Analisis Pengaruh Jenis dan Kedalaman Tanah terhadap Kuat Medan Listrik serta Kapasitas Hantar Arus pada Kabel XLPE 20 kV dengan Metode Elemen Hingga Indriyanti Paramita – 2205100134 Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih – Sukolilo, Surabaya – 60111 Abstrak : Kuat medan listrik dan kapasitas hantar arus adalah faktor terpenting dalam desain dan operasi kabel daya listrik sehingga pemilihan jenis tanah dan kedalaman penanaman kabel berpengaruh terhadap kuat medan listrik, kapasitas hantar arus, dan panas yang dihasilkan oleh kabel. Medan listrik timbul karena beda potensial antara dua titik. Kuat medan listrik yang berlebih akan menyebabkan umur bahan isolasi kabel menjadi berkurang. Kapasitas hantar arus (ampacity) pada kabel menentukan besarnya arus listrik yang diperbolehkan untuk mengalir sehingga suhu maksimal pada konduktor tidak melebihi batas suhu yang telah ditentukan. Metode dan analisis pemetaan distribusi kuat medan listrik dan panas pada kabel XLPE 20 kV menggunakan metode elemen hingga. Hasil yang didapatkan adalah visualisasi distribusi kuat medan listrik dan panas pada kabel XLPE 20 kV. Kata kunci : Kabel XLPE, medan listrik, kapasitas hantar arus, panas lapisan terluar kabel, metode elemen hingga I. PENDAHULUAN Penentuan kuat medan listrik dan kapasitas hantar arus maksimal adalah faktor terpenting dalam desain dan operasi kabel daya listrik. Kuat medan listrik pada kabel akan timbul apabila material dielektrik diberi tegangan. Kuat medan listrik yang berlebih akan menyebabkan umur bahan isolasi kabel menjadi berkurang. Permasalahan kapasitas hantar arus pada kabel adalah menghitung besarnya arus listrik yang diperbolehkan untuk mengalir sehingga temperatur maksimum konduktor kabel tersebut tidak melebihi batas yang telah ditentukan. Beberapa metode analitis telah digunakan untuk menentukan besar kuat medan listrik dan kenaikan suhu pada kebel tenaga listrik. Pada permasalahan yang lebih komplek contohnya untuk medium yang tidak seragam dan material penyusun kabel yang tidak sama penyelesaian secara analistis tidak memungkinkan diperoleh hasil yang akurat dalam penentuan kuat medan listrik dan kapasitas hantar arus pada kabel tenaga listrik, maka dilakukan pendekatan secara numerik untuk menyelesaikannya. Salah satu bentuk penyelesaian numerik yang dapat digunakan adalah metode elemen hingga (finite element method). Penyelesaian dengan menggunakan metode elemen hingga (finite element method) tidak hanya memberikan gambaran yang baik mengenai distribusi kuat medan listrik dan efek pemanasan suhu pada kabel tetapi juga memberikan gambaran secara akurat mengenai pemodelan syarat batas yang nantinya digunakan untuk menyelesaikan permasalahan medan listrik dan kapasitas hantar arus pada kabel. II. KABEL TENAGA LISTRIK Dalam penyaluran tenaga listrik dengan saluran transmisi bawah tanah digunakan kabel tenaga listrik. Bagian utama dari suatu kabel adalah inti atau konduktor, bahan isolasi, bahan pengisi, bahan pengikat, bahan pelindung beban mekanik dan selubung pelindung
Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
luar, semua bahan tersebut harus membentuk suatu konstruksi yang membuat kabel fleksibel dan meskipun fleksibel tetap memiliki kekuatan mekanis yang memadai. Tujuan utama isolasi pada kabel tenaga listrik adalah untuk melindungi kabel dari kegagalan mekanik, elektromekanik dan kimia. Bentuk isolasi kabel tenaga listrik adalah selubung dengan bahan metalik dan biasanya dilindungi lapisan non-konduktor. 