SISTEM PENTANAHANBAB IPENDAHULUAN1.1. Latar BelakangSampai
kira-kira tahun 1910, system-sistem tenaga listrik tidak
diketanahkan. Hal itu dapat dimengerti karena pada waktu itu
system-sistem tenaga listrik masih kecil jadi bila ada gangguan
fasa ke tanah arus gangguan masih kecil, dan biasannya masih kurang
dari 5 amper. Pada umumnya bila arus gangguan itu sebesar 5 amper
atau lebih kecil, busur listrik yang timbul pada kontak-kontak
antara kawat yang terganggu dan tanah masih padam sendiri. Tetapi
system-sistem tenaga itu makin lama makin besar baik panjangnya
maupun tegangannya.Oleh karena itu mulai tahun 1910-an pada saat
mana system-sistem tenaga relative mulai besar, system-sistem itu
tidak lagi dibiarkan terapung yang dinamakan system delta, tetapi
titik netral system itu diketanahkan melalui tahanan atau
reaktansi. Pengetahanan itu umumnya dilakukan dengan menghubungkan
netral transformator daya ke tanah.Metode-metode pengetanahan
netral dari system-sistem tenaga adalah:a. Pengetanahan melalui
tahanan (ressistance grounding)b. Pengetanahan melalui reactor
(reactor grounding)c. Pengetanahan tanpa impedansi (soild
grounding)d. Pengetanahan efektif (effective grounding)e.
Pengetanahan dengan reactor yang impedansinya dapat berubah-ubah
(resonant grounding) atau pengetanahan dengan kumparan
Petersen.Istilah kumparan Petersen ini berasal dari nama orang yang
pertama-tama menciptakan alat itu, yaitu W. Petersen. Petersen
mendapatkan cara ini pada tahun 1916. Di Negara-negara Anglo-Saxon
nama alat itu sering juga disebut Ground Fault Neutralizer atau Arc
Suppression Coil. Umumnya kita di Indonesia mengenalnya sebagai
kumparan Petersen adau Petersen spoel. Perlu dicatat di sini bahwa
analisa serta perbaikan kumparan Petersen dibuat oleh JONAS mulai
tahun 1920.Sekalipun penggunaan kumparan Petersen itu sudah mulai
berkurang tetapi system 30 dan 70 KV yang ada di Jawa masih
diketanahkan dengan kumparan Petersen. Disamping itu, akhir-akhir
ini semakin banyak generator yang terhubung dengan transformator
(unit connected generator) diketanahkan dengan kumparan
Petersen.
1.2. Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dalam pembuatan makalah ini adalah:1.
Bagaimana fungsi kumparan Petersen pada keadaan gangguan?2. Apa
komponen rugi daya dari arus gangguan residu?3. Bagaimana pemadaman
busur listrik dalam keadaan gangguan tanah?4. Bagaimana pengaruh
tahanan kontak?5. Apa keuntungan dan kerugian kumparan Petersen?6.
Bagaimana persamaan dan diagram lingkaran Jonas?
1.3. Tujuan dan Manfaat
Adapun Tujuan dan Manfaat yang di dapat setelah membaca makalah
ini adalah:1. Mengetahui fungsi kumparan Petersen pada keadaan
gangguan2. Mengetahui komponen rugi daya dari arus gangguan
residu3. Mengetahui pemadaman busur listrik dalam keadaan gangguan
tanah4. Mengetahui pengaruh tahanan kontak5. Mengetahui keuntungan
dan kerugian kumparan Petersen6. Mengetahui persamaan dan diagram
lingkaran Jonas
BAB IIPEMBAHASAN
2.1. FUNGSI KUMPARAN PETERSEN PADA KEADAAN GANGGUANBila suatu
system yang tidak diketanahkan terganggu oleh hubung singkat kawat
tanah, maka arus gangguan kapasitif itu kembali ke system melalui
gangguan itu, Gambar 4.1Suatu keadaan istimewa ialah bila ada dua
macam arus gangguan yang sama besarnya tetapi berlawanan arahnya
terjadi pada gangguan itu, jadi satu sama lain saling
menghilangkan. Hal ini terjadi bila pada arus gangguan yang
kapasitif itu ditambahkan arus yang induktif yang tertentu
besarnya.Inilah prinsip dasar dari hasil pekerjaan pionir
Petersen.Untuk memperoleh arus induktif itu ditambahkan reactor
parallel dengan kapasitor pada setiap fasa ke tanah. Gambar
4.2.
Gambar 4.1. Sistem yang tidak diketanahkan dalam keadaan
gangguan kawat tanaha) Sistem fasa-tiga pada keadaan gangguanb)
Gambar ekivalen pada keadaan gangguan
Gambar 4.2. Sistem fasa tiga dengan reactor fasaTetapi cara ini
bukanlah pemecahan yang ekonomis, karena dalam hal ini dibutuhkan
tiga reactor yang tidak akan jenuh dan induktansinya harus
konstan.Bila reactor itu dihubungkan ke titik netral system,
umumnya dipilih netral sekunder transformator, maka dalam hal ini
dibutuhkan hanya satu reactor. Gambar 4.3.
