedansi saluran.
4.
Tegangan Pelepasan (Tegangan Kerja/Sisa Arrester) adalah karakteristik yang
paling penting dari arrester untuk perlindungan di Peralatan. Tegangan kerja
penangkap petir ada dibawah T.I.D peralatan yang dilindungi, maka dengan faktor
keamanan yang cukup perlindungan peralatan yang optimum dapat diperoleh.
Tegangan kerja tergantung pada arus pelepasan arrester dan kecuraman
gelombang datang. Tegangan kerja arrester akan naik dengan naiknya arus
pelepasan tetapi kenaikan ini sangat dibatasi oleh tahanan tak linear dari
arrester.
5.
Faktor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara T.I.D dari
peralatan yang dilindungi dengan tegangan kerja dari arrester. Pada waktu
menentukan tingkat perlindungan peralatan yang dilindungi oleh penangkap
petir umumnya diambil harga 10 % diatas tegangan kerja arrester tujuannya untuk
mengatasi kenaikan tegangan pada kawat penghubung dan toleransi pabrik.
Besarnya faktor perlindungan ini
umumnya lebih besar atau sama dengan 20 % dari TID peralatan arrester
yang dipasang dekat dengan peralatan yang dilindungi.
Contoh:
Tegangan kerja arrester untuk
sistem 220 kV adalah 649 kV perlindungan ini ditambah 10 % untuk kawat
penghubung, toleransi pabrik dan lain-lain sehingga tingkat perlindungan
arrester menjadi 713 kV, pilih TID peralatan sebesar 950 kV. Faktor
perlindungan = (950 – 713 ) kV = 237 kV. Faktor perlindungan ini lebih besar
dari 20% dari TID peralatan, sehingga arrester ini sudah memberi faktor
perlindungan yang baik.
6.
Jarak Lindung Arrester
Jarak lindung dari arrester ke peralatan yang dilindungi (dalam hal ini
adalah transformator) adalah :
.......................................................................(3.2)
dimana :
L = Jarak antara arrester dengan peralatan
yang dilindungi (m)
= Tegangan ketahanan terhadap gelombang impuls dari
peralatan yang dilindungi (kV)
=
tegangan kerja arrester (kV)
du/dt = Kecuraman dari gelombang yang datang (kV/μs) nilai berkisar antara 1000 kV/μs - 2000 kV/μs.
V = kecepatan propagasi geombang
tegangan lebih ; 300 m/ μs untuk saluran udara, 150 m/ μs untuk kabel.
7. Lokasi Pemasangan Arrester
Umumnya
alat-alat pelindungan harus diletakkan sedekat mungkin dengan peralatan yang
akan dilindungi, terutama pada ujung distribusi dimana terdapat gardu
atau trafo.
Karena biaya
yang mahal maka tidak mungkin memasang arrester pada setiap peralatan di gardu
untuk melindungi peralatan tersebut. Hal ini tidak perlu dilakukan karena
ada faktor perlindungan dari alat pelindungan dari arrester, oleh karena itu
hanya peralatan yang penting saja yang dilengkapi dengan arrester.
Transformator merupakan peralatan yang paling mahal dan yang paling penting pada sebuah gardu. Jika trafo rusak maka perbaikan /
pergantiannya akan mahal, membutuhkan waktu yang lama, dan juga kerugian akibat
terputusnya daya cukup besar.
Selain itu trafo adalah ujung terminal dari suatu transmisi, tempat paling
sering terjadi pemantulan gelombang. Pada sistem diatas 220 kV TID dari
transformator dapat diperendah pada batas-batas yang diizinkan untuk
memperkecil biaya isolasi. Karena alasan-alasan tersebut diatas maka arrester
pada peralatan umumnya dipasang pada terminal trafo daya.
Arrester
berfungsi sebagai by-pass di sekitar lokasi yang membentuk jalan dengan mudah
dilalui oleh tegangan lebih ke sistim pentanahan sehingga tidak menimbulkan
tegangan lebih yang tidak merusak peralatan isolasi listrik. By-pass ini
sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran frequensi 50 Hz.