2.1 Konduktor Material yang biasanya digunakan sebagai bahan konduktor kabel tenaga listrik adalah alumunium dan tembaga. Konstruksi dari konduktor kabel tenaga listrik memegang peranan penting dalam petunjuk perhitungan rating kabel. Salah satu parameter penting dalam perhitungan rating kabel adalah diameter konduktor kabel tersebut. Pada umumnya semakin besar diameter konduktor kabel maka kapasitas hantar arus sebuah kabel semakin besar juga. 2.2 Isolasi Suatu kabel tenaga listrik harus dilengkapi dengan bahan isolasi yang berfungsi untuk mencegah aliran listrik dari konduktor mengalir ke tanah. Isolasi listrik harus dapat menahan tekanan listrik yang disebabkan oleh tegangan bolak-balik dan tegangan transien tanpa mengalami kegagalan dielektrik yang dapat menyebabkan terjadinya hubung singkat. Banyak sekali material yang dapat digunakan sebagai bahan isolasi listrik. Pada kabel bawah tanah material isolasi listrik yang dapat digunakan adalah oil-impregnated paper tapes, isolasi padat seperti polyethylenes, ethylene-propylene rubber dan isolasi gas bertekanan seperti SF6. Tipe isolasi sangat mempengaruhi rating kabel tenaga listrik tersebut, dari sudut pandang panas yang dihasilkan, bahan isolasi yang baik harus mempunyai thermal resistivity yang kecil dan mempunyai rugi-rugi dielektrik yang rendah. Bahan isolasi XLPE atau cross-linked polyethylene adalah contoh bahan isolasi yang baik dan banyak digunakan sebagai bahan isolasi kabel tegangan rendah dan menengah. 2.3 Sheath/Concentric Neutral Wires Selubung metalik sebuah kabel biasanya terbuat dari bahan aluminium. Pada beberapa konstruksi kabel yang lain, isolasi dengan bahan tembaga bisa digunakan untuk sistem proteksi bahan isolasi. Selubung dengan bahan tembaga ini berfungsi untuk membawa arus netral atau arus hubung singkat menuju ke tanah pada saat terjadi hubung singkat ke tanah pada suatu sistem. 2.4 Armor Pelindung armor biasanya dibuat dari bahan kawat atau pita baja. Penggunaan baja untuk konstruksi sebuah kabel berinti tunggal akan mengakibatkan tingginya medan magnet histerisis dan rugi-rugi kabel yang dapat menurunkan rating kabel tersebut. Untuk mengurangi rugi-rugi magnetik, untuk jenis kabel ini, bahan nonmagnetik seperti alumunium atau tembaga paling banyak digunakan. III. METODE ELEMEN HINGGA Metode elemen hingga atau finite elemen method adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan differensial parsial maupun persamaan integral. Dasar dari metode
1
2 elemen hingga adalah membagi area kerja menjadi elemen – elemen kecil yang jumlahnya berhingga, sehingga dapat dihitung reaksi akibat beban pada kondisi batas (boundary condition) yang diberikan. Pemilihan jenis elemen segitiga untuk membagi area kerja menjadi elemen – elemen kecil sangat cocok untuk di gunakan dalam lingkup area dua dimensi. Penggunaan elemen segitiga sendiri di gunakan karena untuk area dengan bentuk yang tidak teratur, boundary-nya dapat di lakukan pendekatan yang lebih baik. Luas elemen segitiga tersebut bisa diatur konstan atau berubah – ubah. Permasalahan medan listrik dan transfer panas biasanya berupa persamaan Laplace atau persamaan Poisson yang merupakan jenis persamaan differensial parsial. Dengan menggunakan metode elemen hingga pemetaan kuat medan listrik dan transfer panas dapat dengan mudah dilakukan. Dalam tugas akhir ini akan dilihat pengaruh kedalaman tanah penguburan kabel dan jenis-jenis tanah terhadap kabel bawah tanah XLPE 20 kV Jenis N2XSEFGbY. Tabel 1 akan menunjukkan resistansi jenis-jenis tanah dan tabel 2 menujukkan konduktivitas panas tanah sebagai parameter inputan untuk metode ini. Tabel 1. Resistivitas Jenis Tanah (Sumber : IEEE Std 142-1991) n Deskripsi Tanah Resistvita o s Tanah (Ohmmeter) 1 Kerikil tinggi, campuran kerikil dan pasir, 600-1000 kerapatan rendah dan tidak halus 2 Kerikil dan tandus, campuran kerikil dan 1000pasir kerapatan rendah dan tidak halus 2500 3 Kerikil dan liat, tandus, campuran tanah liat 200-400 dan pasir 4 Pasir berlumpur, campuran pasir dan lumpur 100-500 5 Pasir liat, campuran pasir dan tanah liat, 50-200 tandus 6 Pasir halus berlumpur dan liat mengandung 30-80 plastik konsentrasi rendah 7 Pasir halus atau tanah lumpur, lumpur elastik 80-300 8 Liat berkerikil, liat berpasir, liat berlumpur 25-60 9 Liat aborganik dengan kandungan plastic 10-55 tinggi
Vmaks =
VLL 2 20000 2 = = 16.9705 kV 3 3
Bentuk pemodelan tegangan dapat dilihat pada gambar 2. Pada pemetaan kuat medan listrik ini diambil besar tegangan listrik perfasa untuk step 15o listrik seperti pada tabel 3 dan kode pengenal kabel seperti pada tabel 4 berikut.