Gambar 4.3. Sistem diketanahkan melalui reactor dalam keadaan
gangguan.(a) Diagram fasa-tiga(b) Diagram ekivalenGambar 4.3. (b)
di atas menggambarkan sirkuit ekivalen system itu dalam keadaan
gangguan kawat-tanah. Bila reactor itu mempunyai kesanggupan untuk
dapat mengatur impedansinya di samping adanya sadapan, alat itu
dinamakan kumparan Petersan. Untuk sementara marilah kita sebut
alat itu reactor saja yang impedansinya dapat diatur.Sebutlah
impedansinya reactor itu Zp, maka arus melalui reactor IL, dimana,
(4.1)Dan arus kapasitif,
= (4.2)Bila dipenuhi kondisi. (4.3)Maka arus yang mengalir dari
system melalui kapasitansi pada satu pihak dan melalui reactor
netral pada pihak lain akan saling menetralisir. Jadi dalam hal ini
tidak ada arus yang mengalir melalui titik gangguan kecuali
komponen arus rugi-rugi (lihat pasal 3) dan arus-arus
harmonis.Persamaan (4.3) adalah ekspresi matematis dari hokum
Petersen, bahwa reactor pengetahanan harus didimensionir sedemikian
rupa sehingga dapat ditala dengan system itu.2.2. KOMPONEN RUGI
DAYA DARI ARUS GANGGUAN RESIDU.Di dalam system dengan kumparan
Petersen, bila terjadi gangguan tanah akan ada arus kapasiif dan
arus induktif. Adanya arus-arus ini mengakibatkan tibulnya
rugi-rugi pada kumparan Petersen sendiri maupun pada system
transmisi serta trafo dayanya.Komponen rugi-rugi di dalam rangkaian
pengganti urutan nol dapat dinyatakan dengan tahanan yang
memberikan efek yang sama. Untuk itu rugi-rugi tersebut perlu
dibahas satu persatu, lihat gambar 4.4.
Gambar 4.4. Komponen-komponen rugi daya pada system dengan
kumparan Petersen yang disebabkan oleh arus gangguan.a. Arus bocor
yang mengalir melalui permukaan isolator penggantung pada tiang
transmisi. Besar arus ini tidak akan melampaui 5% dari arus
kapasitif dari system. Pengukuran sesungguhnya terhadap arus bocor
pada isolator penggntung tidak memberikan nilai yang tetap,
tergantung pada keadaan permukaan isolator, cuaca dan
perencanaannya.Rugi-rugi untuk arus bocor ini dinyatakan dengan
konduktansi pengganti G1 dalam gambar 4.4.b. Rugi-rugi I2R yang
disebabkan oleh arus gangguan kapasitif dan arus kumparan di dalam
jala-jala transmisi, transformator daya, dan jalan balik lewat
tanah, dinyatakan dengan tahanan pengganti R3.c. Rugi-rugi yang
disebabkan adanya efek korona atau rugi-rugi dialektrik, dinyatakan
dengan tahanan pengganti R4.d. Rugi-rugi yang dihasilkan di dalam
kumparan Petersen sendiri, yang terdiri dari rugi-rugi besi di
dalam inti, dan rugi-rugi tembaga pada belitannya, kedua macam
rugi-rugi ini dinyatakan masing-masing dengan tahanan shunt R2 dan
R5.e. Rugi-rugi yang disebabkan oleh tahanan hubungan tanah dapat
dinyatakan oleh tahanan pengganti R6.
Rangkaian pengganti secara lengkapnya untuk menunjukan
komponen-komponen rugi-rugi ini diperlihatkan dalam gambar 4.4.Di
dalam system tanpa efek korona, harga dalam persen masing-masing
komponen rugi-rugi dinyatakan dalam table 4.1.Konduktansi
bocor1,5-5%
Kumparan Petersen:Rugi-rugi besiRugi-rugi tembaga0,5-1%1,5%
Rugi-rugi I2R dalam transmisi dan jalan balik lewat tanahSampai
0,5%
Rugi-rugi tambahan pada trafo daya yang diketanahkanSampai
5%
Rugi-rugi pada titik pengetanahan kumparan petersenSampai 1%
Di dalam system tegangan ekstra tinggi (EHV) persen rugi daya
total selama terjadi gangguan tanah ini biasanya besarnya tak
melampaui 4% dan rugi daya pada kumparan Petersen sendiri sangat
kecil sehingga dapat diabaikan. Bila dipakai isolasi dengan tingkat
yang normal, persen rugi daya total dapat berkisar 6-15%. Hal ini
dapat dilihat dalam table 4.2 yang didapat dalam praktek untuk
berbagai tegangan system dan juga tergantung dari keadaan
system.Untuk mencari rugi daya total ini tidak dibutuhkan
perhitungan yang teliti, tetapi sudah cukup teliti bila dipakai
cara pendekatan dengan berpedoman pada table tadi.Tabel 4.2. Persen
rugi total pada system yang berbeda-bedaTegangan system (KV)Jenis
hantaranArus gangguan (Amper)Persen rugi daya total (%)
630301025252550110110KabelKabelKabelKawat udaraKawat udaraKawat
udaraKawat udaraKawat udaraKawat udaraKawat
udara20,545028006,53910-45722-54709,54,53,51112814-109,5-133,3-4,754,3
Sebagai pegangan dalam perhitungan-perhitungan, jumlah rugi-rugi
itu adalah kira-kira:
5% untuk tegangan tinggi 110 KV ke atas15% untuk tegangan
sedang, dan5% untuk kabel tanah
Jadi bila rugi-rugi itu tidak diabaikan, diagram ekivalen Gambar
2.2. (b) berubah menjadi seperti Gambar 4.5.
