BAB III LIGHTNING ARRESTER 3.1 Pengertian Istilah Dalam Lightning Arrester Sebelum lebih lanjut menguraikan tentang penangkal petir lebih dahulu penyusun menjelaskan istilah atau definisi yang akan sering disebut bila membahas tentang penangkal petir. Istilah – istilah yang perlu dijelaskan adalah sebagai berikut : 1. Tegangan dasar penangkal petir (the voltage rating of an arrester) Tegangan operasi sistem maksimum yang mungkin terjadi pada ujung terminal – terminal penangkal petir sehingga penangkal petir dapat bekerja dengan baik. Untuk itu harus diperhatikan bahwa tegangan operasi penangkal petir tidak boleh melampaui tegangan dasarnya ini. Tegangan dasar arrester tidak boleh dilampaui pada waktu dipakai baik dalam keadaan normal maupun hubung singkat. Pada sistem yang dibumikan, tegangan dasar maksimum arrester dapat diturunkan menjadi 80% dari tegangan sistem maksimum. Biasanya tegangan dasar arrester dipilih antara 0,7 – 0,85 kali tegangan sistem maksimum untuk sistem dengan pembumian efektif. Tegangan dasar penangkal petir, dihitung sebagai berikut : Er
= α . β Vmax = 0,8 Vmax
(3.1) 17
2. Tegangan percik (The discharge Voltage) Tegangan percik didefinisikan sebagai tegangan yang terdapat pada tahanan non linier saat sel percik memercik dan mengalir arus transient. Tegangan ditentukan dengan melewatkan impuls arus 8/120 µs dari berbagai mangnitudo arus percik. 3. Tegangan pelepasan arus petir Tegangan yang menentukan tingkat perlindungan arrester yang harus di koordinasi dengan BIL (Basic Insulation Level). Makin tinggi tingkat isolasi saluran makin tinggi arus lightning arrester. 4. Tingkat perlindungan penangkal petir (the lightning arrester protetive level) Tingkat proteksi didefiniskan sebagai nilai yang dihitung 100% lebih besar dari tegangan impuls dan tegangan sisa. tingkat proteksi penangkal petir adalah tegangan sisa pada tahanan non linier penangkal petir dibandingkan dengan tegangan yang dapat ditahan (withstand voltage) pada peralatan yang dilindungi. Sebaiknya menetapkan persentase tambahan yaitu 10% dari tegangan.dasar arrester sebagai fakta keamanan untuk menanggulangi, kemungkinan bila arrester mengalami peralihan yang mungkin tertumpuk pada tegangan dasar arrester tegangan peralatan inilah yang harus mampu diinterupsi oleh arrester tersebut. 5. Tegangan sisa atau residu Tegangan yang terdapat pada terminal arrester pada saat lewatnya tegangan pelepasan petir. Oleh karena itu penangkal petir adalah alat yang peka terhadap tegangan sistem.
18
Tegangan sistem mempunyai tiga harga yaitu: •
Tegangan dasar, yaitu tegangan perencanaan dimana saluran dapat dipakai secara kontinu.
•
Tegangan maksimum, yaitu tegangan yang dapat ditahan oleh saluran dimana arrester dipasang.
•
Tegangan nominal, yaitu untuk tegangan kawat yang membedakan sebuah sistem dengan yang lain.
