PROCEEDINGSITB VoI. 2i,No. I, 1988
2l
PERHITUNGANGANGGUAN KILAT PADA SALURAN I.JDARATEGANGAN MENENGAH
Oleh: I.,SHutahuruk *
SARI Perhitungan8an88lBn kilat saluran udara teganganmenengahbaru dilak'kan secaraintensif pada tahun-tahunterakhir l960an, -antaralain oleh Uehara dkk. (196s)dan Auer dkk.
(1e6e).
Perhitungan-perhitungantersebut menggunakanmodel geometris dari salurandan generator surja,misalnyayang dilakukanoleh Auer dkk. (1969). Berdasarkanteori-teori yang sudah dikembangkanoleh Rusck (195g), whitehead (1977), Razevg (1979), dan lain-lain, penulis mencoba menguraikan suatu metode analitis yang sederhanadenganperhitungantangan denganmenggunakanalat hitung elektronik.
ABSTRACT The calculationsof lightning outagesof medium voltageoverheadlines havenot beenintensively conducted until late in the 1960s, among others by uehara et al (196g) and Auer et al (1969). Those calculations use a geometric nrodel of the line and a surgegenerator as conductedby Auer et al (1969). Basedon the theoriesrdevelo.ped by Rusck (195g), whitehead (1977), Razevig(1979), and others, the writer tries to outline a.simpleanalytical method that can be calculatedmanually by usingan electroniccalculator.
t Jurusan Teknik Elekrro, Fakurtas Teknorogi Industri, Institut Teknologi Bandung.
22
ITB VoL21, No. 1, 1988 PROCEEDINGS
Pendahuluan Yang dimaksud dengan gangguankilat pada saluran udara adalah kilat yang menyai-rbarSaluran,baik secaralangsungmaupun tidak langsung,dan menyebabkan rlat pemutus daya membuka untuk mengisolasikans:tlrtranyang terganggudari sistem. Pada saluran udara teganganmenengah(SUTM), gangguankilat terdiri dari gangguanakibat sambaranlangsungdan gangguanakibat sainbaiaiti;dak la;rg sung atau sambaraninduksi. Padasaluranudara tegangantinggi gangguankilat akibat sambaraninduksi sangatkecil dan diabaikan.Tetapi pada saluranudara teganganmenengah,terutama Salulanmenengahtanpa kawat tanah atau kawat netral, jqmlah gangguankilat akibat sambaraninduksi itu dapat lebih banyak dari gangguankilat akibat sambaranlangsung.Hal tersebut disebabkantingkat ketahanan impuls isolasi (Vson) dari isolator SUTM rendah dan daerahsambaran induksi yang luas. Jadi jumlah gangguanpada saluranteganganmenengahdapat dituliskan sebagai (l) No =N1+l/, dengan: No = jumlah gangguankilat pada saluran Ni = jumlah gangguanakibat sambaraninduksi l/t = jumlahgangguanakibat sambaranlangsung.
Sambaranlangsung Yang dimaksud dengan sambaranlangsungad'alahkilat yang menyambar langsung pada kawat fasa(untuk salurantanpa kawat tanah)atau pada kawat tanah (untuk saluran dengan kawat tanah). Pada saluran udara tcganganmenengah yang dilengkapi dengankawat tanah diasumsikantidak ada kegagalanperisaian. Asumsi ini dapat dibenarkan karena tinggi kawat di atas tanah relatif rendah (10 sampai l3 meter) dan juga karena dengan sudut perisaianyang biasanya < 60o sudah dapat dianggapsemuasambarankilat mengenaikawat tanah;jadi tidak ada kegagalanperisaian. PanjanggawaltJ saluran udara teganganmenengahrelatif pendek, dan hanya berkisar itrttara 40 sampai 80 meter dengan panjang rata-rata 50 meter. Pada saluran tanpa kawat tanah semuasambarankilat dianggapterjadi pada kawat dan pada saluran dengan kawat tanah, di mana pengetanahandilakukan pada jarak 3 sampai 4 gawang,semua sambarankilat dianggapterjadi pada tiang atau dekat tiang, baik pada tiang yang diketanahkan maupun pada tiang yang tidak diketanahkan denganperbandinganyang sama.
23
PROCEEDINGSITB Vol. 2 1, No. I, 1988
Pada waktu kilat menyambar kawat tanah atau kawat fasa akan timbul arus yang besar dan sepasanggelombang berjalan yang merambat pada kawat. Arus yang besar ini dapat membahayakanperalatanyang ada pada saluran.Besarnya arus atau tegangan akibat sambaran ini tergantung pada besar arus kilat, waktu muka, dan jenis tiang saluran. Karena saluran teganganmenengahtidak begitu tinggi di atas tanah, maka jumlah sambaranlangsungpun rendah. Makin tinggi tegangansistem, makin tinggr tiangnya, dan makin besarjumlah sambaranke saluranitu.
&mbaran tidak langsung atau sambaran induksi Bila terjadi sambaran kilat ke tanah di dekat saluran, akan terjadi fenomena transien yang diakibatkan oleh medan elektromagnetisdari kanal kilat. Fenomena kilat ini terjadi pada kawat penghantar.Akibatnya timbul teganganlebih dan gelombang berjalan yang merambat pada kedua sisi kawat di tempat sambaranberlangsung. Fenomena transien pada kawat dapat berlangsunghanya di bawah pengaruh gaya yang memaksa muatan bergerak sepanjanghantaran. Atau dengan perkataan lain, transien dapat terjadi di bawah pengaruh komponen vektor kuat medan yang berarah sejajardenganarah penghantar.Jadi bila komponen vektor dari kuat medan berarah vertikal, dia tidak akan mempengaruhiatau menimbulkan fenomena transien pada penghantar.
