Diktat Proteksi Sistem Tenaga

CATATAN KULIAH

EP-3076

PROTEKSI SISTEM TENAGADosen : Dr. Ir. Dipl. Ing. H. Reynaldo Zoro

Oleh :

Hadi Setiadi (18010033)

Niki Sabrina (18009027)

Karina Anindita (18010059)

Eres Putra Wardhoyo (18010066)

Adi Yudha Permana (18010038)

Gregorius Alvin T. Purnomo (18010062)

Reynaldi Tanta Paribo (18010007)

Budi Sutrisno (18010051)

Teknik Tenaga Listrik

Sekolah Teknik Elektro dan Informatika

Institut Teknologi Bandung

2013

Daftar IsiPENDAHULUAN.....................................................................................................................................3

Sumber-Sumber Tegangan Lebih...........................................................................................................4

1.1 Pendahuluan................................................................................................................................4

1.2 Tegangan Lebih Petir...................................................................................................................8

1.3 Tegangan Lebih Sementara........................................................................................................29

1.4 Tegangan Lebih Hubung............................................................................................................33

1.5 Petir pada Masyarakat Modern.................................................................................................37

2.1 Pendahuluan..............................................................................................................................39

2.2 Rangkaian pengganti Suatu Hantaran Transmisi........................................................................41

2.3 Persamaan Differensial untuk Saluran yang Uniform................................................................42

2.4 Impedansi Terpa/Surja..............................................................................................................49

2.5 Kecepatan Rambat Gelombang.................................................................................................52

2.6 Pemantulan pada Beban Tahanan.............................................................................................52

2.7 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban Induktansi....................................................................56

2.8 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban Kapasitif.......................................................................57

2.9 Rangkaian Trafo Pada Saat Terjadinya Gelombang Berjalan......................................................58

2.10 Refleksi Dan Refraksi...............................................................................................................59

2.11 Diagram Bewley.......................................................................................................................60

2.12 Rangkaian Pengganti Gelombang Berjalan pada Satu Titik......................................................61

2.13 Refleksi dan Refraksi pada Busbar dengan n Cabang...............................................................63

2.14 Metoda Bergeron....................................................................................................................64

2.15 Contoh Soal..............................................................................................................................65

Perlindungan Terhadap Tegangan Lebih Petir.....................................................................................72

3.1 Mekanisme Petir........................................................................................................................72

3.2 Terpa Petir.................................................................................................................................74

3.3 Tegangan Lebih oleh Terpa Petir...............................................................................................76

3.4 Perlindungan Terhadap Petir.....................................................................................................81

3.5 Perlindungan Hambatan Udara Terhadap Sambaran Langsung................................................84

3.6 Perlindungan Peralatan Listrik Terhadap Gelombang Berjalan..................................................87

3.7 TINGKAT PENGENAL DARI PENANGKAP PETIR (RATING ARRESTER)..........................................95

3.8 PEREDAM TERPA (SURGE ABSORBER).......................................................................................98

Koordinasi Isolasi...............................................................................................................................101

1

4.1. Pendahuluan...........................................................................................................................101

4.2. Definisi....................................................................................................................................101

4.3. Penentuan Isolasi Hantaran....................................................................................................102

4.4. T.I.D dan Tingkat Isolasi dari Peralatan ke Gardu....................................................................103

4.5. Pemilihan dan Letak Penangkap Petir.....................................................................................104

SUPLEMEN.........................................................................................................................................117

TEGANGAN LEBIH DAN KOORDINASI ISOLASI....................................................................................117

DAFTAR ISTILAH.............................................................................................................................117

TABEL 1 PENETAPAN TINGKAT ISOLASI TRANSFORMATOR DAN PENANGKAP PETIR........................119

TABEL 2 CHARACTERISTIC LIGHTNING ARRESTER..............................................................................120

TABEL 3 MAXIMUM IMPULSE SPARKOVER TEST VOLTAGES..............................................................122

TABEL 4 MAXIMUM RESIDUAL VOLTAGE..........................................................................................125

TABEL 5 STANDARD INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV SERIES I (BASED ON CURRENT PRACTICE IN MOST EUROPEAN AND SEVERAL OTHER COUNTRIES)..................................................................126

TABEL 6 STANDAR INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV.............................................................127

SERIES II (BASED ON CURRENT PRACTICE IN THE UNITED STATES OF AMERICA, CANADA AND SOME OTHER COUNTRIES)...........................................................................................................................127

TABEL 7 STANDARD INSULATION LEVELS FOR 52kV≤Um<300kV......................................................128

TABEL 8 STANDARD INSULATION LEVELS FOR ≥300kV......................................................................129

TABEL 9 IMPULSE POWER FREQUENCY WITHSTAND LEVELS FOR VARIOUS SYSTEMS VOLTAGES....130

TABEL 10F.O.V OF STANDARD DISCS (256X146)................................................................................131

TABEL 11 RECOMENDED INSULATION LEVEL FOR LINES...................................................................132

TABEL 12OVERVOLTAGE FACTORS....................................................................................................133

2

PENDAHULUAN

Materi dalam mata kuliah EP-3076 Proteksi Sistem Tenaga dikhususkan untuk membahas

tentang proteksi sistem terhadap tegangan lebih. Secara garis besar, pokok bahasan yang akan

dipelajari di mata kuliah ini adalah:

1. Sumber-sumber tegangan lebih

2. Gelombang berjalan

3. Perlindungan terhadap tegangan lebih

4. Koordinasi isolasi

Di bab awal kuliah akan dipelajari mengenai sumber dari permasalahan yang dibahas dalam

bagian sumber-sumber tegangan lebih. Selanjutnya, setelah mengetahui sumber masalah,

akan dibahas mengenai karakteristik dan hal apa saja yang ditimbulkan serta dipengaruhi

(efek gangguan) dari sumber masalah ini. Hal ini akan dibahas pada bab gelombang berjalan.

Setelah mengetahui efek gangguan yang timbul, maka akan dipelajari mengenai cara-cara

untuk melindungi sistem dari efek yang ditimbulkan oleh ganguan (dibahas pada bab tiga).

Pada bagian akhir, akan dibahas mengenai koordinasi dari berbagai peralatan isolasi yang

dipasang untuk melindungi sistem dari gangguan yang timbul sehingga dapat dicapai sistem

proteksi yang memenuhi standar teknis dan juga ekonomis.

3

BAB 1Sumber-Sumber Tegangan Lebih

1.1 PendahuluanAda tiga jenis bentuk fungsi tegangan terhadap waktu yang dikenal secara umum, diantaranya

tegangan DC, tegangan AC dan tegangan impuls.

Gambar 1.1 Jenis-Jenis Fungsi Tegangan

Tegangan lebih adalah tegangan yang hanya terdapat ditahan untuk waktu terbatas. Secara

umum dapat dibagi menjadi:

1. Berdasarkan bentuknya:

a. Tegangan lebih periodik

b. Tegangan lebih aperiodik

2. Berdasarkan sebabnya:

a. Sebab luar (external over voltage)

b. Sebab dalam (internal over voltage)

Sedangkan klasifikasi menurut standar IEC adalah:

1. Tegangan lebih atmosfer/petir

2. Tegangan lebih temporer

3. Tegangan lebih surja hubung

4

Gambar 1.2 Jenis-jenis Tegangan Lebih

1.1.1 Tegangan lebih atmosfer

Contoh : Tegangan lebih petir (Lightining Over Voltage)

Tegangan lebih petir dapat berjalan di salah satu dari ketiga jenis fungsi tegangan

lebih di atas sehingga teramati magnitude tegangan yang meningkat sangat tinggi

secara tiba-tiba pada selang waktu yang sangat sempit (sekitar 100µS). Berikut contoh

ilustrasi gambar tegangan lebih petir yang menumpang pada fungsi tegangan

sinusoidal.

5

(a)

(b)

Gambar 1.3 Ilustrasi Tegangan Lebih Petir pada Tegangan Sinusoid

1.1.2 Tegangan lebih switching/penyaklaran (Switching Over Voltage)

Contoh : saat ON dan OFF saklar

Switching over voltage (SOV) terjadi saat dilakukan proses penyalaan saklar. Pada

kondisi penyaklaran ideal, misal dengan sumber DC, tegangan akan langsung berubah

dari 0V menjadi VDC seperti yang ditunjukkan dengan garis putus-putus pada gambar

6

1.4. Tetapi dalam kenyataannya kondisi ideal ini tdak mungkin dicapai, dimana harus

dilewati kondisi transien terlebih dahulu sehingga akan terjadi fluktuasi tegangan yang

magnitudenya akan menuju nilai VDC. Teganan lebih penyaklaran adalah beda

potensial antara tegangan puncak fluktuasi pertama dengan VDC.

Gambar 1.4 Switching Over Voltage.

Untuk lebih memahami fenomena tegangan lebih petir dan tegangan lebih

penyaklaran, berikut ditampilkan grafik perbandingan antara kedua jenis tegangan

lebih ini.

Gambar 1.5 Perbandingan Kurva antara Switching Overvoltage dan Lightning

Overvoltage

7

Pada gambar diatas, label lightning menunjukkan kondisi tegangan lebih akibat petir dan

label operations menunjukkan kondisi tegangan lebih akibat proses penyaklaran. Teramati

bahwa kondisi LOV memiliki magnitude yang jauh lebih besar dari kondisi SOV dan kondisi

LOV (sekitar 100µS) memiliki waktu gangguan yang lebih singkat dari waktu gangguan

akibat SOV (sekitar 1000µS - 2000µS).

1.1.3 Tegangan lebih sementara

Contoh : saat terjadi short circuit satu fasa.

Ilustrasi short circuit satu fasa dapat dilihat pada gambar 1.6. Pada gambar ini,

diilustrasikan fasa A mengalami short circuit sehingga titik ground seolah-olah

berpindah ke ujung dari vector A. Kejadian ini mengubah magnitude dari vector B

dan vector C menjadi lebih tinggi dari keadaan awal. Peningkatan nilai magnitude

inilah yang disebut sebagai temporary overvoltage.

1.6 Short Circuit Satu Fasa

1.2 Tegangan Lebih Petir

1.2.1 Proses Terjadinya Petir

Pada keadaan tertentu, dalam lapisan atmosfer bumi terdapat gerakan angin ke atas membawa

udara lembab. Makin tinggi dari muka bumi, makin rendah tekanan dan temperaturnya. Uap

air mengkondensasi menjadi titik air, dan membentuk awan.

Tiga syarat yang harus ada agar awan petir dapat terbentuk adalah:

Up-Draft :udara naik ke atas akibat pemanasan permukaan tanah atau sifat orografis

dari permukaan tanah tersebut.

Aerosol :partikel yang mengambang dan bersifat higroskopis(menyerap air seperti

garam laut) atau partikel industri yang naik bersama up-draft.

8

Udara lembab :udara lembab dibutuhkan untuk membentuk hailstone (Indonesia

memiliki daerah hutan yang cukup luas sehingga memiliki udara yang

cukup lembab).

\

Gambar 1.7 Proses terjadinya Awan CB

Angin keras yang meniup ke atas membawa awan lebih tinggi. Pada ketinggian ±5 km,

membeku menjadi Kristal es yang turun lagi karena adanya gravitasi bumi. Karena tetesan air

mengalami pergeseran horizontal maupun vertikal, maka terjadilah pemisahan muatan listrik.

Tetesan air yang bermuatan positif biasanya berada di bagian atas, dan yang bermuatan

negative di bagian bawah.

Dengan adanya awan yang akan timbul muatan induksi pada muka bumi, hingga timbul

medan medan listrik. Mengingat dimensinya, bumi dianggap rata terhadap awan. Jadi awan

dan bumi dianggap sebagai kedua plat kondensator. Jika medan listrik yang terjadi melebihi

medan tembus udara, maka akan terjadi pelepasan muatan. Pada saat itulah terjadi petir.

Kondisi ketidakmantapan di dalam atmosfer, dapat saja timbul akibat pemisahan tidak seperti

di atas. Misalnya muatan yang berpisah ke arah horizontal, yang kemudian menimbulkan

pelepasan muatan antar dua awan. Atau pemisahan muatan vertikal tersebut terjadi

sebaliknya, hingga arah discharge muatan atau petir juga terbalik.

9

Adapun tipe-tipe petir yaitu:

1. Cloud to cloud discharge

Petir terjadi dari suatu awan CB ke awan lainnya.

2. Cloud to ground flash

Petir terjadi dari suatu awan CB ke tanah.

3. Intracloud discharge

Sambaran petir terjadi di dalam suatu awan CB

4. Cloud to air discharge

Petir terjadi antara awan CB ke udara (tidak sampai ke tanah ataupun awan lainnya).

Fenomena ini umumnya terjadi di daerah gurun karena kurangnya udara lembab.

Dari tipe-tipe di atas, jika diklasifikasikan berdasarkan pelepasan muatannya, petir cloud to

ground flash dapat dikelompokkan lagi menjadi:

a. Negative cloud-to-ground (downward negative leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan negatif dari awan ke tanah.

b. Positive ground-to-cloud (upward positive leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan positif dari tanah ke awan.

c. Positive cloud-to-ground (downward positive leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan positif dari awan ke tanah.

d. Negative ground-to-cloud (upward negative leader)Pada petir jenis ini terjadi pelepasan muatan negatif dari tanah ke awan.

10

Gambar 1.8 Ilustrasi Beberapa Tipe Petir

Pada tanah datar seringkali terjadi downward leader. Sedangkan untuk struktur tinggi

seringkali terjadi upward leader karena memicu petir dari tanah ke awan diakibatkan medan

yang kuat.

1.2.2 Tahapan Sambaran Petir ke Tanah

Pada saat gradient listrik di awan melebihi harga tembus udara yang terionisasi, terjadilah

pilotstreamer, yang menenetukan arah perambatan muatan dari awan ke udara yang

ionisasinya rendah. Diikuti dengan titik cahaya.

11

Setiap sambaran petir bermula sebagai suatu lidah petir (stepped leader) yang bergerak turun

(down leader), dari awan bermuatan. Kemudian gerakan pilot streamer yang diikuti dengan

lompatan-lompatan titik-titik cahaya yang dinamakan step leader. Arah setiap langkah step

leader berubah-ubah, sehingga secara keseluruhan jalannya tidak lurus dan patah-patah.

Menurut hipotesa Wagner dan Hileman, step leader terdiri dari dua bagian yaitu suatu inti

tipis berdaya hantar tinggi, disebut kanal dan dikelilingi oleh suatu muatan ruang negative,

disebut korona.

Gambar 1.9 Model Stepped Leader dari Wagner dan Hileman

Gradien tegangan di dalam selubung korona mempunyai karakteristik suatu pelepasan

muatan korona, temperaturnya rendah, tertembusi oleh banyak alur.

12

Jika suatu saat ujung kanal mencapai suatu titik maksimum dalam perambatannya berupa

suatu lompatan, selubung korona akan mendahului terbentuknya pada bagian depan ujung

kanal. Bila pembentukan selubung korona konsentrasi energy pada ujung kanal mencapai

harga kritis atau jika arus pada salah satu alur korona mencapai harga kritis (sekitar 1A),

maka akan terjadi perambatan kanal. Kecepatan tinggi perambatan kanal dapat diterangkan

sebagai terinduksinya muatan dengan cepat pada ujung kanal. Gejala ini berulang terus pada

step leader dari awan ke permukaan bumi.

Bila kanal lidah lompat dari komponen pertama petir telah dekat ke permukaan bumi, maka

dengan proses yang sama dari bumi akan terbentuk pula kanal muatan positif, menuju ke

awan sebagai akibat beda potensial yang tinggi. Kanal muatan positif ini akan bertemu

dengan ujung stepped leader di atas permukaan bumi.

Pada suatu itu sambaran balik (return stroke) yang bercahaya sangat terang bergerak dari

bumi ke awan melalui jalan yang sama dengan turunnya step leader tersebut. Sambaran balik

adalah aliran muatan positif dari bumi ke suatu pusat muatan di awan.

Ciri-ciri lidah sambaran petir yang kedua adalah tidak adanya percabangan, disebut sebagai

lidah panah (dart leader) setelah lidah panah mencapai bumi, suatu sambaran balik bergerak

cepat menuju ke awan seperti sambaran balik yang pertama. Dengan dilepaskannya muatan

listrik dari pusat muatan kedua, terbentuklah lidah petir pada saat muatan ketiga dengan

proses yang sama terulang kembali. Pada umumnya hampir separuh sambaran petir

merupakan sambaran ganda seperti yang disebutkan di atas.