Gambar 4.5. Diagram ekivalen system yang diketanahkan dengan
kumparan Petersen dalam keadaan gangguan R= rugi-rugi
ekivalen.Perlu ditekankan di sini bahwa rugi-rugi ini sangat
terpengaruh oleh keadaan cuaca, karena rugi-rugi ini sebagian besar
ditentukan korona dan kebocoran isolator. Dalam musim hujan
kemungkinan timbulnya korona lebih besar. Jadi rugi-rugi dalam
musim hujan lebih besar daripada rugi-rugi dalam musim kering.2.3.
PEMADAMAN BUSUR LISTRIK DALAM KEADAAN GANGGUAN TANAHPada saat
gangguan dihilangkan, maka pada saat pemutusan arus, busur listrik
timbul antara kontak-kontak, yaitu antara fasa yang terganggu dan
tanah, atau antara elektroda-elektroda a dan b, Gambar 4.5.
Bersamaan dengan pemutusan arus itu tegangan kawat akan berusaha
kembali ke tegangan normal melalui waktu transisi. Pada waktu
pengembalian tegangan inilah akan kita lihat kegunaan yang sangat
besar dari kumparam Petersen itu.Sifat sesuatu gangguan menentukan
pergeseran titik netral O sampai Eph. Umumnya kumparan Petersen itu
tidak ditala sempurna, jadi selalu ada arus gangguan mengalir
(termasuk arus rugi-rugi).Arus itu dinamakan arus residu (residual
current) dan diberi dengan notasi Ir. Komponen reaktif dari arus
gangguan residu ini, (4.4)Arus gangguan bila tidak ada kumparan
Petersen,(4.5)Bila ada penyimpangan dari penalaran yang sempurna
dinyatakan dengan , maka:
Atau(4.6)Bila Persamaan (4.3) dipenuhi maka = OSebenarnya,
bagaimanapun sempurnanya penalaan selalu ada arus rugi-rugi .Dalam
gambar 4.5, L dan Co membentuk sirkuit isolasi. Frekuensi sudut
(angular frequency) dari isolasi bebas (free oscillation)
adalah:(4.7)Bila w = frekuensi daya maka pada penalaan yang
sempurna Sekarang akan kita lihat bagaimana pemadaman bunga api itu
terjadi setelah gangguan hilang. Untuk ini kita akan meninjau dua
macam keadaan, yaitu pada penalaan yang sempurna dan pada penalaan
yang tidak sempurna.2.3.1. Pemadaman Bunga Api pada Penalaan yang
SempurnaTerjadinya busur listrik atau loncatan api sebenarnya
disebabkan karena udara terionisasi pada waktu adanya gangguan,
sehingga yang tadinya bersifat sebagai isolator, sekarang bersifat
sebagai konduktor. Setelah gangguan itu hilang pada waktu arus
melewati titik nolnya, udara ingin kembali lagi sebagai isolator.
Peristiwa kembalinya udara sebagai isolator lagi disebut tegangan
pulih dielektrik atau dielectric recovery voltage (DRV) atau
build-up of dielectric strength of gap. Pada saat arus nol tegangan
system ingin kembali ke harga normalnya melalui gejala peralihan
mengikuti lengkung tegangan pulih system atau system recovery
voltage (SRV).Penyalaan kembali dari busur listrik dapat terjadi
apabila pada timbulnya tegangan pulih system terjadi pukul ulang
(restrike), di mana terjadi perpotongan antara kedua lengkung
tersebut yaitu tegangan pulih dielektrik dan tegangan pulih system
dan kejadian ini bias menyebabkan timbulnya busur tanah, walaupun
penyebab dari gangguan itu sendiri sudah hilang. Jadi harus ingat
bahwa pada saat arus sama dengan nol, belum tentu busur listrik itu
hilang. Karena itu diinginkan supaya lengkung tegangan pulih system
lebih rendah dari tegangan pulih dielektrik, atau dengan perkataan
lain diinginkan agar kenaikan tegangan system lambat dan kenaikan
dari tegangan pulih dielektrik lebih cepat.Perlu dicatat bahwa bila
tegangan system makin tinggi berarti kemungkinan terionisasinya
udara makin besar, maka bila terjadi gangguan tanah yang
menimbulkan busur listrik, arus daya yang mengalir dalam busur
listrik itu besar sehingga menyebabkan naiknya tegangan pulih
dielektrik menjadi lambat. Tetapi pada pemutus daya udara, busur
listrik itu cepat hilang karena itu kenaikan tegangan pulih
dielektrik dipercepat.Begitu juga yang terjadi pada kumparan
Petersen, dimana tegangan pulih dielektrik dapat dibuat cepat
sekali dan tegangan pulih system dibuat cukup lambat. Inilah jasa
kumparan Petersen yang terpenting, sebab gangguan tanah dapat
diselamatkan tanpa pemutusan saluran yang terganggu. Kumparan
Petersen memperlambat naiknya tegangan pulih system, setelah