Penangkapankilat oleh saluran,jumlah sambaran dan probabilitas distribusi; arus. Suatu saluran di atas tanah dapat dikatakan membentuk bayang-bayanglistrik pada tanah yang berada di bawah saluran transmisi itu. Kilat yang biasanya menyambar tanah di dalam bayang-bayangitu akan menyambar saluran sebagai gantinya, sedangkilat di luar bayang-bayangitu sama sekali.tidak menyambar saluran. 'daerahperisaian'untuk suatu saluran Lebar bayang-bayanglistrik atau disebut diberikan oleh Whitehead (197'7) (gambar I ). Lebar bayang-bayangW adalah: W = (b + hr,oe\ meter
Q)
dengan b = jarak pemisah antara kedua kawat tanah (meter, bila kawat tanah hanya satu.b = 0)
24
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. I, 1988
h = tnggi rata-rata kawat tanah di atas tanah = ht -23 h, = ttnggi kawat tanah pada tiang (meter).
unaoneun(meter).
Di luar daerah perisaian itu kilat dianggapmenyambar langsungke tanah, atau disebut sambaraninduksi. Padasaluran udara teganganmenengah (SUTM) lebar bayang-bayang untuk tiga macirmkonfigurasi diberikan pada gambar 2.
= kawattanah GW A, B, C = kawatfasa
\
2nlF
--{G-
b +-
\
2hlos
sambaran listriksaluranudaraterhadap kilat Gambar1 Lebarbayang-bayang Jadi luas bayang-bayanguntuk 100 km panjangsaluran .,4= l0o (km) X (b + qtr '0e) x l0- 3 (tm) atau A = O,l (b + 4hr '0e1 km2 per 100 km saluran
(3)
Jumlah vmbaran kilot ke bumi Jumlah sanrb::rrn kilat ke bumi sebandingdenganjumlah hari guruh per tahun atau Iso Keraunic Level (IKL) di tempat itu. Banyak penyelidik yang memberikan periiitian ke arah ini dan mengemukakan rumus-rumus yang berlainan. Rumus-rumus tersebut diberikan dalam tabel I (Anderson, 1982). Untuk Indonesia, penulis mengusulkan menggunakan
N = O,l5IKL dengan
(4)
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. t, 1988
25
= jumlah sambaranper km2 per tahun N IKL = jumlah hari guruh per tahun Jadi jumlah sambaranpada saluransepanjang100 km adalah Nr=N . II I
x '4
atau 1yr= 0,015 IKL (b a 471,0e) sambaranper 100 km per tahun
(5)
f"bel 1 Relasi empiris antarakerapatan sambaran kilatdanhariguruhtahunan(Anderson, 1982).
No. Lokasi 1.
India
2. 3.
Rhodesia Afrika Selatan
Kerapatanrambaran petir N (per km2 per tahun)'
0 , 1 0r K L
0.14IKL 0,023 (lKL)13i 4. Swedia 0 , 0 0 4( l K L ) 2 5. Inggris a (lKL)b a=2,610,2X 10-3 b=1,910,1 6 . A S ( b a g .U t a r a ) 0 , 1 1I K L . elatan 7 . A S ( b a gS 0 , 1 7I K L 8. AS 0 , 1I K L 9. AS 0,15lKL 10. Rusia 0,036 (lKL)13 1 1 . D u n i a( i k l i ms e d a n g ) 0 , 1 9I K L 1 2 . D u n i a{ i k l i m s e d a n g } 0 , 1 5 I K L 1 3 . D u n i a( i k l i mt r o p i s ) 0 , 1 3 I K L
Penyelidik Aiya (19681 Anderson& Jenner(19541 (1954) Anderson-Eriksson ( 1d9 6 4 ) Muller-Hillebran Stringfellow(1974t'
H o r n& R a m s e y( 1 9 5 1 ) H o r n& R a m s e y( 1 9 5 1 ) Anderson(1968) Brown& Whitehead(19691 6olokolov& Pavloval1g72l B r o o k s( 1 9 5 0 1 G o l d e( 1 9 6 6 ) Brooks(1950)
' Urtuk daerah sekitar katutistiwa dengan iklim tropis sopertidi lndonesia dergan IKL antara 6O sampai 1 5 0 , p e n u l i s m e r B u s u l k a np e n g g u n a a nN = 0 , 1 5 l K L .
I II
Lompatan api dan bwur api Besar tegangan yang timbul pada isolator saluran tergantung pada kedua parameterkilat, yaitu punek dan kecuraman muka gelombangkilat. Tidak semua sambaran kilat dapat mengakibatkan lompata n api (flashover) pada isolasi saluran. Demikian juga tidak semua lompatan api yang timbul dapat beralih menjadi busur api Qnwer arc) yang mengakibatkan gangguan saluran (line outage).