13

Gambar 1.10 Tahap Sambaran Petir ke Tanah

Petir akan lebih memilih menyabar di tempat yang memiliki kerapatan medan tinggi (karena

memiliki tegangan tembus yang lebih rendah). Kerapatan medan yang tinggi pada petir dapat

terjadi karena inhomogenitas dari medan listrik yang ditimbulkan akibat ketidakrataan

permukaan bumi (misal ada bangunan).

14

Gambar 1.11 Garis medan di laut

Gambar 1.12 Garis medan di daratan

15

1.2.3 Karakteristik Terpa Arus Petir

1.2.3.1 Pengaruh Polaritas Awan

Bagian dasar awan kebanyakan bermuatan negative, tetapi dapat juga bermuatan postif.

Polaritas ini berpengaruh pada besar arus disamping arahnya.

Gambar 1.13 Tipe-Tipe Arus Sambaran

Dibawah awan positif arus sambaran perintis berkisar Antara 1000-3000 A di bawah awan

negative berkisar 50 – 300A. Tetapi sambaran balik berkisar 8 – 150 kA di bawah awan

negative dan sampai 300 kA di bawah awan positif.

1.2.3.2 Bentuk Arus Petir

K. Berger telah melakukan pengamatan dan pegukuran terhadap arus petir, yang dijelaskan

pada gambar di bawah ini:

16

Gambar 1.14 Osilogram Arus Petir Negarif

Gambar 1.15 Osilogram Arus Petir Positif

1.2.3.3 Parameter Petir

Parameter ini berguna dalam studi efek perusakan akibat sambaran petir, dan kemungkinan

pemanfaatannya.

1. Arus pujcak, menentukan drop tegangan resistif, misal pada tahanan pentanahan.

2. Kecuraman kenaikan arus (di/dt), menentukan tegangan jatuh induktif, misal pada

konduktor, rangkaian terkopling magnetis.

17

3. Muatan arus ( , merupakan ukuran energi arus petir sebagai arus

loncat petir ke logam. Di daerah tropis, impuls petir yang terjadi lebih panjang. Hal

ini dapat merusak material secara fisik (bisa melumerkan material).

4. Integral kuadrat arus , merupakan dasar efek mekanik dan panas

impuls listrik pada resistor. Gaya impuls dapat menghancurkan beda ataupun objek

yang disambar.

Gambar 1.16 Parameter Petir

Contoh pengaruh induktansi dari sambaran petir:

Kenapa komputer pada lantai atas gedung bertingkat dapat rusak akibat petir yang

menyambar gedung?

18

Gambar 1.17 Ilustrasi Gelombang EM dari Sambaran Petir

Petir yang menyambar di atas gedung dan dialirkan ke ground akan memancarkan gelombang

elektromagnetik selama perjalanannya. Gelombang EM tersebut akan mempengaruhi saluran

instalasi perkabelan menuju komputer di dalam gedung.

BC 50 mm2 L = 1 μH/m

Tower L = 1 μH/m

Kabel 0.5-0.037 μH/m

Bila diketahui sebuah penangkal petir dengan jenis BC 50 mm2 disambar arus petir 40 kA

dengan nilai resistansi R=5Ω tinggi tower 60m dan dengan kerapatan arus 30 A/μs . m.

Didapat

. 30 = 200+1800=2000kV

Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa percuma untuk meng-0 kan netral karena nilai

tegangannya masih besar. Yang akan berpengaruh besar adalah nilai L. Karena itu lebih baik

digunakan kabel misal

a. N2XSY 1x50 mm2 20 kV yang memiliki L=0.5 μH/m

b. Ericone 1x50 mm2 (double shielded) yang memiliki L = 0.037 μH/m

19

1.2.3.4 Karakteristik Petir

Jika dibuat dalam poin-poin penting, beberapa karaktersitik petir yang dapat disimpulkan:

o Upetir : 100MV

o Ipetir : 200.000 A

o Suhu kanal petir : 10.000oC

o Ciri fisik badan yang terkena petir akan menjadi lebam (biru-biru).

o Petir dapat berjalan horizontal

o Menyambar dimana saja, setiap detik di permukaan bumi terjadi ribuan sambaran ke

tanah dan sambaran itu dapat berasal dari lebih 15 km jaraknya dari awan petir.

o Sambaran petir awan ke awan lebih banyak dibandingkan sambaran ke tanah

o Hari guruh maksimum :

o Eropa : 30

o Amerika : 100

o Jepang : 80

o Korea : 80

o Australia : 20

o Indonesia : 300 (bogor tertinggi di dunia)

1.2.4 Mekanisme Sambaran Petir

1.2.4.1 Pengaruh Bentuk Permukaan Bumi

Petir lebih cenderung menyambar tempat-tempat yang tinggi di permukaan bumi. Hal ini

karena kuat medan disekitar ujung atau puncak bangunan tersebut lebih rapat, dan sifat dari

muatan akan cenderung mengumpul pada puncak atau ujung dari bagian yang runcing, begitu

pula tepian-tepian runcing bangunan.

Bukan tidak mungkin pula sebuah bangunan yang tinggi tidak disambar petir pada

puncaknya, tetapi pada dasarnya ataupun tengahnya. Hal ini disebabkan oleh adanya

lompatan dari stepped leader.

1.2.4.2 Pengaruh Resistifitas

Arus Petir akan didischarge ke bumi dengan jalan yang paling konduktif atau paling kecil

resistifitasnya.

20

1.2.4.3 Efek Kedekatan dengan Konduktor Pentanahan

Saat konduktor penangkal petir dilalui arus sambar petir, sangatlah mungkin orang ataupun

bangunana disekitarnya akan diloncati oleh arus sambar tersebut.

1.2.4.4 Kepadatan Sambaran Petir

Dalam perencanaan pengamatan terhadap sambaran petir, angka kepadatan (frekuensi) harus

ditinjau dulu, untuk menentukan mutu pengamatan yang akan dipasang. Hal ini dapat

diketahui dengan mempergunakan peta hari guruh pertahun (Isokeraunic level). Kemudian

mencari harga korelasinya dengan kepadatan sambaran petir ke tanah.

Untuk menentukan kepadatan sambaran petir dapat diperoleh dari hubungan empiris sebagai

berikut.

Sambaran/km2/tahun

Sambaran/km2/tahun (sirait, 1982)

Sambaran/km2/tahun

Dimana P = jumlah curah hujan /tahun, mm

Jumlah sambaran petir ke tanah hanya ±25% dari seluruh pelepasan muatan yang terjadi di

alam.

Semakin besar harga kepadatan sambaran petir pada suatu daerah, maka kegagalan

perlindungan dari saluran transmisi atau gardu induk akan semakin besar.

Sambaran petir ke tanha saat ini diukur dengan Lightning Location System menggunakan

teknologi satelit, sehingga akurasi menjadi sangat baik, Indonesia saat ini dapat

memnafaatkan Jringan Deteksi Petir Nasional (JADPEN) sejak tahun 1995.

1.2.4.5 Radius Sambar Petir

Untuk daerah tropis

21

Untuk daerah sub-tropis (berdasar IEC 62305/2006)

di mana i adalah nilai arus dalam satuan kilo Ampere.

Gambar 1.18 Ilustrasi Radius Sambar Petir

1.2.4.6 Jarak dan Kecepatan Petir

Jarak terjadinya petir:

di mana t adalah waktu dalam satuan detik.

22

Gambar 1.19 Ilustrasi Penghitungan Jarak Terjadinya Petir

Lidah petir akan turun ke tanah bila kuat medan cukup.

Gambar 1.20 Ilustrasi Stepped Leader dan Return Stroke

Kecepatan rambat petir dari awan :

kecepatan rambat petir return stroke :

di mana c adalah kecepatan cahaya = 3x108 m/s

1.2.5 Peralatan Pemantau Petir

Lightning Warning System :

o Field Mill

o Thunderstorm Sensor

Lightning Location System :

o Location Techniques :

1. Time of Arrival (TOA)

Indonesia memiliki LPATS (Lightning Position and Tracking System)

yang bisa memantau T.O.A (Time of Arrival) dari petir. TOA

menggunakan bebrapa sensor yang dipasang pada lokasi-lokasi

23

tertentu. Dengan mengetahui perbedaan waktu deteksi dari masing-

masing sensor maka lokasi petir dapat diketahui.

Gambar 1.21 Ilustrasi Sistem TOA

2. Radio Goniometry : Magnetic Direction Finding (DF)

3. IMPACT Technology : Gabungan antara DF dan TOA

4. Interferometry

o Description of System :

1. Long Range Detection Networks

2. VLF/LF Location Networks

3. Global Lightning Detection Networks

o Observation Satelites :

1. Optical Detection

2. Other Satelites

1.2.6 Potensi Petir di Daerah Tropis

Petir di daerah tropis seperti di Indonesia berbeda dengan di daerah subtropis, dan kemungkinan terjadinya tergantung pada keadaan setiap hari dan tahun. Keaadan ini digambarkan pada Gambar 1 dan 2 sebagai pengamatan di Gunung Tagkuban Perahu yang menunjukkan kemungkinan terjadinya sambaran petir harian/stroke frequency statistics dan variasi bulanan/monthly variant.

24

Gambar 1.22 Sumber Gambar Sambaran Petir Harian[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]

Dan terbentuknya awan guntur terjadi akibat adanya gerakan udara ke atas, adanya kelembapan dan tersedianya partikel aerosol dari garam laut dan polutan industri.

Gambar 1.23 Sumber Gambar Data Variasi Bulanan di Daerah Tropis[Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]

Gerakan udara ke atas dapat terjadi karena pemanasan permukaan tanah oleh matahari dan atau keadaan permukaan tanah yang bergunung-gunung. Udara naik akan membawa partikel aerosol dan kelembapan. Pada ketinggian 4-6 km dengan tempeartur 0 sampai -100C, terbentuk cairan dan batu es. Semakin ke atas gerakan udara naik ini, semakin besar butiran es, dan karena gaya beratnya akan jatuh kembali ke tanah. Benturan gerakan udara naik dan jatuhnya butiran es menyebabkan terjadinya pemisahan muatan. Muatan positif terkumpul di bagian atas dan muatan negatif di bagian bawah. Jika muatan cukup besar maka akan terjadi loncatan muatan ke tanah yang disebut petir. Suatu badai petir selama pelepasan muatan akan mengalirkan arus sekitar 0.5A.

25

Gambar 1.23 Sumber Gambar Pembentukan Muatan Awan Petir[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]

Dan awan bermuatan akan tumbuh ke atas mencapai 10-14 km untuk daerah tropis dengan ketinggian awan 1.5-2 km di atas tanah. Setelah pelepasan muatan, akan terjadi lagi pengumpulan muatan di awan, dan dalam waktu 10-20 detik, petir berikutnya akan terjadi. Jika awan guntur terbentuk, terjadi kuat medan listrik di atmosfer, dengan besar 1 V/cm di atas tanah, 0.02 V/cm pada ketinggian 9 km dan 10 V/cm di dalam awan tanpa adanya pelepasan muatan. Pada saat terjadi sambara petir, kuat medan listrik bisa mencapai 4 kV/cm. Petir mempunyai frekuesni antara 106 sampai 107 Hz, sehingga dapat menggangu radio dan alat komunikasi.

Hari guntur ditentukan oleh jumlah hari dimana guntur terdengar dan jika dalam satu hari terdengar guntur berkali-kali maka disebut satu kilometer guntur. Teknologi pemantauan petir yang lebih maju telah mengukur jumlah sambaran petir 1 km2 per hari, sehingga tingkat kerapatan petir (NT) pada suatu daerah dapat diketahui.

26

Gambar 1.24 Sumber Gambar Kerapatan Sambaran Petir Jawa Barat[Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro]

Gambar 1.25 Sumber Gambar Oscillogram Petir Positif dan Negatif[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro

Sebagai perbandingan, jumlah sambaran petir di Eropa(Alpen) +-4 sambaran/km2/tahun. Sedangkan untuk jumlah sambaran petir di Indonesia(Gn. Tangkuban Perahu) +-10

27

sambaran/km2/tahun. Sambaran petir berupa arus petir dengan bentuk gelombang impuls, dengan waktu muka gelombang 1-10µs dan ekor gelombang 50-100µs dengan arus petir dari 100 sampai 100 kA. Sambaran petir negatif dapat terjadi berkali-kali(multiple stroke) dan sambaran positif biasanya berupa hugh stroke.

Gambar 1.26 Sumber Gambar Statistik Arus Puncak Petir, Switzerland-Indonesia[ Potensi Petir Sebagai Energi Baru-Reynaldo Zoro

1.2.7 Fungsi Petir

Efek dari petir tidak semua buruk. Petir sendiri memiliki fungsi yang sangat berguna untuk

keseimbangan alam. Beberapa manfaat dari petir adalah:

1. Menghasilkan nitrat

Nitrat berfungsi untuk kesuburan tanaman.

2. Menghasilkan ozon

Ozon berfungsi untuk melindungi dari ultraviolet.

28

1.3 Tegangan Lebih SementaraTegangan lebih jenis ini umumnya teredam lemah, dan berhubungan erat dengan tegangan

lebih switching.

Terdapat tiga macam jenis dari tegangan ini:

1. Tegangan lebih sementara dengan frekuensi dekat atau sama dengan frekuensi kerja

50Hz. Hal ini disebabkan oleh:

a. Ground fault.

Pada sistem yang titik netralnya tidak ditanahkan dan pada sistem dengan titik

netral ditanahkan melalui inductor, maka pada saat gangguan tanah akan akan

terjadi kenaikan tegangan pada fasa yang sehat. Karena ini akan menyebabkan

terjadinya transien, maka akan terjadi tegangan yang bisa mencapai harga

maksimum sebesar .

Pada sistem dengan titik bintang ditanahkan maka impedansi urutan nol

mempunyai pengaruh yang sangat besar pada tegangan lebih di frekuensi

normal. Fenomena yang terjadi adalah penurunan tegangan sehingga terjadi

kenaikan arus hubung singkat.

Suatu sistem dapat dinyatakan memiliki konfigurasi pentanahan langsung jika

tegangan fasa sehat ke tanah pada saat gangguan satu fasa ke tanah

mempunyai harga 0,8 kali dari tegangan fasa ke fasa.

b. Pelepasan beban tiba-tiba (load restriction).

Pada kondisi normal, beban di supply oleh generator, dan saat terjadi

pelepasan beban tiba-tiba maka tegangan pada generator dan trafo akan naik

sesuai dengan batas penguatan dari generator. Fenomena pelepasan beban ini

menyebabkan terjadinya tegangan lebih transien.

29

Gambar 1.27 Pelepasan Beban Tiba-Tiba

c. Efek Ferranti pada penghantar panjang yang terbuka (Ferranti Effect).

Efek Ferranti akan terjadi jika ada pelepasan beban pada ujung hantaran yang

panjang. Pelepasan beban pada umumnya memiliki harga δ=1,4. Harga ini

akan menjadi lebih besar jika diikuti oleh gangguan tanah.

Gambar 1.28 Pelepasan Beban dengan δ=1,4

d. Self-excitation.

30

2. Tegangan lebih sementara dengan frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi kerja.

Kejadian tegangan lebih jenis ini jarang terjadi, tetapi tidak menutup kemungkinanan

akan terjadi. Beberapa contoh tegangan lebih ini adalah:

a. Penutupan/pembukaan trafo yang tidak bersamaan

Gambar 1.29 Penutupan/Pembukaan Trafo yang Tidak Bersamaan

Resonansi akan terjadi jika:

31

b. Hubungan kabel tanpa beban

Gambar 1.30 Hubungan Kabel Tanpa Beban

Resonansi seri akan terjadi jika:

3. Tegangan lebih sementara dengan frekuensi di bawah frekuensi kerja

Fenomena ini umumnya terjadi pada sistem yang dikompensir dan tidak terlalu

berbahaya.

Walaupun memiliki amplitude kecil, pengaruh yang ditimbulkan oleh tegangan ini

adalah:

1. Karena berlangsung lama, tegangan ini menentukan tingkat isolasi luar dan dalam.

Terutama kekuatan isolasi peralatan terhadap pengotoran permukaan.