Gambar 1 Kabel XLPE 20 kV N2XSEFGbY Tabel 3. Data Dimensional dan Elektrikal Kabel XLPE 20 kV Keterangan Satuan Nilai Nominal cross sectional area mm2 240 Conductor diameter (approx) mm 18.7 Nominal insulation thickness mm 5.5 Insulation diameter (approx) mm 31.3 Nominal armor thickness mm 0.80 Nominal sheath thickness mm 3.6 Overall cable diameter (approx) mm 85 Cable net weight (approx) kg/m 14.300 Standard length per-reel m 300 Minimum bending radius mm 780 Min DC insulation resistance at 20oC Mohm/km 700 Max DC conductor resistance at 20oC ohm/km 0.0754 Capacitance per-phase µF/km 0.307 Inductance per-phase mH/km 0.302 Max short circuit current of conductor kA/sec 34.78 Max short circuit current of screen kA/sec 4.53 Max Current carrying capacity at 30oC 1. In air A 553 2. In ground A 492
Tabel4. Kode Pengenal Kabel Tabel 2. Konduktivitas Panas Jenis Tanah[11] Konduktivitas Kondisi Tanah Kondisi Suhu Panas Tanah (K m /W) 0.7 Sangat lembab Selalu lembab 1.0 Lembab Curah hujan tinggi 2.0 Kering Curah hujan rendah 3.0 Sangat Kering Tidak ada curah hujan / sedikit sekali curah hujan
PEMODELAN DAN PERHITUNGAN KUAT MEDAN LISTRIK, KAPASITAS HANTAR ARUS, DAN PANAS YANG DIHASILKAN KABEL XLPE 20 kV Dalam tugas akhir ini digunakan kabel XLPE 20 kV berinti tiga untuk pemodelan dan perhitungan kuat medan listrik dan kapasitas hantar arus. Kabel XLPE ini memiliki kode pengenal N2XSEFGbY 12/20 (24) kV. Data kabel XLPE N2XSEFGbY 12/20 (24) kV dapat dilihat pada tabel 1. Dalam simulasi pemetaan kuat medan listrik diasumsikan saluran dibebani dengan tegangan listrik nominal dengan beda tiap fasenya 120o. Untuk rating tegangan 20 kV yang merupakan nilai tegangan line to line dapat dihitung Vmaks, yaitu tegangan maksimal line to netral. sebagai berikut.
Kode Huruf N 2X SE FGb Y
Keterangan Kabel dengan tembaga sebagai Isolasi XLPE Lapisan logam pada masing-masing Perisai kawat aluminium pipih Berselubung PVC
IV.
Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Gambar 2 Grafik Tegangan Kabel
3 Tabel 5. Data Tegangan Kabel Sudut Listrik R(kV) 0 0.0000 15 4.3923 30 8.4852 45 12.0000 60 14.6969 75 16.3923 90 16.9705 105 16.3923 120 14.6969 135 12.0000 150 8.4852 165 4.3923 180 0.0000 195 -4.3923 210 -8.4852 225 -12.0000 240 -14.6969 255 -16.3923 270 -16.9705 285 -16.3923 300 -14.6969 315 -12.0000 330 -8.4852 345 -4.3923 360 0.0000
S(kV) 14.6969 12.0000 8.4852 4.3923 0.0000 -4.3923 -8.4852 -12.0000 -14.6969 -16.3923 -16.9705 -16.3923 -14.6969 -12.0000 -8.4852 -4.3923 0.0000 4.3923 8.4852 12.0000 14.6969 16.3923 16.9705 16.3923 14.6969
T(kV) -14.6969 -16.3923 -16.9705 -16.3923 -14.6969 -12.0000 -8.4852 -4.3923 0.0000 4.3923 8.4852 12.0000 14.6969 16.3923 16.9705 16.3923 14.6969 12.0000 8.4852 4.3923 0.0000 -4.3923 -8.4852 -12.0000 -14.6969
4.1 Hasil Simulasi Pemetaan Medan Listrik Simulasi pemetaan medan listrik dalam tugas akhir ini hanya menggunakan tegangan kabel pada sudut 90º
Gambar 5 Hasil Pemetaan Medan Listrik dengan Kedalaman Penanaman Kabel 1.5 meter
Gambar 6 Hasil Pemetaan Medan Listrik dengan Kedalaman Penanaman Kabel 2 meter Hasil simulasi pemetaan diatas dapat diketahui kuat medan listrik permukaan tanahnya seperti pada tabel 6 berikut ini: Tabel 6. Kuat Medan Listrik Maksimal Permukaan Tanah Hasil Pemetaan terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel Kedalaman (meter) Emax(kV/m) 0.88546 0.5 0.573299 1 0.470381 1.5 0.411799 2
Gambar 3 Hasil Pemetaan Medan Listrik dengan Kedalaman Penanaman Kabel 0.5 meter
Gambar 4 Hasil Pemetaan Medan Listrik dengan Kedalaman Penanaman Kabel 1 meter
Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Dari hasil simulasi pemetaan dapat diketahui bahwa persebaran medan listrik pada kabel XLPE 20 kV tidak merata, kuat medan listrik terbesar terdapat pada konduktor yang mempunyai tegangan paling tinggi. Kuat medan listrik terbesar ditandai bagian yang berwarna ungu, sedangkan kuat medan listrik terkecil ditandai bagian berwarna biru. Gambar-gambar di atas merupakan hasil simulasi pemetaan kuat medan listrik pada kabel XLPE untuk perubahan kedalaman penanaman kabel (meter). Simulasi dilakukan dengan menggunakan tegangan kabel satu fasa pada sudut 90o dan dengan hambatan jenis tanah 10 ohm/meter. Dari hasil simulasi, besarnya kuat medan listrik berpengaruh terhadap perubahan kedalaman penanaman kabel. Kuat medan listrik yang diambil pada permukaan tanah menunjukkan bahwa semakin dalam penanaman kabel maka semakin kecil kuat medan listrik yang dihasilkan. Kemudian untuk perubahan resistivitas tanah dengan kedalaman penanaman kabel yang konstan yaitu 1 meter juga dilakukan simulasi pemetaan kuat medan listrik seperti gambar 3, 4, 5, 6 diatas sehingga didapat hasil seperti pada tabel 7 berikut ini.