26
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. t, 1988
kawatfasa. -l\
a,\
2\
-l\
z'
--o
. | \- '
o f
o\ \ ---
|
- " \- h \
2l\
--t-.' T o---
,-'6
-ls
lt
i'on
--
h
kawattanah
---?-; O C t -- \
-l\
t
.- z - O
| |
h
listrik saluranudara Gambar2 Lebarbayang-bayang (a) Saluranudaratanpakawattanah (b) Saluranudaradengankawat netraln (b = 0) (c) Saluranudaradengansatukawattanah(b = 0) listrik. W = Lebarbayang-baYang
--
11
PROCEEDINGSITB VoL 21, No. I. 1988
Terjadinya lompatan api bila saluran disambar kilat tergantung pada besar teganganyang timbul dan melebihi kekuatan impuls V5sv isolator. Demikian juga terjadinya peralihan dari lompatan api menjadi busur api yang mengakibatl.an gangguan saluran tergantung pada sejumlah faktor seperti dijelaskan di bawahini. Waktu beraksi rele biasanya tidak kurang dari setengahputaran (cycle) atau 0 0l detik (untuk frekuensisistem50 Hertz), sedangeksistensigelombangkilat tidak lebih dari 100 mikrodetik. Jadi lompatan api impuls itu tidak mungkin mengakibatkan pemutusan saluran. Pemutusansaluran hanya terjadi bila lompatan api impuls beralih menjadi pelepasan busur api yang terus bertahan karenategangankerja saluran. Probabilitas beralihnya lompatan api impuls menjadi busur api tergantung pada sejumlah faktor, termasuk daya sumber.Tetapi yang paling berpengaruhadalah intensitas medan yang ditimbulkan oleh tegangankerja dalam kanal pelepasan impuls (impulse discharge).Makin tinggi intensitasmedan, makin baik konduktivitas kanal pelepasanimpuls, dan makin tinggi.probabilitas beralihnya lompatan api nrenjadi busur api. Yang terakhir ini selalu mengakibatkangangguan saluran. Bila gradien tegangankerja sepanjangjalan lompatan api tidak cukup besar, busur api tidak akan terbentuk dan karenanya gangguan saluran jWa tidak terjadi. Menurut sejumlah penelitian yang dilakukan di Rusia (Razevig,1979), probabilitas beralihnya lompatan api menjadi busur api pada isolator dihubungkan dengan intensitas medan karena tegangankerja dan ini kira-kira sama dengan hasil bagi tegangannetral (rms) denganpanjangisolator. Besarnyaprobabilitas peralihanlompatan api menjadibusur api diberikandalam tabel2. T a b e l 2 P r o b a b i l i t a sp e r a l i h a nl o m p a t a na p i m e n j a d ib u s u r a p i ( R a z e v i g ,1 g 7 9 ). Gradien tegngan Eo (kVr,nr/meter)
50 30 20 10
Probabilitasperalihan lompatan api menjadibusurapi,11
0,6 0,45 o,25 0.10
Makin tinggi tegangankerja sistem, makin besar gradien tegangan,sehingga makin besarpula probabilitasperalihanlompatan api menjadibusur api. Jadi, dari penjelasandi atas dapat disimpulkan bahwa jumlah gangguanpada salurantergantung pada:
28
PROCEEDINGSITB Yol. 21, No. I , 1988
a. Jumlah sambaranpada saluran,N1 b. Probabilitas terjadinya lompatan api, Pp 1 c. Probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api,4 Dengan demikian jumlah gangguandapat ditulis Sebagai: N, = 0,015 IKL (b + 4hr 'oe) .pp I .rl
(6) Untuk mengurangi probabilitas terjadinya lompatan api biasanya dipasang kawat tanah'pada saluran. Jadi, bila kilat menyambar kawat tanah, hanya arus kilat yang besaryang dapat menimbulkan lompatan api. hobabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api dapat'dikurangi dengan memperpanjangjalan lompatan api, misalnya menggunakantiang kayu. hobabilitas
distribusi arus kilat
Probabilitas distribusi harga puncak arus kilat diberikan oleh beberapapeneliti, antara lain oleh Popolansky (1970), yaitu
Pt=, a1 t+(B)'
e)
Tetapi untuk memudahkan penggunaannyakelak, terutama dalam perhitungan gangguankilat karena sambaraninduksi, rumus Popolansky itu didekati dengan fungsi eksponensial
^ fr=€
- 3 tI(8)
selanjutnya, persamaan(8) inilah yang digunakan dalam perhitungan gangguan kilat akibat sambaranlangsungdan sambaraninduksi pada saluran udara tegangan menengah.
Perhitungan gangguankilat akibat sambaran induksi Sampai saat ini telah banyak dilakukan penelitian, baik perhitungan teoritis maupun percobaan dalam hubungan dengan teganganinduksi akibat sambaran kilat tidak langsung atau sambaran induksi. Penelitian-penelitiantersebut dilakukanantaralain oleh Bewly (1951) dan Rusck(1958). Dalam pembahasan-pembahasan di bawah ini akan diberikan secara singkat teori yang dikemukakan oleh Rusck (1958). Ia memperhitungkanpotensial skalar dan potensial vektor untuk menghitung tegangan induksi akibat sambaran tidak langsung.
PROCEEDINGSITB Vol. 2 I, No. I, 1988
Teganganpada saluran akibat sambaran induksi Untuk dapat menghitung teganganlebih pada saluran akibat sambaraninduksi terlebih dahulu harus diketahui medan elektromagnetis dari sambaran kilat. Arus kilat pada tanah mempunyai waktu muka yang kecil dan ekor yang panjang. Selama proses pelompatan kepala (stepped leader) suatu muatan 46 terdistribusi secara merata sepanjangkanal kilat (lightning channel). Kemudian sambaranbalik yang berupa su4'aarus dengan bentuk fungsi langkah (stepped function) bergerak ke atas dengan kecepatan sama dengankecepatan sinar dan menetralkan muatan yang ada pada kanal kilat. Bila waktu muka dari arus kilat tidak diperhatikan, pendekatan ini dapat digunakan untuk bagian bawah dari kanal kilat, di mana variasi muatan dan kecepatan pada ketinggian di atas permukaan tanah dapat diabaikan. Hubungan'antaraarus/s dan muatan{s adalah: Io=cQo
(9)
dengan 16 = harga puncak arus kilat selamasambamnbalik c -- kecepatanmerambat sambaranbalik q9 = muatan listrik pada lintasan kilat per satuanpanjang Dengan bantuan pers:lmaanMaxwell, Rusck menurunkan besarpotensial skalar penginduksi(penurunan rinci dari persamaanitu tidak diberikan di sini) sbb.: V i n d = 2 Z o I o h ( c o !tv' - \ I'
I
1(10)
\r[OT+;7
dengan I Y-, _ - -u| (#ffii)r, ,1.26X 10-6 zo= fr- (uoleo)
.,.,.