3.2 Lightning arrester Lightning arrester adalah alat proteksi bagi peralatan listrik terhadap tegangan lebih, yang disebabkan oleh petir atau surja hubung (switching surge). Alat ini bersifat sebagai by-pass disekitar isolasi yang membentuk jalan dan mudah dilalui arus kilat ke sistem pentanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik. By-pass ini harus sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu aliran daya sistem frekuensi 50 hz. Jadi pada keadaan normal arrester berlaku sebagai isolator, bila timbul tegangan surja alat ini bersifat sebagai konduktor yang tahanannya relatif rendah, sehingga dapat mengalirkan arus yang tinggi ketanah.setelah surja hilang, arrester harus dapat dengan cepat kembali menjadi isolasi. Sesuai dengan fungsinya, yaitu arrester melindungi peralatan listrik pada sistem jaringan terhadap tegangan. digardu induk besar ada bedanya pada trafo dipasang arrester, untuk menjamin terlindungnya trafo dan peralatan lainnya dari tegangan lebih tersebut. 19
Gambar 3.1 konstruksi arrester 3.2.1 Bagian – Bagian Yang Penting Dari Lightning Arrester 1. Elektroda Elektroda - elektroda ini adalah terminal dari arrester yang dihubungkan dengan bagian yang bertegangan di bagian atas, dan elektroda bawah dihubungkan dengan tanah. 2. Sela percik Apabila terjadi tegangan lebih oleh sambaran petir atau surya hubung pada arrester yang terpasang maka pada sela percik akan terjadi loncatan busur api. Yang terjadi tersebut ditiup keluar oleh tekanan gas yang timbulkan oleh tabung fiber yang terbakar. 3. Tahanan katup. Tahanan yang dipergunakan dalam arrester ini adalah suatu jenis material yang sifat tahanan dapat berubah bila mendapatkan perubahaan tegangan pada gambar.
20
Gambar 3.2 karakteristik tahanan katup dan keterangan 3.2.2 Prinsip Kerja Arrester Arrester petir disingkat arrester, atau sering juga disebut penangkal petir adalah alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir. Ia berlaku sebagai jalan pintas (by – pass) sekitar isolasi. Arrester membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus kilat atau petir, sehingga tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada peralatan. Jalan pintas itu harus sedemikian rupa sehingga tidak menggangu aliran arus daya sistem 50 hertz. Jadi pada kerja normal arrester itu berlaku sebagai isolator dan bila timbul surja dia berlaku sebagai konduktor, jadi melewatkan aliran arus yang tinggi. Setelah surja hilang, arrester harus dengan cepat kembali menjadi isolator sehingga pemutus daya tidak sempat membuka. Berlainan dengan sela batang yang dibicarakan dimuka, arrester dapat memutuskan arus susulan tanpa menimbulkan gangguan. Inilah salah satu fungsi terpenting dari arrester. Arrester terdiri dari dua jenis : jenis ekspulsi (expulsion type) atau tabung pelindung (protector tube) dan jenis katup (valve type).
21
Pusat pembangkit listrik umumnya dihubungkan dengan saluran transmisi udara yang menyalurkan tenaga listrik ke pusat-pusat konsumsi tenaga listrik, yaitu gardugardu induk (GI), seperti telah dijelaskan pada artikel sebelumnya di sini dan sini. Sedangkan saluran transmisi udara ini rawan terhadap sambaran petir yang menghasilkan gelombang berjalan (surja tegangan) yang dapat masuk ke pusat pembangkit listrik. Oleh karena itu, dalam pusat listrik harus ada lightning arrester (penangkal petir) yang berfungsi menangkal gelombang berjalan dari petir yang akan masuk ke instalasi pusat pembangkit listrik. Gelombang berjalan juga dapat berasal dari pembukaan dan penutupan pemutus tenaga atau circuit breaker (switching). Pada sistem Tegangan Ekstra Tinggi (TET) yang besarnya di atas 350 kV, surja tegangan yang disebabkan oleh switching lebih besar dari pada surja petir. Saluran udara yang keluar dari pusat pembangkit listrik merupakan bagian instalasi pusat pembangkit listrik yang paling rawan sambaran petir dan karenanya harus diberi lightning arrester. Selain itu, lightning arrester harus berada di depan setiap transformator dan harus terletak sedekat mungkin dengan transformator. Hal ini perlu karena pada petir yang merupakan gelombang berjalan menuju ke transformator akan melihat transformator sebagai suatu ujung terbuka (karena transformator mempunyai isolasi terhadap bumi/tanah) sehingga gelombang pantulannya akan saling memperkuat dengan gelombang yang datang. Berarti transformator dapat mengalami tegangan surja dua kali besarnya tegangan gelombang surja yang datang. Untuk mencegah terjadinya hal ini, lightning arrester harus dipasang sedekat mungkin dengan transformator.
