Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta, 15 November 2014
ISSN: 1979-911X
PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK PADA SALURAN 20 KV DI PT. PLN (PERSERO) APJ YOGYAKARTA 1,2
Mujiman1, Tukino2 Jurusan Teknik Elektro, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta
ABSTRACT The development of electric power system is rapidly making equipment safety system is in need to factor the reliability and convenience of electric energy consumption continues .Transformator is a major component in a substation that should receive proper security. Determination of the optimal distance between arrester protection with distribution transformers 20 KV / 220 Volts must be carefully calculated so that in the event of interruption can be isolated due to lightning surge overvoltage surge if lightning comes a substation, the more voltage will damage isoalsi substation equipment, therefore made pelidung tool so that a voltage surge which arrived at the substation does not exceed the power substation equipment isoalsi. By the time normal network voltage arresters as isoalsi, but if there is a lightning surge protector arrived at the terminal then arresters changed as a conductor and the charge drain to ground lightning surge. Keywords; Substation, Arrester, and Surja lightning. PENDAHULUAN Pada masa sekarang listrik sudah merupakan suatu yang sangat penting sekali dalam kehidupan sehari – hari, dengan adanya kemajuan teknologi, juga memungkinkan adanya kemajuan dibidang kelistrikkan. hal ini maka dibutuhkan manajemen proteksi sistem tenaga listrik pada saluran 20 KV didalam suatu industri sebagai sarana untuk meminimalisir dan menstabilkan tegangan. Penelitian ini untuk mencari solusi segala gangguan yang sering terjadi pada jaringan distribusi maupun transmisi. Sistem manajemen ini meliputi : Penghematan energi, cara menanggulangi gangguan. Hal ini sangat memudahkan kita untuk menyelesaikan gangguan yang terjadi, sehingga perlu pengamanan atau tindakan yang meliputi antara lain jenis dan bahan isolasi maupun alat yang digunakan serta batas- batas tegangan aman yang diizinkan. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui penempatan alat proteksi apakah memenuhi standart yang di ijinkan dan untuk mengetahui nilai rating tegangan pada alat proteksi METODE PENELITIAN Untuk mendapatkan data yang akurat secara optimal maka akan dibuat analisanya. Serta menggunakan berbagai pendekatan tetapi intinya mewujudkan suatu konsep panduan berbagai literatur sehingga menjadi hasil yang konkrit. 1. Penemuan masalah/ide. Yaitu usaha untuk mendapatkan konsep pembuatan piranti/instrumen yang ditindak lanjuti dengan prototip. 2. Membuat perkiraan penyelesaian masalah. Yaitu perkiraan tentang kemungkinan mewujudkan konsep yang didapat menjadi bentuk yang sesungguhnya. Pada langkah ini diperlukan prosentase yang akan diperoleh, hambatanhambatan serta peluang untuk mengembangkannya. 3. Menguji hipotesa dengan eksperimen. Yakni mewujudkan konsep penelitian yang ada menjadi analisa yang sesungguhnya. Hasil analisis kemudian diuji untuk diidentifikasi kenerjanya, efisiensi serta profil lainnya. Landasan teori. Fungsi arester dalam sistem distribusi adalah untuk mengamankan isolasi peralatan terhadap tegangan lebih yang disebabkan oleh surja petir. Arester pada sistem distribusi dibagi menjadi tiga tipe, yaitu tipe stasion, tipe jaringan (line), tipe distribusi. 1.Tipe stasion digunakan untuk melindungi peralatan gardu induk dan trafo tenaga dengan tegangan pengenal 3 kV - 242 kV. Ia mempunyai bentuk yang besar dan karakteristik proteksinya sangat baik dengan kapasitas arus discharge yang tinggi. C-159
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta, 15 November 2014
ISSN: 1979-911X
2.Tipe jaringan (line) digunakan untuk melindungi trafo tenaga kecil, trafo distribusi, peralatan distribusi dan kadang-kadang untuk gardu induk kecil. 3.Tipe distribusi digunakan untuk melindungi peralatan distribusi pasangan tiang dengan tegangan pengenal sampai 15 kV. Dilihat dari konstruksi dan cara kerjanya arester yang digunakan dalam sistem distribusi dibedakan atas dua macam, yaitu arester silikon karbid dan arester zinc oxide. Arester Silikon Karbid Arester silikon karbid terdiri atas sederetan celah udara yang terhubung seri dengan tahanan non linier. Celah udara dan silikon karbid ini terbungkus di dalam selubung porselin. Silikon karbid mempunyai karakteristik operasi . Arester Zinc Oxide Arester zinc oxide herbeda dengan tipe silikon karbid, karena arester ini tidak mempunyai celah udara yang berfungsi untuk memulai surja arus petir dan tenaga untuk memutus arus susulan. Arester zinc oxide hanya mempunyai tahanan linier yang ekstrim. Trafo Distribusi Trafo yang dipakai pada sistem distribusi, yaitu trafo tiga fasa dan trafo satu fasa. Trafo distribusi di PT. PLN (Persero) APJ Jogjakarta terdiri atas beberapa merk, antara lain Unindo, Bambang Jaya, Starlite, Morawa, Sintra, General Electric, Hico, Dozer, Trafindo, Asata Utama, dan lain-lain. Berdasarkan standar IEC 76-1 ( 1 9 7 6 ) dan S P L N 8 A ( 1 9 7 8 ) nilai-nilai daya pengenal pada trafo distribusi adalah sebagai berikut: Tabel .1. Nilai-Nilai Daya Pengenal Trafo Distribusi 1 Fasa dan 3 Fasa No 1 2 3 4 5 6 7 8 9
kVA 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5
kVA 40 50 63 80 100 125 160 200 250
kVA 315 400 500 630 800 1000 1250 1600
Tegangan Primer trafo distribusi ditetapkan sesuai dengan tegangan nominal sistem pada jaringan tegangan menengah (JTM) yang berlaku di lingkungan PLN, yaitu 6 kV dan 20 kV. Dengan demikian ada tiga macam trafo yang dibedakan oleh tegangan primernya, yaitu: 1. Trafo bertegangan primer 6 Kv. 2. Trafo bertegangan primer 20 kV. 3. Trafo bertegangan primer 6kV dan 20 kV. yang dapat dipindahkan dengan sebuah pemindahan tegangan (komutator). Trafo bertegangan ganda ini dibuat dengan kapasitas 100 kVA sampai 630 kVA. Tegangan sekunder yang berlaku di lingkungan PLN adalah 220 V untuk sistem fasa tunggal dan 380 V untuk sistem fasa tiga. Tingkat isolasi dasar (TID) bagi trafo distribusi telah ditetapkan dalam SPLN 7 (1978), yaitu 125 kV. Berikut ini adalah contoh pengenal trafo distribusi yang dipakai di PT. PLN (Persero) APJ Jogjakarta: Transformator Pasangan Luar Standar IEC 76 Jumlah Fasa lDaya 50 kVA Frekuensi 50 Hz Tipe CSP Tegangan Pengenal Primer : 20000 Grdy/ 1 1547 V Sekunder : 462/ 231 V Arus Pengenal Primer : 4,33 A Sekunder : 108,2 A Suhu Sekitar : 40 °C Kenaikan Suhu : 60 °C C-160
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta, 15 November 2014
ISSN: 1979-911X
Impedansi : 75 °C ; 2,82 % Vector Group : 1io TID : 125 kV Berat Minyak : 60 kg Berat Total : 340 kg Tahun Pembuatan : 5.95 No. Seri : 950 05 39 Diproduksi Oleh : PT. Bambang Djaja Lokasi Penempatan Arester Arester ditempatkan sedekat mungkin dengan peralatan yang dilindungi. Tetapi untuk memperoleh kawasan perlindungan yang lebih baik, maka ada kalanya arester ditempatkan dengan jarak tertentu dari peralatan yang dilindungi.Tempat-tempat dimana arester dipasang adalah: 1. Di depan peralatan yang dilindungi (pada trafo distribusi dipasang pada sisi TM, sedangkan untuk peralatan yang kedua sisinya terhubung pada jaringan TM, arester harus dipasang kedua sisinya seperti AVR, recloser. dan kapasitor). 2. Di ujung jaringan. Pada ujung jaringan atau tiang akhir gelombang surja petir yang sampai pada titik tersebut akan naik dua kali lipat karena terjadinya pembalikan polaritas. 3. Di titik peralihan SUTM dengan SKTM, yaitu di terminal kabel pasangan luar. 4. Di sepanjang SUTM pada setiap sekurang-kurangnya 1000 m dalam kawasan yang frekuensi petirnya banyak. Jarak arester dengan peralatan yang dilindungi berpengaruh terhadap besarnya tegangan yang tiba pada peralatan. Jika jarak arester terlalu jauh, maka tegangan yang tiba pada peralatan dapat melebihi tegangan yang dapat dipikulnya. Hal ini dapat dijelaskan dengan konsep gelombang berjalan Gelombang tegangan merambat pada suatu jaringan yang impedansi surjanya Z, menuju suatu jaringan yang impedansi surjanya Z2 . Titik T adalah titik persambungan kedua jaringan, dapat berupa titik sambung jaringan hantaran udara dengan kabel, atau titik sambung jaringan dengan trafo atau ujung dari suatu jaringan. Tegangan pada titik T dapat dinyatakan sebagai berikut: ..............................................................................................................................( 1) et = e Karena arus yang dipantulkan berpolaritas negatif, maka arus pada titik T adalah sebagai berikut: i t = i f − i r …………………………............................………………………………...(2) Menurut hukum Ohm:
if =
ef Z1
: it =
et e : i r = r ………….....................………....………………………..(3) Z2 Z1
Substitusi persamaan (4-3) ke dalam (4-2), sehingga diperoleh:
e f er et = − ………………………………............................………..…………….(4) Z 2 Z1 Z1 Dari persamaan (1) diperoleh tegangan e r dan jika tegangan ini disubstitusikan ke dalam persamaan (4), maka diperoleh:
e f et − e f et = − Z 2 Z1 Z1 e r et 2 ef + = Z 2 Z1 Z1
atau
et
Z 1 + Z 2 2 ef = Z1 Z 2 Z1
atau
C-161
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta, 15 November 2014
et = e f
ISSN: 1979-911X
2Z 2 ……………………………….....………...........................……………(5) Z1 + Z 2
dengan cara yang sama tegangan yang dipantulkan dapat diturunkan, diperoleh:
Z 2 − Z1 ………………………………………...…….........................………..(6) Z1 + Z 2 maka Z 2 adalah trafo, maka Z 2 = ∞ , maka tegangan yang diteruskan pada terminal trafo er = e f
adalah:
et = 2 ef ………………………………………….......……..............................………….(7) artinya, tegangan pada terminal trafo dua kali tegangan yang datang menuju terminal trafo. Sekarang dimisalkan ada suatu arester terpasang diantara jaringan dengan trafo seperti ditunjukan pada gambar di bawah ini:
Gambar 4 Trafo dan Arester Terpisah Suatu gelombang tegangan merambat menuju terminal trafo dan ketika gelombang tiba di terminal arester, arester bekerja sehingga gelombang yang diteruskan ke trafo adalah seperti gelombang e f , dimana kecuraman muka gelombang sama dengan gelombang semula dan puncaknya sama dengan tegangan percik sela arester (Va). Menurut persamaan (10), tegangan pada terminal trafo adalah dua kali tegangan yang datang. Karena tegangan yang datang merupakan fungsi waktu, maka tegangan pada terminal trafo juga merupakan fungsi waktu. jika t = 0 dihitung saat gelombang tiba di terminal arester dan kecepatan merambat gelombang adalah v, maka waktu tempuh gelombang dari terminal arester ke terminal trafo adalah:
t=
l v
……………………………………………………......................…………..(-8)
Tegangan pada terminal trafo terbentuk dalam waktu tempuh 2t atau 2
l , yaitu waktu tempuh v
tegangan pantulan menuju arester ditambah dengan waktu tempuh tegangan pantulan negatif dari arester kembali menuju terminal trafo. Tegangan maksimurn terminal trafo pada pantulan pertama gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut: Vt = Va + 2tλ ………………………………………...................................………(9) atau
l V t = V a + 2 λ ……………………………………...................................………(10) v dimana: 1 = jarak maksimal arester dengan peralatan (m) Vt = tegangan pada terminal trafo (kV)
Va
= tegangan percikan arester (kV) C-162
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta, 15 November 2014
λ v
ISSN: 1979-911X
= kecuraman muka gelombang tegangan surja (kV/ ,cas ) = kecepatan merambat tegangan surja (m/ µs )
PEMBAHASAN Sebuah trafo distribusi 20 kV/ 220 V dengan tingkat isolasi dasar (TID) pada gelombang penuh 125 kV. Trafo itu dihubungkan lanngsung dengan saluran distribusi udara dan ditanahkan tidak efektif (netral ditanahkan dengan tahanan), dilindungi oleh arester silikon karbid 18 kV, 5 kA. Sebuah gelombang surja dengan kecuraman muka gelombang tegangan 300 kV merambat menuju arester - trafo. Jika impedansi terpa 400 Ohm. Tentukan: a. Apakah penggunaan arester 18 kV, 5 kA memenuhi syarat untuk dapat melindungi trafo distribusi 20 kV/ 220 V b. Jarak maksimal antara arester dengan trafo sehingga trafo itu cukup terlindung. Penyelesaian: Diketahui: Trafo Distribusi 20 kV / 220 V Vnom = 20 kV Vt = TID = 125 kV Arester silikon karbid: 18kV, 5KA Gelombang surja: λ = 300 kV Z = 400 Ohm Ditanyakan: a. Apakah arester yang digunakan memenuhi syarat ? b. Jarak maksimal antara arester dengan trafo (l) ? Jawab: a.Tegangan tertinggi yang mungkin timbul pada kawat pada waktu gangguan kawat ke tanah biasanya diambil 110 % dari tegangan jala-jala. Jika dimisalkan kg = 0,8. Berdasarkan tegangan pengenal arester: Varester = 1,1 Kg Vnom
Varester = 1,1 x 0,8 x 20 = 17,6 kV Jadi tegangan pengenal arester yang dipilih adalah 18 kV. Berdasarkan. karakteristik proteksi arester silikon karbid, tegangan percikan (Spark Over) arester ( V a ) adalah 39 kV. dan berdasarkan persamaan tingkat perlindungan arester ( V p ).
V p = V a x 1,1 = 39 x 1,1 = 42,9 kV jadi tingkat perlindungan arester (Vp) atau tegangan tertinggi pada terminal arester saat mengalirkan arus surja adalah 42,9 kV. Selisih BIL peralatan yang dilindungi dengan tingkat proteksi arester yang melindunginya disebut margin, maka: Margin = TIDperalatan – Vp = 125 – 42,9 = 82,1 kV Faktor perlindungan jika ditinjau dari TIDperalatan yang dilindungi: Faktor perlindungan =
82,1 x 100 % 125
= 65,68 % Faktor perlindungan jika ditinjau dari tingkat proteksi arester (Vp): C-163
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta, 15 November 2014
Faktor perlindungan =
ISSN: 1979-911X
82,1 x 100 % 42,9
= 191,3 % Jadi karena faktor perlindungan jika ditunjau dari TIDperalatan adalah 65,68 % lebih rendah daripada dan faktor jika ditinjau dari tingkat proteksi arester adalah 191,3 %, sehingga arester memenuhi syarat untuk dapat memberikan perlindungan pada trafo distribusi 20 kV / 220 2V. λ − Va Maka berdasarkan arus pelepasan atau arus peluahan nominal arester (Ia) I a = Z = 1,4025 kA Jadi arus pelepasan arester (Ia) adalah 1,4025 kA. Sehingga pemilihan batas arus penangkal petir 5 kA adalah tepat. Berdasarkanlpersamaan (10), maka jarak maksimum antara arester dengan trafo adalah :
Vt = V a + 2 λ
berdasarkan vstandar IEC (International Electronical Comission), kecuraman muka gelombang tegangan surja l( λ ) = 300 kv/µs dan kecepatan merambat tegangan surja (v) = 300 m/µs 300 125 = 39 = 2 125 – 39 = 2l300 86 = 2 l l = 43 meter Jadi jarak maksimal penangkapan petir diletakkan pada lokasi sejauh 43 meter dari trafo distribusi 20 kV / 220 V. KESIMPULAN Berdasarkan analisis jarak perlindungan optimal antara arester dengan trafo distribusi 20 kV/ 220 V dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Sebelum suatu arester dipasang untuk melindungi suatu peralatan, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan,yaitu mengenai pengenal atau Rating arester. 2. Karena fungsi arester adalah mengamankan peralatan distribusi dalam hal ini adalah trafo distribusi 20 kV/ 220 V, maka arester sebaiknya ditempatkan sedekat mungkin dengan peralatan yang dilindungi. 3. Dalam memilih arester harus memiliki kepastian bahwa arester tersebut akan dapat melindungi peralatan dalam hal ini adalah trafo distribusi 20 kV / 220 V. Berdasarkan hasil perhitungan, arester silikon karbid 18 kV, 5 kA yang digunakan oleh PT. PLN (Persero) APJ Yogyakarta memenuhi syarat untuk melindungi trafo distribusi 20 kV / 220 V. 4. Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh jarak maksimal pemasangan arester terhadap trafo distribusi 20 kV / 220 V yang ditanahkan tak efektif adalah sejauh 43 meter. Menurut SPLN (1978) jarak pemasangan arester terhadap trafo yang ditanahkan tidak efektif adalah 6 meter. Jadi jarak antara arester dengan trafo distribusi 20 kV / 220 V yang dipasang di lapangan oleh PT. PLN (Persero) APJ Yogyakarta masih berada dalam batas yang diijinkan DAFTAR PUSTAKA Arismunandar Artono Prof. Dr. Teknik Tegangan Tinggi.Jakarta: Pradya Paramita, 2001 Hamzah Berahim. Perlengkapan Transmisi Tegangan Tinggi Arus Searah Dan Aspek – Aspek Teknis Ekonomis Serta Kemungkinan Penggunaannya di Indonesia. Yogyakarta: Fakultas Teknik UGM. Hutauruk. T.S. Gelombang Berjalan pada Sistem Transmisi dan Proteksi Peralatan Terhadap Surya. ITB Bandung.Hutauruk. T.S. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surya. Erlangga, Jakarta, 1991. Pabla A.S. Sistem Distribusi Daya Listrik. Terjemahan Oleh Abdul Hadi. Jakarta: Erlangga, 1986 Van Harten, P.E.Setiawan. Instalasi Listrik Arus Kuat Barkle. JE & Burn, Glass. WE. 1978. Protection Relaying For Power System, Khanna Pubhlishers, New Delhi. Jilid I. Bandung:Bina Cipta, 1981. .
C-164