Pada keadaan
normal arrester berlaku sebagai isolator, bila timbul gangguan surja, alat ini
berfungsi sebagai konduktor yang tahanannya relative rendah agar dapat
mengalirkan arus yang tinggi ke tanah. Setelah surja hilang, arrester dengan
cepat kembali menjadi isolasi.
3.4
Posisi Pemasangan Lightning
Arrester
1.
Pemasangan Lightning Arrester sebelum FCO
Keuntungannya :
·
Pengamanan terhadap surja petir tidak dipengaruhi oleh kemungkinan FCO
putus.
Kerugiannya :
·
Kegagalan LA memadamkan sistem penyulang
·
Penghantar LA lebih panjang
2.
Pemasangan Lightning Arrester setelah FCO
Keuntungan :
·
Jika LA rusak atau gagal, FCO putus tidak memadamkan sistem
SUTM
Kerugiannya :
·
fuse link rentan terhadap surja petir
Untuk saluran udara sangat panjang, pemasangan LA
sesudah FCO dapat dipertimbangkan dengan menggunakan fuse link type – H.
Untuk saluran udara pendek, pemasangan LA sebelum FCO
lebih baik sebagai pilihan
a.
Kelemahan dan kerugian lightning arrester type expulsi
· Terbatas pada sistem yang mempunyai besar arus sistem kurang dari 1/3 dari
besarnya arus terpa. Karena arus yang sangat besar menyebabkan fiber habis
terbakar dan arus yang terlalu kecil tidak mampu menghasilkan cukup gas pada
tabung untuk mematikan busur api.
· Karena setiap arrester bekerja, permukaan tabung akan rusak karena
terbakar maka arrester ini mempunyai batasan pada jumlah operasinya dimana
arrester ini masih dapat berfungsi dengan baik.
· Walaupun termasuk pemotong terpa yang murah karena kemampuannya memotong
arus ikutan namun sama sekali tidak cocok untuk perlindungan
peralatan-peralatan gardu yang mahal karena V-T (Tegangan – Waktu)
karakteristiknya yang buruk.
b.
Pemakaian lightning arrester jenis Expulsi:
· Umumnya dipakai untuk melindungi isolator transmisi. V-T
karakteristik dari arrester ini lebih datar daripada isolator sehingga
dapat mudah dikoordinasikan untuk melindungi isolator dari tembus permukaan.
· Dipakai pada tiang transmisi sebelum memasuki peralatan untuk memotong
arus terpa yang datang sehingga berfungsi mengurangi kerja dari arrester di
gardu.
· Pada trafo-trafo kecil di pedesaan dimana pemotong petir tipe tahanan tak
linear sangat mahal dan pemakaian sela batang akan memberikan perlindungan yang
cukup.
· Pada tiang transmisi tertentu yang sangat tinggi (misalnya penyeberangan
sungai) dimana kemungkinan disambar petir cukup tinggi.
c.
Jenis-jenis lightning arrester
type expulsi:
·
Jenis Transmisi digunakan pada jaringan transmisi
untuk melindungi isolator
·
Jenis Distribusi digunakan untuk melindungi trafo
pada jaringan-jaringan distribusi dan peralatan-peralatan distribusi.
2.
Non Linear Type Lightning
Arrester (Arrester Tipe Tahanan Tak Linear).
a.
Jenis Silicon Carbide ( SiC)
Arrester ini terdiri dari
beberapa sela yang tersusun seri dengan piringan-piringan tahanan, dimana
tahanan ini mempunyai karakteristik sebagai berikut: harga tahanannya turun
dengan cepat pada saat arus terpa mengalir sehingga tegangan antara terminal
arrester tidak terlalu besar dan harga tahanan naik kembali jika arus terpa
sudah lewat sehingga memotong arus ikutan pada titik nol pertamanya. Sela api
(sparks gap) dan tahanan disusun secara seri dan ditempatkan didalam rumah
porselen kedap air sehingga terlindung dari kelembapan, pengotoran dan hujan.