(ilI
= 30 ohm h = tinggi kawat di atas tanah co = kecepatan merambat sinar c = kecepatan merambat sambaranbalik I = panjang total jalan kilat r0 = jarak antara kawat dengansambarankilat f = waktu Juga diturunkan besarpotensial vektor penginduksi,
, #t"
=2zoro,klc) h
JGD"+tt-Gl%fth
(t2)
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. I, 1988
30
( l0) dan( l2) diperolehhargagelombangtegangan induksi Dari persamaan untuk masing-masing komponen,yaitu:
Vr = VinoG) + Yz, W
+Y,o+fo vz= vind(-x)
(13)
atau
vr = zo Io h(clc) t j v
nlrft
, r_
- r4qf W:r),l
x+(clco)2(cot-x)
,
(14) V, = V, (-x) Jadi jumlah gelombangteganganinduksi akibat sambarankilat tidak langsung adalah
(15)
V=V.+V,
Dalam persamaan(14), x = kordinat sepanjangkawat;x = 0 adalah titik yang terdekat ke sambarankilat y = jarak kawat dengansambarankilat vertikal. Pada titik r = 0, yaitu titik terdekat ke sambaran,setelahsubstitusi dalam persamaan( I 4) dan ( l5), dan mengingat cf cs kecil, diperoleh hargamaksimum
zoloh /o,^ak.=- y -' Ir+{
,/2
+c.o- - - J _ ----l 11 r7r1r1^y.pl
(16)
Hargaclco = 0,1 sampai0,5, jadi
zoloh ( 1 , 0 7+ 1 , 3 8 ) V o , ^ ^ k=, - ] Dari persamaan( | 6) nyata kelihatan bahwa teganganinduksi tidak begitu tergantung pada kecepatan merambat dari sambaranbalik kilat. Teganganinduksi pada saluran di titik yang jauh dari sambarandicapai bila x = + oo. Bila harga ini diisikan ke dalam persamaan(14) dan kemudian dihitung tegangan induksi maksimum pada titik terjauh itu, diperoleh zoloh Vi= V*,^urs = -"-j-
30Ioh
(17)
31
PROCEEDINGSITB VoL 21. No. 1. 1988
Dalam perhitungan sela4iutnya, sebagai tegangan induksi akibat sambaran induksi digunakanteganganinduksi yang diberikan oleh persamaan(17). Dari pcrsamaanini terlihat bahwa harga maksimum teganganinduksi tidak tergantung lagi pada kecepatanmerambat dari sambaranbalik kilat.
Pengaruh kawat tanah terhadap teganganinduksi Dalam menghitung pengaruh kawat tanah terhadap tegangan induksi diperkenalkan Faktor Perisaian (FP) yang didefinisikan sebagaihasil bagi tegangan induksi dengankawat tanah dan teganganinduksi tanpa kawat tanah. Kawat tanah ideal adalah kawat tanah yang mempunyai titik pengetanahan pada setiap titik sepa4jangkawat tanah sehinggapotensialnya sepanjangkawat adalah nol. Pada kenyataannya tidak ada kawat ideal, jadi kawat tanah itu mempunyaibeda tegangantertentu terhadaptanah. Pada pasal ini dibahas keadaan dengan satu kawat tanah dan tahanan kontak tiang sebesarR (gambar 3). Diasumsikantidak terjadi pantulan pada ujung saluran. Bila gelombang teganganyang timbul pada kawat 2 (kawat tanah) sebelum diketanahkan adalah vr, maka arus yang melalui impedansi setelahdiketanahkan dengantahananR adalah 12=
v2 (18)
R + (22212) 2 .. kawat tanah
Garnbar3 Salurandengansatukawattanah
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. I, 1988
dengan V2 = teganganinduksi pada kawat 2 sebelumdi ketanahkan 222 = impedansi surja kawat 2 = tanah kontak ke tanah R 12 = arus yang mengalir pada hubungan ke tanah. Arus ini memberikan kenaikan pada gelombang tegangan pada kawat fasa I sebesar LVz, yaitu:
I)
2,,
, AVz=zrz(--)=rT#;vz
(le)
dengan Zt2 = impedansi surja bersamakawat tanah dengankawat fasa. Jadi besarteganganpada kawat fasa I setelahkawat tanah 2 diketanahkan. Vt' = Vl + LV2
Vr'= V, -
atau
2," fn-*};
V,
(20y
Jadi Faktor Perisaian(FP) adalah
vr' F P = - i,-r - l -
zrz 2R+222
vz Vr
(21)
dengan Vr' = teganganinduksi pada kawat I setelahkehadiran kawat tanah 2 Z, = teganganinduksi pada kawat I sebelumkehadiran kawat tanah2. Karena teganganinduksi sebelum diketanahkan sebandingdengantinggi kawat di atastanah, atau (V rlV,) = (h rlh1 ), maka persamaan(21) menjadi Z. h2 t r p _ l' * _ t t eZ) 2R+222 hr dan persamaan(20) menjadi
. z * h -, (r T{e, /,'= i) ,,
(23)
(22) dan(23), Dalampersamaan = ft, tinggi rata-ratakawatfasaI {i atastanah h, = tnggi rata-ratakawattanah2 di atastanah. Paca saluranfasa-tigadenganempat kawat, yaitu iiga kawat fasa dan satu .kawat netral, dan tidak adakawat tanah,maka pengaruhkawat netral itu terhadap teganganinduksi pada kawat fasa samasepertipengaruhkawat tanah
PROCEEDINGSITB Vol. 21. No. I. 1988
33
pada teganganinduksi pada kawat fasa.Dalam halini,tinggi kawat netral di atas tanah h2 lebih rendah dari tinggi kawat fan ii1 sehinggabesarfaktor perisaian lcbih besardibandingkan faktor perisaiandari salurandengankawat tanah. Atla kalanya kawat netral itu dipasangdi ataskawat fasa,samasepertikedudukan kawat tanah. Dalam hal ini faktor perisaianakan lebih kecil, jadi lebih baik. Tetapi kawat netral yang dipasangdi atas kawat fasa akan mempertinggitiang jumlah sambaranlangsung. dan dengandemikian akan memperbesar Bila di mmping kawat netral yang dipasang di bawah kawat fasa a.dakawat tanah yang dipasangdi atas kawat fasa, persamaan(23) tetap dapat digunakan. Dalam hal terakhir ini 212 dan 222 harus dihitung untuk kawat gabungan kawat tanah dan kawat netral dengantinggi ekivalendari kawat gabunganitu.