gangguan itu hilang, seperti terlihat pada keterangan-keterangan
dibawah ini.Pada penalaan yang sempurna , jadi bila system
dibiarkan bebas akan terus menerus berosilasi. Tetapi karena adanya
rugi-rugi amplitudenya makin lama makin kecil.Konstanta waktu dari
osilasi yang teredam itu ialah(4.8)Dimana: = tahanan ekivalen
seriBila konstanta waktu dihitung dari sirkuit ekivalen parallel
maka:(4.9)Dimana: R = tahanan ekivalen parallelSuperposisi dari
tegangan pulih transien yang berosilasi dan tegangan normal
menghasilkan tegangan yang secara perlahan-lahan kembali dari
keadaan gangguan ke keadaan normal. Jadi seperti terlihat pada
Gambar 4.6. arti yang terpenting dari kumparan Petersen ialah
perlambatan dari kembalinya tegangan antara fasa yang terganggu dan
tanah. Bila tegangan fasa sin wt dan tegangan transien maka
tegangan pulih pada fasa yang terganggu ke tanah menjadi,
(4.10)
Gambar 4.6. Pemulihan tegangan pada fasa yang terganggu pada
system yang diketanahkan dengan kumparan Petersen.O: titik netralA:
fasa yang tergangguB,C: fasa-fasa yang tidak terganggu
Dari gambar 4.7 jelas kelihatan bagaimana tegangan dari fasa
yang terganggu itu kembali setelah gangguan dihilangkan.Jadi
tegangan adanya kumparan Petersen itu diperoleh beberapa
keuntungan.1. Arus gangguan kecil, jadi pada pemutusan arus, busur
listrik dapat diabaikan,1. Tegangan pulih system diperlambat
sedemikian rupa sehingga , memberikan waktu yang cukup kepada
pemulihan dielektrik dari jalan busur listrik (arcpath) yang
terjadi karena ionisasi selama gangguan.1. Pemutusan arus tidak
menimbulkan busur listrik 1. Kemungkinan timbulnya busur tanah
dihindarkanPemadaman sendiri (self-extinguishing) itu bukanlah oleh
karena arus kecil, tetapi karena tegangan antara elektroda a dan b
( gambar 4.4 ) lambat kembalinya. Walaupun arus gangguan itu besar,
misalanya 50 amper pada system yang diketanahkan dengan kumparan
Petersen, adalah jauh lebih baik dari arus 5 amper pada seistem
yang tidak diketanahkan. Pada keadaan yang pertama pemadaman
sendiri itu dapat terjadi, sebaliknya pada keadaan terakhir belum
tentu terjadi.
Gambar 4.7. Superposisi dari tegangan mantap dan transien
2.3.2. Pemadaman Bunga Api Pada Penalaan Tidak SempurnaTelah
diterangkan dimuka bahwa kumparan Petersen itu pada umumnya tidak
ditala sempurna. Derajat simpangan tala itu diberikan oleh
persamaan (4.6), yaitu (4.6) Dan persamaan (4.7)(4.7)Bila persamaan
(4.7) diisikan dalam persamaan (4.6) maka diperoleh (4.11)Jadi
frekuensi dari tegangan transien menjadi :w (4.12)Tegangan pulih
system antara fasa yang terganggu dan tanah diberikan oleh
persamaan di bawah ini : Eph sin wt - Eph sin wf t (4.13)Dengan
=
Gambar 4.8. Tegangan fasa yang terganggu bila kumparan Petersen
ditala tidak sempurna. = -25%, dan redaman diabaikan
Bila redaman diabaikan ( diperoleh hasil yang konservatif),
persamaan (4.13) menjadi : Eph ( sin wt sin wf t )(4.14)Atau2 Eph
sin(4.15)Gambar 4.8 menggambarka keadaan yang diberikan oleh
persamaan (4.14). dari lgambar 4.8 kelihatan bahwa tegangan pulih
dari fasa yang terganggu itu masih tetap diperlambat walaupun pada
keadaan penalaan yang tidak sempurna, dan redaman diabaikan.Perlu
dicatat disini bahwa simpangan yang besar (arus residu makin besar)
akan mempercepat naiknya tegangan pulih system. Begitu juga halnya
bila makin besar arus rugi-rugi Iw,, dan bila simpangan tala
terlalu besar, maka tegangan pulih system menjadi terlalu cepat
naiknya sehingga pemadaman sendiri mungkin akan gagal, deionisasi
bertambah lambat jadi tegangan pulih dielektrik juga lambat.Oleh
karena itu beberapa alas an, penalaan yang sempurna itu tidak
diinginkan. never tune to resonance. Demikian kata
jonas.Alasan-alasan tersebut disebabkan antara lain oleh :1. Sukar
mengatur sehingga diperoleh penalaan sempurna,1. Bila da pergeseran
netral yang ditimbulkan oleh ketidakseimbangan kapasitif, tegangan
pada kumparan itu pada kerja normal akan sangat besar (mungkin 10
sampai 15 kali sebesar pergeseran netral) bila ditala sempurna,1.