2. Karena tegangan lebih ini timbul akibat tegangan lebih hubung dan petir dengan

amplitude tinggi, maka hal ini menjadi berbahaya bagi arrester. Jika tegangan

lebih ini lebih tinggi dari tegangan sisa arrester, akan terjadi kemungkinan

penyalaan bunga api pada arrester, sehingga timbul pembebanan thermis yang

berlebihan.

32

1.4 Tegangan Lebih Hubung

Biaya instalasi dan peralatan pada tegangan tinggi dan ekstra tinggi sangat ditentukan oleh

biaya isolasinya. Tegangan lebih hubung harus ditekan serendah mungkin agar biaya dapat

ditekan.

1.4.1 Sumber-Sumber Tegangan Lebih Hubung

Setiap terjadi perubahan posisi dari saklar penghubung, setiap perubahan tiba-tiba dari

parameter listrik dalam sistem dan setiap gangguan yang terjadi akan menimbulkan proses

transien dalam sistem. Kemungkinan-kemungkinan ini dapat terjadi karena:

1. Penutupan saklar pada hantaran panjang yang terbuka (line energization)

Gambar 1.31 Penutupan Saklar Pada Hantaran Panjang yang Terbuka

2. Penutupan kebali saklar pada hantaran yang terbuka (reclosing = energization of a line

with trapped charge)

Gambar 1.32 Penutupan Kembali pada Hantaran yang Terbuka

3. Penutupan kembali sisi tegangan rendah (Low voltage side energization of a line)

33

Gambar 1.33 Penutupan Kembali Sisi Tegangan Rendah

4. Penutupan saklar pada transmisis dengan trafo tanpa beban

Gambar 1.34 Penutupan Saklar pada Transmisis dengan Trafo Tanpa Beban

5. Pelepasan beban tiba-tiba pada ujung hantaran

Gambar 1.35 Pelepasan Beban Tiba-TIba pada Ujung Hantaran

6. Pelepasan beban tiba-tiba pada ujung hantaran yang diikuti dengan pelepasan beban

pada ujung pengirim

34

Gambar 1.36 Pelepasan Beban Tiba-Tiba di Ujung Hantaran yang Diikuti dengan

Pelepasan Beban pada Ujung Pengirim

7. Pembukaan hantaran tanpa beban

Gambar 1.37 Pembukaan Hantaran Tanpa Beban

8. Pelepasan trafo yang berbeban kosong

Gambar 1.38 Pelepasan Trafo yang Berbeban Kosong

9. Pelepasan beban induktif dari trafo gulungan tersier

35

Gambar 1.39 Pelepasan Beban Induktif dari Trafo Gulungan Tersier

10. Pelepasan reactor kompensasi

Gambar 1.40 Pelepasan Reaktor Kompensasi

11. Pelepasan pada gardu Antara

Gambar 1.41 Pelepasan pada Gardu Antara

12. Gangguan satu fasa ke tanah tanpa pembukaan pemutus

36

Gambar 1.42 Gangguan Satu Fasa ke Tanah Tanpa Pembukaan Pemutus

Operasi saklar pada transmisi yang panjang dapat menimbulkan tegangan yang sangat tinggi,

sedangkan transmisi-transmisi tegangan tinggi dan ekstra tinggi umumnya digunakan untuk

menyalurkan daya untuk jarak yang jauh, oleh karena itu tegangan lebih hubung dengan

semua akibat yang ditimbulkan akan lebih diperhatikan pada transmisi tegangan tinggi, ekstra

tinggi dan ultra tinggi.

1.5 Petir pada Masyarakat ModernLatar Belakang:

o Indonesia berada di jalur khatulistiwa. Dimana memiliki thunder storm days 100-200

pertahun yang diukur oleh BMKG di lebih dari 160 stasiun pengamatan. Hasil

pengukuran dipetakan pada IKL atau Isokeraunic map.

o Teknologi semakin canggih dimana digunakan komponen elektronik dan

mikroprosesor yang memiliki tingkat isolasi rendah sehingga sangat sensitif terhadap

PEDP (Pulse Electromagnetic dari Petir) atau LEMP (Lightning Electromagnetic

Pulse)

o Karakteristik petir di Indonesia yang merupakan negara di daerah tropis yang berbeda

dengan karakteristik petirdi daerah sub tropis.

o Kurangnya informasi tentang bahaya petir sehingga kurangnya awareness terhadap

hal ini.

o Banyak terdapat instalasi-instalasi penting dan berbahaya yang menjadi easy target

bagi petir.

Petir yang dihasilkan oleh awan CB merupakan hambatan bagi manusia untuk

melakukan fungsi produksinya membangun infrastruktur. Petir ini dapat menyebabkan

37

bencana yang sifatnya merusak (single simultaneous & panic catastrophe seperti pada

bencana petir terbesar di Cilacap pada tahun 1995).

1.43 Petir di Masyarakat Modern

Pencegahan terhadap kerusakan yang ditimbulkan petir dapat dilakukan dengan memahami

karakteristik petir yang diantaranya melalui :

a. Lightning protection system (baik dari sisi internal maupun eksternal).

b. Lightning detection system (baik pada real time maupun historical).

Adapun ancaman yang ditimbulkan petir dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok

yaitu ancaman akibat sambaran langsung (menimbulkan kerusakan dan struktur yang hancur,

ledakan, kebakaran dan kematian) dan sambaran tidak langsung (menimbulkan induksi

elektromagnetik, elevasi tegangan dan sebagainya).

38

BAB 2 Gelombang Berjalan

2.1 PendahuluanFenomena gelombang berjalan adalah salah satu kejadian yang sangat umum kita temui di

kehidupan sehari-hari. Contohnya terdekatnya adalah gelombang yang berjalan yang muncul

pada air saat kita melempar batu ke air.

Gambar 2.1 Gelombang Berjalan di Permukaan Air

Fenomena gelombang berjalan ini juga terjadi saat sambaran petir terjadi, sambaran itu dapat

mengenai kabel tanah, kabel fasa, menara transmisi dan sebagainya.

Gambar 2.2 Fenomena Petir Menyambar Kabel Fasa

Saat petir menyambar satu kabel fasa atau satu kabel tanah, maka fenomena

gelombang berjalan membagi dua gelombang petir dimana gelombang tersebut berajalan ke

arah kiri dan kanan. Masing-masing gelombang memiliki magnitude arus setengah kali dari

magnitude arus sambaran (karena terbagi dua). Jika Petir menyambar menara transmisi yang

39

memiliki kabel tanah, maka gelombang arus petir akan terbagi tiga dimana dua gelombang

mengalir ke kiri dan kanan di kabel tanah, dan satu gelombang mengalir menuju ground

melalui menara transmisi. Ilustrasi yanglebih jelas dapat di lihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Ilustrasi Gelombang Berjalan dari Sambaran Petir

Fenomena gelombang berjalan ini akan berkaitan erat dengan karakteristik dari saluran

yang dilewatinya. Didasari dari hal ini nantinya akan dikenal istilah koefisien refraksi (ρ)

yang menunjukkan gelombang yang diteruskan dan koefisien refleksi (β) yang menunjukkan

gelombang yang diteruskan. Faktor-faktor yang mempengaruhi karaktersitik gelombang

berjalan akibat samabran petir adalah adanya perubahan karakteristik dari:

R (Untuk R>Zp, R=Zp, dan R<Zp), Zp : Zphase pada kabel,

L,

C,

Kondisi CB (terbuka atau tidak), dsb.

40

2.2 Rangkaian pengganti Suatu Hantaran Transmisi

R Δx = elemen tahanan seri dari sistem dengan panjang Δx

L Δx = elemen induktansi seri

G Δx = Konduktansi Shunt ( merupakan arus bocor antara satu konduktor dengan konduktor

lainnya)

C Δx = kapasitas shunt

Hantaran dianggap sebagai hantaran tanpa rugi-rugi dimana R= 0 dan G = 0. Pada

hantaran ini gelombang merambat tanpa adanya distorsi. Rugi-rugi yang akan mengganggu

gelombang berjalan yaitu rugi-rugi tembaga, rugi-rugi dialectric dan rugi-rugi korona.

41

2.3 Persamaan Differensial untuk Saluran yang Uniform

Harga U dan I merupakan harga tegangan dan arus sesaat yang mengalir dalam

sistem. Arus dan tegangan ini merupakan fungsi tempat dan waktu.

Dengan menggunakan Hukum Kirchoff untuk tegangan pada loop a-b-c-d, maka

didapatkan

Dengan mengabaikan differensial tingkat dua maka diperoleh :

Jika maka didapatkan

42

Dengan menggunakan Hukum Kirchoff untuk arus diperoleh :

Jika maka didapatkan

Persamaan dan merupakan persamaan differensial simultan yang harga u dan

i nya dapat dicari

didiferensialkan terhadap

didiferensialkan terhadap

:

Jadi

43

Dengan cara mengeliminasi u ke dalam i diperoleh :

Persamaan dan disebut juga Persamaan Telegraphic.

Hantaran dianggap sebagai hantaran tanpa rugi-rugi dimana harga dan .

Pada hantaran ini gelombang merambat tanpa adanya distorsi. Pada keadaan sebenarnya

rugi-rugi ini tetap ada sehingga akan meredam atau menganggu gelombang berjalan.

Rugi-rugi ini diantaranya adalah rugi-rugi tembaga, rugi-rugi dielectric, dan rugi-rugi

korona. Surja petir sebagai contoh akan diredam oleh korona hingga separuh harga

tegangan awalnya setelah gelombang petir ini berjalan hanya beberapa kilometer.

Pengambilan harga dan ini dapat dianggap cukup baik untuk analisa dan

lebih sederhana jika rugi-rugi sangat kecil dibandingkan dengan energi yang disalurkan

hantaran.

Persamaan dan dengan dan akan menjadi sebagai berikut :

Kedua persamaan ini merupakan persamaan gelombang tegangan dan arus yang

merambat ke arah muka dan belakang dengan kecepatan

Gelombang yang merambat ke depan didefinisikan sebagai

44

atau

Gelombang yang merambat ke belakang

atau

Dimana

Buktikan : bahwa merupakan solusi persamaan atau

Bukti : Ambil

Sehingga dapat dinilai sebagai

Diferensiasi terhadap

dari

Jadi :

45

Ambil turunan kedua dari ; maka diperoleh

didiferensiasikan terhadap

Turunan kedua dari

Sehingga diperoleh dari dan :

Jadi terbukti bahwa adalah solusi dari persamaan .

Dengan cara yang sama dapat dibuktikan bahwa :

adalah solusi dari persamaan .

Persamaan diferensial adalah linier maka jumlah dari dua solusi tetap solusi.

Karena pada setiap saat (tempat dan waktu) gelombang datang dan gelombang pantul

akan bersuperposisi.

Maka solusi lengkap untuk tegangan pada hantaran tanpa rugi-rugi adalah :

46

atau

menyatakan gelombang datang, yaitu gelombang berjalan menuju

harga yang semakin besar.

menyatakan gelombang mundur/pantul.

Buktikan :

Bukti : (a)

(b) Lihat buku Prof. Boeck :

merupakan gelombang superposisi

47

Karena arus juga merupakan persamaan Telegraphic, maka solusi yang sama berlaku

juga untuk arus.

dari persamaan

Buktikan : bahwa

Jadi :

48

disebut sebagai impedansi terpa atau .

Karena pada hantaran tanpa rugi-rugi harga adalah murni tahanan disebut juga

sebagai .

Jadi dari diperoleh

Dimana

Gambar :

49

2.4 Impedansi Terpa/Surja(i) Hantaran dua kawat dengan udara sebagai dielectric

dimana:

D = jarakantara 2 konduktor

R = radius dari konduktor

(ii) Hantaran Coaxial

dimana:

50

Umumnya :

Detail dari impedansi terpa hantaran udara adalah:

20kV → 200-250 Ω

20kV → 250-300 Ω

20kV → 300-350 Ω

20kV → 350-400 Ω

20kV → 400-450 Ω

51

2.5 Kecepatan Rambat Gelombang

Hantaran udara : V =

Kabel :

2.6 Pemantulan pada Beban TahananJika gelombang tegangan atau arus menemui dikontinuitas pada hamparan (perubahan

impendansi hantaran) seperti :

-ujung dari suatu hantaran

-perubahan tiba-tiba dari impedansi terpa

-pencabangan

Maka gelombang seluhruhnya atau sebagian akan dipantulkan

52

Misalkan pada ujung suatu transmisi ditutup oleh tahanan

Pada setiap harga x:

Pada x = L :

Pada beban :

Dari persamaan dan diperoleh :

53

Dimana :

Dari hasil perhitungan diperoleh kesimpulan sebagai berikut :

Refleksi Pada Hantaran Yang Terhubung Singkat

54

Pada suatu hantaran yang ujungnya dihubung singkat,gelombang pantulnya akan

berharga negative dari gelombang datang sehingga superposisinya menjadi nol.Sedangkan

arus pantul akan berharga positif dari gelombang datang sehingga superposisinya menjadi

dua kalinya. Penjelasannya sebagai berikut:

Saat geombang datang meluncur,terdapat 2 besaran di dalamnya yaitu tegangan dan arus

yang tergantung satu sama lain dengan rumus

Di dalam sistem terdapat energi yang disimpan dalam bentuk:

Energi medan listrik akibat adanya kapasitansi sistem

Energi medan magnet karena adanya induktansi sistem

Energi ini bergerak dengan kecepatan : , yang nilainya lebih besar dari energy

elektromagnetik.

Jika gelombang dalam perambatannya menjumpai titik hubung singkat,maka medan

listrik akan hilanh karena kapasitansi hantaran melepaskan energi yang disimpannya ke titik

hubung singkat yang membuat bertambah besarnya arus pada hubung singkat. Energi

magnetis ditimbulkan oleh arus pada titik hubung singkat yang bertindak sebagai sumber

yang meluncurkan gelombang pantul.

Refleksi Pada Hantaran Yang Terbuka

RL= ; βL= = =1

Jadi UL’’=UL’; IL’’=IL’;

Maka UL=UL’+UL’’=2UL’ dan IL=IL’+IL’’=0;

Gelombang tegangan pantul mempunyai besar yang sama dengan gelombang datang

sehingga tegangan di titik L menjadi 2 kali. Gelombang arus pantul berlawanan(negatif)

dengan gelombang datang sehingga arus di titik L menjadi nol. Penjelasannya:

55

Saat gelombang mencapai titik yang terbuka, arus menjadi nol sehingga medan magnet

hilang dan membangkitkan EMF. Dengan demikian tegangan pada titik yang terbuka

berharga dua kali dari gelombang datang.

Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban RL=ΓO

βL= =0

maka UL’’=0; dan IL’’=0;

Dalam hal ini tidak terjadi pantulan gelombang karena hantaran

mempunyai karakteristik yang sama dengan beban shingga secara listrik

impedansinya sama dan tak ada diskontinuitas.

Jika ,maka bagian gelombang yang dipantulkan merupakan reversal dari arus

saja.

Jika maka bagian gelombang yang dipantulkan merupakan reversal dari

tegangan saja. Reversal adalah pemantulan.

56

2.7 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban Induktansi

Ambil p=d/dt

UL=L. =L.p.IL

UL=UL’+UL’’

UL’+UL’’=L.p( - )

Jika gelombang datang adalah gelombang dengan muka segiempat dengan harga

UL’=U,maka d/dt . UL’=0 dan persamaan diatas menjadi:

Maka

Diperoleh ln(

57

Bentuk logaritma ini diubah ke bentuk eksponensial dengan mengambil K sebagai

konstanta eksponensial yang berisi konstanta integrasi,maka:

Koefisien K harus dicari batas syarat yang menghubungkan UL’’ dan t.Saat gelombang

datang,induktansi L belum bisa melalukan arus,maka gelombang akan dipantulkan

sepenuhnya.Tegangan pantul sama besarnya dengan tegangan gelombang datang.Maka

persamaan diatas menjadi

UL’’=U(-1+2 )

Gelombang pantul akan berubah dari harga u pada t=0, menjadi –u. Penjelasannya:

Saat gelombang sampai di terminal terdapat tegangan sebesar u.Setelah beberapa saat

arus mulia mengalir melalui L.Arus akan mengalir lebih bebas pada t yang lebih besar

sampai akhirnya seperti terjadi hubungan singkat pada terminal dimana tegangan pada

terminal akan semakin kecil.

