ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER TERHADAP

KENAIKAN TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR

DI SALURAN OVERHEAD CONTACT SYSTEM (OCS)

KERETA REL LISTRIK 1500 VOLTDC

(Skripsi)

Oleh

FAHREZA ABI HAKIM

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

ii

ABSTRACT

ANALYSIS OF SURGE ARESSTER PERFORMANCE AGAINST

OVERVOLTAGE DUE TO LIGHTNING STRIKE ON OVERHEAD

CONTACT SYSTEM (OCS) ELETRICAL RAILWAY 1500 VOLTDC

By

FAHREZA ABI HAKIM

Transient overvoltage in electrical railways installation can occur due to direct or

indirect stroke to overhead contact system (OCS) 1500 VDC. If the transient

overvoltage exceeds basic insulation level around 35 kV it can lead into isolation

failure.

This research analyzed the result of cut-off transient overvoltage when a direct

stroke happened. Also, calculating the amount transient overvoltage in electrical

railways due to surge current injection when a stroke occurs on a 1500 VDC line.

Moreover, the effect of distance of the lightning strike on the transient overvoltage

in electrical railways using alternative transient program (ATP) program tool. Is

analyzed as well.

The simulation results show the transient overvoltage of the electrical railways.

Without an installed protection system, with a lightning strike around 350 meters

and 50 meters from the electric railways that has exceeded the basic isolation level

limit of 10 kA, 15 kA and 20 kA impulse injection, it has been lead into isolation

failure which can cause the damage to electrical railways equipment. Therefore, a

protection system is needed to protect electrical railways equipment.

The protection system from transient overvoltage used the surge arrester.

Following of the protection system installation the simulation result show that

overvoltage transient is below the permitted base isolation level, so that the

electrical railways is protected from overvoltage transient and avoid damage.

Therefore, the installation of a protection system on the electrical railways is

highly recommended because the magnitude of the overvoltage transient is below

the basic isolation level and there is no isolation failure on the electrical railways.

Keywords: Transient overvoltage, electrical railways, basic insulation level,

protection system, surge aresster, lightning stroke.

iii

ABSTRAK

ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER TERHADAP KENAIKAN

TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR DI SALURAN OVERHEAD

CONTACT SYSTEM (OCS) KERETA REL LISTRIK 1500 VOLTDC

Oleh

FAHREZA ABI HAKIM

Tegangan lebih transient pada instalasi kereta rel listrik bisa terjadi akibat

sambaran langsung maupun sambaran tidak langsung pada saluran overhead

contact system (OCS) 1500 VDC. Apabila tegangan lebih transien melebihi batas

isolasi dasar kereta rel listrik sebesar 35 kV, dapat menyebabkan terjadinya

kegagalan isolasi.

Penelitian ini menganalisis hasil pemotongan tegangan lebih transient surge

arrester pada saat terjadi sambaran petir, menghitung besarnya tegangan lebih

pada KRL akibat injeksi arus surja saat terjadi sambaran pada saluran 1500 VDC

dan pengaruh jarak titik sambaran petir terhadap kenaikan tegangan pada KRL

dengan menggunakan software Alternative Transient Program (ATP).

Hasil simulasi menunjukan tegangan lebih transient kereta rel listrik tanpa

terpasangnya sistem proteksi dengan jarak sambaran petir 350 meter dan 50 meter

dari kereta rel listrik pada saat injeksi arus impuls 10 kA, 15 kA dan 20 kA telah

melewati batas isolasi dasar, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan

isolasi yang dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan kereta rel listrik. Oleh

karena itu diperlukan sistem proteksi yang dapat melindungi peralatan kereta rel

listrik pada saat terjadi tegangan lebih transien. Sistem proteksi tegangan lebih

transien yang digunakan adalah surge arester.

Setelah terpasangnya sistem proteksi pada KRL hasil simulasi menunjukan

Ptegangan lebih transien berada dibawah tingkat isolasi dasar yang diizinkan,

sehingga tidak terjadi kegagalan isolasi dan KRL terhindar dari kerusakan. Oleh

karena itu, pemasangan sistem proteksi pada KRL sangat direkomendasikan

karena besarnya tegangan lebih transien berada dibawah tingkat isolasi dasar dan

tidak terjadinya kegagalan isolasi pada kereta rel listrik.