Distribusi tegangan yang
tidak merata diantara celah sela api (sparks gap) menimbulkan masalah.Untuk
mengatasi ini dipasang kapasitor dan tahanan non linear paralel dengan sela
api.Pada daerah tegangan yang lebih tinggi kapasitor dan tahanan linear dihubungkan
dengan paralel dengan badan celah. Bila tegangan lebih menyebabkan loncatan
bunga api pada celah-celah yang diserikan, arus akan sangat tinggi untuk
mempercepat redanya tegangan lebih.
Tegangan tertinggi yang akan
muncul pada penangkal petir adalah tegangan loncatan atau tegangan yang terjadi
pada tahanan tak linear pada saat lonjakan arus mengalir. Tegangan loncatan
bunga api terendah dari penangkal disebut tegangan loncatan pulsa bunga api
seratus persen (Maximum 100% Impulse Spark Over Voltage). Tegangan yang
dibangkitkan tahanan non linear pada saat arus loncatan mengalir disebut
tegangan residu. Semakin rendah harga-harga ini semakin baik tingkat
perlindungan pada peralatan.
Arus bocor yang mengalir
melalui tahanan dalam dalam keadaan operasi normal dari sistem tidak melebihi
0,1 mA. Arus ini sudah cukup untuk mempertahankan temperature dibagian dalam
arrester lima derajat lebih tinggi dari temperature sekeliling sehingga
mencegah masuknya uap air kebagian dalam arrester.Gambar arrester jenis ini diperlihatkan
pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Elemen-elemen arrester jenis Silicon Carbide
b.
Jenis Metal Oxide ( MOV)
Gambar 3.6 Elemen-elemen arrester jenis Metal Okside
Arrester jenis Metal Oxide hanya terdiri dari
unit-unit tahanan tak linear yang terhubung satu sama lainnya tanpa memakai
sela percik pada setiap unit.
Untuk arrester jenis Metal Oxide material tahanan
tak linear pada dasarnya keramik yang dibentuk dari oksida seng ( ZnO) dengan
penambahan oksida lain. Bahan ini telah banyak dipakai untuk perlindungan
rangkaian-rangkaian yang bekerja pada beberapa kV sampai dengan tegangan
transmisi. Karena derajad ketidaklinearan yang tinggi, bahan ini memungkinkan
penyederhanaan dalam desain dan dapat memperbaiki penampilan dalam lingkungan
tertentu.
c.
Jenis-jenis lightning arrester tipe tahanan tak linear
·
Jenis Gardu
(Station Type) , jenis ini merupakan penangkap petir paling efisien dan mahal
yang umumnya digunakan untuk melindungi peralatan-peralatan penting pada
gardu-gardu besar ( sistem dengan tegangan diatas 70 kV).
·
Jenis
Hantaran (Line Type) , jenis ini lebih murah dan digunakan untuk melindungi
gardu dengan tegangan kerja dibawah 70 kV.
·
Penangkap
petir jenis gardu untuk melindungi motor/generator, digunakan untuk sistem
dengan tegangan 2,2 kV sampai 15 kV.
·
Penangkap
petir sekunder (Secondary Arrester) berguna untuk melindungi
peralatan-peralatan tegangan rendah dengan tegangan kerja sistem antara 120 V
sampai 750 V.
3.1.2
Tingkat Pengenal Dari Lightning
Arrester (Rating Lightning Arrester)
1.
Tegangan nominal atau tegangan
pengenal
(Nominal
Voltage Arrester) adalah tegangan dimana arrester masih dapat bekerja sesuai
dengan karakteristiknya. Arrester tidak dapat bekerja pada tegangan maksimum
sistem yang direncanakan, tetapi mampu memutuskan arus ikutan dari sistem
secara efektif. Tegangan pengenal dari arrester harus lebih tinggi dari
tegangan phasa sehat ketanah, jika tidak demikian maka arrester akan melewatkan
arus ikutan sistem terlalu besar yang menyebabkan arrester rusak akibat beban lebih
termis (thermal overloading). Tegangan tertinggi sebagai
berikut:
·
Tegangan sistem tertinggi (system highest voltage), umumnya diambil harga
110% dari harga tegangan nominal sistem.