22
Lightning arrester bekerja pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi untuk membuang muatan listrik dari surja petir dan berhenti beroperasi pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi agar tidak terjadi arus pada tegangan operasi, dan perbandingan dua tegangan ini disebut rasio proteksi arrester. Tingkat isolasi bahan arrester harus berada di bawah tingkat isolasi bahan transformator agar apabila sampai terjadi flashover, maka flashover diharapkan terjadi pada arrester dan tidak pada transformator. Transformator merupakan bagian instalasi pusat listrik yang paling mahal dan rawan terhadap sambaran petir, selain itu jika sampai terjadi kerusakan transformator, maka daya dari pusat listrik tidak dapat sepenuhnya disalurkan dan biayanya mahal serta waktu untuk perbaikan relatif lama. Salah satu perkembangan dari lightning arrester adalah penggunaan oksida seng Zn02 sebagai bahan yang menjadi katup atau valve arrester. Dalam menentukan rating arus arrester, sebaiknya dipelajari statistik petir setempat. Misalnya apabila statistik menunjukkan distribusi probabilitas petir yang terbesar adalah petir 15 kilo Ampere (kA), maka rating arrester diambil 15 kilo Ampere.
3.3 Penerapan Lightning Arrester Sebagai Alat Proteksi Alat perlindungan terhadap tegangan surja berfungsi sebagai peralatan sistem tenaga listrik dengan cara membatasi surja tegangan lebih yang datang dan
23
mengalirkan ketanah.berhubungan dengan fungsinya itu harus dapat menahan tegangan maksimum yang dapat ditahan sesudah pelepasan terjadi. Jenis - jenis arrester tipe katup: i.Station tipe tipe ini adalah tipe yang paling efisien dan paling mahal. arrester tipe ini berhubungan dengan pemakaian secara umum pada gardu - gardu besar (large station). pada umumnya dipakai untuk alat - alat poteksi yang mahal pada sirkuit sirkuit mulai dari 240 volt sampai 287000 volt atau lebih tinggi ii.Line tipe line tipe lebih murah harganya dari station tipe. Arrester ini dipakai pada alat – alat (apparatus), dipakai untuk tegangan 25 kv sampai 69 kv. iii. distribution tipe arrester jenis distribusi ini khusus untuk melindungi mesin – mesin berputar dan juga untuk melindungi transformator dengan pendingin udara tanpa minyak. Arrester jenis ini dipakai pada peralatan dengan tegangan 120 volt sampai 750 volt.
3.4 Macam – Macam Arrester 3.4.1 Lightning Arrester Tipe Ekspulsi Arrester ini mempunyai dua jenis sela, yaitu sela luar dan sela dalam. Sela dalam ditempatkan didalam tabung serat, bila diterminal arrester tiba suatu surja petir maka
24
kedua sela terpercik. Arus susulan yang terjadi memanaskan permukaan dalam tabung serat, akibatnya tabung mengeluarkan gas. Arus susulan merupakan arus sinusoidal sehingga pada periode tertentu akan mencapai nilai nol. Saat arus susulan mencapai nol,gas akan memadamkan arus susulan. Arus susulan paling lama bertahan dua periode, biasanya sudah padam dalam waktu setengah periode setelah arus susulan terjadi. Tetapi, pemadaman arus susulan masih tergantung pada tingkat arus hubung singkat pada lokasi penempatan arrester.
Gambar 3.3 arrester jenis ekspulsi 3.4.2 Lightning Arrester Tipe Katup Arrester ini terdiri atas beberapa sela percik yang dihubungkan seri dengan resistor tak linier. Resistor tak linier mempunyai tahanan yang rendah saat dialiri arus besar dan mempunyai tahanan yang besar saat dialiri arus kecil. Resistor tak linier yang umum digunakan untuk arrester terbuat dari bahan silicon karbid. Sela percik dan resistor tak linier keduanya ditempatkan dalam tabung isolasi tertutup, sehingga kerja arrester ini tidak dipengaruhi oleh keadaan udara sekitar.
25
Gambar 3.4 arrester katup
Gambar 3.5 karakteristik rang. Listrik arrester tipe katup Vt = is x R
(3.2)
Dimana : is = arus surja R = tahanan resistor tak linier
26
Gambar 3.6 Rangkaian Ekivalen dan Karateristik Arrester 3.4.3 Lightning Arrester Tipe Gapless Arrester tipe Gapless terdiri dari tabung isolasi dan batang elektroda terisolasi dimana elektroda batang tersebut tidak ada gap diantaranya dan dilengkapi oleh material Zinc Oxide yang berfungsi untuk mengelemirancing. Panjang batang sedimikian rupa sehingga spark over / arching yang terjadi pada batang elektroda dalam tabung dapat terelimir oleh zinc oxide. Arrester jenis gapless mempunyai konstruksi lebih kompak dan mempunyai reability kerja lebih baik dibandingkan jenis lainnya. Antara material bagian atas dan bagian bawah tidak ada gap, sehingga pada keadaan normal dapat berfungsi sebagai konduktor (isolator) sedangkan pada saat terjadi spike dengan tegangan dan arus yang tinggi sesaat, dapat diredam dan daya dari arus susulan dapat diteruskan melalui pentanahan efektif.
27
3.5 Pemilihan dan Lokasi Penempatan Arrester 3.5.1 Pemilihan Arrester Dalam memilih arrester yang sesuai untuk suatu keperluan tertentu, beberapa faktor harus diperhatikan, yaitu : a.
Kebutuhan perlindungan : ini berhubungan dengan kekuatan isolasi dari alat yang harus dilindungi dan karakteristik impuls dari arrester.
b.
Tegangan sistem : ialah tegangan maksimum yang mungkin timbul pada jepitan arrester.
c.
Arus hubung singkat sistem : ini hanya diperlukan pada arrester jenis ekspulsi.
d.
Jenis arrester : apakah arrester jenis gardu, jenis saluran atau jenis distribusi.
e.
Faktor kondisi luar : apakah normal atau tidak normal (2000 meter atau lebih di atas permukaan laut), temperature dan kelembaban yang tinggi serta pengotoran.
f.
Faktor ekonomi : faktor ekonomi ialah perbandingan antara ongkos pemeliharaan dan kerusakan bila tidak ada arrester, atau bila dipasang arrester yang lebih rendah mutunya.
3.5.2 Lokasi Penempatan Arrester Arrester ditempatkan sedekat mungkin dengan peralatan yang dilindungi. Tetapi untuk memperoleh kawasan perlindungan yang lebih baik, maka ada kalanya arrester ditempatkan dengan jarak tertentu dari peralatan yang dilindungi. Jarak arrester dengan peralatan yang dilindungi berpengaruh terhadap besarnya tegangan yang tiba pada peralatan. Jika jarak arrester terlalu jauh, maka tegangan yang tiba 28
pada peralatan dapat melebihi tegangan yang dapat dipikulnya. Hal ini dapat dijelaskan dengan konsep gelombang berjalan seperti yang akan dijelaskan berikut ini.