Pada terminal:UL=UL’+UL’’=U+ U(-1+2 )= 2

Arusnya: IL= (1- )

2.8 Refleksi Pada Hantaran Dengan Beban KapasitifJika sebuah kapasitor C dipasang pada terminal hantaran, maka pada saat gelombang

datang,terminal akan terhubung singkat, sehingga tegangan pada terminal adalah 0. Besar

arus saat ini adalah 2 kali gelombang arus datang.Jika C telah diisi maka akan timbul

tegangan pada terminal. Pada C yang telah terisi penuh,tegangan akan 2 kali lipat dan arus

menjadi 0.

UL’’=U(1-2

UL=2U(1-

58

IL’=2U/Γ

Jika sebuah gelmbang berjalan yang ditimbulkan oleh sambaran petir menuju ke trafo

daya maka trafo akan lebih bersikap sebagai rangkaian kapasitif. Surja petir mempunyai

muka gelombang yang sangat curam, sehingga dalam waktu yang sangat pendek tidak

memungkinkan arus mengalir pada induktansi yang berharga besar dari gulungan trafo.

Tetapi terdapat kapsitansi antara masing-masing gabungan trafo dan kapasitansi antara

gulungan trafo ke inti besi dan trafo. Hal ini menyebabkan trafo bereaksi sebagai beban

kapastif.

2.9 Rangkaian Trafo Pada Saat Terjadinya Gelombang Berjalan

Rangkaian Pengganti Lengkap

59

Rangkaian Pengganti Untuk Kondisi Awal

Rangkaian Pengganti untuk Kondisi Akhir

2.10 Refleksi Dan Refraksi

60

Pada X=L;

UL=UL’+UL’’

IL=IL’+IL’’

Ρl=Koefisien Refraksi

2.11 Diagram Bewley

Faktor refraksi: ρ=Uk/U’=2

Faktor refleksi: ρ-β=1

61

2.12 Rangkaian Pengganti Gelombang Berjalan pada Satu Titik

UK=U’+U’’

UK = 2U’- . ik

62

Pada beban tahanan :

63

2.13 Refleksi dan Refraksi pada Busbar dengan n CabangJika pada satu titik terdapat n cabang maka 1 cabang merupakan hantaran yang dilalui

gelombang terpa ; (n-1) hantaran merupakan hantaran parallel yang akan dilalui oleh

gelombang refraksi.

64

2.14 Metoda BergeronDari rumus 9 dan 11

Tegangan total : U

Arus total : I

65

Gelombang maju +

Gelombang mundur –

Semua tegangan pada saat gelombang berjalan = contant

Gelombang maju = U = -

Gelombang mundur = U = +

2.15 Contoh SoalContoh 1. Diketahui : Transmisi tegangan tinggi mempunyai panjang 300 km

Γ = 500 Ω

Ujung hantaran dihubung singkat

66

Gelombang datang konstan mempunyai harga 3000 Volt pada

ujung lainnya

Ditanyakan :

a) Gambarkan perubahan tegangan pada setiap titik pada hantaran

b) Hitung besar arus pada titik pengirim (s) setelah 0.004 sekon

Jawab :

Arus :

0 < t <0.001

t = 0.001

0.001<t<0.002

t=0.002 s

67

0.002<t<0.003

t = 0.003

0.003<t<0.004

t = 0.004

Contoh 2 : hantaran kabel

(18 % diteruskan)

68

Contoh 3 : Dua gardu induk dihubungkan dengan sebuah kabel dengan impedansi terpa

60 Ω dan sebuah hantaran udara dengan impedansi terpa 400 Ω. Sebuah terpa sebesar 100 kV

bergerak dari hantaran udara menuju GI yang dihubungkan melalui kabel tanah.

Ditanya : Berapa gelombang arus dan tengangan pantul pada titik sambungan?

Jawab :

A

Tegangan yang diteruskan:

Arus pantul:

Arus yang diteruskan:

(check)

69

Contoh 4 :Suatu hantaran udara A dan C dihubungkan dengan kabel sepanjang B

km.

Impedansi terpa A : 500 Ω

B : 70 Ω

C : 600 Ω

Gelombang terpa dengan amplitudo 20 kV yang panjangnya ~ bergerak dari A

ke C. Tentukan besar tegangan setelah pantulan kedua di C.

Jawab :

Setelah pantulan kedua gelombang di C adalah:

70

Contoh 5 :Sebuah kabel dengan impedansi terpa 100 Ω pada ujungnya disambung pada

dua hantaran udara dengan impedansi masing-masing adalah 600 dan 1000 Ω.

Sebuah gelombang impuls degan muka curam sebesar 2 kV dengan ekor ~

bergerak sepanjang kabel menuju kedua hantaran terbuka tersebut.

Hitung tegangan/arus pada titik sambungan

Jawab :

Pada titik T tegangan adalah U

Gelombang pantul refleksi:

71

72

BAB 3

Perlindungan Terhadap Tegangan Lebih Petir

3.1 Mekanisme Petir

Petir merupakan pelepasan muatan listrik di udara, yang terjadi:

1. Diantara awan-awan,

2. Antara pusat-pusat muatan didalam awan tersebut,

3. Antara awan dan tanah.

Lebih banyak pelepasan muatan (discharge)terjadi antara awan-awan dan di dalam awan itu

sendiri dari pada pelepasan muatan yang terjadi antara awan ke tanah, tetapi petir awan-tanah

ini sendiri sudah cukup besar untuk dapat menyebabkan terjadinya kerusakan pada benda-

benda di permukaan tanah.

Petir merupakan proses alam yang tejadi di atmosfir pada waktu hujan (thunder storm).

Muatan akan terkonsentrasi di dalam awan ataubagian dari awan dan muatan yang

berlawanan akan timbul pada permukaan tanah dibawahnya.

Jika muatan bertambah, beda potensial antara awan dan tanah akan naik, maka kuat medan di

udara pun akan naik. Jika kuat medan ini melebihi kuat medan diantara awan-awan tersebut

maka akan terjadi pelepasan muatan.

Kuat medan yang diperlukan untuk memulai aliran (streamer) adalah EB = 10 – 40 kV/m,

pada awan yang mempunyai ketinggian 1 – 2 km diatas tanah dapat menghasilkan

tegangan100 MV.

73

Pilot leader yang membawa muatan akan mengawali aliran ke tanah sehingga saluran yang

dibuat oleh pilot leader ini menjadi bermuatan dan kuat medan (potential gradient) dari ujung

leader ini sangat tinggi. Selama pusat muatan di awan mampu memberikan muatannya pada

ujung leader lebih besar dari kuat medan udara, maka leader (petir) akan tetap mampu

melanjutkan perjalanannya (lihat gambar P.S.T.I). Jika kuat medan pada ujung leader lebih

kuat dari medan udara, maka petir (leader) akan terhenti dan muatan akan dilepaskan tanpa

pelepasan muatan yang lengkap (tidak ada pukulan ke tanah).

Pelepasan Muatan

74

Pada saat leader mendekati tanah, kuat medan statis pada permukaan tanah akan naik cukup

tinggi untuk menghasilkan aliran ke atas yang pendek menyongsong pilot leader, titik tempat

bertemunya dua aliran yang berbeda muatan ini disebut “striking point” (titik pukul).

Kecepatan naik bisa mencapai kecepatan yang jauh lebih tinggi dari kecepatan pilot leader

(30m/µs).

Jika muatan pada awan telah dilepas ke bumi maka tegangan pada awan tersebut akan turun,

akibatnya mungkin terjadi beda tegangan yang tinggi antara awan ini dengan pusat muatan

lainnya pada awan tersebut. Akibatnya akan terulang kembali pelepasan muatan melalui

kanal yang terbentuk oleh pelepasan muatan pertama,

Peristiwa ini disebut pelepasan muatan berurutan (multiple lighting stroke) yang sering

terjadi di alam.

3.2 Terpa Petir

75

Terpa petir dapat digambarkan sebagai berikut:

Dimana :

t1 berharga 1 ~ 10 µs

t2 berharga 10 ~ 100 µs

Terpa petir umumnya digambarkan sebagai t1/t2

Polaritas petir dalam statistic yaitu petir positif sebesar 14%, petir negative sebesar 80% dan

petir positif/negative sebesar 6%.

Data statsitik petir di India:

25% dibawah 10 kA

86% dibawah 50 kA

11% antara 50 – 100 kA

2% antara 100 – 150 kA

0.5% > 150 kA

Arus petir tertinggi yang pernah diukur adalah 400 kA

Statistik Petir di Eropa:

76

I [kA](di/dt)max

[kA/m]Q = i dt [AS] i2 dt [A2s]

50%Negatif 30 40 7.5 0.055

Positif 35 24 80 0.65

5%Negatif 80 120 40 0.55

Positif 250 32 350 15.0

Arus petir

tertinggi yang

pernah diukur

515 230 400 19.0

3.3 Tegangan Lebih oleh Terpa PetirBahaya tegangan labih yang dapat terjadi pada sistem tenaga (hantaran udara, menara, gardu

induk) dapat berupa:

a. Sambaran langsung.

b. Sambaran tak langsung.

3.3.1 Sambaran Langsung pada Kawat Phasa

Jika hantaran udara tersambar petir, maka tegangan pada titik sambar adalah:

77

Muatan yang dilepas oleh petir pada konduktor akan mengtalir ke dua arah dalam bentuk

gelombang berjalan.

Jika: Î = 30 kA ; ZL = 300 Ω;

Maka

78

3.3.2 Sambaran pada Menara

Sambaran langsung pada menara akan menyebabkan terjadinya kenaikan tegangan yang

dapat menyebabkan terjadinya Back Flash Over.

Îs = arus petir

L = induktansi menara

RE = tahanan kaki menara

l = tinggi menara

Untuk tinggi menara yang normal, maka harga L ≈ 10 µH, jika

R = 10 Ω, Îs =30 kA, di/dt ≈ 10 kA/µs; maka

VM = 30.10 + 10 µH . 10 kA/µs = 400 kV

Jika tegangan sistem 150 kV, maka :

Jadi VM = 520 kV.

79

Jika tegangan terpa petirmelebihi tegangan tembus dari isolator (Flash overvoltage) maka

terjadi back flash over.

Lihat table 10 → FOV dari Disc untuk 150 kV → ± 255 kV sehingga telah telah terjadi back

flash over.

3.3.3 Sambaran pada Menara dengan Kawat Tanah

80

3.3.4 Sambaran Langsung pada Gardu mungkin juga terjadi, yang dapat menyebabkan

kerusakan peralatan sehingga terhentinya pelayanan daya dalam waktu lama. Kemungkinan

sambaran ini dihindarkan dengan melindungi gardu dengan kawat tanah/batang-batang

konduktor dan pentanahan yang baik (<5 Ω).

3.3.5 Sambaran Tidak Langsung, dapat terjadi karena :

Induksi elektromagnetik (arus) akibat terjadinya pelepasan muatan di dekat sistem.

Induksi elektrostatis sebagai akibat adanya awan bermuatan diatas hantaran udara.

81

Muatan yang diinduksikan ke konduktor : Q = C.V; dimana V = E.h

3.4 Perlindungan Terhadap Petir3.4.1 Perlindungan Gardu dan Gardu Induk Terhadap Sambaran Langsung

Umumnya gardu – gardu terdapat di dalam gedung atau lapangan (switch - yard), untuk

melindunginya terhadap sambaran petir diperlukan:

Batang – batang tembaga atau kawat tanah pelindung yang berfungsi untuk menarik

petir atau menerima sambaran petir.

Dalam hal ini biasanya menggunakan bahan metal (tembaga/ aluminium) yang

dipasang langsung diatas atau didekat bangunan dalam bentuk batang tegak lurus

atau kawat tanah pelindung.

Perlindungan dianggap baik jika dari 1000 sambaran ke gardu 999 akan mengenai

pelindung dan 1 akan mengenai peralatan yang dilindungi. Hal ini disebut Proteksi

Sambaran 0.1%. Secara kasar maka proteksi dengan sambaran 0.1% ini dapat

diperoleh dengan cara sebagai berikut:

Satu batang tunggal atau menara membentuk satu kerucut perlindungan dengan

puncak menara pelindung sebagai ujung kerucut dan radius pada permukaan tanah

sebagai alas kerucut yang membentuk sudut 30° dengan vertical.

Atau dengan kata lain kerucut perlindungan harus mempunyai diameter yang kira –

kira sama dengan tinggi dari menara pelindung D≈h.

82

Kawat penghantar atau bagian dari konstruksi dengan impedansi rendah yang

berfungsi menyalurkan pelepasan muatan dari petir ke tanah.

Dalam hal ini diperlukan persyaratan sebagai berikut:

Tahanan yang rendah ( daya hantar dan penampang yang sesuai sambungan –

sambungan hantaran yang baik dan bebas dari korosi).

Reaktansi yang rendah ( dicegah adanya lekukan – lekukan penghantar yang tajam

dan rangkaian – rangkaian tertutup / loops)

Jika penghantar yang digunakan cukup panjang dan membentuk loop maka arus

petir dengan muka yang curam akan menghasilkan tegangan yang tinggi akibat

adanya induktansi.

Misal: di/dt = 10 kA/µsdanL = 0.4µH/m, maka

V= L. (di/dt) = 4000V/m

Jika panjang kawat penghantar 50 m, maka

V = 4000 x 50 = 200kV

Jarak yang cukup dengan benda – benda lain (clearance) yang bersifat mengantarkan

arus listrik untuk mencegah mengalirnya arus melalui benda – benda tersebut ke

tanah.

Perlindungan dari gardu induk dan hantaran udara yang masuk ke gardu terutama

diberikan pada jarak ± 2 km dari gardu untuk membatasi amplitude gelombang yang

datang.

83

Penangkal petir pada gardu tanpa pelindung kawat tanah.

Tahanan tanah yang rendah

Jika perlindungan kawat tanah (overhead ground wires) tidak bias digunakan maka

perlindungan tambahan sambaran langsung terhadap kawat phasa di dekat gardu

induk dapat diperoleh dengan menggunakan Protector tube pada setiap menara.

Perlindungan dari gardu induk hanya dapat dilakukan dengan perlindungan kawat

tanah atau batang tembaga dan tahanan pentanahan yang rendah dari gardu induk itu

sendiri.

84

3.5 Perlindungan Hambatan Udara Terhadap Sambaran LangsungPerlindungan hantaran udara dengan menggunakan kawat tanah merupakan metoda

perlindungan yang cukup efektif terhadap sambaran langsung ke kawat phasa.

Alternative lain dapat juga digunakan yakni hantaran udara tanpa kawat tanah tetapi harus

dilengkapi dengan alat pelindung lain yaitu Protection tubes.

Proteksi dengan Kawat Tanah

Satu atau lebih kawat tanah dapat digunakan untuk perlindungan:

Dalam pemilihan kawat tanah factor mekanisnya lebih diperhatikan daripada factor

elektrisnya. Kawat tanah harus mempunyai ketahanan tarik yang tinggi dan tidak

gampang berkarat

Dari hasil pengetesan laboratorium dan pengalaman lapangan menunjukkan bahwa

sudut perlindungan yang baik adalah:

Proteksi sambaran 0.1% atau sudut perlindungan maksimum 30°

Tahanan pentanahan, isolasi dan jarak bebas (clearance) antara kawat tanah dan kawat

phasa adalah hal – hal yang penting dalam perencanaan transmisi dengan kawat tanah.

Jika suatu tiang transmisi disambar petir pada kawat tanahnya, maka arus akan

mengalir pada menara dan kawat tanah.

Dengan mengalirnya arus I3 di menara, maka akan terjadiperbedaan tegangan sebesar:

85

K adalah faktor kopling, dimana

Sehingga V3 = Vm-V2 = Vm-K.Vm = Vm (1-K)

Dimana :

a = jarak kawat tanah ke kawat fasa

b = jarak kawat tanah ke bayangan kawat fasa

h = tinggi kawat tanah ke tanah

r = jari-jari kawat tanah

V3 = beda tegangan Antara kawat tanah dengan kawat fasa

Jika jarak bebas antar kawat tanah / menara ke kawat phasa terlalu kecil atau sambaran

petir dengan arus cukup besar maka akan terjadi tembus (flashover) antara kawat tanah /

menara ke kawat phasa yang biasa disebut back flashover.