Kata Kunci : tegangan lebih transient, kereta rel listrik, batas isolasi dasar, sistem

proteksi, surge arrester, sambaran petir

iv

ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER TERHADAP KENAIKAN

TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR DI SALURAN OVERHEAD

CONTACT SYSTEM (OCS) KERETA REL LISTRIK 1500 VOLTDC

Oleh

FAHREZA ABI HAKIM

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

v

vi

vii

viii

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Terbanggi Besar, pada tanggal

22 September 1995, merupakan anak kedua dari dua

bersaudara, dari pasangan Fathoni dan Wintari.

Adapun riwayat pendidikan penulis yaitu : TK Aisayah

Bustanul Athfal (2000-2001), SD N 1 Yukum Jaya (2001-

2007), SMP IT Bustanul Ulum (2007-2010) dan MAN Poncowati (2010-2012).

Pada tahun 2012, Penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif dalam organisasi Himpunan Mahasiswa

Teknik Elektro (HIMATRO) sebagai anggota Divisi Pendidikan dan

Pengembangan diri pada tahun 2014-2015.

Penulis pernah melaksanakan Kerja Praktik di : PT. PLN P3B Sumatera

PelayananTransmisi Tanjung Karang yang ditempatkan di bagian Maintenance.

ix

PERSEMBAHAN

Dengan Ridho Allah SWT. teriring shalawat kepada Nabi Muhammad SAW.

Karya tulis ini kupersembahkan untuk:

Bapak dan Ibuku Tercinta

Fathoni & Wintari

Kakak Tersayang

Dhika Huzunah Abkim, A.Md.

Almamaterku

Universitas Lampung

Bangsa dan Negaraku

Republik Indonesia

Agamaku

ISLAM

Terima-kasih untuk semua yang telah diberikan kepadaku. Jazzakallah Khairan.

x

MOTTO

“Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman diantaramu dan orang-

orang yang diberi ilmu pengetahuan beberapa derajat”

( Al-Quran, Surat Al – Mujadalah, 58 : 11 )

“dan ALLAH mengeluarkan kamu dari perut ibumu dalam keadaan tidak

mengetahui sesuatu apapun, dan Dia memberi kamu pendengaran, penglihatan,

dan hati agar kamu bersyukur”

(Al-Quran, Surat An – Nahl, 55 : 78 )

“Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari

betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”

(Thomas Alva Edison)

xi

SANWACANA

Puji syukur kehadirat Allah SWT. yang telah melimpahkan rahmat dan

hidayahnya kepada penulis, sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

Shalawat serta salam disanjungkan kepada Nabi Muhammad Shalallahu Alaihi

Wassalam yang dinantikan syafaatnya di hari akhir kelak.

Tugas akhir ini berjudul “ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER

TERHADAP KENAIKAN TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR DI

SALURAN OVERHEAD CONTACT SYSTEM (OCS) KERETA REL LISTRIK

1500 VOLTDC” digunakan sebagai salah satu syarat guna memperoleh gelar

sarjana di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Dalam masa perkuliahan dan penelitian, penulis mendapat banyak hal baik berupa

dukungan, semangat, motivasi dan hal lainya. Untuk itu penulis mengucapkan

terimakasih kepada :

1. Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Lampung.

2. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc. Selaku kepala Jurusan Teknik

Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung.

3. Ibu Yetti Yuniati, S.T., M.T. Selaku Pembimbing akademik yang telah

memberikan saran & motivasi yang membangun.

4. Bapak Dr. Eng. Yul Martin, S.T., M.T. Selaku Dosen Pembimbing Utama.

Terimakasih atas kesedian waktunya untuk membimbing, pengalaman, dan

ilmu yang diberikan selama mengerjakan tugas akhir.

xii

5. Ibu Dr. Eng. Diah Permata, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing pendamping.

Terimakasih atas waktu, pengalaman, dan ilmu yang diberikan selama

mengerjakan tugas akhir .

6. Bapak Dr. Herman H Sinaga, S.T., M.T. selaku Dosen penguji. Terimakasih

atas waktu, dan ilmu yang diberikan guna membuat tugas akhir ini menjadi

lebih baik.

7. Seluruh Dosen & Keluarga Besar Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas

Lampung. Terimakasih atas waktu dan ilmu yang telah diberikan selama

menuntut ilmu di Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.