Perhitungan jumlah gangguan kilat akibat sambaran induksi Pandanglahsuatu kawat setinggi h di atastanah. Misalkanlah suatu sambaran kilat vertikal menyambartanah padajarak y dari kawat (gambar4). Besarteganganinduksi pada kawat diberikan oleh persamaan( I 7), yaitu 30/,('h vi= -n'
(17)
dengan V, = teganganinduksi pada kawat (kv) Io = besararuskilat (kA) h = tinggirata-rata kawat di atas ta,rah (m) y = jarak horisontal antara sambarankilat dengankawat (m) Bila saluran itu dilengkapi dengan kawat tanah, maka besar teganganinduksi pada kawat fasa diberikan oleh persamaan(23),yaitu
z.^
h"
vi =(t - 2R+;trr'
(23)
dengan Vi Vi 222 Z12 h1 h2 R
= = = = = = =
teganganinduksi padakawat fasadengankawat tanah (kv) teganganinduksi padakawat fasatanpa kawat tanah (kv) impedansisuqa sendirikawat tanah2 (ohm) impedansisuf a bersamaantarakawat tanah 2 dan kawat fasa I (ohm) tinggi rata-ratakawat fasa I di atastanah (m) tinggi rata-ratakawat tanah 2 di atas tanah (m) tahanankontak tiang (ohm).
(}) 5
kawat fasa
* *
tri
z
A at)
\ ut (a) Tanpa kawat tanah
(b) Satu kawat tanah
cl
F
ru
:-
i Gambar4 Saluranudarateganganmenengah.
\o !a
PROCEEDINGSITB Vot. 21, No. L tgBS
35
Jumlah sambaranpada daerahAy untuk panjang 100 km saluran(gambar 4a),
AN = 0,015 IKL Ay
Menurut persamaan(17), besarteganganinduksi pada kawat.
e4)
30r^h vi = -'c'Supayateganganinduksi samaatau melebihi ketahanan impurs ilolasi vs.vo, V
Io2 ffi,
es\
hobabilitas arus yang demikian diperoleh dari persanlaan(g), yaitu Io,
' 3- ) 4 '
-l
PrO=t
(8)
atau probabilitas terjadinya lompatan api, vswo^ . PFL=r'-t *5;/t
(26)
Jadi, jumlah sambaran pada bidang Ly melebihi V5sv adalah
Mpr=0,015IKLe
yang dapat menimbulkan tegangan
_ r v s v o "y / r to2o h
A,y (27) Bila Ay dibuat kecil sekali,Ay berubah menjadi dy danANp r berubah menjadi dNr t, dan setelahdilakukan integrasidariy 9 ^ io (= hl,0 y sampai/m aks (= tak terhingga),untuk kedua sisi salurandiperoleh vso%
.V
- \.- ! )
r N r.! , = 2 I J
0,015IKLe
rozoh
dy
2Jt' 'oc
atau
n19% - {. 5 1 0 p,o"r,
2 ---_N.F L, = J30,6 vrv tIKL trL ft h
-
(28) , sovo Persamaan(28) adalah untuk keadaan tidak ada kawat tanah. Bila ada kawat tanah, maka menurut persamaan (23), Vi=FPV, =FPX
301^h
v
l/
No' 1' 1988 PROCEEDINGSITB Vol' 21'
36 dengan (22) fP = pat tor Perisaian,persamaan hr, Zrz
=(l
TR+T'\,
Jadi,jumlah lomPatanaPi adalah oo.o"s
- ' , -t)o%-5loFP
(2e1
N F ' L= 3 0 ' 6 I K L ' F P h ' T
S e b a g a i m a n a d i j e l a s k a n d i m u k a t i d a k s e m u a l oitu mpatanapidapatberalihnten gungguun tergantungpadabesarnya jadi busur api atau gangguan'dan besarnyu g;;ssuar akibat sambaran induksi 'l"iuli probabilitas n. ut"gffl;;iki"t adalah a. TanPakawat tanah: J)9'1ro - 1'
N, = 30,6IKL h
e
,or1 slO
(30)
xn
vso E "
gangguanPer 100 km Per tahun b. Dengankawat tanah: vsv/o_ - ,'
N, = 30,6IKL'FP'h
e
5l0.FP
2o,o"1
-=---
vs'n
X rl
(31)
gangguanPer 100 km Per tahun'
Persamaan(31)berlakujugauntuksistemdistribusifasatigadengankaw netral tanPakawat tanah'
sambaranlangsung Perhitungan gangguankilat akibat
Umum
T e g a n g a n l e b i h a k i b a t s a m b a r a n k i l a t , s e l a i n t e oleh r g a njenis t u n gsaluran p a d a p adan r a mtiang eterki muka)' juga dipengaruhi (arus puncak dan *;k; p e n o p a n g . J e n i s s a l u r a n a d a l a h s a l u r a n t a n p a t < a * a t tiang t a n a hkayu' d a n sdan a l u rtiang anden penopang adaiah tiang besi' jenis tiang dan tanah, kawat kayu merndemikian juga lengan (cross arm) beton. Tiang xuvu uiuu u"i*, impuls isolasisaluran' pengaruhibesarnyatingkat ketahanan
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. I , 1988
37