·
Koefisien pentanahan , didefenisikan sebagai perbandingan antara tegangan
rms phasa sehat ke tanah dalam keadaan gangguan pada tempat dimana arrester
dipasang, dengan tegangan rms phasa ke phasa tertinggi dari sistem dalam
keadaan tidak ada gangguan. Jadi tegangan pengenal dari arrester (arrester
rating) adalah tegangan rms phasa ke phasa x 1.10 x koefisien pentanahan.
·
Sistem yang ditanahkan langsung koefisien pentanahannya 0.8.Arrester
disebut arrester 80%. Sistem yang tidak ditanahkan langsung
koefisien pentanahannya 1,0 .Arrester ini disebut arrester 100%.
2. Arus Pelepasan Nominal ( Nominal Discharge Current )
Adalah arus
pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan
untuk menentukan kelas dari arrester sesuai dengan :
· Kemampuan melewatkan arus
· Karakteristik Perlindungan
Bentuk
gelombang arus pelepasan tersebut adalah :
a.
Menurut standar Inggris/Eropa (IEC) 8 μs / 20 μs
b.
Menurut standar Amerika 10 μs/ 20 μs dengan kelas
·
Kelas Arus 10 kA untuk perlindungan Peralatan besar dengan frekuensi
sambaran petir yang cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70 kV.
· Kelas arus 5 kA untuk tegangan sistem dibawah 70 kV
· Kelas 2,5 kV untuk gardu-gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah 22 kV.
· Kelas arus 1,5 kA untuk melindungi trafo-trafo kecil.
3.
Tegangan Percik Impuls 100 % (
100 % Impulse Spark Over Voltage)
Adalah tegangan
gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal arrester sebelum arrester
itu bekerja. Bentuk gelombang impuls petir seperti gambar 3.7 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 percik minimum dari
penangkal petir maka penangkap petir ini akan bekerja memotong terpa petir
tersebut dan mengalirkan ke tanah.
Gambar 3.7. Tegangan impuls petir standar(IEC Publ.60-2,1973)
4.
Tegangan Sisa (Residual Voltage
dari dischargeVoltage)/ Tegangan Kerja
Adalah tegangan
yang timbul diantara terminal arrester pada saat arus pelepasan mengalir ke
tanah.Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu arrester tergantung kepada
kecuraman gelombang arus yang datang (di/dt dalam A/ μs) dan amplitudo dari
arus pelepasan. Untuk menentukan tegangan sisa ini digunakan impuls arus
sebesar 8 μs/20 μs (standar IEC) dengan harga puncak arus pelepasan 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
karakteristik tahanan yang tidak linear dari arrester.
Umumnya
tegangan sisa tidak akan melebihi BIL (Basic Insulation Level = Tingkat
Isolasi Dasar = TID) dari peralatan yang dilindungi walaupun arus
pelepasan maksimum mencapai 65 kA hingga 100 kA.
5.
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 arrester.
6. Tegangan
Percikan Frekuensi Jala-jala ( Power Frequency Spark Over Voltage)
Arrester tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam
(internal over voltage) dengan amplitude yang rendah karena dapat membahayakan
sistem.
Untuk alasan
ini maka ditentukan tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum.
·
Menurut standar Inggris tegangan percikan jala-jala minimum = 1.6
x tegangan pengenal arrester.
· Menurut Standar IEC (International Electrotechnical Commision)
tegangan percikan jala-jala minimum adalah = 1.5 x tegangan pengenal arrester.
7. Tegangan Percikan Akibat Pensaklaran (Spark Over
Voltage by Switching Over Voltages)
Tegangan percik pada celah seri akibat terkenal
gangguan tegangan lebih oleh proses pensaklaran oleh peralatan penghubung
(switchgear).Karakteristik gelombang impuls surja hubung dinyatakan dengan 250
/ 2500 μs.
3.2 Koordinasi
Isolasi
Korelasi
antara kemampuan isolasi peralatan listrik dengan alat pelindung (protective
device) sehingga isolasi dari peralatan terlindung dari bahaya tegangan lebih.