Dalam keadaan gangguan pergeseran netral akan maksimum bila ditala
sempurna.Kedua alas an terakhir ini akan diterangkan lebih lanjut
dalam pasal 7 bab ini. Dari pengalaman-pengalaman, derajat
simpangan tala jangan lebih besar dari harga-harga yang diberikan
pada table 4.3.
Tabel 4.3. Simpangan dari penalaan sempurnaSimpangan,
(%)Tegangan kerja(KV)
25
2569115 dan lebih
Bila positif dinamakan konpensasi kurang, dalam hal ini wf <
w dan bila negatif dinamakan konpensasi lebih, dalam hal ini wf
> w.Besar arus residu I, (sebagai pecahan dari arus gangguan
kapasitif IFG ) tergantung dari derajat simpangan , Gambar 4.9.
Dari Gambar 4.5Iw = Ir = Ir,x = IFG IL = = Jadi, = (4.16)Dari
relasi terakhir ini dapat dilukiskan gambar 4.9.Kembali persamaan (
4.10 ) di atas, yaitu untk penalaan sempurna, laju kenaikan
tegangan adalah : Rumus = Dan pada t = 0 = (4.17)Laju kenaikan
tegangan inilah sebagian besar yang menentukan apakah akan terjadi
pukul ulang (restrike) atau tidak. Pada umumnya harga 2 RC berkisar
antara 0,02 detik untuk tegangan tinggi sampai 0,1 detik untuk
tegangan menengah.2.4 PENGARUH TAHANAN KONTAKPengaruh dari tahanan
kontak ini paling terasa pada saluran transmisi yang menggunakan
tiang-tiang kayu.
Kita menginginkan supaya sebagian besar tegangan barada pada R.
gambar 4.10. untuk mengindarkan loncatan api samping (side flash
over). Tegangan pada kumparan Petersen adalah := = (4.18)Jadi
supaya tegangan EN besar , r/R harus diusahakan kecil.Contoh
.Misalkan suatu system besar 69 KV, dengan tuang kayu, dan
diketanahkan dengan kumparan Petersen. R = 10 % r = 250 ohm.
Panjang seluruhnya 1.030 KmsMaka, = = 27,3 Amp = 10 % = 27,3
AmpJadi, R = = 1459 ohm.Maka, = = 0,171 = = 34,02 KV ( = 85 % )Dan
= - 34,02 = 5,82 KV ( = 15 % )Bila system tersebut tidak
diketanahkan maka diagram ekivalennya diberikan dalam gambar 4.11.
( rugi-rugi system R kecil terhadap I / wC, karena itu
diabaikan).Arus kapasitif = 273 Amp., jadi = = 146 ohm.Jadi,
Maka,
Gambar 4.11. Diagram ekivalen tanpa kumparan petersen
2.5. KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN KUMPARAN PETERSEN
Jadi jelas kelihatan sekarang keuntungan-kentungan dari adanya
kumparan Petersen.Untuk menggerakkan alarm dipergunakan tegangan
dari kumparan Petersen, EN. besar tegangan yang dibutuhkan untuk
manggerakkan alarm tersebut kira-kira 80% dari Eph. Di atas telah
dihitung bahwa EN = 35% dari Eph, jadi tegangan ini sudah cukup
manggerakkan alarm.Jadi bila r terlalu besar, maka di samping Er
yang besar (dan ini tidak baik) juga akan kemungkinan EN terlalu
kecil sehingga tidak dapat menggerakkan alarm.Dari uraian-uraian
diatas dpat disimpulkan bahwa keuntungan yang pslin utama dari
metode pengetanahan system dengan kumparan Petersen antara lain :1.
Arus gangguan satu fasa ke tanah dapat dibuat kecil sekali, dengan
demikian gangguan tanah itu menjadi tidak berbahaya lagi terhadap
system dan gangguan dapat hilang sendiri (self-clearing), tanpa
operasi pemutus daya.2. Hilangnya gejala busur tanah yang sangat
berbahaya terhadap system (karena tegangan lebih yang di
hasilkannya), sehingga dengan demikian terhindar kerusakan pada
peralatan system, terutama pada titik gangguan.3. Suplai daya
menjadi tak terganggu dan dapat berlangsung terus walaupun gangguan
belum dihilangkan sama sekali ; artinya system dapat beroperasi
terus dalam gannuan tanah.4. Tegangan lebih transien yang
terlampubesar dapat dikurangi dibandingkan pada system yang
tersolir.5. Efek-efek terhadap gangguan komunikasi dapat di
perkecil.6. Mengurani kejutan pada system yang disebabkan gangguan
tanah itu.Kerugian dan kelemahan-kelemahan dari metode pengetanahan
dengan kumparan Petersen ini antara lain.1. Kumparan Petersen tidak
dapat mengkompensir terhadap ganguan dua fasa ke tanah.2. Kumparan
Petersen tidak dapat menghilankan gangguan satu fasa yang menetap
(substained grount fault) pada system. 3. Kumparan Petersen tidak
dapat mengkompersir rugi-rugi daya dari system (watt-component) dan
harmonisa-harmonisa, sehingga pemakaiannya terbatas pada system
dengan tegangan sanpai 110 KV. Pada sisitem-sistem yang mempunyai
tegangan sangat tinggi rugi-rugi daya (termasuk kerugian korona)
besar kecil.4. Kumparan Petersen tidak dapat mencegah tegangan
lebih secara keseluruhan., hanya membatasi sampai keadaan tertentu
sehingga memerlukan peralatan yang mampu menaggulangi tegangan
lebih tersebut.