Keuntungan lain dari pemakaian kawat tanah adalah:

Kawat tanah pada batas – batas tertentu akan membentuk tabir elektrostatis (electrostatic

screening) yang dapat menurunkan induksi tegangan pada kawat phasa jika terjadi

pelepasan muatan dari awan disekitarnya.

86

Hasil penelitian Peek :

1. Satu kawat tanah akan mengurangi induksi elektrostatis menjadi ½ dari akibat induksi

tanpa kawat tanah

2. Dua kawat tanah menjadi ⅓ nya

3. Tiga kawat tanah menjadi ¼ nya

Proteksi dengan Alat Bantu

Metoda ini telah menunjukkan keandalan yang cukup tinggi dalam melindungi hantaran

udara terhadap sambaran petir.

Peralatan ini mempunyai bagian yang mengontrol pelepasan muatan dan mematikan

busur api ikutan (follow current)

Alat yang paling terkenal adalah protector tube yang pada dasarnya terdiri dari tabung

fiber dengan dua elektroda diujungnya. Alat ini dipasang pada menara dibawah

konduktor. Elektroda bawah ditanahkan.

Jika terjadi terpa pada hantaran maka sela seri akan short dan bunga api akan membakar

sebagian dinding fiber sehingga timbul gas. Gas netral ini akan menekan bunga api dan

terjadi proses de-ionisasi, akibatnya tidak terjadi penyalaan kembali (restriking) setelah

arus system melalui titik nol pertamanya.

87

3.6 Perlindungan Peralatan Listrik Terhadap Gelombang Berjalan

Penggunaan kawat tanah pada hantaran dan gardu selain memberikan perlindungan yang baik

terhadap sambaran petir juga dapat mengurangi gangguan tegangan lebih yang terjadi akibat

induksi elektromagnetis pada hantaran. Tetapi hal ini belum cukup baik untuk melindungi

peralatan – peralatan dari gelombang berjalan yang masih dapat mencapai gardu dan

menimbulkan kerusakan.

Kerusakan – kerusakan tersebut dapat berupa :

a. Tegangan tembus luar (external flashover), merusak isolator, bagian – bagian

permukaan peralatan.

b. Tegangan tembus dalam (internal flashover) :

1. Merusak isolasi utama dari peralatan ke tanah

2. Merusak isolasi antara bagian – bagian dalam peralatan (isolasi antara

gulungan dari trafo)

c. Tegangan lembus luar dan dalam (internal and external flashover) yang mungkin

terjadi sebagai akibat isolasi yang terjadi dalam peralatan.

Poin a dan b1 disebabkan oleh amplitude dari gelombang

Poin b2 disebabkan oleh kecuraman gelombang dating

Poin c disebabkan oleh gelombang curam dengan ekor gelombang yang panjang.

Dengan demikian maka dipandang perlu penggunaan peralatan pelindung pada gardu untuk

melindungi trafo dan peralatan lain terhadap gelombang berjalan yang mungkin sampai di

gardu.

Singkatnya:

Perlindungan kawat tanah , mencegah system disambar petir sedangkan alat – alat pelindung

di gardu, memberikan perlindungan terhadap gelombang berjalan yang disebabkan oleh petir.

Alat pelindung yang paling umum digunakan adalah penangkap petir (arrester). Alat ini

dihubungkan antara kawat phasa dengan tanah pada gardu, dengan tujuan menyalurkan

tegangan lebih tinggi ke tanah sampai pada batas aman untuk peralatan. Jika sebuah

gelombang mencapai arrester akan terjadi tembus pada tegangan tertentu (UA) dan arus akan

melalui impedansi rendah ke tanah. Jika arus terpa telah lalu dan tegangan kembali normal,

maka impedansi ini harus menjadi besar.

88

F = Sela berlapis

R(i) = Tahanan tergantung arus

UA = Tegangan tembus dari sela = tegangan kerja arrester

Beberapa karakteristik arrester ideal, di antaranya :

1. Tidak bekerja pada tegangan sistem normal.

Tegangan tembus arrester pada frekuensi jala-jala (power frequency breakdown) dibuat lebih

tinggi dari tegangan lebih sempurna (single line to ground fault) yang mungkin terjadi pada

sistem.

2. Mampu mengalirkan arus ke tanah ketika gelombang transien memiliki puncak yang lebih

tinggi dari tegangan tembus/tegangan kerja arrester (UA).

3. Aliran arus terpa ke tanah tidak menyebabkan arrester rusak ataupun tegangan terminal

arrester lebih tinggi dari tegangan sumber.

4. Tidak mengalirkan arus sistem ke tanah (follow current) ketika gangguan telah diatasi.

Tiga jenis penangkap petir yang umum dipakai, di antaranya :

1. Sela batang ( Rod Gap ).

89

Terdiri dari batang elektroda yang diletakkan antara hantaran dan tanah. Merupakan alat

pemotong petir yang paling sederhana di mana harus diperhatikan hal-hal berikut:

- Tegangan tembus sela batang/rod gap diatur 20% lebih rendah dari tegangan tembus

impuls dari isolator.

- Jarak antara sela dan isolator 1/3 jarak sela untuk mencegah bunga api bergerak kea rah

isolator.

- Nilai dari sela batang/rod gap bergantung pada tegangan sistem, yaitu

Tegangan

Sistem (kV)Sela (cm)

33

66

132

275

23

35

65

123

Aplikasi sela batang/rod gap , seringkali digunakan pada :

a. Bushing insulator dari trafo.

b. Isolator tahanan udara, berupa Tanduk api (Arching Horn) atau ring api (Arching Ring).

c. Pemutus Daya (Circuit Breaker).

Kekurangan penggunaan sela batang/rod gap :

1. Tidak berfungsi bila kecuraman muka gelombang datang terlalu besar

2. Tidak bisa memotong arus ikutan (Follow Current).

Bunga api terjadi karena terionisasinya udara antara elektroda batang akibat beda tegangan

yang tinggi. Hal ini menyebabkan berkurangnya kekuatan isolasi pada sela udara.

Contoh : sela yang memiliki kapasitas tahanan hingga 30 kV turun menjadi ±50V dan

menyebabkan arus sistem ikut mengalir ke tanah. Hal ini menyebabkan pemutus daya

(circuit breaker) akan bekerja untuk menghilangkan gangguan. Padahal untuk menutup

CB dibutuhkan waktu yang cukup lama untuk proses de-ionisasi di antara sela setalah

bunga api mati.

3. Tingginya muatan listrik (Q) menyebabkan diperlukannya material-material dengan kekuatan

isolasi yang tinggi. Hal ini dikarenakan sela batang/rod gap dapat meleleh akibat energi panas

dengan temperature tinggi yang dilepas melalui bunga api.

90

4. Karakteristik tembus dari sela batang/rod gap sangat dipengaruhi oleh keadaan alam

(kelembaban, temperature, tekanan, dan lain-lain).

5. Sela batang/rod gap merupakan jenis pemotong petir yang paling sederhana dan juga

dipengaruhi oleh polaritas dari terpa karena itu tidak dapat diandalkan sebagai pelindung

utama terhadap terpa petir pada sistem tenaga listrik. Pada sistem tenaga listrik, prioritas

pelayanan daya dan perlindungan peralatan sangat diutamakan.

Meskipun tidak terlalu bisa diandalkan, sela batang/rod gap tetap digunakan karena harganya yang

relatif murah.

Terdapat beberapa peralatan hasil modifikasi dari sela batang/rod gap, di antaranya :

1. Sela sekring/Fuse gap

Merupakan sela batang/rod gap yang dilengkapi sekring yang terhubung seri untuk

memutus follow current.

Keuntungan : Pemasangan sekring membuat CB tidak perlu membuka.

Kekurangan : Karakteristik tembus masih sama dengan sela batang/rod gap dan diperlukan

perawatan dan penggantian sekring.

2. Sela kontrol/Control gap

Merupakan sela batang/rod gap yang terdiri dari susunan dua buah sela untuk mendekati

karakteristik dari sela bola. Sela bola memiliki karakteristik V-T yang lebih baik.

Dapat digunakan dengan atau tanpa sekring.

2. Tabung pelindung ( Protector Tube ) / Expulsion Type Lightning Arrester.

Merupakan tabung yang terdiri dari :

a. Dinding tabung yang terbuat dari bahan yang mudah menghasilkan gas bila dilalui arus

b. Sela batang yang biasa diletakkan pada isolator porselin. Berfungsi untuk mencegah

arus mengalir dan membajar fiber pada tegangan jala-jala setelah gangguan diatasi

c. Sela pemutus bunga api yang diletakkan di dalam tabung dengan salah satu

elektrodanya dihubungkan ke tanah.

Aplikasi :

Tabung pelindung/Protector Tube biasanya dimiliki oleh setiap kawat fasa dimana ketika

tegangan terpa melalui sela batang dan sela bunga api, impedansi tabung pelindung/protector

tube menurun sehingga arus terpa dan arus sistem dapat mengalir ke tanah. Tegangan antara

terminal hantaran dengan tanah akan turun setelah tembus terjadi karena akan terdapat

tegangan bunga api pada tabung yang akan sedikit menghalangi aliran arus akibat arus yang

dilalukan oleh tabung.

91

Proses yang terjadi :

Arus yang mengalir akan membakar fiber dan menghasilkan gas yang bergerak cepat ke

arah lubang pembuangan di bagian bawah arrester. Tekanan gas akan mematikan bunga

api saat arus melewati titik nol pertama. Waktu pemadaman busur api hanya ½ atau 1

cycle sehingga RRV (Rate of Recovery Voltage) lebih lambat dari rate of rise kekuatan

dielektrik dari isolasi.

Beda waktu tersebut cukup pendek untuk dapat dibaca oleh rele pelindung sehingga CB

akan tetap bekerja dan pelayanan tidak terganggu.

Sistem dapat bekerja dengan normal segera setelah gas ditekan keluar dan api menjadi

padam.

Kerugian :

a. Penggunaan terbatas pada sistem yang memiliki besar arus sistem kurang 1/3 besar arus

terpa. (arus yang terlalu besarmenyebabkan fiber habis terbakar sedangkan arus yang

terlalu kecil tidak mampu menghasilkan gas untuk mematikan busur api.

b. Permukaan tabung akan rusak setiap arrester bekerja karena terbakar. Arrester memiliki

batasan pada jumlah operasinya di mana arrester masih dapat berfungsi dengan baik.

c. Tidak cocok untuk peralatan-peralatan gardu yang mahal karena karakteristik V-T

buruk.

Pemakaian :

a. Umumnya dipakai untuk melindungi isolator transmisi V-T. Karakteristik dari arrester

lebih datar daripada isolator sehingga muda dikoordinasikan.

b. Dipakai pada tiang transmisi sebelum memasuki gardu untuk memotong besar arus

terpa yang datang sehingga mengurangi kerja arrester.

c. Dipakai pada trafo-trafo kecil di pedesaan di mana pemotong petir jenis katup sangat

mahal dan pemakaian sela batang dapat memberikan perlindungan yang cukup.

d. Dipakai pada tiang transmisi tertentu yang sanga tinggi di mana kemungkinan

disambar petir yang cukup tinggi.

Jenis :

92

Jenis transmisi, digunakan pada jaringan transmisi untuk melindungi isolator.

Jenis Distribusi, digunakan untuk melindungi trafo pada jaringan-jaringan distribusi

dan peralatan-peralatan distribusi

3. Penangkap petir biasa jenis katup ( Conventional Valve Type Arrester).

Peralatan ini dikenal juga sebagai pemotong petir jenis tidak linier yang terdiri dari

beberapa sela tersusun seri dengan piringan-piringan tahanan.

Berikut beberapa karakteristik tahanan:

a. Harga tahanan turun cepat saat arus terpa mengalir sehingga tegangan antara

terminal arrester tidak terlalu besar.

b. Harga tahanan naik saat arus terpa sudah lewat sehingga membatasi follow current

dari power frequency voltage.

c. Sela api/sparks gap dan tahanan disusun secara seri dan ditempatkan di dalam

rumah porselen kedap air sehingga terlindung dari kelembaban, pengotoran, dan

hujan.

Sela api terdiri dari beberapa elemen yang disusun secara seri. Masing-masing

elemen memiliki dua elektroda dengan alat pengionisasi awal. Tahanan dipasang di antara dua

elemen secara parallel guna mengatur tegangan antara masing-masing elemen.

Tahanan pengatur (grading resistor) mampu mencegah terjadi tembus antar fasa dan

antara fasa ke tanah ketika terjadi perubahan tegangan yang lambat pada sistem, mencegah

terjadinya tembus akibat gangguan pada sistem seperti misalnya tegangan tembus dalam

(internal voltage), gangguan atau fasa ke tanah, dan penaikan tegangan pada ujung transmisi.

Sedangkan bila terjadi perubahan tegangan yang cepat pada sistem, tegangan tidak

lagi diatur pada sela yang terhubung seri. Pengaruh dari tidak seimbangnya kapasitansi antara

sela dengan tanah terjadi pada seluruh tahanan pengatur. Tegangan terpa yang dating dan

umumnya terkonsentrai pada sela ini akan menyebabkan seluruh arrester juga mengalami

tembus. Pengaturan tegangan dengan tahanan juga meyebabkan naiknya kemampuan

pemutusan arus oleh sela api.

Arus bocor pada tahanan dalam keadaan operasi normal sistem ≤ 0.1 mA. Arus ini

cukup untuk mempertahankan temperatur bagian dalam pemotong petir 5o lebih tinggi dari

temperature sekelilingnya sehingga berfungsi untuk mencegah masuknya uap air ke bagian

dalam pemotong petir.

Tahanan Tak Linier (Non-linier resistor)

Bahan pembuat piringan tahanan adalah : bahan Thrite Metrosil, bahan an-organis

dengan dasar campuran Silicon Carbide, dan ikatan tanah liat berbentuk lempengan

bulat.

93

Harga tahanan naik dengan cepat jika arus dan tegangan naik.

Tegangan sisa (tegangan puncak yang timbul di antara terminal penangkap petir pada

saat terjadinya tembus) dibatasi walau arus yang mengalir besar.

Lempeng resistor akan kembali memiliki harga tahanan yang tinggi sesaat setelah

gelombang arus yang disebabkan oleh tegangan terpa dilepas ke tanah. Akibatnya

arus sistem yang ikut mengalir pada saat terjadi tembus akan memiliki harga yang

rendah sehingga arus ikutan ini akan dipotong pada saat melalui titik nol pertamanya.

Sebelum terpa mencapai trafo, terpa akan mengalirkan petir. Dibutuhkan ±0.25 μs

untuk tegangan terpa mencapai tegangan tembus sela yang membuat penangkap petir

bekerja.

Kenaikan tegangan terpa yang cepat menyebabkan elemen non linier memiliki harga

tahanan yang rendah dan memungkinkan energi dari terpa dilepas ke tanah. Sehingga,

terpa yang masuk ke peralatan yang dilindungi, tidak membahayakan peralatan

sistem.

Dibutuhkan hanya ±20-30 μs untuk keseluruhan proses.

Tegangan kerja atau tegangan pelepasan (UA) dari penangkap petir adalah tegangan

maksimum yang terjadi di terminal penangkap petir.

Kekurangan penangkal petir dengan protector tube:

1. Keandalan penangkap petir dipengaruhi uap air yang masuk ke bagian dalam penangkap

petir. Untuk mengatasinya, dapat dilakukan dengan menutup rapat-rapat penangkap petir

tersebut karena di bagian dalam dari beberapa jenis penangkap petir diisi oleh gas dan

memiliki peralatan pencegah untuk menghindarkan terjadi kelembaban. Selain itu,

terdapat juga penangkap petir yang mengizinkan arus bocor terus mengalir pada batasan

tertentu sehingga dapat mengurangi kelembaban pada bagian dalam penangkap petir.

Hubungan antara tegangan dan arus dari lempengan tahanan non-linier (Thyrite) adalah :

Jika pemotong petir memiliki N lempengan :

di mana :

K=4650

α=1-β=0.72

94

Cara kerja penangkap petir :

2. Ada kemungkinan jenis penangkap petir ini tidak bereaksi cukup cepat dalam

mendeteksi gelombang datang dengan muka yang sangat curam yang menuju ke

gardu.