4 Tabel 7. Kuat Medan Listrik Maksimal Permukaan Tanah Hasil Pemetaan terhadap Perubahan Resistivitas Tanah Resistivitas tanah (ohm/meter) Emax(kV/m) 0.573299 10 0.573299 60 0.573299 400 0.573299 1000 Dari hasil simulasi pemetaan dapat diketahui bahwa kuat medan listrik pada permukaan tanah yang diambil pada bagian lapisan permukaan tanah menunjukkan bahwa hambatan jenis tanah tidak berpengaruh terhadap besarnya kuat medan listrik.
4.2 Hasil Simulasi Pemetaan Distribusi Panas Hasil simulasi pemetaan distribusi panas pada kabel XLPE 20 kV adalah sebagai berikut:
Gambar 7 Hasil Pemetaan Distribusi Panas untuk Plot Color pada ρs = 0.7 K m/W
Gambar 8 Hasil Pemetaan Distribusi Panas untuk Plot Color pada ρs = 1 K m/W
Gambar 9 Hasil Pemetaan Distribusi Panas untuk Plot Color pada ρs = 3 K m/W Hasil simulasi pemetaan diatas dapat diketahui kuat medan listrik permukaan tanahnya seperti pada tabel 8 berikut ini: Tabel 8. Suhu Lapisan Terluar Kabel Hasil Pemetaan terhadap Perubahan Konduktivitas Panas Tanah ρs(K m/W) ∆θe(ºC) 52.634 0.7 50.043 1 46.89 2 45.987 3 Gambar diatas merupakan hasil simulasi pemetaan distribusi panas pada kabel XLPE 20 kV. Dari hasil simulasi pemetaan distribusi panas kabel XLPE terlihat bahwa persebaran panas pada kabel XLPE tidak merata dari bagian konduktor sampai ke bagian selubung luar kabel (sheath), Suhu tertinggi pada kabel ditandai oleh bagian yang berwarna putih, sedangkan suhu terendah ditandai bagian yang berwarna gelap. Suhu tertinggi kabel terjadi pada daerah inti kondutor dengan suhu mencapai 90 oC. Simulasi diambil dari lapisan terluar kabel, dari hasil simulasi didapat semakin tinggi konduktivitas panas tanah maka semakin rendah panas yang dihasilkan kabel pada lapisan terluar kabel tersebut. Kemudian untuk kedalaman penanaman kabel juga dilakukan simulasi pemetaan distribusi panas seperti gambar 7, 8, 9, 10 diatas sehingga didapat hasil seperti pada tabel 9 berikut ini. Tabel 9. Suhu Lapisan Terluar Kabel Hasil Pemetaan terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel L(meter) ∆θe(ºC) 47.75 0.5 48.06 1 48.52 1.5 2 49.03 Dari table 9 diatas, simulasi diambil dari lapisan terluar kabel dan didapat hasil semakin dalam penanaman kabel maka semakin rendah panas yang dihasilkan kabel pada lapisan terluar tersebut 4.3
Gambar 9 Hasil Pemetaan Distribusi Panas untuk Plot Color pada ρs = 2 K m/W
Perhitungan Kuat Medan Listrik, Kapasitas Hantar Arus, dan Panas Kabel XLPE 20 kV 4.3.1 Parameter Kabel[12] Dalam melakukan perhitungan dibutuhkan parameter kabel, Tabel 10 berikut adalah data parameter kabel untuk melakukan perhitungan
Parameter R Wd λ1 λ2 Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Tabel 10. Parameter Kabel Nilai Satuan 9.1626 x 10-5 Ω/m 0.0393 0.2417 0.5971
W/m -
5 T1
0.4549
K.m/W
T2 T3
0 0.0198
K.m/W K.m/W
penanaman kabel yang tetap yaitu 0.5 meter sebagai akibat dari perubahan konduktivitas panas tanah seperti pada Tabel 12 berikut.