2.6 PERSAMAAN DAN DIAGRAM LINGKARAN JONAS
Dalam pasal 4 telah diterangkan bahwa pada hakekatnya penalaran
sempurna itu tidak perlu, malahan selalu dinasehatkan supaya jangan
dilakukan penalaan sempurna. Untuk menerangkan hal ini marilah kita
tinjau dua macam keadaan, yaitu system dalam keadaan tidak ada
ganguan, dan system dalam keadaan gangguan tanah-kawat.
2.6.1. System Pada Keadaan Tidak Ada GangguanGambar 4
menggambarkan suatu system yang di ketanahakan dengan kumparan
Petersen dalam keadan tidak ada ganguan.
Gambar 4.12. Sistem yang diketanahkan dengan kumparan Petersen,
tidak ada gangguan
Persamaan arus. (4.19)atau (4.19)Persamaan (4.19) dapat di tulis
sebagai:
(4.20)atau (4.21)tetapi dari persaman (2.8)
jadi persamaan (4.21) dapat ditulis: (4.22)atau (4.23) pada
persamaan di atas :EN = tegangan kumparan Petersen, yaitu tegangan
antara titik netral dan tanah pada system yang di ketanahkan dangan
kumoaran Petersen. ENG = tegangan netral ke tanah pada system
delta.
Mulai sekarang tegangan ketidakseimbangan ENG kita sebut
tegangan urutan nol, EO, jadi persaman (4.23) menjadi : (4.24)
Gambar 4.13. Gambar ekivalen dari system yang diketanahkan
dengan Kumparan Petersen dan tidak ada gangguanGambar ekivalen dari
persamaan (4.24) diberikan oleh gambar 4.13 yaitu satu rangkaian
tertutup yang diberikan oleh impedansi kumparan Petersen ZP, dan
impedansi ekivalen kapasitif system terhadap tanah, ZG terhubung
seri, dan tegangan ketidak seimbangan atau tegangan urutan nol,
EO.Jadi pada persamaan (4.24) dan Gambar 4.13 jelas kelihatan bila
kumparan Petersen itu ditala semparna (resonasi seri) harga ZP + ZG
akan sangat kecil (hanya tahanan rugi-rugi Rse), jadi persamaan
(4,24) menadi :
dan teganagan kumparan Petersen akan maksimum, EN, maks dan ini
relatif sangat besar, yaitu 10-15 kali sebesar tegangan ketidak
seimbangan EO. Ini berarti kalau ada tegangan ketidak seimbangan EO
, maka dalam keadaan kerja normal pergeseran titik netral system
(neutral displacement) menjadi sangat besar. Jadi jelaslah sekarang
bahwa penalaan tidak sempurna itu sangat efektif bila ada ketidak
seimbangan kapasitif pada system itu. Tetapi janganlah simpangan
tala ini ditunjukan untuk membatasi pergaseran netral yang besa,
tetapi lakukanlah dengan transposisi.
Gambar 4.14. Karakteristik kumparan Petersen
Untuk menjaga supaya tegangan kumparan Petersen (tegangan
netral) jangan terlalu besar, impedansi kumparan Petersen itu
dibuat tidak konstan, yaitu pada arus yang lebih besar impedansinya
berkurang. Gambar 4.14 (lihat juga gambar 4.16).
2.6.2. Sistem Dalam Keadaan Gangguan TanahPada keadaan gangguan
tanah dan terhubung parallel, gambar 4.15
Gambar 4.15.Gambar ekivalen system dengan kumparan Petersen
dalam keadaan gangguan tanah.Telah diterangkan di atas bahwa
kumparan Petersen itu tidak ditala sempurna. Jadi arus kumparan
Petersen tidak menetralisir seluruh arus kapasitif. Selisih arus
ini disebut arus residu, .Besar arus residu , (4.25)Subtitusi
persamaanpersamaan (2.10) dan (2.24) dalam persamaan (4.25)
diperoleh : (4.26)Persamaan (4.26) ini mulamula diberi oleh Jonas,
dan persamaan tersebut dinamakan persamaan junas.Dalam keadaan
resonansi (resonansi paralel) tegangan kumparan. Petersen, , akan
maksimum dan
Yaitu komponen watt dari arus residu,Jadi tegangan maksimum
kumparan Petersen itu menjadi : (4.27)Dari contoh dibawah ini dapat
kitalihat berapa besarnya pergeseran netral (tegangan kumparan
persen) bila ditala sempurna.Contoh :Suatu system besar 23
KV.Tegangan ketidak seimbangan ENG = EO dimisalkan 3% dari tegangan
fasa, dan rugi rugi system 10 % ( = 10% dari ), maka :
Jadi disini kita lihat EN = 3% maka EN, maks = 30% dan yang
terakhir ini sudat sangat besar.2.6.3 Diagram lingkaran JonasDari
gambar 4.14 dapat dilihat bahwa impedansi kumparan Petersen itu
konstan sampai = , dan di atas titik impedansi itu makin berkurang
sehingga tegangan kumparan Petersen itu agak konstan.