Suatu keuntungan bahwa selama dalam perjalanannya ke gardu gelombang tersebut

akan mengalami peredaman.

Macam penangkap petir jenis katup adalah sebagai berikut :

a. Jenis gardu (Station Type)

Jenis ini adalah yang paling effisien dan paling mahal yang umumnya digunakan

untuk melindungi peralatan-peralatan penting pada gardu-gardu besar (sistem dengan

tegangan di atas 70 kV).

b. Jenis hantaran (Line Type)

Jenis ini lebih murah dan digunakan untuk melindungi gardu-gardu dengan tegangan

kerja sistem dibawah 70 kV.

c. Penangkap petir jenis gardu untuk melindungi motor/generator, digunakan untuk

sistem-sistem dengan tegangan 2.2 kV sampai 15 kV.

d. Penangkap petir sekunder (Secondary Arrester)

Untuk perlindungan peralatan-peralatan tegangan rendah dengan tegangan kerja

sistem antara 120 V sampai 750 V.

95

3.7 TINGKAT PENGENAL DARI PENANGKAP PETIR (RATING ARRESTER)1. Tegangan nominal atau tegangan pengenal (U A) (Nominal Voltage Arrester)

Adalah tegangan dimana penangkap petir masih dapat bekerja sesuai dengan

karaktersitiknya. Penangkap petir tidak dapat bekerja pada tegangan maksimum

sistem yang direncanakan, tetapi masih tetap mampu memutuskan arus ikutan dari

sistem secara efektif.

Penangkap petir umumnya tidak dapat bekerja jika ada gangguan phasa ke tanag di

satu tempat dalam sistem, karena itu tegangan pengenal dari penangkap petir harus

lebih tinggi dari tegangan phasa sehat ke tanag, jika tidak demikian maka, penangkap

petir akan melalukan arus ikutan sistem yang terlalu besar yang menyebabkan

penangkap petir rusak akibat beban lebih termis (thermal overloading).

Untuk mengetahui tegangan maksimum yang mungkin terjadi pada phasa yang sehat

ke tanah sebagai akibat gangguan satu phasa ke tanah perlu diketahui.

- Tegangan sistem tertinggi (system highest voltage), umumnya diambil harga

110% dari harga tegangan nominal sistem.

- Koefisien Pentanahan

Didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan rms phasa sehat ke tanah

dalam keadaan gangguan pada tempat dimana penangkap petir dipasang, dengan

tegangan rms phasa ke phasa tertinggi dari sistem dalam keadaan tidak ada

gangguan.

Jadi :

Tegangan pengenal daru suatu penangkap petir (arrester rating)

= Tegangan rms phasa ke phasa tertinggi x koefisien pentanahan

= Tegangan rms phasa ke phasa x 1.10 x koefisien pentanahan

Sistem yang ditanahkan langsung, koefisien pentanahannya 0.8. Penangkap

petirnya disebut sebagai penangkap petir 80%.

Sistem yang tidak ditanahkan langsung koefisien pentanahannay 1.0.

Penangkap petirnya disebut sebagai penangkap petir 100%.

Contoh :

Sistem 150 kV mempunyai tegangan pengenal penangkap petir sebagai berikut :

a. Jika ditanahkan langsung :

U = 150 x 1.10 x 0.8 = 132 kV

b. Jika tidak ditanahkan langsung :

U = 150 x 1.10 x 1.0 = 165 kV

96

2. Arus Pelepasan Nominal (Nominal Discharge Current)

Adalah arus pelepasan dengan harga puncak dan bentuk gelombang tertentu yang

digunakan untuk menentukan kelas dari penangkap petir sesuai dengan :

a. Kemampuannya melalukan arus

b. Karakteristik pelindungnya

Bentuk gelombang arus pelepasan tersebut adalah :

- Menurut standard Inggris/Eropa (IEC) 8 µs/20 µs

- Menurut standard Amerika 10 µs/20 µs dengan kelas PP 10 kA, 5 kA, 2.5 kA, dan

1.5 kA.

a. Kelas arus 10 kA, untuk perlindungan gardu induk yang besar dengan

frekuensi sambaran petir yang cukup tinggi dengan tegangan sistem diatas 70

kV.

b. Kelas arus 5 kA sama seperti (a), untuk tegangan sistem dibawah 70 kV.

c. Kelas arus 2.5 kA, untuk gardu-gardu kecil dengan tegangan sistem dibawah

22 kV, dimana pemakaian kelas 5 kA tidak lagi ekonomis.

d. Kelas arus 1.5 kA, untuk melindungi trafo-trafo kecil di daerah-daerah

pedalaman.

3. Tegangan Percikan Frekuensi Jala-Jala (Power Frequency Spark Over Voltage)

Penangkap petir tidak boleh bekerja pada gangguan lebih dalam (internal over

voltage) dengan amplituda yang rendah karena dapat membahayakan sistem.

Untuk alasan ini maka ditentukan tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum.

- Menurut standard Inggris (B.S)

Tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum = 1.6 x tegangan pengenal

penangkap petir

- Menurut standard IEC

Tegangan percikan frekuensi jala-jala minimum = 1.5 x tegangan pengenal

penangkap petir

4. Tegangan Percikan Impuls Maksimum (Maximum Impuls Spark Over Voltage)

Adalah tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada terminal penangkap

petir sebelum penangkap petir tersebut bekerja.

Bentuk gelombang impuls tersebut menurut IEC Publ. 60 – 2 adalah 1.2 µs/50 µs. Hal

ini menunjukkan bahwa jika tegangan puncak terpa petir yang datang mempunyai

harga yang lebih tinggi atau sama dengan tegangan percikan maksimum dari

97

penangkap petir, maka penangkap petir tersebut akan bekerja memotong terpa petir

tersebut dan mengalirkannya ke tanah.

Tegangan percikan impuls maksimum untuk masing-masing tegangan sistem dapat

dilihat pada tabel 3.

5. Tegangan Sisa (Residual Voltage dari Discharge Voltage)

Adalah tegangan yang timbul diantara terminal penangkap petir pada saat arus petir

mengalir ke tanah.

Tegangan sisa dan tegangan nominal dari suatu penangkap petir tertentu tergantung

pada kecuraman gelombang arus yang datang (di/dt dalam A/µs) dab amplituda dari

arus pelepasan (discharge current). Untuk menentukan tegangan sisa ini digunakan

impuls arus sebesar 8 µs/20 µs (IEC Standard) dengan harga puncak 5 kA dan 10 kA.

Untuk harga arus pelepasan yang lebih tinggi maka tegangan sisa ini tidak akan naik

lebih tinggi lagi. Hal ini disebabkan karena karaktersitik tahanan yang tidak linier dari

penangkap petir.

Umumnya tegangan sisa tidak akan melebihi BIL (Basic Insulation Level = Tingkat

Isolasi Dasar = TID) daripada peralatan yang dilindungi walaupun arus pelepasan

maksimumnya (Maximum Discharge Current) mencapai 65 kA atau 100 kA.

6. Arus Pelepasan Maksimum (Maximum Discharge Current)

Adalah arus terpa maksimum yang dapat mengalir melalui penangkap petir setelah

tembusnya sela seri tanpa merusak atau merubah karakteristik dari penangkap petir.

Bentuk gelombang arus terpa menurut standard IEC : 4 µs/10 µs

KELAS PENANGKAP PETIR (ARUS

PELEPASAN NOMINAL)

[AMPERE]

HARGA PUNCAK ARUS

TERPA

[KILO AMPERE]

10.000 tugas berat 100

10.000 tugas ringan 100

5.000 65

2.500 25

1.500 10

98

3.8 PEREDAM TERPA (SURGE ABSORBER)Kerusakan pada peralatan yang disebabkan oleh gelombang terpa tidak saja bergantung

pada amplituda gelombang yang datang tetapi juga tergantung pada kecuraman muka

gelombang.

Perlindungan dapat dilakukan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang mampu

mengurangi kecuraman gelombang datang tersebut. Alat-alat ini dikenal dengan peredam

terpa (surge absorber surge modifier).

Alat-alat tersebut adalah :

1. Kondensator

Jika diletakkan antara phasa dengan tanah akan mengurangi kecuraman gelombang

datang sehingga mampu melindungi gulungan trafo dari stress tegangan yang tinggi

yang terjadi pada gulungan.

Kondensator juga memberikan perlindungan terhadap gelombang dengan amplituda

rendah tetapi mempunyai frekuensi tinggi, hal ini disebabkan karena impedansi

kondensator yang berbanding terbalik dengan frkeuensi. ZC akan tinggi jka f rendah

dan ZC akan rendah jika f tinggi.

Kondensator murni tidak dapat menyerap energi dari gelombang berjalan atau

menyerap energi karena terjadinya pelepasan dengan frekuensi tinggi. Energi ini akan

dipantulkan dari peralatan yang dilindungi ke sistem yang nantinya akan diserap oleh

tahanan dari hantaran dan tahanan pentanahan.

Jika tahanan diletakkan seri dengan kondensator maka kombinasi ini akan menyerap

sebagian energi tersebut.

2. Induktor

Diletakkan seri dengan hantaran udara dan paralel dengan tahanan. Gelombang dengan

muka yang curam dan gelombang dengan frekuensi tinggi akan menghadapi induktor

dengan impedansi tinggi, sehingga gelombang ini akan dipaksa melalui tahanan.

Pada tahanan energi gelombang tersebut akan diserap.

99

Pada arus dengan frekuensi normal, induktir mempunyai impedansi yang rendah

sehingga arus akan dapat melaluinya.

Untuk mengatasi masalah ferranti juga digunakan peredam surga (Surge Absorber)

yang terdiri dari gulungan induktor yang dikopling secara magnetis (tetapi tidak

elektris) ke pembungkus atau tabung metalnya.

Adanya pengaruh filter dalam rangkaian ini dimana arus dengan frekuensi akanditahan

oleh peredam, energy dari gelombang terpa akan dilepaskan ke tanah melalui dinding

tabung dengan cara induksi bersama Antara gulungan dan tabung.

Suatu cara untuk memperkecil kecuraman gelombang dating adalah sebagai berikut:

Jika gemlombang curam datang, maka tabung pelindung E akan bekerja untuk

memotong amplitude gelombang, gelombang curam yang sudah terpotong akan

melalui induktor L dimana akan terjadi induksi tegangan tinggi pada L, sehingga sela

G akan bekerja. Akibatnya tahanan R akan terbuhung seri dengan tabung pelindung E.

Jadi:

4. Gelombang datang akan dikurangi kecuramannnya oleh R dan L

5. Amplitudanya dipotong oleh tabung pelindung

100

Pemasangan peredam surja dan penangkal petir pada transformator 3 phasa disebuah

gardu.

101

BAB 4

Koordinasi Isolasi

4.1. PendahuluanKorelasi antara kemampuan isolasi peralatanperalatan listrik dan sirkuit di satu pihak

dan alat-alat pelindung di lain pihak sedemikian sehingga isolasi dari peralatan tersebut

terlindung dari bahaya-bahaya tegangan lebih secara ekonomis disebut sebgai koordinasi

isolasi dari sistem tenaga listrik.

Tujuannya adalah untuk menciptakan suatu sitem yang bagian-bagiannya, masing-

masing dan satu sama lainnya mempunyai ketahanan isolasi yang sedemikian rupa sehingga

dalam setiap kondisi operasi kualitas pelayanan tenga kistrik dapat dicapai dengan biaya

seminimum mungkin.

Koordinasi isolasi yang baik akan mampu :

a. Isolasi peralatan akan mampu menahan tegangan kerja sistem yang normal dan

tegangan tidak normal yang mungkin timbul dalam sistem

b. Isolasi peralatan akan gagal hanyaaa jika terjadi tegangan lebih luar

c. Jika kegagalan terjadi, maka hanya pada tempat-tempat yang menimbulkan kerusakan

minimum

Masalah koordinasi isolasi pada sistem tenaga menyangkut hal-hal berikut :

1. Penentuan tingkat isolasi dari isolasi hantaran

2. Menentukan Tingkat Isolasi Standar = T.I.D (BIL) dari peralatan

3. Pemilihan penangkap petir (Lightning Arrester)

4.2. Definisia. Tegangan tembus kering (Dry F.O.V) dari suatu isolasi adalah tegangan frekuensi

jala-jala yang dapat menimbulkan kegagalan pada isolasi.

b. Tegangan tembus basah (Wet F.O.V) dari suatu isolasi adalah tegangan frekuensi

jala-jala yang dapat menimbulkan kegagalan pada isolasi jika isolasi tersebut

disemprot oleh sumber air dengan ketentuan sebagai berikut :

102

- Daya hantar air 9000 – 11000 Ω - cm

- Temperatur air dan temperature sekitar sebesar 10o C

-Susut penyemprotan air kea rah isolasi adalah 45o

- Volume air adalah 0.305 cm3 /menit

c. Tegangan tembus impuls adalah tegangan impuls dengan bentuk gelombang 1.2 µs/50

µs yang diberikan pada isolasi sehingga terjadi kegagalan .

d. Daya tahan dari kekuatan isolasi adalah teganagn puncak standard yang masih dapat

ditahan oleh isolasi yang disebut dengan BIL

e. Karakteristik Tegangan-Waktu dari tegangan impus adalah suatu kurva yang

merupakan tempat kedudukan dari harga-harga tegangan tembus dan waktu tembus

pada muka, puncak dan ekor gelombang yang diberikan pada suatu peralatan.

4.3. Penentuan Isolasi Hantaran Penentuan isolasi dari hantaran harus mempertimbangkan kemungkinan terjadinya

tegangan lebih petir, tegangan lebih switching, dan tegangan lebih frekuensi jala-jala. Dengan

bertambahnya pengetahuan akan phenomena petir, maka dimungkinkan untuk menentukan

keandalan sistem berdasarkan parameter-parameter petir yang telah diketahui tersebut.

Misalnya pada sistem-sistem tegangan tinggi diatas 123 KV dapat direncanakan keandalan

sistem terhadap bahaya sambaran petir dengan cara :

- Penggunaan kawat tanah ( < 15o )

- Tahanan kaki menara yang rendah ( < 10 Ω)

Isolasi dari hantaran udara harus cukup tinggi untuk mencegah terjadinya kegagalan dengan

memperhitungkan pengaruh lingkungan yang dapat memurunkan tegangan tembus yang umumnya

diambil factor tegangan lebih.

Faktor Tegangan Lebih

103

Tegangan Sistem Teganagn lebih SwitchingTeganagn lebih Frekuensi

Jala-Jala

150 KV 6.5 Upn 3.0 Upn

220 KV 6.5 Upn 3.0 Upn

400 KV 6.5 Upn 3.0 Upn

500 KV 6.5 Upn 3.0 Upn

Upn = Tegangan antara phasa ke netral (rms)

Dalam praktek umumnya isolator hantaran udara masih dinaikkan harga tahan isolasi dengan

cara menambah beberapa piringan isolator lagi untuk menjaga kemungkinan adanya isolator

yang rusak. Untuk tegangan sistem sampai 220 KV, ditambah 1 piringan, untuk 400 KV

biasanya ditambah 2 piring isolator. Pada table 10 diberikan harga tegangan tembus dari

piringan standar ukuran 254 x 146 mm ( F.O.V of standard disks 254 x 146 mm). Isolasi

hantaran udara tidak berhubungan langsung dengan tingkat isolasi peralatan didalam gardu.

Walalupun demikian sangat menentukan didalam koordinasi isolasi karena tegangan tembus

impuls pada isolasi hantaran udara menentukan tegangn impuls tertinggi yang masuk ke

gardu berupa gelombang berjalan.

Arus yang mengalir pada penangkap petir yang terletak di gardu dapat dihitung dari :

- Impedansi terpa hantaran udara

- Tegangan gelombang dating

Tegangan kerja penangkap petir ( UA) pada harga arus tersebut akan merupakan tingkat

perlindungan yang dipakai sebagai dasar untuk pengamana peralatan didalam gardu.