8. Bapak dan Ibu, tiada kata yang dapat tertulis atas segala pengorbanan dan doa

yang kalian lakukan.

9. Saudaraku Dhika Huzunah Abkim. Terimakasih atas motivasi dan

dukunganya untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini, saya akan selalu

berjuang demi kalian hingga akhir.

10. Terimakasih kepada Suwanto, Hanafi, Angga, Fiki, Aji I, Agung, Guntur,

Taufik, Vincent. Yang selalu menemani saat jenuh, memberikan motivasi,

dan semangat, terimakasih atas waktu kebersamaannya selama ini.

11. Teman-teman BOCAH KAMPUNG (Alfian, Amin, Riza, Siti dan Yosi)

terimakasih atas waktu, kebersamaan, serta hal-hal yang telah membuat

penulis semangat untuk mengerjakan Tugas Akhir ini.

12. Terimakasih kepada teman-teman seperjuangan ELANG 12, atas semua

kenangan indah hingga menyelesaikan Tugas Akhir ini, semoga kita semua

menjadi orang yang sukses dan menjadi pribadi yang lebih baik.

xiii

xiv

DAFTAR ISI

Halaman

COVER DEPAN ............................................................................................... i

ABSTRACT ....................................................................................................... ii

ABSTRAK ......................................................................................................... iii

LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................. iv

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. v

SANWACANA .................................................................................................. xi

DAFTAR ISI ...................................................................................................... xiv

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xvii

DAFTAR TABEL ............................................................................................. xx

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ................................................................................................ 1

1.2 Tujuan Penelitian .............................................................................................. 3

1.3 Manfaat Penelitian ............................................................................................ 3

1.4 Rumusan Masalah ............................................................................................. 3

1.5 Batasan Masalah................................................................................................ 4

1.6 Sistematika Penulisan ....................................................................................... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kereta Rel Listrik .............................................................................................. 6

xv

2.2 Gardu Traksi.................................................................................................... ..9

2.3 Fenomena Petir................................................................................................ 11

2.4 Bentuk Gelombang Petir ................................................................................. 12

2.5 Tegangan Lebih ............................................................................................... 13

2.6 Arester Surja.................................................................................................... 15

2.6.1 Karakteristik Lightning Arrester ...................................................... 16

2.7 Metal Oxide Arrester....................................................................................... 16

2.8 Basic Insulation Level (BIL) ........................................................................... 17

2.9 Penelitian Yang Pernah Di Lakukan ............................................................... 18

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian ........................................................................ 21

3.2 Alat Dan Bahan ............................................................................................... 21

3.3 Tahapan Penelitian .......................................................................................... 22

3.4 Pemodelan Rangkaian Simulasi ...................................................................... 24

3.5 Penempatan Arester Surja Pada KRL ............................................................. 31

3.6 Diagram Alir Penlitian .................................................................................... 34

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian ................................................................................................ 35

4.2 Perhitungan Parameter Rangkaian Simulasi ................................................... 37

4.3 Simulasi Atpdraw ............................................................................................ 41

4.3.1 Simulasi Rangkaian Kereta Rel Listrik Dalam Kondisi Normal ..... 42

4.3.2 Simulasi Rangkaian Impuls ............................................................. 44

4.3.3 Simulasi Rangkaian Tanpa Sistem Proteksi ..................................... 45

xvi

4.3.3.1 Simulasi A.1 Tanpa Sistem Proteksi ............................... 45

4.3.3.2 Simulasi A.2 Tanpa Sistem Proteksi ............................... 46

4.3.4 Simulasi Rangkaian Dengan Sistem Proteksi .................................. 46

4.3.4.1 Simulasi B.1 Dengan Sistem Proteksi ............................. 47

4.3.4.2 Simulasi B.2 Dengan Sistem Proteksi ............................. 47

4.4 Hasil Simulasi ................................................................................................. 48

4.4.1 Grafik Dan Data Pada Simulasi A.1 ................................................. 48

4.4.2 Grafik Dan Data Pada Simulasi A.2 ................................................. 50

4.4.3 Grafik Dan Data Pada Simulasi B.1 ................................................. 51

4.4.4 Grafik Dan Data Pada Simulasi B.2 ................................................. 49

4.5. Perbandingan Hasil Simulasi ........................................................................ 54

BAB V KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan ..................................................................................................... 57

