BAB II GANGGUAN TEGANGAN LEBIH PADA SISTEM TENAGA LISTRIK 2.1 Umum Pada dasarnya suatu gangguan ialah setiap keadaan sistem yang menyimpang dari normal. Gangguan yang terjadi pada waktu sistem tenaga listrik dapat menyebabkan terhentinya pelayanan daya. Gambaran sambaran petir lebih sering terjadi pada jaringan transmisi atau distribusi. Terjadinya gangguan akibat sambaran petir atau surja hubung dapat menyebabkan peninggian tegangan, yang dikenal sebagai tegangan lebih (over voltage), tegangan lebih ini dapat melampaui tingkat ketahanan isolasi dari peralatan sistem, hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada peralatan. Tegangan lebih (over voltage) dapat dibagi menjadi dua golongan yaitu : Tegangan lebih dari luar sistem (external over voltage)yang disebabkan oleh surja petir dan dari dalam sistem (internal over voltage) yang disebabkan oleh surja hubung (switching surge). Tegangan yang lebih tinggi pada sistem yang disebabkan oleh sambaran petir dan surja hubung dapat merusak isolasi peralatan sistem, sehingga dapat mengganggu pelayanan daya. Oleh sebab itu tingkat ketahanan isolasi suatu sistem tenaga listrik biasanya dapat ditentukan oleh tegangan lebih akibat sambaran petir (surja petir) dan tegangan lebih akibat surja hubung (switching surge) 6
2.2 Gangguan tegangan lebih external Gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik dari luar (external) ialah sambaran petir. Petir merupakan pelepasan muatan listrik di udara yang terjadi : •
Antara awan dengan awan
•
Antara pusat – pusat muatan di dalam awan
•
Antara awan dengan tanah
Pada sistem tenaga listrik, petir sering mendatangkan kerusakan karna dapat menimbulkan tegangan lebih. Bila tegangan lebih yang ditimbulkan oleh petir melebihi kekuatan isolasi peralatan sistem, akan terjadi penembusan pada isolasi peralatan. Sambaran petir baik secara langsung atau tidak langsung dapat menimbulkan tegangan yang lebih tinggi pada sistem tenaga listrik, yang dapat mengakibatkan kerusakan peralatan sistem. Tegangan lebih akibat petir atau sambaran langsung yang mengenai saluran dan peralatan dalam gardu induk adalah yang paling berbahaya diantara gelombang berjalan lainnya yang datang ke gardu induk. Sambaran langsung tersebut menyebabkan tegangan lebih yang sangat tinggi yang tidak mungkin dapat ditahan oleh peralatan sistem. Walaupun kemungkinan terjadinya sambaran langsung sangat kecil, maka kerusakan yang ditimbulkannya sangat besar pada peralatan sistem. Mengingat bahaya tegangan lebih yang ditimbulkan oleh petir, maka perlu diketahui terjadinya petir, sifat dan karakteristiknya serta mekanisme sambaran petir sehingga dapat diketahui bahaya yang ditimbulkan.