Gambar 4.16, konstruksi dasar kumparan Petersen.Karena pada
umumnya tegangan yang mungkin timbul pada kumparan Petersen itu
jarang diatas maka kita cukup meninjau daerah sampaisaja. Kumparan
Petersen itu mempunyai sadapansadapan, Gambar 4.16, dan impedansi
itu berubah secara linear dengan perubahan sadapan.Misalkan
impedansi kumparan Petersen itu, (4.28)Dimana k konstan tergantung
dari kedudukan sadapan. Impedansi ekivalen kapasitif, dari system
itu adalah konstan. Sekarang akan kita lihat bagaimana kedudukan
yaitu tegangan pada kumparan Petersen. Rangkaian ekivalen dalam
keadaan tidak adagangguan diberikan oleh Gambar 4.13. Dalam gambar
4.13, dan tetap besarnya, sedangkan dapat diatur, yaitu dengan
merubah sadapannya.Karena merupakan tegangan yang tetap yang
dimasukkan pada dua impedansi dalam seri, satu diantaranya yang
tetap, sedang yang lain berubah secara linear. Maka tempat
kedudukan untuk berbagaibagai kedudukan sadapan merupakan sebuah
lingkaran, gambar 4.17.Lingkaran gambar 4.17, merupakan tempat
kedudukan (tegangan) tanah. Harga maksimum dari yaitu ialah
diameter dari lingkaran itu (), hal manater jadi pada keadaan
resonansi.Jadi jelas kelihatan dari gambar 4.13, bahwa pada
penalaan sempurna pergeseran netral sangat besar pada kerja normal
bila ada ketidak seimbangan kapasitif (). Sebabitulah Jonas
mengatakan, bila ada ketidak seimbangan kapasitif system janganlah
ditala sempurna.
Gambar 4.17 pergeseran netral pada system dengan kumparan
petrsen.Dalam gambar 4.17N = titiknetral = system delta () =
kompensasi kurang () = ditalsempurna () = kompensasi kurang () =
tegangan kumparan Petersen atau tegangan netral ketanah.Cara yang
paling mudah untuk memperoleh data untuk melukiskan diagram
lingkaran itu ialah dengan cara pengukuran. Untuk tiap kedudukan
sedapan dari kumparan Petersen itu diukur tegangantegangan fasa
ketanah dan tegangan tegangan jala-jala . Pengukuran itu dilakukan
dengan bantuan transformator tegangan tiga fasa dengan netralnya
diketanahkan, gambar 4.18.
Gambar 4.18, pengukuaran-pengukuran tegangan dengan
transformator tegangan guna melukiskan diagram lingkaran
Jonas.Supaya lebih jelas di bawah ini diberikan contoh suatu system
115 KV. Hasilhasil pengukuran tegangan dikumpulkan dalam tabel 4.4
.Prosedur untuk melukiskan diagram lingkaran Jonas adalah sebagai
berikut :1. Dari hasil hasil pengukuran tegangantegangan fasa ke
tanah (kolom 3, 4, dan 5) dan tegangan jalajala (kolom6, 7, dan 8),
diambil harga rata-rata tegangan jala-jala (kolm 10) ,dan
tegangan-tegangan fasa tanah dikoreksi ketegangan jala-jala ini.
Misalnya untuk baris pertama Tabel 4.4 dalam kolom 11 diperoleh
sebagai berikut :
Tabel 4.4 Hasil-hasil pengukuran tegangan dari suatu system 115
kv yang dilengkapi dengan kumparan Petersen
Kumparan PetersenTegangan Ke tanah(KV)Tegangan
Jala-Jala(KV)Tegangan di atas 115 KV
PossisiAmpEAEBECEABEBCECAEAEBEC
12345678910111213
Off123400,51,53,81,367,067,870,048,062,464,363,055,181,271,567,068,075,273,564,8115,2115,1115,0115,5115,2115,2115,1115,0115,1115,0115,0114,9114,9115,1115,05050505050115,1115,0115,0115,2115,167,067,870,047,862,364,263,055,181,071,366,968,075,273,064,7
Dengan jalan ini diperoleh harga-harga dari tegangan fasa tanah
yang telah diatur (kolom 11,12 dan 13).2 Untuk tiap kedudukan
sadapan dari kumparan Petersen, dengan ketiga tegangan fasa-tanah
yang telah diatur sebagai radius dilukiskan lingkaran.Melalui
ketiga titik perpotongan dari ketiga lingkaran itu dilukiskan
segitiga. Titik berat segitiga itu menyatakan titik kedudukan dari
sadapan pada lingkaran jonas.3 Dengan jalan yang sama seperti
langkah 2 diatas dilakukan untuk semua sadapan dari kumparan
Petersen, termaksud kedudukan off.4 Melalui titk-titik yang
diperoleh pada langkah 2 dan 3 dilukiskan lingkaran, yaitu
lingkaran jonas, gambar 4.19.
