Senin, 07 Juli 2014

Lighting Arrester




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


3.Arus pelepasan 
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).

Tidak ada komentar:

Posting Komentar