7
2.2.1
Proses terjadinya petir Pada keadaan tertentu dalam atmosfer bumi terdapat gerakan angin keatas
membawa udara lembab makin tinggi permukaan bumi makin rendah tekanan dan suhunya. Uap – uap air akan menjadi titik air dan membentuk awan, di dalam awan tersebut ada kalanya masih terjadi gerakan udara keatas (Up-draf) dengan kecepatan tinggi mencapai 120 Km/jam. Gerak udara keatas membawa butir – butir air akan membeku dan mengakibatkan timbulnya gerakan udara kebawah (down-draf) pada bagian awan tadi, juga mempunyai kecepatan yang tinggi. Jadi ada gerakan partikel – partikel air di dalam awan tadi. Muatan listrik akan terkonsentrasi di dalam awan atau bagian dari awan dan muatan listrik yang berlawanan akan timbul pada permukaan tanah (bumi) dibawahnya, dengan demikian terbentuklah medan listrik antara awan dan permukaan bumi. Medan listrik ini akan membantu terbentuknya lidah – lidah muatan dari awan dan kanal – kanal muatan (banjiran muatan). Jika muatan listrik pada awan bertambah, maka beda potensial antara awan dengan tanah (bumi) akan bertambah. Jika medan lisrtik tersebut melebihi kekuatan medan tembus udara, akan terjadi pelepasan muatan (discharge) dan terjadilah aliran dari awan ketanah yang disebut kilat atau petir. Lidah kilat (leader) dari suatu kilat didahului oleh lidah petir pengemudi (pilot leader) yang menentukan arah rambatan muatan dari awan ke udara yang ionisasinya rendah. Pilot leader yang membawa muatan akan mengawali aliran ketanah sehingga saluran yang dibuat oleh pilot leader ini menjadi bermuatan dan kuat medan dari ujung leader ini sangat tinggi. Selama pusat muatan di awan mampu memberikan muatannya pada ujung leader. 8
Untuk mempertahankan kuat medan pada ujung leader lebih besar dari kuat medan listrik udara, maka leader (petir) akan terhenti dan pelepasan muatan tidak akan sempurna (tidak ada pukulan tekanan). Pada saat leader mendekati tanah, kuat medan statis pada permukaan tanah (bumi) 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” (titk pertemuan). Jika muatan pada awan telah dilepaskan ke tanah (bumi) maka tegangan yang tinggi antara awan dengan pusat muatan yang lainnya pada awan tersebut. Akibatnya akan terulang kembali pelepasan muatan melalui kanal yang terbentuk oleh pelepasan muatan yang berurutan (multiple lightning strouke) yang sering terjadi di dalam .
Gambar 2.1 Terjadinya Pelepasan Muatan Listrik 2.2.2
Tahapan sambaran petir Ketika kuat medan listrik antara awan dengan tanah melebihi harga tembus
udara yang terionisasi, maka terjadilah lidah petir pengemudi (pilot leader) yang menentukan arah perambatan muatan dari awan ke udara yang terionisasi rendah, sesudah pilot leader ini terjadi akan di ikuti oleh titik cahaya yang bergerak melompat – lompat dinamakan lidah petir (stepped leader). Lidah lompat (stepped 9
leader) tersebut merupakan sandaran perintis (leader stroke) kecepatan stepped leader kira – kira 10 m/s. Arah tiap – tiap langkah dari stepped leader berubah – ubah, maka jalannya tidak lurus dan patah – patah. Ketika lidah petir (leader) menuju bumi, cabang – cabang dari lidah utama akan terbentuk. Bila stepped leader telah dekat dengan bumi, akan terjadi kanal muatan positif dari bumi ke awan, karena ada beda potensial yang tinggi. Kanal muatan positif ini berujung stepped leader, titik pertemuan (striking point) berada 20 – 70m di atas permukaan tanah (bumi). Waktu dari stepped leader untuk sampai kepermukaan bumi kira – kira 20 mikro detik. Ketika lidah petir (leader) mengenai tanah (bumi), akan terjadi suatu sambaran kembali (return stroke) yang sangat terang bergerak ke atas melalui jalan yang sama. Sambaran kembali terjadi karna aliran muatan positif dari bumi ke awan atau aliran muatan negatif dari awan ke bumi (tanah). Sesudah sambaran kembali yang pertama, biasanya terjadi sambaran – sambaran berikutnya karena dibagian lain dari awan mempunyai cukup banyak muatan listrik, akibatnya terjadi beda potensial yang tinggi antara pusat – pusat muatan listrik lainnya dalam awan yang bermuatan tersebut. Dengan demikian akan terulang kembali sambaran petir berikutnya. Sambaran dimulai dengan lidah petir (leader) yang mengikuti jalan yang dilalui oleh sambaran kembali (return stroke) sebelumnya. Ciri – cirinya tidak ada percabangan , oleh karena itu disebut juga lidah tanah (dart leader). Lidah panah (dart leader) memerlukan waktu 1ms untuk sampai kebumi (tanah). Dart leader ini kemudian diikuti dengan return stroke berikutnya.