Dimana, T1 = Nilai resistansi thermal antara konduktor dan sheath (K.m/W) T2 = Nilai resistansi thermal antara sheath dan armor / bedding (K.m/W) T2 = Nilai resistansi thermal lapisan terluar / serving kabel XLPE (K.m/W) Wd = Rugi-rugi dielektrik (W/m) 4.3.2 Kapasitas Hantar Arus Rumus yang digunakan untuk perhitungan kapasitas hantar arus untuk kabel yang ditanam secara langsung di dalam tanah adalah: T4 =
(
)
ρs 2L × ln u + u 2 − 1 dan u = 2π De
∆θ - Wd [0.5T1 + n (T2 + T3 + T4 )] I= RT + nR(1 + λ )T + nR(1 + λ + λ )(T + T ) 1 2 1 2 3 4 1
0.5
Untuk kedalaman (L) 0.5 meter dan ρs = 1 K.m/W 0.5 90 − 25 − 0.0393[0.5 × 0.4549 + 3(0.0198 + 0.5018)] I= −3 −3 9.1626 × 10 × 0.4549 + 3 × 9.1626 × 10 (1 + 0.2417 + 0.5971)(0.0198 + 0.6018) 0.5
4.3.2.1 Pengaruh Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel terhadap Kapasitas Hantar Arus. Dengan menggunakan rumus kapasitas arus diatas maka diperoleh perubahan kapasitas arus dengan konduktivitas pans tanah tetap sebesar 1 K.m/W sebagai akibat dari perubahan kedalaman penanaman kabel seperti pada Tabel 11 berikut. Tabel 11. Kapasitas Hantar Arus terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel 0.5 1 1.5 L(meter) 460.85 423.69 405.74 I (Ampere)
Dari hasil perubahan resistivitas panas tanah, maka semakin dalam penguburan kabel akan diperoleh perubahan arus yang semakin menurun 4.3.3 Respon Lingkungan terhadap Kabel 4.3.3.1 Pengaruh Perubahan Waktu Kabel Bekerja terhadap Panas Lapisan Terluar Kabel Dengan menggunakan sampel kapasitas hantar arus sebesar 460.85 A (L=0.5 meter dan ρs = 1 K.m/W) didapat rugi-rugi konduktor (Wc) sebagai berikut: Wc = 460.85 2 ⋅ 9.1626 ⋅ 10 −5 = 19.459779 W/m
Dimana : Resistivitas thermal tanah (K.m/W) = 1 K.m/W ρs L : Kedalaman kabel (mm) = 500 mm De : Diameter terluar kabel (mm) = 85 mm I : Arus / Kapasitas hantar arus (A) ∆θ : Temperatur (C) Wd : Rugi-rugi dielektrik (W/m) T1 : Tahanan panas per inti antara konduktor dan sheath (K.m/W) T2 : Tahanan panas antara sheath dan armor (K.m/W) : Tahanan panas dari lapisan terluar/serving (K.m/W) T3 T4 : Tahanan panas sekeliling kabel (K.m/W) R : Tahanan AC dari konduktor saat pengoperasian pada temperature maksimal (Ω/m) λ1, λ2 : Perbandingan total rugi-rugi daya pada sheath dan armor n : Jumlah inti kabel Sehingga,
65 − 0.07043 = −5 −4 4.168 × 10 + 2.7487 × 10 = 460.85 A
Tabel 12. Kapasitas Hantar Arus terhadap Perubahan Konduktivitas Panas Tanah 0.7 1 2 3 ρs (K.m/W) I (Ampere) 531.96 460.85 340.42 282.2
2 394.31
δ=
4.68 ⋅ 10 −7 ρ 0.8 s
x=
D 2e 16tδ
dan
x=
L2 10tδ
− Ei( − x) = −0.557 − lnx + x −
x2 x3 + Λ 2 ⋅ 2! 3 ⋅ 3!
= −0.577 − lnx + x Λ
jika x < 0.1
e−x 1 2! 3 =− 1 − + 2 − 3 + Λ x x x x Wt = Wc (1 + λ1 + λ 2 ) + Wd
Dimana, δ ρs -Ei De L
= diffusivity panas tanah, m2/W = resistivitas panas tanah, K.m/W = eksponensial integral = Diameter terluar kabel, m = Kedalaman kabel, mm 6
c Wt Wc Wd t λ1 λ2 ∆θe(t)
= Spesifik panas = ( c ⋅ 10 ) J/(m3 . K) = 2.4 x 106 J/(m3K) = Total power yang dihilangkan dalam kabel dalam per unit panjang, W/m = rugi-rugi konduktor, W/m = rugi-rugi dielektrik per unit panjang per fasa, W/m = waktu, second = faktor rugi-rugi sheat = faktor rugi-rugi armor = penambahan temperatur transient diluar permukaan kabel diatas temperatur ambient, ºC
, sehingga dengan mengukur kedalaman penanaman kabel sedalam 0.5 meter dan konduktivitas panas tanah sebesar 1 K.m/W didapat perubahan panas terluar kabel terhadap perubahan waktu kabel beroperasi sebagai berikut :
Dari hasil perubahan kedalaman penanaman kabel, maka semakin dalam penanaman kabel akan diperoleh perubahan arus yang semakin menurun.
4.68 ⋅ 10 −7 = 4.68 ⋅ 10 −7 10.8
x=
0.0852 = 0.134 16 ⋅ 2 ⋅ 3600 ⋅ 4.68 ⋅10 − 7
4.3.2.2
− Ei(− x) = −0.557 − ln0.134 + 0.134 −
Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
untuk x besar
Wρ D2 L2 ∆θ e (t) = 60 − t s − Ei − e + Ei − 4π 16δ6 δt
δ=
Pengaruh Perubahan Konduktivitas Panas Tanah terhadap Kapasitas Hantar Arus. Dengan menggunakan rumus kapasitas arus diatas maka diperoleh perubahan kapasitas hantar arus dengan kedalaman
x > 0.1
= 1.57 x=
0.5 2 = 7.42 2 ⋅ 10 ⋅ 3600 ⋅ 4.68 ⋅ 10 − 7
0.1342 0.1343 + 2 ⋅ 2! 3 ⋅ 3!