Tujuan koordinasi isolasi ini adalah untuk menciptakan suatu sistem yang
bagian-bagiannya, masing-masing dan satu sama lain mempunyai ketahanan isolasi
yang sedemikian rupa sehingga dalam setiap kondisi operasi kualitas pelayanan /
penyediaan tenaga listrik dapat dicapai dengan biaya seminimum mungkin.
Koordinasi
isolasi yang baik akan mampu menjamin :
·
Bahwa
isolasi peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan
tegangan tidak normal yang mungkin timbul dalam sistem.
·
Bahwa
isolasi peralatan akan gagal hanya jika terjadi tegangan lebih luar.
·
Bahwa jika
kegagalan terjadi maka hanya pada tempat-tempat yang menimbulkan kerusakan
paling minimum.
Masalah
koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut hal-hal sebagai berikut:
1.
Penentuan Isolasi Hantaran
Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan
terjadinya tegangan lebih petir (surja petir), tegangan lebih switching dan
tegangan lebih dengan frekuensi jala-jala. Dengan bertambahnya pengetahuan akan
fenomena petir maka dimungkinkan untuk menentukan keandalan sistem berdasarkan
parameter-parameter petir yang telah diketahui tersebut.Isolasi hantaran udara
harus cukup tinggi untuk mencegah terjadi kegagalan oleh surja hubung dan
tegangan lebih frekuensi jala-jala dengan memperhitungkan pengaruh
lingkungan/alam yang dapat menurunkan tegangan tembus dari isolator.
Dalam praktek umumnya isolator hantaran udara masih dinaikkan harga tahanan
isolasinya dengan cara menambah beberapa piringan isolator lagi untuk mencegah
kemungkinan isolator rusak. Isolasi hantaran udara tidak berhubungan langsung
dengan tingkat isolasi peralatan didalam gardu. Walaupun demikian sangat
menentukan didalam koordinasi isolasi karena tegangan tembus impuls pada
isolator hantaran udara menentukan tegangan impuls tertinggi yang masuk
ke gardu berupa gelombang berjalan.
2.
Tingkat Isolasi Dasar
Peralatan Peralatan
Tingkat Isolasi Dasar (Basic Insulation Level) merupakan daya tahan
terhadap tegangan impuls standar yang masih dapat ditahan isolasi. Sebagian
besar peralatan peralatan seperti transformator, pemutus daya, saklar pemisah,
transformator arus, transformator tegangan dibuat dengan tingkat isolasi yang
sama. Kecuali transformator yang diproduksi dengan tingkat isolasi yang lebih
rendah dengan alasan ekonomis dan transformator umumnya dilindungi langsung
oleh arrester.
Karena letaknya yang dekat dengan transformator, maka sebagian dari
peralatan di gardu akan terletak diluar daerah lindung dari arrester. Daerah
lindung ditentukan oleh: ketahanan isolasi dari peralatan, tegangan kerja dari
penangkap petir dan jarak antara penangkap petir dengan peralatan tersebut.
Peralatan – peralatan yang terletak diluar dari daerah lindung penangkap
petir akan diberikan Tingkat Isolasi Dasar yang satu tingkat lebih tinggi.Pada
umumnya tingkat isolasi dari peralatan gardu seperti pemutus daya busbar,
saklar pemisah, trafo pengukuran mempunyai T.I.D 10 % lebih tinggi dari TID
trafo.Tingkat isolasi antara kutub-kutub pada saklar pemisah yang terbuka harus
10-15 % lebih tinggi dari tingkat isolasi kutub tersebut ke tanah.
3.3
Pemilihan Lightning Arrester
Untuk penyederhanaan
dalam pemilihan lightning arrester ditentukan langkah-langkah sebagai berikut :
1.
Penentuan besarnya tegangan lebih satu phasa ke tanah atau tegangan lebih
akibat kerja sistem yang tidak normal pada lokasi dimana arrester dipasang.
Tegangan lebih ini akibat gangguan satu phasa ke tanah dapat menyebabkan
kenaikan tegangan phasa sehat lainnya. Besarnya
tegangan ini tergantung dari karakteristik sistem dan jenis pentanahan sistem
pada waktu gangguan terjadi.