10
Interval antara return stroke sebelumnya dengan dart leader adalah 40 – 50 mikro detik, biasanya sambaran petir terdiri dari 3 – 4 return stroke, kadang – kadang juga terdiri dari 10 return stroke.
Gambar 2.2 Distribusi Muatan Dari Berbagai Tingkat Pelepasan Pada Sambaran Petir
11
Keterangan Gambar : a. Pada salah satu pusat muatan listrik mulai terjadi stepped leader yang bergerak menuju bumi. b. Stepped Leader hampir mencapai tanah, sementara itu bumi terjadi kanal muatan positif bergerak keatas, kanal ini akan bertemu dengan stepped leader dititik pukulan. c. Return Stroke terjadi muatan positif bergerak ke atas dengan cepat sekali. d. Pusat muatan pertama telah terdischarge, kanal muatan positif berkembang menuju ke muatan kedua. e. Discharger antara pusat muatan pertama dengan yang kedua, dart leader bergerak menuju bumi melalui kanal yang telah dilalui oleh Return Stroke tadi. f. Terjadi Return Stroke yang kedua, discharger terjadi antara bumi dengan muatan negatif dibagian bawah dari awan.
2.2.3
Bentuk dan spesifikasi gelombang surja petir Bentuk umum gelombang berjalan menurut standat IEC (international
elektro technical commision) dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
12
Spesifikasi dari suatu gelombang surja petir sebagai berikut : a.
Puncak (crest) gelombang Vs (KV), yaitu amplitudo maksimum dari gelombang.
b.
Muka gelombang t f (μs), yaitu waktu yang ditempuh dari permulaan sampai puncak gelombang.
c.
Ekor gelombang t f (μs), yaitu bagian permulaan sampai setelah puncak gelombang hingga 50% puncak gelombang .
d.
Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang (positif atau negatif). Bentuk gelombang biasanya dinyatakan dalam bentuk tegangan dan waktu,
t f (dalam mikro detik) menyatakan waktu gelombang (wafe-Frant), dan t t (dalam mikro detik) menyatakan waktu ekor gelombang (wafe-tail). Secara lebih jelas, muka gelombang (t f) adalah waktu yang diperlukan oleh gelombang tegangan tersebut untuk mencapai harga puncak (maksimumnya) dan ekor gelombang (t t ) adalah waktu total dari saat mulainya gelombang terjadi sampai kesuatu saat gelombang ketika gelombang tersebut turun hingga mencapai harga tegangan setengah dari harga tegangan puncaknya. Setengah puncak gelombang adalah setengah puncak (titik 0,5 pada gambar) kecuraman muka gelombang adalah kecepatan naiknya tegangan pada muka gelombang. Kecuraman muka rata – rata mudahnya dinyatakan sebagai perbandingan antara tegangan puncak dan lamanya muka gelombang.