Tegangan pelepasan (Residual Voltage) pada penangkap petir kadang-kadang berubah

tegantung pada arus terpa. Kawat tanah yang dipasang pada hantaran udara satu atau dua

kilometer sebelum memasuki gardu akan menjamin bahwa tingkat isolasi hantaran udara dan

impedansi terpa dari hantaran sangat menentukan besar tegangan dan arus terpa yang sampai

ke gardu. Kawat tanah harus dipasang pada posisi yang paling optimum diatas kawat phasa

untuk mencegah sambaran langsung. Tegangan terpa dengan muka gelombang curam yang

berasal dari tempat cukup jauh dari grdu akan mengalami peredaman sehingga kecuramannya

akan berkurang pada saat sampai di gardu.

4.4. T.I.D dan Tingkat Isolasi dari Peralatan ke GarduUntuk setiap tegangan sistem Tingkat Isolasi Dasar telah ditentukan sesuai dengan

standar internasional yang berlaku. Sebagian besar peralatan di gardu induk dibuat dengan

104

tingkat isolasi yang sama. Kecuali trafo yang kadang-kadang di produksi denga tingkat

isolasi yang rendah dan trafo umumnya dilindungi langsung pleh penangkap petir.

Daerah Lindung penangkap petir ditentukan oleh :

- Ketahan isolasi dari peralatan

- Tegangan kerja dari penangkapan petir

- Jarak antara penangkap petir dengan peralatan tersebut

Peralatan –peralatan yang terletak di luar dari daerah lindung penangkap petir akan diberikan

T.I.D yang satu tingkat lebih tinggi. Pada umumnya tingkat isolasi dari peralatan gardu

seperti pemutus daya busbas, saklar pemisah, trafo pengukuran mempunyai T.I.D 10% lebih

tinggi dari T.I.D trafo.

4.5. Pemilihan dan Letak Penangkap PetirDalam pemilihan penangkap petir ditentukan langkah-langkah seperti :

a. Ditentukan besarnya tegangan lebih phasa ke tanah atau tegangan lebih lain akibat

kerja sistem yang tidak normal

b. Membuat suatu perkiraan besarnya tegangan pengenal tegangan petir pada frekuensi

jala-jala

c. Memilih arus impuls yang diperkirakan akan dilepas melalui penangkap petir

d. Menentukan tegangan pelepasan maksimum dari penangkap petir

e. Menentukan tingkat ketahanan tegangan impuls gelombang penuh dari peralatan yang

dilindungi

f. Memastikan bahwa tegangan kerja penangkap petir berada dibawah T.I.D peralatan.

g. Menentukan jarak lindung antara penangkap petir dan peralatan yang akan dilindungi

5a. Tegangan lebih Frekuensi jala-jala

Tegangan lebih akan timbul pada terminal penangkap petir yang tergantung pada :

- Gangguan pada sistem : gangguan satu phasa ke tanah dapat menyebabkan

naiknya tegangan phasa sehat lainnya.

- Pelepasan beban tiba-tiba akan menaikkan tegangan sistem

- Kecepatan lebih : pelepasan beban tiba-tiba menyebabkan terjadinya overspeed

pada generator yang kecepatannya tergantung jenis penggerak mula, jenis

covernor, karakteristik inersia dan konstanta waktu dari rangkaian listrik.

- Switching transient : tegangan lebih yang disebabkan pukulan kembali dari

pemutus daya dapat terjadi pada satu atau dua cycle.

- Sebab-sebab lain :

105

Interaksi antara reaktansi magnetisasi trafo dengan kapasitansi saluran

Eksistensi dari motor induksi oleh shunt kapasitor

Pemakaian mesin-mesin dengan kutub salient tanpa dumper gulungan

Umumnya tegangan lebih sistem yang diperhitungkan adalah tegangan lebih sistem

karena gangguan satu phasa ke tanah dalam menentukan tegangan pengenal dari penangkap

petir. Tegangan lebih ini dapat dihitung dengan metoda komponen simetris, dimana koefisien

dari pentanahan ditentukan. Koefisien pentanahan didefinisikan sebagai perbandingan

tegangan rms tertinggi dari phasa yang sehat pada titik dimana penangkap petir dipasang

pada saat gangguan satu phasa ke tanah terhadap tegangan rms phasa-phasa tertinggi pada

saat tidak ada gangguan.

Dalam pemilihan tegangan pengenal penangkap petir maka harus ditinjau ke tiga metoda

pentanahan :

- Ditanahkan efektif

Adalah sistem yang jika terjadi gangguan pada sistem, maka tegangan lebih phasa

sehat ke tanah tidak melebihi 80% dari tegangan phasa-phasa sistem yang normal.

- Ditanahkan tidak efektif

Adalah sistem yang jika terjadi gangguan pada sistem, maka tegangan lebih phasa

sehat ke tanah lebih tinggi 80% tapi kurang dari 100% tegangan phasa-phasa

sistem yang normal.

- Terisolasi

Adalah sistem yang jika terjadi gangguan pada sistem, maka tegangan lebih phasa

sehat ke tanah lebih tinggi dari100% tegangan phasa sistem yang normal

5.b. Perkiraan Besarnya Tegangan Pengenal Penangkap Petir

Jika tegangan tertinggi dari sistem dan koefisien pentanahan sudah diketahui, maka

tegangan pengenal penangkap petir sudah dapat dihitung secara kasar. Untuk pentanahan

tidak efektif dan pentanahan terisolasi dalam praktek biasanya diambil koefisien pentanahan

100%

5.c. Pemilihan Arus Pelepasan Impuls dari Penangkap Petir

106

Untuk penangkap petir yang dipasang di gardu berlaku:

Dengan:

Ia = arus pelepasan arrester

Ud = tegangan gelombang datang

UA = tegangan kerja (tegangan sisa)

Z = impedansi terpa dar hantaran

Contoh:

Pada sistem 220 kV, digunakan isolator hantaran sejumlah 11 buah. Tentukan Ia!

Jawab:

- Dari tabel 10, untuk 11 keping isolator, impulse FOV = 1025 kV.

- Tegangan pengenal arrester = 110% * 220 kV * 0.8 = 196 kV.

(diasumsikan tegangan sistem 220 kV ditanahkan efektif sehingga digunakan

rumus:

tegangan pengenal arrester = 110% * teg.sistem * 0.8).

Untuk sistem 220 kV, tegangan pengenal standar = 198 kV).

- Untuk tegangan pengenal arrester 198 kV, dari tabel 2, untuk arus pelepasan 10

kA, tegangan sisa atau tegangan kerja adalah 649 kV.

- Ambil impedansi hantaran 450 ohm.

Maka,

107

5.d. Tegangan Pelepasan (Tegangan Kerja) Penangkap Petir

Ini adalah karakteristik yang paling penting dari penangkap petir untuk perlindungan dalam

gardu. Tegangan kerja ini menentukan tingkat perlindungan dari penangkap petir. Jika

tegangan kerja penangkap petir ada di bawah TID dari peralatan yang dilindungi, maka

dengan faktor keamanan yang cukup, perlindungan peralatan yang optimum dapat diperoleh.

Tegangan kerja tergantung pada:

- Arus pelepasan penangkap petir

- Kecuraman gelombang arus (di/dt)

Tegangan kerja penangkap petir akan naik dengan naiknya arus pelepasan, tetapi kenaikan ini

sangat dibatasi oleh tahanan tidak linear dari penangkap petir.

Contoh:

- Ini arus dari 5 kA ke 20 kA hanya menaikkan tegangan kerja sampai 25%.

- Bertambahnya kecuraman arus pelepasan dari 1 kA/µs ke 5 kA/µs hanya

menaikkan tegangan kerja sampai 35%.

5.e. Penentuan TID dari Peralatan

Hal ini telah dibahas pada butir 4 di atas.

5.f. Faktor Perlindungan (Protection Margin)

Faktor perlindungan adalah besar perbedaan tegangan antara TID dari peralatan yang

dilindungi dengan tegangan kerja dari penangkap petir. Pada waktu menentukan tingkat

perlindungan peralatan yang dilindungi oleh penangkap petir, umumnya diambil harga 10%

di atas tegangan kerja penangkap petir. Tujuannya adalah untuk mengatas penaikkan

tegangan pada kawat penghubung dan toleransi pabrik.

Besar faktor perlindungan ini umumnya 20% dari TID peralatan untuk penangkap petir yang

dipasang dekat dengan peralatan yang akan dilindungi.

108

Contoh:

- Tegangan kerja penangkap petir untuk sistem 220 kV adalah 649 kV (lihat tabel

2).

- Tingkat perlindungan ini ditambah 10% untuk kawat penghubung, toleransi pabrik

dan lain-lain, sehingga tingkat perlindungan penangkap petir menjadi 713 kV.

- Pilih BIL (TID) peralatan dari tabel 7, sebesar 950 kV.

- Faktor perlindungan = 950 kV – 713 kV = 237 kV.

Faktor perlindungan ini lebih besar 20% dari TID peralatan, sehingga pemilihan

penangkap petir di atas sudah dapat memberikan faktor perlindungan yang baik.

Jika tidak diperoleh faktor perlindungan yang cukup maka dipilih TID peralatan

setingkat lebih tinggi atau memilih tegangan kerja penangkap petir yang lebih rendah.

(Jadi faktor perlindungan) = (TID peralatan) – (tingkat perlindungan penangkap petir)

5.g. Jarak Lindung Penangkap Petir

Sebuah gelombang terpa yang berjalan menuju gardu akan dipotong amplitudonya oleh

penangkap petir hingga hanya memiliki amplitudo sebesar tegangan kerja penangkap petir.

Gelombang yang mempunyai kecuraman yang sama dengan gelombang aslinya ini akan terus

berjalan menuju gardu induk. Jika gardu ini merupakan ujung dari hantaran atau terhubung

109

langsung ke trafo, maka gelombang ini akan dipantulkan kembali ke penangkap petir dua kali

lebih besar dari gelombang datangnya, dan gelombang negatid akan dipantulkan kembali dari

penangkap petir ke trafo.

Tegangan gelombang datang maksimum yang terjadi pada trafo setelah pantulan pertama

adalah:

Dimana:

- Ut = 2 UA

- Ut = tegangan gelombang datang pada trafo [kV]

- UA = tegangan kerja arrester / penangkap petir [kV]

- du/dt = kecuraman dari gelombang datang [kV/µs]

- V = kecepatan rambat gelombang [di udara: 300 meter/µs]

- L = jarak antara trafo ke penangkap petir [m]

Jika Ut adalah harga tegangan dari TID trafo, maka jarak lindung penangkap petir tersebut

adalah:

Gambar dibawah ini menunjukkan kelebihan tegangan yang terjadi pada penangkap petir

sebagai fungsi dari jaraknya ke trafo.

110

Faktor lain yang menentukan besarnya gelombang yang datang pada peralatan adalah

banyaknya percabangan dari hantaran di gardu (pencabangan hantar, busbar).

Dari teori gelombang berjalan diketahui bahwa tegangan pada busbar yang mempunyai

jumlah cabang sebesar n adalah sebagai berikut:

; Di mana Ud = gelombang datang

Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa dengan terdapatnya banyak percabangan di

gardu (n) yang terhubung ke busbar yang sama, maka jarak antara trafo dengan penangkap

petir bisa diperbesar.

Jarak antara lokasi penangkap petir dengan lokasi alat yang dilindungi sudah banyak dihitung

dengan menggunakan komputer, sehingga dapat dituliskan dalam bentuk “standar

pemasangan penangkap petir pada gardu”, seperti yang terdapat pada tabel 13. Tabel ini

diambil dari standar NEMA (Amerika Serikat).

5.h. Lokasi dari Penangkap Petir

Umumnya alat-alat pelindung harus diletakkan saedekat mungkin dengan peralatan yang

akan dilindungi, terutama pada ujung transmisi di mana terdapat gardu atau trafo (bertujuan

melindungi gardu atau trafo).

Karena biaya yang mahal, maka tidak mungkin memasang penangkap petir pada setiap

peralatan di gardu untuk melindungi peralatan tersebut.

111

Hal ini (pemasangan penangkap petir pada setiap peralatan di gardu) tidak diperlukan karena

adanya faktor perlindungan dari penangkap petir. Oleh karena itu hanya peralatan-peralatan

penting saja uang dilengkapi dengan penangkap petir. Trafo merupakan peralatan yang paling

mahal dan paling penting dari suatu gardu induk. Jika trafo rusak maka

perbaikan/penggantinya akan mahal dan juga kerugian karena terputusnya daya cukup besar.

Selain itu trafo adalah ujung terminal dari suatu transmisi, tempat paling sering terjadi

pemantulan gelombang.

Pada sistem di atas 22 kV, TID dari trafo dapat diperendah pada batas-batas yang diizinkan

untuk memperkecil biaya isolasi.

Hal ini tidak dapat dilakukan pada TID dari saklar pemutus maupun pemutus daya (CB).

Karena alasan-alasan tersebut di atas, maka penangkap petir pada gardu induk umumnya

dipasang pada terminal trafo daya.

Jika:

1. Sebuah gardu tidak dilindungi oleh kawat tanah terhadap sambaran langsung dari

petir atau

2. Tidak cukupnya faktor perlindungan antara TID dari trafo dengan tingkat

perlindungan penangkap petir

atau

3. TID trafo sudah dikurangi satu atau dua tingkat di bawah TID standar

Maka penangkap petir harus dipasang pada terminal trafo.

Terminal pentanahan dari penangkap petir harus dihubungkan ke tangki trafo. Cara ini

digunakan untuk mencegah timbulnya tegangan yang cukup tinggi akibat adanya perbedaan

impedansi pentanahan antar trafo dengan penangkap petir. Karena 1 ohm tahanan pentanahan

akan dibangkitkan tegangan sebesar 1kV, jika arus pelepasan arrester adalah 10 kA.

112

Seperti yang telah disebutkan di awal, jika banyak pencabangan terdapat pada gardu induk,

maka gelombang datang akan terbagi menjadi gelombang-gelombang yang kecil sesuai

dengan impedansi terpanya.

Trafo yang dihubungkan dengan busbar sepeti di atas mungkin akan terlindung dari bahaya

gelombang berjalan. Walaupun demikian, penangkap petir tetap harus dipakai.

Penggunaan penangkap petir di sini dapat berfungsi sebagai pelindung tambahan. Dapat juga

dalam situasi demikian penangkap petir dipindahkan ke busbar sehingga peralatan-peralatan

lain juga dapat dilindungi; seperti pemutus daya, saklar pemisah, trafo-trafo pengukur, dll.

Bila ada peralatan-peralatan yang masih terletak di luar jarak lindung dari penangkap petir

maka dianjurkan TID dari peralatan ini dinaikkan satu atau dua tingkat lebih tinggi dari TID

standarnya.

Contoh 1:

Koordinasi isolasi untuk sistem 220 kV:

U = Un * 1.1 * 0.8

= 220 * 1.1 * 0.8

Dari tabel 3:

Pilih tegangan pengenal = 198 kV

Pilih arus pelepasan = 10 kA

Dari tabel 3 atau 4:

Tegangan sisa maksimum atau tegangan kerja penangkap petir

113

UA = 649 kV

Tingkat perlindungan penangkap petir

UA = (649*1.1) kV = 714 kV

TID trafo = UA + 20% faktor perlindungan

= (714 * 1.2) kV = 857 kV

1) Dari tabel 7 :

Dipilih TID trafo yang ≥ 867 kV; yaitu 950 kV

Diperoleh tegangan ketahanan jala-jala sebesar 895 kV

Dari tabel 12:

Tegangan lebih switching =

Tegangan lebih sementara =

Dicek:

Ternyata tegangan lebih switching (825 kV) < TID peralatan (950 kV)

Ternyata tegangan lebih sementara (381 kV) < tegangan ketahanan jala-jala

(395 kV)

2) TID untuk peralatan; pemutus daya, trafo, pengukur, saklar penutup dan lain-lain

sebesar 950 * 1.1 = 1045 kV.

Dipilih TID peralatan setingkat leih tinggi sebesar 1050 kV

3) TID dari saklar sebesar 1050 * 1.1 – 1155 kV.

Dipilih TID standar dari tabel; sebesar 1175 kV. Hasil-hasil di atas disusun dalam tabel

sebagai berikut:

No. PERALATAN PADA GARDUTEGANGAN PUNCAK

IMPULS (kV)

TEGANGAN

KETAHANAN

FREKUENSI JALA-

JALA (kV)

1. TID Transformator 950 395

2.Peralatan (pemutus daya, trafo

pengukur, busbar, dll.)1050 460

3. Saklar Pemutus 1175 520

114

a) Antara masing-masing

kutub

b) Antara kutub 1050 460

Contoh 2:

Diketahui: ** Transformator, tegangan 132/33 kV.