2. Perkiraan besarnya tegangan pengenal arrester pada frekuensi jala-jala.
Jika tegangan tinggi sistem dan koefisien pentanahan sudah diketahui maka
tegangan pengenal dari arrester sudah dapat dihitung secara kasar. Tegangan
pengenal tidak boleh lebih rendah dari perkalian kedua harga diatas. Misal: Tegangan sistem 20 kV ditanahkan efektif maka tegangan
pengenal (110 % x 20 kV) x 0,8 = 17.6 kV. Tegangan pengenal standar untuk
sistem 20 kV adalah 17,6 kV.
3.
Memilih besarnya arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui
arrester. Untuk penangkap petir yang
dipasang digardu berlaku :
................................................................(3.1)
dimana :
= arus pelepasan arrester
= tegangan gelombang
datang/berdasarkan jumlah isolator terpasang.
= tegangan sisa
/tegangan residual.
Z = impedansi saluran.
4.
Tegangan Pelepasan (Tegangan Kerja/Sisa Arrester) adalah karakteristik yang
paling penting dari arrester untuk perlindungan di Peralatan. Tegangan kerja
penangkap petir ada dibawah T.I.D peralatan yang dilindungi, maka dengan faktor
keamanan yang cukup perlindungan peralatan yang optimum dapat diperoleh.
Tegangan kerja tergantung pada arus pelepasan arrester dan kecuraman
gelombang datang. Tegangan kerja arrester akan naik dengan naiknya arus
pelepasan tetapi kenaikan ini sangat dibatasi oleh tahanan tak linear dari
arrester.
5.
Faktor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara T.I.D dari
peralatan yang dilindungi dengan tegangan kerja dari arrester. Pada waktu
menentukan tingkat perlindungan peralatan yang dilindungi oleh penangkap
petir umumnya diambil harga 10 % diatas tegangan kerja arrester tujuannya untuk
mengatasi kenaikan tegangan pada kawat penghubung dan toleransi pabrik.
Besarnya faktor perlindungan ini
umumnya lebih besar atau sama dengan 20 % dari TID peralatan arrester
yang dipasang dekat dengan peralatan yang dilindungi.
Contoh:
Tegangan kerja arrester untuk
sistem 220 kV adalah 649 kV perlindungan ini ditambah 10 % untuk kawat
penghubung, toleransi pabrik dan lain-lain sehingga tingkat perlindungan
arrester menjadi 713 kV, pilih TID peralatan sebesar 950 kV. Faktor
perlindungan = (950 – 713 ) kV = 237 kV. Faktor perlindungan ini lebih besar
dari 20% dari TID peralatan, sehingga arrester ini sudah memberi faktor
perlindungan yang baik.
6.
Jarak Lindung Arrester
Jarak lindung dari arrester ke peralatan yang dilindungi (dalam hal ini
adalah transformator) adalah :
.......................................................................(3.2)
dimana :
L = Jarak antara arrester dengan peralatan
yang dilindungi (m)
= Tegangan ketahanan terhadap gelombang impuls dari
peralatan yang dilindungi (kV)
=
tegangan kerja arrester (kV)
du/dt = Kecuraman dari gelombang yang datang (kV/μs) nilai berkisar antara 1000 kV/μs - 2000 kV/μs.
V = kecepatan propagasi geombang
tegangan lebih ; 300 m/ μs untuk saluran udara, 150 m/ μs untuk kabel.
7. Lokasi Pemasangan Arrester
Umumnya
alat-alat pelindungan harus diletakkan sedekat mungkin dengan peralatan yang
akan dilindungi, terutama pada ujung distribusi dimana terdapat gardu
atau trafo.
Karena biaya
yang mahal maka tidak mungkin memasang arrester pada setiap peralatan di gardu
untuk melindungi peralatan tersebut. Hal ini tidak perlu dilakukan karena
ada faktor perlindungan dari alat pelindungan dari arrester, oleh karena itu
hanya peralatan yang penting saja yang dilengkapi dengan arrester.