5.2 Saran ................................................................................................................ 58

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 59

LAMPIRAN

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1 Skematik Sistem Distribusi Kereta Rel Listrik ................................... 7

2.2 Sistem Penggera Motor DC ................................................................. 8

2.3 Penyearah Gelombang Penuh .............................................................. 10

2.4 Sambaran Petir Dari Awan Ke Bumi ................................................... 11

2.5 Arus Impuls Petir Berdasarkan Standar IEC 8/20 Μs ......................... 12

2.6 Tegangan Surja Akibat Sambaran Petir ............................................... 14

2.7 Skematik Penempatan Surja Arester Kereta Rel Listrik ...................... 15

2.8 Model Rangkaian MOA IEEE ............................................................. 17

3.1 Blok Diagram Pemodelan RangkAian Simulasi .................................. 24

3.2 Menara Distribusi 1,5 Kvdc .................................................................. 25

3.3 Integrated Grounding Line (IGL) ......................................................... 26

3.4 Saluran Udara 1500 VDC ...................................................................... 26

3.5 Model Rangkaian Sisi Sekunder Trafonsformator ............................... 27

3.6 Pembangkitan Impuls Heidler Type 15 ............................................... 28

xviii

3.7 Model Kawat Tanah ............................................................................. 28

3.8 Arrester IEEE Models .......................................................................... 29

3.9 Sumber Tegangan DC .......................................................................... 30

3.10 Motor DC ............................................................................................. 30

3.11 Model Isolator ...................................................................................... 30

3.12 Sebelum Pemasangan Arester Surja..................................................... 31

3.13 Single Line Diagram Skenario I KRL Tanpa Sistem Proteksi ............. 31

3.14 Blok Diagram Pemodelan Rangkaian Simulasi

Tanpa Sistem Proteksi .......................................................................... 32

3.15 Sesudah Pemasangan Arester Surja ..................................................... 32

3.17 Single Line Diagram Scenario II KRL Dengan Sistem Proteksi ......... 33

3.18 Blok Diagram Pemodelan Rangkaian Simulasi

Dengan Sistem Proteksi ....................................................................... 34

3.17 Diagram Alir Penelitian ....................................................................... 33

4.1 Simulasi Kereta Rel Listrik Dalam Kondisi Normal ........................... 42

4.2 Hasil Running Program Dalam Kondisi Normal ................................. 43

4.3 Pembangkit Arus Impuls Heidler Type 15........................................... 44

4.4 Arus Impuls 10 kA ............................................................................... 44

4.5 Rangkaian Simulasi A.1 ....................................................................... 45

4.6 Rangkaian Simulasi A.2 ....................................................................... 46

4.7 Rangkaian Simulasi B.1 ....................................................................... 47

xix

4.8 Rangkaian Simulasi B.2 ....................................................................... 48

4.9 Grafik Kenaikan Tegangan Simulasi A.1 Saat Impuls 1 kA ............... 49

4.10 Grafik Kenaikan Tegangan Simulasi A.2 Saat Impuls 1 kA ............... 50

4.11 Grafik Pemotongan Tegangan Simulasi B.1 Saat Impuls 1 kA ........... 52

4.12 Grafik Pemotongan Tegangan Simulasi B.2 Saat Impuls 1 kA ........... 53

4.13 Grafik Pemotongan Arester Pada Transformator Saat

Impuls 1 kA .......................................................................................... 55

4.14 Grafik Pemotongan Arester Pada Kereta Rel Listrik Saat

Impuls 1 kA .......................................................................................... 56

xx

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

2.1 Tegangan Suplai Sistem Kereta Rel Listrik Tegangan DC .................. 8

2.1 BIL Transformator Dan Kereta Rel Listrik .......................................... 17

4.1 Parameter Rangkaian Simulasi ............................................................ 40

4.2 Skenario Simulasi Sistem Proteksi Kereta Rel Lsitrik ......................... 41

4.3 Tegangan Terukur Pada Voltmeter ...................................................... 43

4.4 Data Hasil Simulasi A.1 ....................................................................... 49

4.5 Data Hasil Simulasi A.2 ....................................................................... 51

4.6 Data Hasil Simulasi B.1 ....................................................................... 51

4.7 Data Hasil Simulasi B.2 ....................................................................... 53

4.8 Perbandingan Simulasi A.1 Dan B1..................................................... 54

4.9 Perbandingan Simulasi B.1 Dan B2 ..................................................... 54

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sarana transportasi yang sedang dikembangkan di Indonesia saat ini, salah