TID tegangan tinggi 650 kV.

** Penangkap petir, tegangan kerja 400 kV.

Jarak ke trafo 30 m.

** Gelombang terpa, kecuraman tegangan 1000 kV/µs.

Kecepatan rambat 3*10^8 m/µs.

Ditanyakan: a) Berapa tegangan tertinggi yang tiba di trafo

b) Dapatkan penangkap petir melindungi trafo

Jawab:

Terpa mencapai trafo pada

Pada trafo, gelombang dipantulkan dengan kecuraman 2000 kV/µs. Setelah tegangan

mencapai 400 kV, penangkap petir bekerja yaitu pada t = 0.3 µs.

115

a) Sementara itu tegangan trafo setelah 0.3 µs adalah = 2000 * 0.3 kV = 600 kV.

Setelah penangkap petir bekerja, maka gelombang negatif dengan kecuraman -

2000 kV/µs dipantulkan ke trafo, sehingga hanya timbul tegangan maksimum 600

kV < dari TID trafo (650 kV)

b) Dengan menggunakan rumus empiris:

Contoh 3 :

Diketahui :

Transformator: Tegangan 132/33 kV; TID Tegangan Tinggi 550 kV

Hantaran udara: Tegangan tembus isolator udara (FOV) = 860 kV; Impedansi terpa =

400Ω

Gelombang terpa : du/dt = 500kV/µs

Ditanyakan :

116

a) Tentukan tegangan pengenal penangkap petir

b) Dimana letak yang paling baik

Jawab :

a) Teganan pengenal penangkap petir = 132 x 1.1 x 0.8 = 116 kV

Dari tabel 3 dipilih : -Tegangan pengenal = 120 kV

-Untuk arus pelepasan 5 kA; maka tegangan kerja = 400 kV

Tegangan kerja penangkap petir UA = 400 kV

Tingkat perlindungan penangkap petir = UA x 1.1

= 400 x 1.1 = 440 kV

Faktor perlinfungan =TID peralatan – tingkat perlindungan p.p

=550 kV – 440 kV = 110 kV

=110/550 x 100% = 20%

Jadi faktor perlindungan adalah 20% lebih rendah dari TID peralatan, sehingga memenuhi

syarat

Arus pelepasan pp = = 3300 Amp

Sehingga pemilihan kelas arus pp 5 kA adalah tepat.

b) Ut = UA + 2 du/dt . L/300

Ut = 550 kV/1.2 = 458 kV

458 = 400 + 2.500 x L/300

L = (458-400) x 300/1000 m = 17.4 m

Jadi penangkap petir diletakkan pada lokasi terjauh 17.4 m dari trafo daya

117

SUPLEMEN

TEGANGAN LEBIH DAN KOORDINASI ISOLASI

DAFTAR ISTILAH1. Tegangan pengenal dari

belitan transformator

Kutub len

= Rated voltage winding

= Line terminal

2. Tegangan ketahanan denyut

petir pengenal

Tingkat Isolasi Dasar

= Rated lightning imulse withstand voltage

= Basic Impulse Insulation Level

3. Penangkap petir jenis

tahanan tak linier

Penangkap petir jenis katup

= Non-linier resistor-type arrester

= Valve-type arrester

4. Tegangan pengenal dari

penangkap petir

= Rated voltage of an arrester

5. Tingkat pengaman dari

penangkap petir

= Protective level an arrester

6. Arus pelepasan dari

penangkap petir

= Discharge current of an arreseter

7. Arus pelepasan dari

penangkap petir

= Protective level of an arrester

8. Tegangan pelepasan dari

penangkap petir

= Residual voltage or discharge voltage of an arrester

9. Tegangan percikan denyut

muka gelombang dari

penangkap petir

= Front of wave impulse sparkover voltage of an arrester

10. Denyut tegangan petir

standar

= Standard lightning voltage impulse

118

11. Tegangan percikan denyut

petir standar dari pengangkap

petir

= Standard lightning voltage impulse

12. Gardu induk tak terlidungi

efektif

= Effectively shielded installations

119

TABEL 1

PENETAPAN TINGKAT ISOLASI TRANSFORMATOR

DAN PENANGKAP PETIR

SpesifikasiTegangan nominal sistem

150 kV 66 kV 20 kV

Tegangan tertinggi

untuk peralatan170 kV 72.5 kV 24 kV

Pentanahan Netral Efektif Tahanan Tahanan

Transformator

Tegangan pengenal150 kV 66 kV 20 kV

TID 650 kV 325 kV 125 kV

Penangkap petir

Tegangan pengenal

Arus pelepasan

nominal10 kA

10 kA

5 kA5 kA

Tegangan pelepasan 460 kV 500 kV 270 kV 76 kV

Tegangan percikan

denyut muka

gelombang

530 kV 577 kV 310 kV 88 kV 100 kV

Tegangan percikan

denyut standar460 kV 500 kV 270 kV 76 kV 87 kV

Kelas10 kA tugas berat

10 kA tugas ringan

10 kA tugas ringan

5 kA seri A5 kA Seri A

120

TABEL 2

CHARACTERISTIC LIGHTNING ARRESTER

Arrester

Voltage

Rating

Minimum

Dry or Wet

Power

Frequency

Sparkover

Voltage

Virtual

Steepness of

Front of

Wave

Sparkover

10,000 Ampere and 5,000

Ampere Arresters2,500 Ampere Arresters

Minimum Residual Voltage

for

Rate of Rise

in kV per

micro second

Max 100%

1.2/50

Sparkover

Voltage

Max front of

Wave

Sparkover

Voltage

Max 100%

1.2/50

Sparkover

Voltage

Max front of

Wave

Sparkover

Voltage

10,000 and

5,000

Ampere

Arresters

2,500

Ampere

Arresters

kV (rms) kV (rms) kV (peak) kV (peak) kV (peak) kV (peak) kV (peak) kV (peak)

3 30 1.3 15 13 15 13

4.5 37 17.5 20 17.5 20 17.5

6 52 22.5 26 22.5 26 22.5

7.5 62 28 31 28 31 28

9 76 32.5 (58) 38 (62) 32.5 38 32.5 (47)

12 100 43 (70) 50 (78) 43 50 43 (70)

121

1.5 times the

rated voltage

of the

arresters

15 120 54 (80) 62 (88) 54 62 54 (69)

18 150 65 (85) 75 (94) 65 75 65 (74)

21 176 76 88 76 88 76

24 200 87 100 87 100 87

27 224 97 112 97 112 97

30 250 108 125 108 125 108

33 274 119 137 119 137 119

36 300 130 150 130 150 130

60 500 216 250 - - 216

75 620 270 310 - - 270

96 740 324 371 - - 324

102 790 343 394 - - 343

108 840 363 418 - - 363

120 930 400 463 - - 400

138 1030 454 522 - - 454

186 1170 610 702 - - 610

198 1200 649 746 - - 649

318 1200 1040 1200 - - 1040

336 1200 1100 1260 - - 2100

122

123

TABEL 3

MAXIMUM IMPULSE SPARKOVER TEST VOLTAGES

Arrester

Ratings

Front

Steepness

F.o.W

10 kA Light and

heavy duty and 5

kA, Series A ††

5 kA, Series B †† 2.5 kA 1.5 kA

kV rms kV/µs

Std. **

kV,

peak

F.O.W.*

kV,

peak

Std. **

kV,

peak

F.O.W.*

kV,

peak

Std. **

kV,

peak

F.O.W.*

kV,

peak

F.O.W.*

kV,

peak

0.175 10 - - - - 2.2 3.5 3.5

0.280 10 - - - - 2.5 3.0 3.0

0.500 10 - - - - 3.0 4.5 4.5

0.660 10 - - - - 5.0 6.0 6.0

3 25 13 15 21 26 13 15

4.5 37 17.5 20 - 36 17.5 20

6 50 22.6 26 40 44 22.6 26

7.5 62 27 31 - 52 27 31

9 75 32.5 38 58 59 32.5 38

10.5 87 38 44 - - 38 44

12 100 43 50 70 73 43 50

15 125 54 62 80 83 54 62

18 150 65 75 85 91 65 75

21 175 76 88 ††† 106 76 88

24 200 87 100 ††† 121 87 100

27 225 97 112 ††† 133 97 112

30 250 108 125 ††† 143 108 125

33 275 119 137 ††† ††† 119 137

36 300 130 150 ††† ††† 130 150

39 325 141 162 ††† †††

42 350 151 174

51 425 184 212

54 450 195 224

124

60 500 216 250

75 625 270 310

84 700 302 347

96 790 324 371

102 830 343 394

108 870 363 418

120 940 400 463

126 980 420 485

138 1030 460 530

150 1080 500 577

174 1160 570 660

186 1180 610 702

198 1200 649 746

To

225†1200

3.28

UR ***

3.78

UR ***

To

396†1200

3.26

UR ***

3.76

UR ***

Above

396†1200 ††† †††

† For guideance, since standard ratings above 198 kV have not been established

††5 kA. Series A, arresters are based on practice in all countries; 5 kA. Series B, arresters

are based on practiced in Canada, US, and other countries

††† No values have yet been agreed upon

* F.O.W. = Front of wave voltage impulse sparkover test

** Std. = Standard lightning-voltage impulse sparkover test

*** UR = Rated voltage of arrester

125

Arrester Rating

Front steepn

ess F.O.W

10 kA Light and heavy-duty and 5 kA,

Series AϞϞ5 kA, Series BϞϞ 2.5 kA 1.5 kA

kV rms kV/µs Std.** kV, peak

F.O.W* kV,peak

Std** kV, peak

F.O.W* kV, peak

Std** kV, peak

F.O.W* kV, peak

F.O.W* kV,peak

1 2 3 4 5 6 7 8 9

108120126138

870940980

1030

363400420460

418463485530

150174186198

1080116011801200

500570610649

577660702746

To 225ϞTo 396Ϟ

Above 396Ϟ

120012001200

3.28 UR**3.26 UR**

ϞϞϞ

3.78 UR**3.76 UR**

ϞϞϞ

126

Ϟ For guidance, since standard rating above 198kV have not been established

ϞϞ 5kA, Series A, arrester are based on practice in all countries; 5kA, Series B, arrester are based on practice in Canada, U.S.A., and other countries

ϞϞϞ No value have yet been agreed upon

* F.O.W. =Front of Wave volatge impulse sparkover test as described in Sub-clause 61.3.1.

** Std. =Standard lightning-volatge impulse sparkover test as described in Sub-clause 61.2.

*** UR =Rated Volatge of arrester

TABEL 4

MAXIMUM RESIDUAL VOLTAGE

Arrester RatingkV, rms

10kA light and heavy-duty and 5kA, Series

A** kV, peak

5kA, Series B**

kV,peak2.5 kA kV,peak 1.5 kA kV,peak

(1) (2) (3) (4) (5)0.1750.2800.5000.660

----

----

2.22.53.05.0

2.22.53.05.0

34.56

7.5

1317.522.627

18243139

1317.522.527

910.51215

32.5384354

46-

5464

32.5384354

18212427

65768797

73839199

65768797

30333639

108119130141

107*********

108119130

42515460

151184195216

758496102

270302324343

108120126138

363400420460

150174186198

500570610649

To 225*To 396*

Above 396*

3.28 UR****3.26 UR****

**** For guidance, since standard ratings above 198kV have not been established** 5 kA, series A, arresters are based on practice in all countries; 5kA, series B, arresters are based

on practice in Canada, U.S.A., and other countries

127

*** No values have yet been agreed upon**** UR = rated voltage of arresters.

TABEL 5

STANDARD INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV

SERIES I (BASED ON CURRENT PRACTICE IN MOST EUROPEAN AND SEVERAL OTHER COUNTRIES)

Highest voltage for equipment Um (rms)

kV

Rated Lightning impulse withstand voltage (peak)

Rated power-frequency short

duration withstand voltage (rms)List 1 List 2

kV kV kV3.67.212

17.52436

2040607595145

40607595125170

102028385070

128

TABEL 6

STANDAR INSULATION LEVELS FOR 1kV<Um<52kV

SERIES II (BASED ON CURRENT PRACTICE IN THE UNITED STATES OF AMERICA, CANADA AND SOME OTHER COUNTRIES)

Highest voltage for equipment Um (rms)

kV

Rated Lightning impulse withstand voltage (peak)

Rated power-frequency short

duration withstand voltage (rms)

500 kVA and below Above 500 kVA

kV kV kV4.4013.213.9714.5226.436.5

60

95

75

110

19

34

5070

150200

129

TABEL 7

STANDARD INSULATION LEVELS FOR 52kV≤Um<300kV1 2 3 4

Highest voltage for equipment Um (rms)

Base for p.u values

Um= (peak)

Rated Lightning Impulse withstand

voltage (rms)

Rated power-frequency short

duration withstand voltage (rms)

kV kV kV kV52

72.5123145170245

42.559100118139200

2503254505506507508509501050

95140185230275325360395460

130

TABEL 8

STANDARD INSULATION LEVELS FOR ≥300kV

Highest voltage for equipment Um (rms)

Base for p.u values

Um=

(peak)

Rated Lightning Impulse withstand voltage (rms)

Ratio between

rated lightning and

switching impulse

withstand volatges

Rated lightning impulse

withstand voltage(peak)

1 2 3 4 5 6kV kV p.u kV kV

300

362

420

525

765

245

296

343

429

625

3.06

3.47

2.86

3.21

2.76

3.06

2.45

274

2.08

2.28

2.48

750

850

950

1050

1175/

//1300/

//1425/

//1550

/1.13

/1.27/

1.12

/1.24/

1.11

/1.24/

1.12

/1.24/

1.11

/1.36//1.211.10/1.32//1.191.09/1.38//1.261.16/1.26

850

950

1050

1175

1300

1425

1550

1800

1950

131

/1.47/1.55

21002400

TABEL 9

IMPULSE POWER FREQUENCY WITHSTAND LEVELS FOR VARIOUS SYSTEMS VOLTAGES

APPLICATION AT 200C, A013 MILLIBARS(760 mmHg) PRESSURE AND 11 gr/m3

HUMIDITY (A) 7.25 kV AND BELOW

Normal System Voltage line to line kV(rms)

Highest system volatge line to line kV(rms)

Impulse withstand

voltage with standard full

wave+ve or ve kV(crest)

One minute power freq. Test voltage kV(rms)

List 1 List 26.611223666

7.2122436

72.5

6075125170325

22285070140

27355575140

(B) ABOVE 72.5 kVNormal System

Voltage line to line

kV(rms)

Highest system

volatge line to line kV(rms)

Impulse withstand kV(crest)

One minute power freq. Test voltage kV(rms)

Full Insulation

Reduced Insulation

Full Insulation

Reduced Insulation

110132150220380

380

123145170245

300

420

5506507501050

-

-

450550650900Or8251175Or

10501550Or

1425

230275325460

-

185230275395Or360510Or460680Or630

132

TABEL 10

F.O.V OF STANDARD DISCS (256X146)

No. Of Discs Dry FOV rms Wet FOV rms Impulse FOV (standard full wares)

kV crest123456789101112131415161819202530

801552152703253804354855405906406907357858308759651010105512801505

50901301702152552953353704154554905255656006306907207509001050

15025535544052561069578086094510251105118512651345142515851665174521452145

133

TABEL 11

RECOMENDED INSULATION LEVEL FOR LINES

Normal System Voltage

(kV)

Vpn (kV)

Switching overvoltage

kV crest

No. Of

Discs Reqd

Power Freq. Overvoltage

No. Of

Discs Reqd

No. Of Discs

Recomended Employed at present

132150220400500

7687127231289

76x6.5=49587x6.5=566127x6.5=825231x5=1155289x5=1445

5691317

76x3=22887x3=261127x3=381

231x3.3=762289x3.3=954

67102025

78112230

9/1010/1115/16

2434

134

TABEL 12

OVERVOLTAGE FACTORS

Normal System Voltage (kV) Switching Surge Flash Overvoltage

Power Frequency Flash-Over(Wet)

For 220 kVFor 400 kVFor 500 kV

6.5 Vpn5.0 Vpn5.0 Vpn

3.0 Vpn3.3 Vpn3.3 Vpn

135