Perhitungan-perhitungan dilakukan berdasarkanjenis tiang dan lengan besi. Pengaruh penambahan tingkat ketahanan isolasi dari kayu atau beton dapat ditambahkankepadatingkat ketahanan'impulsisolasidari isolator. Tahanan kontak tiang pada tiang-tiang yang diketanahkan mempengaruhijuga teganganyang timbul pada isolator saluran. Dalam perhitungan, besartahanan kontak tiang yang diketanahkan diambil 20 ohm, tiang besi yang tidak diketanahkan 100 ohm, dan tiang beton yang tidak diketanahkan 500 ohm. Pada sambaranke kawat fasa untuk saluran tanpa kawat tanah hanya ditinjau arus puncak kilat, sedangpada sambaranke kawat tanah pada saluran dengan kawat tanah, kedua parameterkilat, aruspuncak, dan waktu muka gelombang, diperhitungkan. Seperti disebut di muka, dimisalkan bahwa pada saluran dengan kaWat tanah tidak ada kegagalanperisaiankarena tinggi saluran di atas tanah relatifrendah t l0 meter) dan juga karena sudut perisaian biasanya tidak terlalu besar (di bawah 60"). Pada pasal-pasaldi bawah ini akan dibahassalurantanpa kawat tanah dan saluran dengan kawat tanah. Pengaruh tiang beton atau tiang kayu pada jumlah ganggun akan disingggungjuga.
&luran tanry kawat tanah Parameter sambaran kilat yang berpengaruh jika terjadi sambaran kilat pada saluran tanpa kawat tanah adalah arus puncaknya, sedangkanpengaruh kecuraman arus dapat diabaikan. Padasalurantanpa kawat tanah, sebagianbesar sambaran kilat terjadi pada konduktor, sementara sambaran langsung pada tiang jarang terjadi. Pada saluran dengankawat tanah dapat dianggapsemua sambaranterjadi pada tiang atau dekat tiang. Selama terjadi sambaran pada kawat, suatu impedansi yang sama dengan setengahdari impedansi surja kawat Zol2 drhubungkanpada tempat sambaran. Besararus kilat pada tempat sambaran(gambar 5) adalah
I=Io
zk
,n*?
(32)
dengan I = besararus kilat pada tempat tersambar 1o = arus kilat bila kilat menyambar sesuatuobjek dengan tahanan nol (zero resistanceground) zk = impedansi surja kanal kilat Zp = impedansisurjakawat.
38
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. 1, 1988
lo 4
zp
zp
kawat arusbilakilat menyambar Gambar 5 Distribusi Sebagai pendekatan, umumnya diambil Zn = Zrl2 sehinggapersamaan(32) meqjadi
I =I o l 2
( 33)
Karena itu, pada tiap sisi dari titik sambaran, besarnya arus adalah Inl4 dan besarnyateganganyang timbul pada kawat adalah
',=T',
(341
Untuk menentukan probabilitas lompatan api, teganganpada persamaan(34) dibandingkan dengan kekuatan isolasi dari semuajalan yang mungkin dari lompatan api isolasi saluran, I
-P- zp 2v.n. ""'"
(35)
4 Probabiltas arus samaatau melebihi 10, atau probabilitasterjadinya lompatan api, _/o
^34
fFL=e
=e
-Jv'8 . 5Z
P
Jumlah sambarankilat pada salurandiberikan pada persamaan(5), yaitu ly', = o,o15 IKL (b + 4 h\ 'oe) per100 km per tahun samba.ran
(5)
PROCEEDINGSITB Vol. 21. No. I. 1988
Jumlah lompatan api adalah jumlah sambarandikalikan probabilitas arus.yang samadenganatau melebihi arus 1o yang dapat menimbulkan lompatan api,
o''*"
-
NFL = 0.015 IKL (b + 4 hr'oe; e
t
---l
s5 zp '
Selanjutnya, bila probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api(power arc atau power follow) 4, maka jumlah gangguanadalah Nr=NrLXrl=NrPpye atau vso% - ,-
N, =0,ol5IKL (b+4hr,oe)e
8.52
P
X4
(36)
Pada saluran udara dengan konfigurasi horisontal hampir semua sambaranterjadi pada kawat yang paling pinggir, sedang pada konfigurasi vertikal pada kawat paling atas. Pengaruh tiang beton menambah tingkat ketahanan isolasibeberapapuluhkV, dan ini dapat ditambahkan kepada V5sv" dari isolator saluran. Tegangantembus beton basahdiambil20 kVlcm. Pada sistem yang netralnya tidak diketanahkan atau pada sistem yang diketanahkan dengan kumparan Petersen dengan derajat tala sempurna, bahkan pada saluran yang menggunakantiang kayu lompatan api pada satu fasa tidak dapat mengakibatkangangguansaluran.Jadi, probabilitas gangguanyang terjadi adalahgangguanfasa ke fasaatau gangguantiga fasa. Bila pelepasankilat terjadi pada kawat dekat tiang, arus kilat penuh sebesar yang diperoleh pada objek yang diketanahkan secarasempurna,atau tahanan R = 0, mulai mengalir melalui tahanan kontak tiang R dan badan tiang memperoleh tegangan hampir sama dengan,fsR. Kawat yang disambar kilat juga mengalami tegangansama dengan16R, dan teganganinduksi pada kawat disebelahnyamenjadi KIoR dengan'K = faktor gandengantarakawat luar dan kawat di tengah. Dalam keadaanini teganganyang bekeda pada isolasikawat kedua adalah
1oR(l-r() lompatan api padaisolasiitu akanterjadibila 1 0R ( 1 - K ) 2 V s o n atau
(37\
40
PROCEEDINGS ITB Vol.2l,No. I,1988
V, nr^
Io> p 11ft1
(38)
Jadi, jumlah gangguanfasa ke fasa, -, {
=o,ol s IKL(b+4hr,oe)e
vsvo , R(r-K)34'
xrl
(3e)