Transformator merupakan peralatan yang paling mahal dan yang paling penting pada sebuah gardu. Jika trafo rusak maka perbaikan /
pergantiannya akan mahal, membutuhkan waktu yang lama, dan juga kerugian akibat
terputusnya daya cukup besar.
Selain itu trafo adalah ujung terminal dari suatu transmisi, tempat paling
sering terjadi pemantulan gelombang. Pada sistem diatas 220 kV TID dari
transformator dapat diperendah pada batas-batas yang diizinkan untuk
memperkecil biaya isolasi. Karena alasan-alasan tersebut diatas maka arrester
pada peralatan umumnya dipasang pada terminal trafo daya.
Arrester
berfungsi sebagai by-pass di sekitar lokasi yang membentuk jalan dengan mudah
dilalui oleh tegangan lebih ke sistim pentanahan sehingga tidak menimbulkan
tegangan lebih yang tidak merusak peralatan isolasi listrik. By-pass ini
sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran frequensi 50 Hz.
Pada keadaan
normal arrester berlaku sebagai isolator, bila timbul gangguan surja, alat ini
berfungsi sebagai konduktor yang tahanannya relative rendah agar dapat
mengalirkan arus yang tinggi ke tanah. Setelah surja hilang, arrester dengan
cepat kembali menjadi isolasi.
3.4
Posisi Pemasangan Lightning
Arrester
1.
Pemasangan Lightning Arrester sebelum FCO
Keuntungannya :
·
Pengamanan terhadap surja petir tidak dipengaruhi oleh kemungkinan FCO
putus.
Kerugiannya :
·
Kegagalan LA memadamkan sistem penyulang
·
Penghantar LA lebih panjang
2.
Pemasangan Lightning Arrester setelah FCO
Keuntungan :
·
Jika LA rusak atau gagal, FCO putus tidak memadamkan sistem
SUTM
Kerugiannya :
·
fuse link rentan terhadap surja petir
Untuk saluran udara sangat panjang, pemasangan LA
sesudah FCO dapat dipertimbangkan dengan menggunakan fuse link type – H.
Untuk saluran udara pendek, pemasangan LA sebelum FCO
lebih baik sebagai pilihan
Arus pelepasan nominal adalah
arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang digunakan
untuk menentukan kelas dari arrester
sesuai dengan kemampuan
melakukan arus dan karakteristik perlindungannya.
Kelas penangkal
petir terdiri 10 kA ; 5 kA ; 2,5 kA : 1,5 kA.
1.Kelas arus 10 kA yang digunakan untuk perlindungan gardu yang besar dengan frekuensi
sambaran petir yang cukup tinggi dengan tegangan
sistem diatas 70 kV.
2.Kelas arus 5 kA digunakan untuk tegangan dengan
sistem kurang 70 kV.
3.Kelas arus 2,5 kA digunakan untuk gardu-gardu kecil dengan
tegangan sistemdibawah 22 kV, dimana kelas 5 kA tidak lagi ekonomis.
4.Kelas arus 1,5 kA digunakan
untuk melindungi trafo-trafo kecil.
Untuk menghitung besarnya arus pelepasan dari arrester dapat menggunakan persamaan sebagai
berikut :
Ia =
Dimana : Ia = Arus
pelepasan arrester
V d = Tegangan gelombang datang
Va = tegangan kerja
Z = impedansi terpa dari
hantaran
Untuk mencari besarnya arus pelepasan
dari arrester, maka terlebih
dahulu kita harus mencari besarnya impedansi terpa dari hantaran, dimana dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :
Z =
60 In
Dimana : h = tinggi rata-rata kawat fasa dari permukaan tanah
(m)
r = jari –jari penghantar ( m2 )
Seperti yang ditunjukan gambar 2.9, untuk mencari
tinggi rata – rata kawat fasa
dari permukaan tanah
dapat digunakan persamaan :
h = ht -
Dimana :
ht
= tinggi
kawat fasa teratas dengan
tinggi tiang(m) D = andongan kawat distribusi (m)
D =
Dimana : W = berat penghantar persatuan panjang (kg/m) S = Jarak antara gardu tiang distribusi (m)
T = Kuat tarik minimum
dari penghantar (kg).