Gambar 3.7 Gelombang Berjalan dan Pantulannya 3.5.3 Jarak Antara Arrester dan Peralatan Yang Dilindungi Meskipun yang paling baik adalah menempatkan arrester sedekat mungkin dengan peralatan yang dilindungi, tetapi dalam prakteknya kadang-kadang hal ini tidak dimungkinkan. Jika jarak arrester terlalu jauh dari peralatan yang dilindungi, tegangan abnormal yang sampai pada terminal dari peralatan akan lebih tinggi dari pada tegangan pelepasan arrester. Hubungan antara tegangan terminal dari alat yang dilindungi dan jarak dari arrester dinyatakan sebagai berikut : e = ea + 2µ . x / v
(3.3)
dimana : e = tegangan terminal dari peralatan yang dilindungi (kv) ea = tegangan pelepasan dari arrester (kv)
29
µ = kecuraman muka gelombang dari gelombang yang datang (kv / µs) V = kecepatan rambat gelombang yang datang (m / µs) x = jarak dari arrester ke alat yang dilindungi (m) Oleh karena jarak (x dalam persamaan diatas) harus sekecil mungkin supaya e tidak melebihi kekuatan isolasi alas. Table 3.1 jarak maksimum antar arrester beragam tingkat tegangan
Daya pengenal arrester Tegangan Nominal (kv)
80%
90%
100%
BIL (kv) Jarak maksimum yang diizinkan
66 132 220
350 550 650 900 1050
35 35 60 60 100
30 45 75
25 35 55
Untuk menentukan tegangan arrester terdapat 2 hal yang harus diperhatikan yaitu : a.
Ketahanan arrester terhadap frekuensi kerja, yaitu terutama pada saat terjadi gangguan satu fasa ketanah, tegangan fasa yang tidak terganggu akan naik tergantung sistem pentanahannya.
b.
Didasarkan pada pengaman terhadap alat yang diamankan, apa yang disebut sebagai savety margin.
30
3.5.4 Penempatan Arrester Pada Gardu Induk Pulo Gedung 70 kv Arrester yang berfungsi sebagai pengaman terhadap tegangan lebih dari sambaran petur secara langsung maupun secara induksi harus dapat mengamankan peralatan utama pada instalasi gardu induk seperti transformator, pemutus tegangan, trafo arus, trafo tegangan, peralatan untuk sistem informasi pada GI (wafe trap) serta peralatan lainnya. Penempatan arrester harus dirancang sedemikian rupa sehingga peralatan tenaga listrik yang diamankan (dilindungi) pada gardu induk terhadap tegangan lebih akibat sambaran petir tidak mengalami kerusakan.
Gambar 3.8 Konstruksi Pemasangan Arrester pada Gardu Induk Pulo Gadung 31
Gardu induk pulo gadung 70 kv merupakan salah satu jenis gardu induk tipe konvensional yaitu gardu induk yang terdiri dari semua instalasi peralatan gardunya (switch yard) dipasang pada lapangan terbuka. Keuntungan menggunakan gardu induk tipe konvesional adalah bersifat fleksibel. Pemeliharaan pada setiap peralatan dapat dilakukan dengan mudah, sedangkan kerugian menggunakan gardu induk tipe konvensional adalah lahan yang lebih luas dan lebih sering mengalami gangguan. Penghubung SUTT
Busbar 70 kV
PMS Rel PMT
Bay trafo IBT 100 MVA CT PT
Penghubung SKTT XLPE 1 x 800 mm2
Bay Cawang II Bay PMS Lines N
Cawang I LA
-
Switchyard Selatan
Gambar 3.9 Single Line Saluran Masuk Gardu Induk Pulo Gadung 70 kV
32
3.5.5 Saluran Keluaran 70 kv Saluran keluaran pada gardu induk pulo gadung 70 kv terdapat pada switch yard utara yang hanya untuk pasokan daya ke gardu induk gambir lama 1 dan 2 70 kv dan tidak ada lightning arrester sebagai pengaman pada saluran keluarannya karena saluran keluarnya menggunakan SKTT. Arrester yang terpasang pada switch yard utara hanya dipasang pada penghubung SUTT antara busbar 1 switch yard utara dan switch yard selatan.