satunya kereta rel listrik yang memiliki peranan penting sebagai alat transportasi

massal. Kereta rel listrik menggunakan Overhead Contact System (OCS) sebagai

penyaluran daya listrik ke kereta. Sistem penyaluran daya listrik OCS pada kereta

rel listrik terdiri dari saluran penyulang (feeder) yang menerima pasokan tegangan

menengah 20 kV dari jaringan distribusi ke transformator penurun tegangan (step

down) 20 kV disisi primer menjadi 1500 V pada sisi sekunder. Sebelum kereta rel

listrik mengkonsumsi tegangan DC, terdapat komponen rectifier sebagai konverter

yang berfungsi mengubah tegangan 1500 VAC menjadi 1500 VDC. Tegangan 1500

VDC ini yang dibutuhkan sebagai suplai tegangan dialirkan melalui OCS, namun

pada saat operasional dapat terjadi gangguan yang menyebabkan

outage/kegagalan sehingga terganggunya pelayanan pada saat kereta rel listrik

beroperasi.

Gangguan yang sering terjadi di kereta rel listrik JABODETABEK terutama pada

OCS yaitu gangguan akibat sambaran petir, jumlah sambaran petir berkisar antara

10-15 sambaran/tahun. Sambaran petir diklasifikasikan menjadi 2 yaitu petir

menyambar secara langsung pada saluran dan secara tidak langsung.

2

Sambaran secara langsung petir dapat menyambar pada saluran udara atau

menyambar pada kawat tanah, sedangkan untuk sambaran secara tidak langsung

petir menyambar pada pohon atau tanah yang berada didekat kawasan peralatan

kereta listrik.

Adapun sambaran petir yang menyambar pada OCS kereta rel listrik adalah jenis

sambaran secara langsung dan secara tidak langsung, sambaran petir tersebut

dapat mengakibatkan kenaikan tegangan pada saluran. Apabila tidak terdapat

sistem proteksi yang melindungi kereta rel listrik maka dapat menyebabkan

kerusakan pada peralatan-peralatan. Sehingga diperlukan sistem proteksi pada saat

terjadinya tegangan lebih agar tegangan lebih yang terjadi tidak melewati tingkat

isolasi dasar atau BIL (Basic Insulatuion level) pada peralatan tersebut.

Salah satu usaha untuk mencegah petir menyambar langsung dikawat fasa dengan

memasang kawat tanah dengan memposisikannya diatas kawat fasa. Kegagalan

perisaian (shielding failure) merupakan kondisi ketika kawat tanah tidak dapat

menangkap sambaran petir dan mengenai langsung pada kawat fasa. Serta

menggunakan sistem proteksi yaitu arrester dalam melindungi kenaikan tegangan

yang merambat pada OCS dengan cara memotong kenaikan tegangan lebih

tersebut.

Penelitian ini menganalisis hasil pemotongan tegangan arester surja pada saat

terjadi sambaran petir secara langsung pada OCS, menghitung besarnya tegangan

lebih pada kereta rel listrik akibat injeksi arus surja saat terjadi sambaran pada

saluran 1500 VDC, dan pengaruh jarak titik sambaran petir terhadap kenaikan

tegangan pada kereta rel listrik. Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan

software Alternative Transient Program (ATP).

3

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Menghitung besarnya tegangan lebih akibat injeksi arus surja di listrik

aliran atas pada kereta rel listrik 1500 VDC.

2. Menganalisis pengaruh jarak titik sambaran petir terhadap kenaikan

tegangan pada Kereta Rel Listrik 1500 VDC.

3. Menganalisis hasil pemotongan tegangan arrester terhadap kenaikan

tegangan di listrik aliran atas pada Kereta Rel Listrik 1500 VDC.

1.3 Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah :

1. Dengan adanya simulasi sistem aliran listrik KRL ini, dapat memberikan

informasi tentang kinerja saluran Kereta Rel listrik 1500 VDC pada saat

terjadi sambaran petir.

2. Mengetahui kinerja arrester dalam memotong kenaikan tegangan pada

kereta rel listrik 1500 VDC.

1.4 Rumusan Masalah

Permasalahan yang dibahas pada penulisan skripsi antara lain:

1. Pemodelan sistem proteksi pada sistem Kereta Rel Listrik.

2. Pembuatan rangkaian simulasi sistem proteksi tegangan lebih pada Kereta

Rel Listrik menggunakan software ATPDraw.

4

3. Menghitung kenaikan tegangan akibat surja petir.

4. Menganalisis kenaikan tegangan pada kereta rel listrik.

1.5 Batasan Masalah

Adapun batasan masalah pada penulisan skripsi antara lain:

1. Perhitungan tegangan lebih hanya dilakukan pada gardu traksi dan KRL.

2. Pemodelan yang dibuat pada software hanya sistem aliran listrik kereta rel

listrik.

3. Pemodelan pada arrester surja menggunakan pemodelan arrester IEEE

models.

4. Impuls arus surja yang digunakan sesuai standar yang direkomendasikan

oleh IEC 8/20μs dan tidak memvariasiakan waktu muka impuls.

5. Peralatan yang terdapat pada Kereta Rel Listrik hanya dimodelkan dengan

rangkaian ekuivalen motor DC.

6. Besarnya gangguan arus ditentukan sebesar 1 kA, 5 kA, 10 kA, 15 kA, dan

20 kA.

7. Variasi jarak sambaran petir yang digunakan 350 meter dan 50 meter dari

kereta rel listrik.

8. Pemodelan tiang yang dibuat hanya memodelkan 10 tiang dengan jarak

masing-masing tiang sejauh 50 meter

5

1.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan dalam penelitian tugas akhir ini terdiri dari beberapa

bagian, yaitu :

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan, manfaat penulisan,

rumusan masalah, batasan masalah, dan sistematika penulisan.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini memuat landasan teori yang berisi teori-teori dasar yang berhubungan

dengan penelitian yang dilakukan.

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini memuat tentang langkah-langkah penelitian yang dilakukan, yaitu

pemodelan sistem, diagram alir pengerjaan penelitian, penjelasan sistem dan

skenario simulasi sistem.

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang hasil dari simulasi yang dilakukan dan pembahasan hasil

simulasi tersebut.

BAB V. SIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang intisari dari keseluruhan penelitian yang telah dilakukan.

Selain itu terdapat juga saran untuk penelitian yang telah dilakukan untuk

perbaikan di masa yang akan datang.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kereta Rel Listrik (KRL)

Perkembangan pertama kali kereta api yang ada di Indonesia menggunakan bahan

bakar batu bara atau kayu dalam pengoprasiannya sehingga pada saat berjalan

mengeluarkan kepulan asap dari cerobongnya namun pada saat ini kereta tersebut

tidak lagi menggunakan bahan bakar batu bara atau kayu sebagai penggantinya

sistem penggerak pada kereta api menggunakan diesel dengan menggunakan

bahan bakar solar. Seiring dengan perkembangan teknologi terbentuklah Kereta

Rel Listrik. Dalam dunia transportasi Kereta Rel Listrik (KRL) sudah marak

dipakai di negara-negara maju sebagai transpotasi utama.

Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan kereta yang menggunakan tenaga listrik

dalam menggerakkan motornya. Pada KRL terdapat dua macam sumber listrik

yang dapat digunakan yaitu sumber DC dan sumber AC. Sumber DC yang biasa

digunakan untuk KRL sebesar 600 V, 750 V, 1500 V dan 3000 V, sedangkan

untuk KRL sumber AC sebesar 15 kV, dan 25 kV. Sistem penyaluran aliran listrik

pada kereta rel listrik menggunakanan OCS yang berfungsi untuk menyalurkan

daya listrik dari sumber ke KRL[1].

7

Sistem penyaluran aliran listrik pada kereta rel listrik memiliki bagian-bagian

yang penting untuk pengoperasian kereta rel listrik yaitu saluran penyulang

(feeder) yang menerima pasokan sebesar 20 kVAC dari sumber ke transfrmator

penurun tegangan 20 kVAC menjadi 1500 VAC, rectifier sebagai konverter yang

berfungsi mengubah tegangan 1500 VAC menjadi 1500 VDC[2]. Gambaran

Skematik sistem distribusi kereta rel listrik dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Skematik sistem distribusi kereta rel listrik[2]

Tegangan operasional 1500 Vdc yang mengalir pada OCS terhubung oleh sebuah

piranti bernama pantograph. Tipe Pantograph yang digunakan adalah type single

arm dan Diamond shape shinkansen, pantograph tersebut berfungsi untuk

menyalurkan sumber listrik ke kereta kemudian akan diteruskan ke motor sehingga

KRL berjalan. Pantograf ini harus selalu terhubung dengan konduktor sumber

listrik, dan harus mempunyai fleksibilitas yang tinggi karena dipakai pada

kecepatan yang relative tinggi[3].

8

Gambar 2.2 Sistem Penggerak Motor DC

Tegangan 1500VDC sebagai tegangan operasional pada kereta rel listrik, converter

chopper DC-DC digunakan sebagai penyalur tegangan 1500 VDC dan juga

digunakan sebagai pengatur tegangan DC pada KRL yang menggunakan motor

DC, sehingga dalam pengaturannya tegangannya lebih mudah dan efisiensi yang

lebih baik. Chopper DC-DC digunakan juga sebagai drive control yaitu

penggerak dan pengendali putaran motor traksi, dengan mekanisme swithing

tegangan DC yang dapat menghasilkan tegangan output DC yang berubah-ubah

tegangannya sehingga berpengaruh dalam kecepatan motor yang dihasilkan[1].

Tabel 2.1 menunjukan standar DIN EN 50163 (VDE 0115 part 102)

dan IEC 60850 yang menjelaskan tentang suplai tegangan sistem traksi untuk

aplikasi kereta rel listrik tegangan DC[22].

Tabel 2.1 Tegangan suplai sistem kereta rel listrik tegangan DC

Nominal Voltage 750 V 1500 V 3000V

Maximum Continuous Voltage Umax1 (V) 900 1800 3600

Maximum Nonpermanent Voltage Umax2 (V) 1000 1950 3900

Highest Long-term Overvoltage Umax3 (V) 1270 2540 5073

Sumber : Standar DIN EN 50163 (VDE 0115 part 102) dan IEC 60850

9

2.2 Gardu Traksi

Gardu traksi adalah sebuah Gardu listrik yang digunakan untuk menyuplai daya

ke saluran udara atau catenary sebagai supply ke KRL. Supply utama Gardu

traksi ini berasal dari PLN sebagai salah satu perusahaan penyedia tenaga listrik di

Indonesia. Tegangan yang disalurkan dari sumber 20 kVAC yang kemudian di

konversi menjadi tegangan 1500 VDC pada keluaran gardu traksi tersebut mengalir

pada OCS yang kemudian digunakan dalam pengoprasian sistem KRL[4].

Adapun peralatan yang terdapat pada suatu gardu adalah sebagai berikut :

1. Transformator Daya

Transformator Daya adalah alat yang digunakan sebagai penurun atau

penaik tegangan. Trafo yang digunakan pada gardu ini adalah trafo penurun

tegangan 3 phasa dari tegangan 20 kV menjadi 1500 V.

2. Transformator Tegangan/Potential Transformer (PT)

trafo tegangan merupakan peralatan pada sistem tenaga listrik yang berupa

transformator 1 fasa step down yang mentransformasikan tegangan pada

jaringan tegangan tinggi ke suatu sistem tegangan rendah.

3. Transformator Arus/Potential Current (CT)

trafo arus adalah peralatan pada sistem tenaga listrik yang berupa

transformator yang digunakan untuk pengukuran arus yang besarnya hingga

ratusan ampere dan juga digunakan untuk mengubah arus listrik skala

besar ke skala yang lebih kecil.

4. Overhead Contact system (OCS)

Overhead Contact system atau yang sering disebut (OCS) adalah suatu

sistem yang terdiri dari gardu listrik dan jaringan listrik aliran atas. Pada

10

jaringan Overhead Contact system berupa saluran konduktor yang berfungsi

untuk menyalurkan atau mensuplai daya listrik ke kereta rel listrik dari

gardu traksi.

5. Converter

Penyearah (Rectifier) pada sistem Kereta Rel Litrik (KRL) ini digunakan

untuk menyearahkan sumber 1500 VAC menjadi sumber 1500 VDC.

Penyearah gelombang penuh dapat dibuat menggunakan 4 diode.