&luran dengan kawat tanah Seperti diketahui, pemasangankawat tanah bertujuan untuk melindungi kawat fasa dari sambaranlangsungkilat. Seperti telah disebutkan, di sini dianggap semua sambaran mengenai kawat tanah pada atau dekat tiang, baik tiang yang diketanahkanmaupun tiang yang tidak diketanahkan. Jumlah sambaran pada tiang yang diketanahkan diambil samadenganjumlah sambaranpada tiang yang tidak diketanahkan. Juga telah disebutkan bahwa tiang yang diketanahkan mempunyai tahanan kontak rata-rata 20 ohm, tiang besi yang tidak diketanahkan mempunyai tahanankontak 100 ohm, dan tiang beton yang tidak diketanahkan500 ohm. untuk sambaranpada tiang, kilat seolah-olahmenenruiimpedansisurja kawat tanah dan impedansisurja tiang yang terhubungparalel.Setelahkilat menyambar tiang, gelombangmerambatke dasartiang. PadadaszLr tiang terjadi pantulan dan gelornbangpantulan ini merarnbatke puncak tiang, tempat ia dipantulkan kembali. Jadi, pada tiang terjadi pantulanulang. Sudah jelas perhitungan tersebut sangat banyak dan memakan waktu yang sangat lama (Hutauruk, 1965). Karena itu, dan karenajumlah gangguanpada surM akibat kilat tinggi dan juga tidak dibutuhkan perhitunganyang sangat teliti, maka rumus yang diLrstrlkanoleh Razevig(19'19) di bawah ini sertlah cukup memadai. '
'o
v-^_ ) U-/o
R + 6/,t
dengan = I0 Vso% = = R = y
(40)
arus kilat minimum yang mengakibatkanlompatan api,kA kekuatan isolasiminimum, ku tahanan kontak tiang, ohm koefisien yang ditentukan pada dasarperbandingandenganhasil-t- -il Perhitungan menurut rumus yang lebih teliti = 0.3 untuk satukawat tanah = 0,15 untuk dua kawat tanah
PROCEEDINGSITB Vot. 21, No. t, 1988
4l
h. = tinggi kawat tanah di atas tanah, meter. Dengan mengetahui besar arus minimum yang dapat menimbulkan lompatan api balik (back flashover), dapat dicari probabilitas terjadinya lompatan api, yaitu, 'r*o _ PFL=€
E + 6ht) 34
Jadi' iumlah gangguanakibat sambarankilat langsungpada kawat tanah. =N, ppre 4 vsvo _ ,*+6ht)34 = 0 , 0 1s I K L ( b + 4 h r , 0 s ) , X17
(41) dengan 4 probabilitas peralihan dari lompatan api menjadi busur api yang me_ nyebabkangangguan. Besarnyaprobabilitas lompatan api barik pada sambaran ke tiang yang diketanahkan tergantung pada tahanan kontak tiang. pada tiang yang tidak diketanahkan, karena tahanan kontak tiang besar, maka hampir semua sambarankilat pada tiang yang tidak diketanahkanitu akan menyebabkan lompatan api balik.
5 Gangguan kilat total pada saluran teganganmenengah setelah membicarakan sambaran induksi dan sambaran langsung pada kawat fasa atau kawat tanah pada pasal-pasalyang lalu, sekarangkita telah siap untuk menghitung jumlah gangguan pada saluran udara teganlan menengah akibat sambarankilat, tro = Ni +N, (l) dengan No = jumlah gangguankilat N1 = jumlah gangguanakibat sambaraninduksi = jumlah ganggun akibat sambaran langsung. { Gangguan kilat akibat sambaran induksi diberikan oleh persamaan (30) dan (3 I ), berturut-turut untuk sarurantanpa kawat tanah dan dengankawat tanah, yang ditulis kembali di bawahini: i) Tanpakawat tanah: vsobo - ,' 5 1 0 ,,0,09"
N, = 30,6IKL.h 9
Ysvo
)
x11
(30)
42 PROCEEDINGS ITB Vot.2r,No. t, tgila
ii) Dengan satu kawat tanah:
l/, = 30,6 IKL.Fp.t
- ,!t&-_, sloFP
o,o,,,
t,---*-a;_ e
(31;
persamaan (30) dan(31), P,:l.r= IKL jumlah hari guruh per tahun
!
ht
= tinggikawatluru oiui"rlrr"n, meter
= tinggi kawat
=r"na;;;fi,:T'1.:,,"ilT" litti;meter !, = probabilitas peraliha, n
fornp"r-"" api menjadi busur api atau gangguan. Gangguankilat akiLtat sambaranlangsungdiberikan dan (41), yaitu: oleh persamaan(36), (39). i) Salurantanpa kawat tanah:
{ =o,otsrKL(b+4 ht,os) + "yattu untuk
x r7
gangguansatu fasa ke tanah. Untuk gangguan fasake fasa, 'r*o = 0 , 0 1 5I K L ( b q * (r-rl:i+ 1,r,0e1" { X 11 ii) Salurandengansatu kawat tanah (b = 0).
rr/,=0,01 5IKL(4hrr,or), ;tr,
xn
Contoh perhitungan gangguan kilat Di sini akan dihitur tunt*uun kilat Radatiga macan vajtu suTM ,""o" lu.].:T'.un
(36)
(3e)
(41\
Jill.ix'i:tiil*'{*#,H*f;#,,'';3.d*#ft" :T:fr.
fuhllun kontaktiangadalah: R = 20 ohrnuntuk tiing besiataubetonyangdiketanahkan. R = 100ohmuntuk liunet.rivunJiii'* o*.ra'ahkan. R = 500 ohm untuk 'ong o.ton;;;fr* diketanahkan.