Gambar 4.19. Segitiga tegangan dan diagram lingkaran Jonas untuk
system pada Tabel 4.4.Lingkaran itu mempunyai radius sebesar 15 KV,
atau diameter lingkaran 30 KV.Jadi pada keadaan resonansi, dalam
keadaan kerja normal (tidak ada gangguan), pergeseran titk netral
ialah 30 KV atau kira-kira 43,5% dari tegangan fasa.Hasil dari
pengukuran untuk system lain diberikan dalam Gambar 4.20. Dalam
segitiga tegangan ada dua lingkaran, yang pertama kecil dan yang
kedua besar. Lingkaran kecil adalah lingkaran yang sebenarnya,
sedang yang besar diperoleh dengan melepaskan dua fasa. Hal itu
dilakukan karena system agak seimbang (fairly balanced), jadi
lingkaran itu terlalu kecil untuk dipelajari. Dengan melepaskan dua
fasa diperoleh ketidakseimbangan yang besar dan lingkaran jonas
yang besar pula.
BAB IIIPENUTUP
3.1. KesimpulanAdapun kesimpulan-kesimpulan Pengetanahan dengan
kumparan Petersen yaitu:1) Pengetahanan dengan kumparan petersenan
sangat efektif untuk memadamkan gangguan hubung tanah (ground
fault) yang berupa transien maupun gangguan yang berlangsung
terus.2) Kumparan petersenan mencegah timbulnya arus gangguan yang
besar.3) Kompensasi yang tepat terhadap arus kapasitif pada
gangguan satu fasa ketanah menyebabkan arus gangguan itu kecil
sekali, sehingga memungkinkan system itu dapat bekerja terus dengan
satu fasa terhubung ketanah sampai ada saat yang baik untuk
melakukan lokalisasi gangguan. Sementara itu baik disis generator
disentral maupun disisi pihak konsumen tak merasai gangguan
tersebut.4) Pengurangan arus gangguan sampai harga minimumnya yang
tidak lagi membahayakan konduktor maupun isolator-isolator akan
mengurangi pemeliharaan terhadap saluran-saluran transmisi,
isolator-isolator, dan sekaligus mengurangi operasi daripada
pemutus daya.5) Busur tanah dapat dihindarkan. 6)
Kerusakan-kerusakan yang diakibatkan oleh gangguan tanah
diperkecil.7) Terhadap gangguan satu fasa ketanah yang temporer,
kumparan Petersen tidak hanya menyebabkan arus gangguan itu kecil
tetapi juga memperlambat kenaikan tegangan pulih system dank arena
itu busur listrik mudah hilang sendiri, jadi system kembali normal
tanpa bekerjanya pemutus daya.8) Kumparan Petersen sangat sensitive
terhadap ketidakseimbangan da dalam sistemnya.9) Kumparan Petersen
selalu siap setiap saat untuk menetralisir arus gangguan hubung
tanah maupun hubung tanah berurutan.10) Kumparan Petersen paling
baik digunakan pada system radial baik yang melalui terdiri dari
penghantar kawat udara atau campuran hantaran udara dan kabel tanah
dengan tegangan kerja dari 2,4 KV sampai dengan 110 KV.11) Kumparan
Petersen praktis tidak membutuhkan pemeliharaan yang berarti.12)
Karena arus gangguan tanah yang timbul selain kecil juga
distribusinya tidak tergantung kepada letak gangguan, maka arus itu
tidak bisa dipakai sebagai dasar untuk rele ganggua tanah yang
selektif harus dengan cara-cara yang istimewa atau khusus.13)
Mengingat bahwa terhadap gangguan satu fasa ke tanah yang permanen
pemutusan pemutus daya dapat ditangguhkan, maka rela gangguan tanah
yang selektif bukan suatu keharusan.14) Pemasangan wattmeter type
carth leakage relay dapat menunjukkan dengan tepat letak gangguan,
sehingga dapat diadakan tindakan pengisolasian bagian system yang
mengalami gangguan itu.15) Mengingat bahwa kumparan Petersen itu
hanya berjasa terhadap gangguan suatu fasa ketanah, maka system
haruslah diusahakan sedemikian rupa sehingga gangguan-gangguan satu
fasa ketanah saja. Untuk ini tahanan-tahanan kaki tiang harus
diusahakan serendah mungkin.16) Karena pada waktu gangguaan satu
fasa ketanah menyebabkan tegangan fasa lainya naik menjadi 3. atau
tegangan jala-jala, maka pengenal tegangan arrestnya haruslah
berdasarkan tegangan jala-jala.17) System dapat bekerja pada
simpangan tala tertentu tanpa mempengaruhi karateristik proteksinya
terhadap system, sehingga pada perluasan system tidak menunjukkan
adanya pembatasan pemakaian kumparan Petersen ini.18) Untuk
membatasi pergeseran netral akibat resonansi maka salah satu atau
beberapa kumparan Petersen dipasang pada sadapan maksimum.3.2
Saran
Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen