PENGARUH IMPEDANSI PEMBUMIAN MENARA TRANSMISI TERHADAP DISTRIBUSI TEGANGAN SURJA PADA TIAP MENARA TRANSMISI Renhat L. Dabalok (1), Ir. Syahrawardi(2) Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Petir yang menerpa kawat tanah saluran transmisi menimbulkan tegangan lebih surja berupa gelombang berjalan yang merambat dari titik sambaran menuju menara transmisi berikutnya, selanjutnya akan merambat sampai ke pembumian menara tersebut. Adanya perbedaan impedansi surja pembumian menara dengan impedansi surja menara menyebabkan gelombang ini akan dipantulkan kembali ke puncak menara. Kemudian dari puncak menara gelombang tegangan surja dipantulkan lagi ke pembumian menara. Dengan demikian akan terjadi pantulan berulang di pembumian dan puncak menara. Pantulan-pantulan gelombang ini akan membuat tegangan pada isolator menara naik. Dalam tulisan ini akan diteliti bagaimana pengaruh impedansi pembumian terhadap distribusi tegangan surja petir pada tiap menara transmisi. Untuk melihat hal ini diadakan studi kasus pada Menara No. 70 s/d Menara No. 80 milik PT PLN Transmisi 150 kV Titi Kuning – Berastagi. Diperoleh bahwa semakin kecil impedansi pembumian maka tegangan isolator semakin kecil.
Kata Kunci: Impedansi pembumian, Tegangan Isolator 1. Pendahuluan
keadaan bila tidak ada korona dan yang
Pada sistem transmisi diperlukan adanya menara-menara transmisi untuk menyalurkan daya dari suatu tempat ke tempat lain. Menaramenara transmisi ini terdapat di sepanjang saluran yang panjangnya bisa sampai ratusan kilometer. Pada umumnya menara transmisi lebih tinggi daripada objek yang di sekitarnya, sehingga jika terjadi sambaran petir, objek yang akan disambar adalah kawat tanah pada menara transmisi. Pada kaki menara transmisi terhubung kawat tanah yang digunakan sebagai pembumian. Sedangkan pada pembumian kaki menara transmisi terdapat resistansi, induktansi, dan kapasitansi. Jika terjadi sambaran petir pada kawat tanah transmisi, maka sebagian arus petir akan disalurkan melalui menara tersebut ke bumi, sebagian lagi diteruskan ke menara selanjutnya.
kedua bila terjadi korona. Untuk SUTT biasanya digunakan rumus-rumus tanpa korona sedang intik SUTET dan SUTUT selalu dianggap terjadi korona. 1. Bila tidak terjadi korona, maka impedansi Zg di hitung dengan persamaan (1,2): Zg = 60 ln untuk satu kawat tanah (1) Zg = 60 ln 2.
untuk dua kawat tanah (2)
Bila terjadi korona, maka impedansi Zg di hitung dengan persamaan (3,4): Zg = 60 tanah Zg =
untuk satu kawat untuk dua kawat tanah
(3) (4)
Dimana, Z11 = impedansi surja sendiri dari satu kawat tanah Z12 = impedansi surja bersama antara dua kawat tanah = 60 ln (b11/a12 ) r = radius amplop korona dari kawat tanah (meter) R = radius kawat tanpa korona (meter)
2. Impedansi Surja Menara Dan Kawat Tanah
Perhitungan impedansi surja kawat tanah dibedakan dalam dua keadaan, yaitu
-83-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret2013 sebagai induktansi dan kapasitansi. Tahanan murni lebih banyak disebabkan karena adanya sifat resistivitas tanah dimana sistem pentanahan tersebut ditanam. Induktansi lebih dipengaruhi oleh panjang konduktor yang ditanam dan sifat permeabilitas tanah. Seperti halnya sifat induktansi yang lain, maka makin panjang konduktor yang ditanam maka makin besar induktansi sistem pembumianya. Komponen kapasitor dari sistem pembumian dapat diterangkan dari konduktor yang saat ini diinjeksi arus berarti konduktor tersebut bertegangan. Beda tegangan antara konduktor dengan titik nol referensi menyebabkan sifat kapasitansi dari sistem tersebut dengan media tanah yang mempunyai permitivitas ε. Dengan demikian impedansi pembumian dapat dibuat rangkaian ekivalennya seperti Gambar 2.
ht = tinggi kawat tanah pada menara untuk SUTET, SUTUT, dan tinggi rata-rata kawat tanah untuk SUTT. Menghitung Impedansi Surja Menara Menurut Sargent dan Daveniza, impedansi surja menara dihitung berdasarkan penampang menara transmisi seperti terlihat pada Gambar 1[1].
(a) Jenis A
(b) Jenis B
(c) Jenis C
Gambar 1 Penampang menara transmisi Untuk Menara jenis A besar impedansi totalnya adalah (5):
2 h2 r2 Z t 30 ln r2
(5) Gambar 2 Rangkaian ekivalen impedansi surja pembumian satu elektroda batang
Untuk Menara jenis B besar impedansi totalnya adalah (6,7,8):
r h Z s 60 ln 90 60 (6) h r b h Z m 60 ln 90 60 (7) h b (8) Z t 1 Z s Z m 2
Permitivitas tanah harganya bermacammacam tergantung pada komposisi tanah dengan faktor-faktor yang mempengaruhi permitivitas tanah antara lain kandungan garam mineral, kandungan air, besar butiran tanah, dan suhu tanah. Pengelompokan tahanan jenis tanah dari berbagai jenis tanah pada kedalaman tertentu bergantung pada beberapa hal antara lain pengaruh temperatur, pengaruh kelembaban, pengaruh kandungan kimia dan sebagainya.
Dimana, Zs = Impedansi dengan ketebalan menara Zm = Impedansi dengan jarak antar kaki menara Zt = Impedansi total menara r = Jarak kawat antar menara Untuk Menara jenis C besar impedansi totalnya adalah (9):
2h Z t ln 2 1 r
3. Distribusi Tegangan Surja Petir Pada Tiap Menara Transmisi Langkah-langkah perhitungan tegangan isolator menara adalah sebagai berikut[8]: 1. Menghitung impedansi surja kawat tanah. 2. Menghitung koefisien terusan a pada puncak menara untuk gelombang yang datang dari dasar menara. Koefisien terusan a dihitung dengan persamaan (10):
(9)
Impedansi Surja Elektroda Pembumian Impedansi surja pembumian didefenisikan sebagai besarnya tegangan surja/impuls dibagi dengan arus impuls petir. Impedansi pentanahan tidak bersifat sebagai tahanan murni tetapi juga berperilaku
a
-84-
2Z g Z g 2Z t
(10)
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret2013
3. Menghitung koefisien pantulan b pada puncak menara untuk gelombang yang datang dari dasar menara. Koefisien pantulan dapat di hitung dengan rumus (11): (11) b a 1 4. Menghitung tegangan puncak pada menara. Tegangan pada puncak menara dapat di hitung dengan rumus (12): (12) e0 Z t I n kV Dimana, I n = arus surja petir yang menerpa menara ke n (kA). 5. Menentukan tahanan kaki menara 6. Menghitung koefisien pantulan d pada dasar menara untuk gelombang yang datang dari puncak menara. Koefisien pantulan d di hitung dengan rumus (13):
R Zt d R Zt
Dimana : ta = waktu yang dibutuhkan gelombang dari puncak menara untuk sampai ke isolator menara ataupun sebaliknya tb = waktu yang dibutuhkan gelombang dari isolator untuk sampai ke kaki menara ataupun sebaliknya tp = panjang gelombang surja Tegangan isolator menara di hitung berdasarkan Persamaan (14) yang diperoleh dari diagram tangga Gambar 3.
Vi = e0 {e-a(t1 ) - e -b(t1)} + d e0 {e-a(t2 2tb ) - e-b(t2 -2tb)} + b d e 0 {e-a(t3 -(2tb +2tb )) - e 2
- a(t4 -(4tb +2ta ))
b d e 0 {e 2
2
- b(t3 - (2t b +2ta )
)} +
- b(t4 -(4tb +2ta ))
}
-e
-a(t5 -(4tb +4ta )
+ b d e 0 {e
)-e
- b(t5 -(4tb +4ta ))
}+
b 2 d 3 e0 {e-a(t6 -(6tb +4ta )) - e -b(t6 -(6tb +4ta )) }
(13)
+ b3 d 3e 0 {e-a(t7 -(6tb +6ta )) - e -b(t7 -(6tb +6ta )) } + b3 d 4 e 0 {e-a(t8 -(8tb +6ta )) - e -b(t8 -(8tb +6ta )) }
Dimana, R = Tahanan Kaki Menara Zt = Impedansi Surja Menara Diagram tangga pada menara dapat dilihat pada Gambar 3[9].
+ b 4 d 4 e 0 {e-a(t9 -(8tb +6ta )) - e -b(t9 -(8tb +6ta )) } + ... (14) Karena nilai b biasanya cukup kecil, maka suku-suku yang mengandung b 3 dan lebih tinggi dapat diabaikan. Sehingga Persamaan (14) menjadi persamaan (15):
Vi= e0{e-a(t1 ) - e-b(t1 )} + d e0{e-a(t2 2tb ) - e-b(t2 -2tb)} + - b(t3 -(2t b +2ta )
b d e0{e-a(t3 -(2tb +2tb )) - e
)}+
b d2 e0{e-a(t4 -(4tb +2ta )) - e-b(t4 -(4tb +2ta ))} + b2 d2 e0{e-a(t5 -(4tb +4ta ) ) - e-b(t5 -(4tb +4ta ))}+ b2 d3 e0{e-a(t6 -(6tb +4ta )) - e-b(t6 -(6tb +4ta ))} (15)
Gambar 3 Diagram tangga menghitung tegangan isolator menara
untuk
-85-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret2013 Lanjutan Tabel 1.
4. Pengaruh Impedansi Pembumian Menara Transmisi Terhadap Distribusi Tegangan Surja Petir Pada Tiap Menara Transmisi
Vi (kV) t (µs) Me nara Me nara Menara Menara Me nara 76 77 0 0 0 0.1 27.0304 12.7239 0.2 38.255 18.4312 0.3 12.7601 6.5368 0.4 9.2814 4.9878 0.5 7.2368 4.0778 0.6 5.9806 3.5173 0.7 5.2073 3.1716 0.8 4.7304 2.9579 0.9 4.4354 2.8252 1 4.2521 2.7423 1.1 4.1374 2.6899 1.2 4.0648 2.6563 1.3 4.018 2.6343 1.4 3.9872 2.6193 1.5 3.966 2.6087 1.6 3.9509 2.6007 1.7 3.9394 2.5944 1.8 3.9303 2.5891 1.9 3.9225 2.5845 2 3.0801 2.5809 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 50 1.9737 1.3008 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 200 0.2324 0.1532 200.1 0.2321 0.153 200.2 0.2318 0.1528 200.3 0.2315 0.1525 200.4 0.2311 0.1523 200.5 0.2308 0.1521 200.6 0.2305 0.1519 200.7 0.2301 0.1517 200.8 0.2298 0.1515 200.9 0.2295 0.1512 201 0.2292 0.151
Salah satu cara memperkecil impedansi surja pembumian adalah dengan memperpanjang batang elektroda pembumian atau menambah jarak pemisah antar elektroda pembumian atau memperkecil permitivitas tanah. Dengan semakin kecilnya impedansi menara maka tegangan isolator menara semakin kecil. Hasil perhitungan tegangan isolator menara tersebut dapat di lihat pada Tabel 1. Tabel 1 Tegangan Isolator menara Vi (kV) t (µs) Menara Menara Menara Menara Menara Menara 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 ▪ ▪ 50 ▪ ▪ 200 200.1 200.2 200.3 200.4 200.5 200.6 200.7 200.8 200.9 201
70
71
72
73
74
75
0 1805 2618.76 894.395 670.962 540.103 459.65 410.085 379.475 360.5 348.668 341.222 336.468 333.368 331.285 329.825 328.748 327.907 327.211 326.604 326.053 ▪ ▪ 164.376 ▪ ▪ 19.359 19.3314 19.3038 19.2763 19.2489 19.2214 19.1941 19.1667 19.1394 19.1121 19.0849
0 882.325 1284.34 455.343 348.299 285.46 246.76 222.888 208.125 198.957 193.226 189.606 187.282 185.754 184.714 183.976 183.422 182.981 182.61 182.282 181.981 ▪ ▪ 91.749 ▪ ▪ 10.8055 10.7901 10.7747 10.7594 10.7441 10.7288 10.7135 10.6982 10.683 10.6677 10.6525
0 439.077 508.741 221.56 169.036 137.218 117.621 105.534 98.0639 93.4288 90.5351 88.7109 87.5436 86.7797 86.2635 85.8996 85.6292 85.4163 85.2388 85.0831 84.9408 ▪ ▪ 42.8232 ▪ ▪ 5.0434 5.0362 5.029 5.0219 5.0147 5.0076 5.0004 4.9933 4.9862 4.9791 4.972
0 218.586 314.959 105.454 77.7885 61.5705 51.6033 45.4661 41.679 39.3343 37.8751 36.9596 36.3779 36.0013 35.7505 35.5771 35.4512 35.3545 35.2758 35.2081 35.1473 ▪ ▪ 21.8339 ▪ ▪ 2.0867 2.0837 2.0808 2.0778 2.0748 2.0719 2.0689 2.066 2.063 2.0601 2.0571
0 107.527 155.124 53.0908 39.7451 31.9225 27.1133 24.1506 22.3211 21.1872 20.4804 20.0357 19.752 19.5672 19.4432 19.3564 19.2926 19.2429 19.2017 19.1659 19.1335 ▪ ▪ 11.5039 ▪ ▪ 1.136 1.1344 1.1328 1.1312 1.1296 1.1279 1.1263 1.1247 1.1231 1.1215 1.1199
0 51.0819 74.4104 24.0389 17.4257 13.5535 11.1746 9.7104 8.8076 8.2492 7.9024 7.6854 7.5481 7.4597 7.4015 7.3617 7.3332 7.3118 7.2946 7.28 7.2671 ▪ ▪ 3.6631 ▪ ▪ 0.4314 0.4308 0.4302 0.4296 0.429 0.4283 0.4277 0.4271 0.4265 0.4259 0.4253
78 0 6.3992 9.1678 3.1312 2.3314 1.862 1.5735 1.3958 1.2861 1.2182 1.1758 1.1492 1.1323 1.1213 1.1139 1.1088 1.105 1.1021 1.0997 1.0976 1.0958 ▪ ▪ 0.5524 ▪ ▪ 0.0651 0.065 0.0649 0.0648 0.0647 0.0646 0.0645 0.0644 0.0643 0.0642 0.0641
79 0 3.1019 4.4474 1.4873 1.0928 0.8614 0.7192 0.6316 0.5776 0.5441 0.5233 0.5103 0.502 0.4967 0.4931 0.4907 0.4889 0.4875 0.4864 0.4855 0.4847 ▪ ▪ 0.2443 ▪ ▪ 0.0288 0.0287 0.0287 0.0287 0.0286 0.0286 0.0285 0.0285 0.0284 0.0284 0.0284
80 0 1.5684 2.2402 0.7844 0.5915 0.4782 0.4085 0.3656 0.3391 0.3226 0.3124 0.3059 0.3018 0.2991 0.2972 0.296 0.295 0.2943 0.2936 0.2931 0.2926 ▪ ▪ 0.1475 ▪ ▪ 0.0174 0.0173 0.0173 0.0173 0.0173 0.0173 0.0172 0.0172 0.0172 0.0172 0.0171
Dari Tabel 1 diatas dapat dilihat distribusi tegangan surja isolator pada tiap menara terhadap fungsi waktu seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5.
-86-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret2013
Dengan menurunkan permitivitas tanah (ρ) elektroda pembumian akan diperoleh penurunan tegangan isolator pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs, seperti yang terlihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Penurunan persentase tegangan isolator (Vi) menara pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs. ρ (Ω) 150 100 50
5. Kesimpulan Dari pembahasan uraian tulisan di atas dapat di ambil kesimpulan bahwa: 1. Dengan memperkecil impedansi pembumian menara maka tegangan surja yang dipikul isolator akan semakin kecil. 2. Untuk memperkecil impedansi surja menara dapat dilakukan dengan, (1) memperpanjang elektroda pembumian, (2) memperbesar jarak elektroda pembumian, (3) memperkecil permitivitas tanah (ρ) disekitar elektroda pembumian.
Gambar 5 Grafik t vs Vi Dengan menambah panjang elektroda pembumian akan diperoleh penurunan tegangan isolator pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs, seperti yang terlihat pada Tabel 2. Tabel 2 Penurunan persentase tegangan isolator (Vi) menara pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs. Rata-rata (%) l (m) t=1,2 µs t=50 µs 3.21 3.44 4 24.60 25.65 8 41.02 42.90 12
Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada Ir. Syahrawardi selaku dosen pembimbing yang telah mengajari dan membimbing penulis, serta penulis mengucapkan terimakasih kepada Ir. Hendra Zulkarnaen dan Ir. Zulkarnaen Pane dan Syiska Yana, S.T., M.T. selaku dosen penguji yang banyak memberikan masukan dan saran. Terakhir, penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Rahmadi Tarigan (PLN Tragi-Glugur) atas bantuannya dalam menyelesaikan tulisan dan penelitian ini.
Dengan menambah jarak pemisah (s) elektroda pembumian akan diperoleh penurunan tegangan isolator pada saat t=1,2 dan t=50 μs, seperti yang terlihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Penurunan persentase tegangan isolator (Vi) menara pada saat t=1,2 μs dan t=50 μs. s (m) 7 8 9
Rata-rata (%) t=1,2 µs t=50 µs 29.16 29.51 52.24 52.85 76.40 77.27
Referensi
Rata-rata (%) t=1,2 µs t=50 µs 21.44 21.95 37.70 38.66 53.15 54.51
[1] Hutauruk, T.S., “Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja”, Erlangga, Jakarta, 1991. [2] Badan Standarisasi Nasional, “PUIL 2000”, Jakarta. 2001.
-87-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret2013
[3] Hutauruk, T.S., “Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pengetanahan Peralatan”, Erlangga, Jakarta, 1991. [4] Marek Loboda, dkk, “Practical Application of Enhancement Materials in High Resistivity Soils”, International Conference on Grounding and Earting & 3rd International Conference on Lightning Physics and Effects. November 2008. [5] Cooray Vernon, “Lightning Protection”, London : The Institution of Engineering and Technology. 2010. [6] Tobing, Bonggas L., “Peralatan Tegangan Tinggi”, Edisi 1, Jakarta: Gramedia Pustaka Utama, 2003. [7] Simbolon, Mindo, Tugas Akhir, “Distribusi Tegangan Surja Petir pada Tiap Menara Transmisi”, 2011. [8] Lumban Tobing, Windy, Tugas Akhir, “Pengaruh Impedansi Surja Pembumian Menara Transmisi Terhadap Tegangan Lengan Menara”, 2010. [9] Jha, R.S., ”High Voltage Engineering”, Dhanphat Rai & Sons, 1976.
-88-
copyright @ DTE FT USU