2.2.4
Jumlah Sambaran petir
Jumlah sambaran petir kebumi adalah sebanding dengan jumlah hari guruh pertahun atau iso keraunik level (IKL) ditempat tersebut. Banyak para pengamat 13
yang telah memberikan perhatiannya kearah ini dan mengemukakan rumus – rumus yang berlainan. Untuk penggunaan di indonesia penulis menggunakan rumus – rumus sebagai berikut : N = 0,15 IKL
(2.1)
Dimana : N = jumlah sambaran petir per KM2 pertahun. IKL= jumlah hari guruh pertahun. Tabel 2.1 Relasi empiris antara kerapatan sambaran petir dan hari guruh pertahun
Kerpatan sambaran petir N (perKm2 per tahun)
Penyelidik (pengamat)
india
0,10 IKL
Aiya (1968)
2
Rhodesia
0,14 IKL
Anderson dan jener (1954)
3
Afrika selatan
0.023 ( IKL) 1,3
Anderson dan erikson (1954)
4
Swedia
0,004 (IKL ) 2
Muler dan hillebrand (1964)
No
Lokasi
1
a (IKL)6 5
inggris
a = 2,6 ± 0,2 x 10 -3
String fellow (1974)
a =1,9 ± 0,1 6
USA (bagian utara)
0,11 IKL
Horn dan Ramsey (1955)
7
USA (bagian selatan)
0,17 IKL
Horn dan ramsey (1955)
8
USA
0,1 IKL
Anderson (1968)
9
USA
0,15 IKL
Brown dan Whitehead (1969)
14
10
Rusia
0,036(IKL)1,3
Kolakolov dan pavlava (1972)
11
Dunia (iklim sedang)
0,19 IKL
Brooks (1950)
12
Dunia sedang)
(iklim
0,15 IKL
Golde (1966)
13
Dunia tropis)
(iklim
0,13 IKL
Brooks (1950)
2.2.5
Jarak Sambaran Petir Selanjutnya dijelaskan pula tentang sambaran yang terjadi atau jatuh pada
kawat bahwa gradian potensial ini kira – kira 500 KV permeter untuk sambaran petir negatif dan 300 KV permeter untuk sambaran petir yang positif. Jarak sambaran dapat menjangkau 40 M dengan arus 10 KA dan menjangkau 100 M dengan arus 50 KA. Kecepatan sambaran petir (thevelocity of thestep leder) adalah 50 M/µs, dengan interval waktu antar sambaran kurang lebih 100 µs. Jarak sambaran petir langsung adalah : S = 8.I0,65
(2.2)
Dimana S = jarak sambaran (meter) I = arus petir (KV) Arus petir minimum yang mengakibatkan lompatan api pada lightning arrester
2.3
Gangguan Tegangan Lebih Internal. Gangguan tegangan lebih dari dalam sistem (internal over voltage) misalnya surja hubung (switching surge). Switching, kesalahan – kesalahan dan resonasi 15
merupakan sebab utama dari kelebihan tegangan dari dalam suatu sistem. Secara teoritis lonjakan tegangan switching dapat mencapai 4 P.U tetapi persyaratan sistem yang sebenarnya tegangan tidak boleh lebih dari 2,5 P.U. dari penelitian tegangan secara statistik mempunyai distribusi normal. Tegangan balik yang timbul (restriking voltage) pada saat pemutusan arus dapat menyebabkan penyalaan kembali. Bila penyalaan kembali berulang – ulang maka akan timbul tegangan yang lebih tinggi. Tegangan lebih yang cukup besar dapat juga terjadi pada saat pemutusan arus suatu saluran transmisi yang tidak dibebani dengan beban kecil, maka dapat mengakibatkan pada sisi penerima akan lebih tinggi dari pada tegangan pengirim. Kenaikan tegangan ini disebabkan charging current mengalir mendahului (leading) tegangan pada sisi penerima dengan sudut penerima 900. Switching pada over voltage yang timbul current chopping (terpotongnya arus). Arus yang mengalir pada transformator yang tidak dibebani cukup kecil, tetapi jika terjadi pemutusan arus secara tiba – tiba maka arusnya belum mencapai 0. Dan akan menimbulkan tegangan induksi yang tinggi akibat penyalaan kembali. Akibatnya terjadi transformasi energi, dari energi magnetis pada transformator jadi energi listrik dan kapasitansi penghantar pada transformatornya peninggian tegangan ini akan mencapai hasil maksimum bila transformesi energi terjadi seluruhnya. Sebelum tegangan lebih tersebut dicapai, sudah terjadi penyalaan kembali, tegangan penyalaan kembali akan semakin bertambah kalau tegangan break down. Akibat pemutusan arus dari transformator yang berbeban 0, tegangan lebih dapat beberapakali lebih besar dari tegangan maksimum tegangan fasa. 16