6 − Ei(− x) = −
e −7.42 1 2! 3! + − 1 − = 0.0035 7.42 7.42 7.42 2 7.423
Wt = 19.459779(1 + 0.2417 + 0.5971) + 0.0393 = 35.822 W/m 1 ⋅ 35.822 ∆θe (2) = 60 − [1.57 + 0.0035] = 55.5212 °C 4π
Tabel 13 berikut menujukkan perubahan panas lapisan terluar kabel terhadap perubahan waktu kabel beroperasi. Tabel 13. Panas Lapisan Terluar Kabel terhadap Perubahan Waktu Kabel Bekerja t (jam)
2
4
6
12
24
L (meter)
δ
0.5 4.68 x 10-7
0.5 4.68 x 10-7
0.5 4.68 x 10-7
0.5 4.68 x 10-7
0.5 4.68 x 10-7
x
0.134
0.067
0.044
0.022
0.011
Ei
1.57
2.2
2.58
3.25
3.93
x
7.419
3.709
2.473
1.237
0.618
Ei
0.0035
0.1411
0.4744
1.3902
0.522
Wt(W/m)
35.822
35.822
35.822
35.822
35.822
∆θe(ºC)
55.5212
53.34292
51.29949
47.2545
47.30543
4.3.3.2
Pengaruh Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel terhadap Panas Lapisan Terluar Kabel Dengan menggunakan rumus pada sub bab 4.3.3 maka diperoleh perubahan panas terluar kabel akibat dari perubahan kedalaman penanaman kabel seperti pada Tabel 14 berikut.
Tabel 14. Panas Lapisan Terluar Kabel terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel
Tabel 16. Panas Lapisan Terluar Kabel terhadap Perubahan Konduktivitas Panas Tanah 0.7 1 2 3 ρs (K.m/W) 47.66854 47.51927 46.94115 45.93618 ∆θe(ºC)
Dari hasil perhitungan sebagai referensi, diperoleh nilai error antara panas lapisan terluar kabel hasil simulasi pemetaan dan perhitungan manual seperti pada Tabel 17 berikut ini. Tabel 17. Nilai Error Panas Lapisan Terluar Kabel yang Terukur terhadap Perubahan Konduktivitas Panas Tanah Error ( % ) ∆θe(ºC) Simulasi Perhitungan Pemetaan 52.634 47.66854 10.4166 % 50.043 47.51927 5.311 % 46.89 46.94115 0.109 % 45.987 45.93618 0.1106 % Total error 3.9868 %
Nilai error dihitung dari Perhitungan - Simulasi Error = ×100% Perhitungan Dari hasil simulasi pemetaan dapat disimpulkan bahwa besar panas lapisan terluar kabel dipengaruhi oleh perubahan konduktivitas panas tanah tersebut, semakin besar konduktivitas panas tanah maka semakin rendah besarnya perubahan suhu lapisan terluar kabel. Error terlihat besar karena dalam simulasi input data pada simulasi sangat terbatas dan dapat juga terjadi kesalahan parallax dalam melihat data suhu panas terluar lapisan kabel tersebut 4.3.4
L (meter)
0.5
1
1.5
2
∆θe(ºC)
47.30543438
49.38277
51.26198
51.79279
Dari hasil perhitungan sebagai referensi, diperoleh nilai error antara panas lapisan terluar kabel hasil simulasi pemetaan dan perhitungan manual seperti pada Tabel 15 berikut ini. Tabel 15. Nilai Error Panas Lapisan Terluar Kabel yang Terukur terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel ∆θe(ºC) Error ( % ) Simulasi Perhitungan Pemetaan 47.75 47.30543 0.9398 % 48.06 49.3827 2.6785 % 48.52 51.26198 5.349 % 49.03 51.79279 5.3343 % Total error 3.5754 %
Nilai error dihitung dari Perhitungan - Simulasi Error = × 100% Perhitungan Dari hasil simulasi pemetaan dapat disimpulkan bahwa besar panas lapisan terluar kabel dipengaruhi oleh kedalaman penanaman kabel tersebut, semakin dalam penanaman kabel maka semakin tinggi besarnya perubahan suhu lapisan terluar kabel. Error terlihat besar karena dalam simulasi input data pada simulasi sangat terbatas dan dapat juga terjadi kesalahan parallax dalam melihat data suhu panas terluar lapisan kabel tersebut. 4.3.3.3
Pengaruh Perubahan Konduktivitas Panas Tanah terhadap Panas Lapisan Terluar Kabel Dengan menggunakan rumus pada sub bab 4.3.3 maka diperoleh perubahan panas terluar kabel akibat dari perubahan konduktivitas panas tanahl seperti pada Tabel 16 berikut.
Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Kuat Medan Listrik Perhitungan manual untuk menentukan nilai kuat medan listrik kabel XLPE 20 kV diperoleh secara pendekatan dengan menggunakan rumus. kb × V
Emax =
6
n×r ×
J12 J13 J14 J15 J16J23 J24 J25 J26 J34J35 J36J45 J46 J56
Κ 4.19
rek
Dimana V :Tegangan (kV) = 20 kV J : Jarak antar konduktor fasa (m) untuk kedalam penguburan kabel 0.5 meter Sampel perhitungan berikut akan dilakukan dengan data pada Tabel 18 berikut untuk jarak konduktor antar fasa dengan kedalaman penanaman kabel 0.5 meter Tabel 18. Jarak Konduktor antar Fasa dengan Kedalaman Penanaman Kabel 0.5 meter Konduktor J (meter ) J14 , J24 1.082 J34 1.0723 J15 , J26 1.091 J35 , J36 1.082 J16 , J25 1.091 J12 , J13, J23, J45, J46, J56 0.011
kb r rek
: Faktor koreksi : Jari-jari luar konduktor (m) = 0.00935 m : Jari-jari ekivalen konduktor (m)
n
: 0.00935 m / 3 = 0.005398225 : Jumlah inti konduktor = 3
7 Nilai kb dihitung dengan menggunakan rumus k b = R ek n
n.r rek
,sehingga k b = 0.005398225 ⋅ 3
3 ⋅ 0.00935 0.005398225
= 0.04597505
Jadi kuat medan listrik kabel adalah 0 . 04597505 × 20 E max = 15 6 2 ⋅1 . 00635 3 × 0 . 00935 × 0 . 011 ⋅ 0 . 99684 ⋅0 .09873 . 005398225
= 1 . 023423274
2
⋅ 0 . 99684
2
⋅1 . 00641
2
kV/m
Tabel 19 berikut menujukkan perhitungan perubahan Emax permukaan tanah terhadap perubahan kedalaman penanaman kabel Tabel 19. Kuat Medan Listrik Permukaan Tanah terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel L(meter)
0.5
1
Emax (kV/m) 1.023423274 0.598936
1.5
2
0.473468
0.400063
Dengan hasil perhitungan sebagai referensi, diperoleh nilai error antara Emax hasil simulasi pemetaan dan perhitungan manual seperti pada Tabel 20 berikut ini. Tabel 20. Nilai Error Kuat Medan Listrik Permukaan Tanah yang Terukur terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel Emax (kV/m) Error ( % ) Perhitungan(kV/m) Simulasi Simulasi 1.023423 1.0943 6.925 % 0.598936 0.580794 3.029 % 0.473468 0.465183 1.7499 % 0.400063 0.403568 0.876 % 3.144975 % Total error
Nilai error dihitung dari: Perhitungan - Simulasi Error = × 100% Perhitungan Dari hasil simulasi pemetaan kuat medan listrik dapat disimpulkan bahwa besar kuat medan listrik dipengaruhi oleh kedalaman penanaman kabel. Semakin dalam penanaman kabel maka akan semakin kecil kuat medan listrik yang dihasilkan permukaan tanah.
V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan 1. Berdasarkan hasil simulasi pemetaan medan listrik dan panas kabel yang dihasilkan, distribusi medan listrik dan panas pada kabel XLPE 20 kV terlihat tidak merata tergantung pada besar tegangan konduktor, kedalaman penguburan kabel, dan tahanan jenis tanah / konduktivitas panas tanah tersebut. 2. Dari hasil perubahan hambatan jenis (resistivitas) tanah dari 10, 60, 400, 1000 ohm/meter diperoleh kuat medan listrik pada permukaan tanah yang sama (tidak terjadi perubahan) yaitu : 0.598936 kV/m . Dan untuk perubahan konduktivitas panas tanah dari 0.7, 1, 2, dan 3 K.m/W diperoleh perubahan panas lapisan terluar kabel pada hasil simulasi pemetaan sebagai berikut : 52.634, 50.043, 46.89, 45.987 ºC, dan untuk hasil perhitungan berturut-turut diperoleh : 47.66854, 47.51927, 46.94115, 45.93618 ºC. Dan untuk kapasitas hantar arus yang mengalir akibat perubahan konduktivitas panas tanah berturutProceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
turut sebagai berikut : 531.96, 460.85, 340.42, dan 282.2 Ampere. 3. Dari hasil perubahan kedalaman penanaman kabel dari 0.5, 1, 1.5, dan 2 meter diperoleh kuat medan listrik dari hasil simulasi pemetaan berturut-turut sebagai berikut : 1.0943, 0.580794, 0.465183, 0.403568 kV/m dan untuk hasil perhitungan berturutturut sebagai berikut: 1.023423, 0.598936, 0.473468, 0.400063 kV/m.. Dan untuk perubahan panas lapisan terluar kabel yang terjadi akibat perubahan penanaman kabel dari hasil simulasi pemetaan berturut-berturut adalah : 47.75, 48.06, 48.52, 49.03 ºC, dan dari hasil perhitungan berturut-turut adalah : 47.30543, 49.3827, 51.26198, 51.79279 ºC. Dan untuk kapasitas hantar arus yang mengalir akibat perubahan kedalaman penanaman kabel berturut-turut sebagai berikut : 460.85, 423.69, 405.74, 394.31 Ampere. 