43
ITB VoL2I,No. 1, 1988 PROCEEDINGS
|
0,85
|
0,85
Gambar6 Konfigurasitiang betonSUTMtanpakawattanah.
I
44
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. I, 1988
Gambar7 Konfigurasitiang betonSUTM dengankawat netral.
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. I , 1988 kawat tanah
Gambar8 Konfigurasitiang beton SUTM dengn kawat tanah.
45
46
PROCEEDINGSITB VoL 21, No. I, 1988
gangguan Tabel3 Hasilperhitungan kilat untuk tiga macamkonfigurasitiang (lKL = 100) Jumlah gangguan untuk konfigunsi tiang Macam tiang
Macam gangguan
Keterangan Tiang Gbr.6
Tiang Gbr.7
Tiang GbrS
Tiang besi
Ni Nt No
62 35 97
32 34 66
38 32 70
Tiang beton
Ni Nt No
39 34 73
19 33 52
22 32 54
Catatan: N , = l u m l a h g a n ( B U : r nk i l a t a k i b a t s a m b a r a ni r d u k s i p e r 1 0 0 k m - t a h u n . Na = iumlah garEguan kilat akibat sambaran langsurg per 1OOkm-tahun. N O = l u m l a h g a n g g u a nk i l a t p a d a s a l u r a np e r 1 O Ok m - t a h u n .
lmpedansisurja sendirikawat netral atau kawat tanah diambll 7" ) = 500 ohm. Impedansisurja bersamaantara kawat fasadan kawat netral (eambarJ), Ztz = 216 ohm, dan impedansisuqjaantara kawat fasa dan kawat tanah (gambar8), Zr2 = 150ohm. Ketahananimpuls isolasiisolator Vsyvo= l60kV, tegangan tembus beton = 20 kV/cm, dan tebal beton pada tutup atas dan tutup bawah diambil masing-masine1,5 cm. Perhitunsan dilakukan untuk tians besi dan tiang beton. Probabilitasperalihanlompatan api menjadibusur api,4 = 0,5. Hasil perhitLngangangguankilat untuk ketiga macam konfigurasitiang diberikan dalamtabel 3.
Kesimpulan dan saran Dari pembahasandan contoh perhitunganyang telah dilakukan dapatlahditarik kesimpulan d i b a w a hi n i : I Metode perhitungan untuk menentukaniumlah gangguankilat pada saluran udara teganganmenengahtelah dibahas.Ivletodetersebut sangatsederhana dan hasilnyadiharaokancukup memadaiuntuk saluranteganganmenen 'th. 2 Jumlahgangguan kilat induksi lebih banyak dari gangguankilat langsu,., padasalurantanpa kawat netral atau salurantanpakawat tanah. 3 Kawat netral atau kawat tanah menguraeisansguankilat induksi sampaikiraktra 5O%.
PROCEEDINGS ITB Vol. 2l. No. I. 1988
47
Kawat netral atau kawat tanah praktis tidak dapat meneurangi gangguan kilat langsung. Untuk memperolehhasil yang lehih teliti perhr diteliti tahanankontak tiane yang tidak diketanahkan.
RUJUKAN Anderson,J.G., TransmissionLine ReferenceBook,345 kV and Above, Electric Power Researchlnstitute, 2nd. ed., Chapter 12, 1982. Auer, G. G. dkk., Investigationand Evaluationof Lightning ProtectiveMethods for Distribution Circuits, Part I: Model Study and Analysis, IEEE, Yol. PAS 88, No. 8, August 1969,pp.1232_-38. Ibid, Part II: Applicationand Evaluation,IEEE, Vol. PAS -88, No.8,August 1969, pp. 1239-47 . Bewly, L.Y., Traveling Waveson TransmissionSystems 2nd. ed., John Wiley, New York, 1951. Eriksson,A.J., M.F, Stringfellow and D.V, Meal Lightning Induced Overvoltageson OverheadLines,IEEE, Vol. PAS - l0l, No.4, April 1982,pp.96067. Hutauruk, T.S., Metode untuk MenghitungGangguanKilat padaKawat Transmisi TeganganTinggi,hoceedingsITB,Yol.3, No. 3, 1965. Popolansky, F., Measurementof Lightning Currents in Czechoslovakiaand the Application of Obtanied Parametersin the Prediction of Lightning Outages of EHV TransmissionLines,Paris,CIGRE, 1970, Report 33-03, Yol.2. Razevig,D.Y., High VoltageEngineering,Kahnna PublisersDelhi, 1979. Rusck, S., Induced Lightning Overvoltageson Power Transmission Lines with SpecialReferenceto the Over voltage Protection of Low Voltage Networks, Trans. of ChalmersUniversityof TechnologyStockholm, Swedia,1958. Uehara, Ken and Genichi Ohwa, Investigation of Lightning Damageson Distribution Lines,IEEE, Vol. PAS - 87, No. 4, April 1968,pp. l0l8-25. Whitehead,E.R., hotection of TransmissionLines Lightning,Yol.2 Edited by R.H. Golde, AcademicPress,New York, 1977.