Penghubung SUTT
Kopel Busbar 70 kV
Penghubung SKTT XLPE 1 x 800 mm2
PMS Rel PMT CT
PMS Lines
Ke Gambir Lama II
Ke Gambir Lama I LA
N Switchyard Utara
Gambar 3.10 Single Line Saluran Keluar Gardu Induk Pulo Gadung 70 kV
33
3.5.6 Kegagalan Arrester Pada keadaan normal arrester harus berfungsi sebagai isolator, tetapi dalam keadaan gangguan (terjadinya tegangan lebih) maka arrester dengan secepat mungkin akan berfungsi sebagai konduktor untuk mem- by- pas tegangan lebih yang timbul dan mampu memutus arus susulan yang terjadi maka dengan secepat mungkin arrester berfungsi kembali sebagai isolator. Kegagalan arrester untuk mengalirkan tegangan lebih ketanah akan mengakibatkan rusaknya peralatan pada gardu induk. Beberapa faktor yang mengakibatkan gagalnya arrester bekerja untuk mengamankan peralatan dari tegangan lebih yaitu: 1. tahanan pada arrester 2. tabung arrester 3. tegangan dasar maximum 4. penurunan tingkat isolator
3.5.7 Tahanan Pada Arrester Arrester dikatakan gagal bekerja akibat tahanan pada umumnya terjadi pada arrester jenis katup. Arrester jenis ini terdiri dari gap seri dan tahanan, fungsi dari gap seri adalah sebagai kontak untuk menghubungkan dengan tahanan. Tahanan pada arrester biasanya terbuat dari material yang sifat tahanannya dapat berubah- ubah sesuai dengan perubahan tegangan yang terjadi. Kegunaannya adalah untuk memadamkan busur api yang terjadi saat kontak pada arrester terhubung dengan tahanan. Saat terjadi tegangan lebih maka harga impedansi
34
pada arrester harus sekecil mungkin dan setelah tegangan normal maka impedansi akan tinggi. Apabila harga tahanan pada arrester tidak berubah- ubah sesuai dengan perubahan tegangan lebih yang terjadi maka arrester akan gagal bekerja. Untuk mengatasi hal tersebut maka arrester tersebut dapat menggunakan tahanan kran yang sifatnya bila terjadi tegangan dan arus yang besar maka harga tahanannya akan sangat kecil, sehingga fungsi arrester sebagai isolator pada keadaan normal dan sebagai penghantar pada keadaan gangguan akan terlaksana. 3.5.8 Design Tabung kegagalan arrester mengamankan tegangan lebih yang diakibatkan design tabung terjadi pada arrester tipe expulsion. Bila terjadi tegangan tinggi yang timbul pada terminal arrester, gap seri dan spark gap, maka arching chamber (ruang busur) terhubung akibat spark, arrester menjadi konduktor dengan impedansi rendah sehingga tegangan pada terminal akan turun setelah terjadi spark over. Ketika tabung melewatkan arus tegangan api pada busur api dalam arching chamber, oleh karena itu arrester memberikan sedikit perlawanan terhadap mengalirnya arus ikutan. Apabila panas yang ditimbulkan akibat dari mengalirnya arus petir tidak dapat menguapkan sebagian dari dinding tabung maka pada waktu arus susulannya mencapai titik nol, busur api yang terjadi didalam ruang busur tersebut tetap menyala, sehingga voltage break- down akan menjadi besar sekali sehingga arrester akan gagal bekerja untuk mengatasi kegagalan tersebut. Maka pada bahan untuk design tabung harus terbuat dari bahan yang mempunyai sifat yang sangat efektif sebagai sumber gas.
35
3.5.9 Tegangan Dasar Maksimum Apabila tegangan dasar maksimum arrester lebih tinggi dari tegangan dasar maksimum sistem, maka apabila terjadi tegangan lebih arrester tidak akan mengalirkan arus surja ketanah sehingga arus yang lebih besar akan mengenai isolasi peralatan dan dapat menimbulkan panas pada isolasi peralatan tersebut. Pada akhirnya isolasi peralatan tersebut akan mengalami discharge (pelepasan muatan) dalam hal ini menggunakan isolasi pun gagal sehingga arrester akan gagal bekerja. Untuk mengatasi hal tersebut maka tegangan dasar (rating) yang dipakai pada arrester adalah tegangan maksimum frekuensi rendah (50 c/s) yang tidak melebihi tegangan dasar maksimum dari pada sistem.
36