4. Dengan membandingkan nilai kuat medan listrik hasil simulasi pemetaan dan hasil perhitungan manual akibat dari perubahan kedalaman penanaman kabel diperoleh nilai error sebesar 3.145 %, untuk perubahan kedalaman penanaman kabel terhadap panas yang dihasilkan lapisan terluar kabel diperoleh error sebesar 3.5754 %, dan error yang didapat akibat pengaruh perubahan konduktivitas panas tanah terhadap panas yang dihasilkan lapisan terluar kabel adalah 3.9868 %. Error terlihat besar, karena input data pada simulasi sangat terbatas (tidak spesifik seperti pada perhitungan). 5.2 Saran 1. Pada tugas akhir ini simulasi pemetaan medan listrik dan distribusi panas dilakukan dengan menggunakan software MATLAB dengan metode elemen hingga. Untuk selanjutnya dapat digunakan software yang lain dan metode yang lain, yang bisa memasukkan input data yang lebih spesifik sehingga error yang didapat tidak terlampau besar. 2. Untuk pengembangan lebih lanjut dapat dilakukan analisa yang sama untuk kabel dengan jenis yang berbeda dengan tegangan yang berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Anders, George J. 1997. Rating of Electric Power Cables : Ampacity Computations for Transmission, Distribution, and Industrial Applications. New York: Penerbit Institute of Elelctrical and Electronics Engineers Inc. [2]. Arismunandar, Artono. 1982. Teknik Tegangan Tinggi Suplemen. Jakarta: Penerbit Ghalia Indonesia [3]. Arismunandar, Artono. 1993. Teknik Tenaga Listrik Jilid II. Jakarta: Penerbit Pradnya Paramita. [4]. Dwiyanto, Y. O. 2008. Pemilihan dan Pemodelan Kabel 150 kV Berdasarkan Aspek Elektrik, Thermal dan Mekanik. Surabaya: Jurusan Teknik Elektro-ITS [5]. Hayt, W. H. Jr. 1992. Elektromagnetika Teknologi Edisi Kelima Jilid I. Jakarta: Penerbit Erlangga. [6]. Huebner, Kennet H and Thornton, Earl A. 1982. The Finite Element Method for Engineers. Virginia: Penerbit John Wley and Sons. [7]. Hutauruk., T. S. 1985. Transmisi Daya Listrik. Jakarta: Penerbit Erlangga [8]. Indah, Rosa Ria. 2008. Studi Perbandingan Pengukuran dan Pemetaan Distribusi Medan dan Potensial Listrik Pada Isolator Tegangan Menengah dengan Finite Element Method. Surabaya: Jurusan Teknik Elelektro-ITS. [9]. Kadir, A. 1998. Transmisi Tenaga Listrik. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia. [10]. Manjang, Salama. Armiyah, Bidayatul. 2005. Analisis Distribusi Radial Temperatur Kabel XLPE Menggunakan Metode Numerik Elemen Hingga. Semarang: Seminar Nasional Teknik Ketenagalistrikan.
8 [11]. Moore, George F. 1997. Third Edition of Electric Cables Handbook/BICC Cables. USA: Royal Academy of Engineering Visiting Professor University of Liverpool [12]. Nurrachmanto, Adi Eka. 2009. Analisis Permodelan dan Perhitungan Kuat Medan Listrik Bahan Isolasi serta Kapasitas Hantar Arus pada Kabel XLPE 20 kV Menggunakan Metode Elemen Hingga. Surabaya: Jurusan Teknik Elektro-ITS [13]. Silabus Medium Voltage XLPE Insulated Cable. PT Supreme Cable Manufacturing and Commerce Tbk. [14]. SPLN 1 : 1995. Tegangan-Tegangan Standar. Jakarta : Penerbit PT. Perusahaan Listrik Negara (Persero).
RIWAYAT HIDUP PENULIS Indriyanti Paramita dilahirkan di Jakarta, 18 Juni 1987. Penulis adalah putri pertama pasangan Mochammad Suryadi dan Reni Historiwati. Penulis memulai karir akademisnya di TK Mutiara dan SD PUTRA I Jakarta hingga tahun 1999. Setelah itu penulis melanjutkan studinya di SLTPN 115 Jakarta. Tahun 2002 penulis penulis diterima sebagai murid SMUN 8 Jakarta hingga lulus tahun 2005. Setelah lulus SMU penulis melanjutkan studi sarjananya di Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya tahun 2005. Selama di ITS penulis aktif di organisasi Himpunan Mahasiswa Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dan juga menjadi asisten praktikum pada lab Konversi Energi. Pada bulan Juli 2009 penulis mengikuti seminar dan sidang Tugas Akhir dengan Bidang Studi Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro FTI –ITS Surabaya sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana.
Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