Gambar 2.3 Penyearah gelombang penuh

Prinsip kerja dari penyearah gelombang penuh dengan 4 diode pada

gambar 2.3 yaitu pada saat output tegangan transformator memberikan level

tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias dan D2, D3

pada posisi reverse bias sehingga level tegangan sisi puncak positif tersebut

akan di leawatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat output tegangan

transformator memberikan level tegangan sisi puncak negatif maka D2, D4

pada posisi forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan level

tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D4[5].

11

2.3 Fenomena Petir

Fenomena petir dapat terjadi karena terdapatnya awan bermuatan diatas bumi,

awan bermuatan ini disebabkan karena terdapatnya kelembapan udara dan

terdapatnya gerakan udara keatas (up draft). Kelembapan udara yang terpapar

sinar matahari akan menyebabkan penguapan kemudian penguapan tersebut akan

naik karena adanya gerakan up draft. Terjadinya proses up draft yang terus

menerus akan membentuk awan bermuatan dapat dilihat pada gambar 2.4 yang

merupakan ilustrasi sambaran petir[6].

Gambar 2.4 Sambaran Petir dari Awan ke Bumi[6]

Jenis-jenis sambaran petir adalah sebagai berikut[7]:

1. Sambaran langsung merupakan sambaran petir yang menyambar secara

langsung pada kawat fasa atau kawat pelindung (kawat tanah). Sambaran

langsung ini biasanya menyebabkan tegangan lebih (overvoltage) padasaluran

yang sangat tinggi.

2. Sambaran tidak langsung merupakan sambaran petir yang menyambar ke

objek di dekat saluran. Sambaran ini biasanya menyebabkan kenaikan

tegangan lebih secara induksi pada saluran.

12

Sambaran petir yang menyambar pada OCS kereta rel listrik adalah jenis

sambaran secara langsung dan secara tidak langsung, sambaran petir tersebut

dapat mengakibatkan kenaikan tegangan pada saluran. Apabila tidak terdapat

sistem proteksi yang melindungi kereta rel listrik maka dapat menyebabkan

kerusakan pada peralatan-peralatan. Sehingga diperlukan sistem proteksi pada saat

terjadinya tegangan lebih agar tegangan lebih yang terjadi tidak melewati tingkat

isolasi dasar atau BIL (Basic Insulatuion level) pada peralatan tersebut[8].

2.4 Bentuk Gelombang Petir

Lightning impuls dapat didefinisikan sebagai tegangan DC yang naik menuju

puncak dalam waktu yang singkat dan akan menurun perlahan menuju nol.

Berdasarkan standar IEC (International Electrotechnical Commission) standar ini

menetapkan bentuk gelombang arus impuls adalah 8/20μs[9].

Gambar 2.5 Arus impuls petir berdasarkan standar IEC 8/20 μs[9]

Muka gelombang (wafe front) merupakan bagian dari gelombang yang dimulai

dari titik nol sampai menuju pada titik puncak. Waktu muka (Tf) adalah waktu

13

yang diperlukan dari mulai titik nol sampai pada titik puncak gelombang. Ekor

gelombang (wave tail) merupakan bagian pada gelombang dari titik puncak

gelombang sampai pada akhir gelombang. Waktu ekor (Tt) adalah waktu yang

diperlukan dari mulai titik nol sampai sampai pada setengah puncak pada ekor

gelombang.

Waktu muka dan waktu ekor yang dihasilkan tidak selalu tepat seperti yang

diharapkan. Oleh karena itu untuk tegangan impuls petir berdasarkan standar IEC

penyimpangan waktu muka (Tf) yang ditolerir sebesar ±30% untuk penyimpangan

waktu ekor (Tt) sebesar ±20%. Sedangkan untuk arus impuls penyimpangan

waktu muka (Tf) yang ditolerir sebesar ±20% untuk penyimpangan waktu ekor

(Tt) sebesar ±20%.

2.5 Tegangan Lebih

Tegangan lebih dapat didefinisikan sebagai tegangan yang telah melewati tingkat

isolasi dasar atau BIL (Basic Insulation level) peralatan serta hanya dapat ditahan

oleh sistem tenaga listrik pada waktu yang sangat singkat. Tegangan lebih yang

disebabkan karena petir biasa dikenal sebagai natural overvoltage karena petir

merupakan peristiwa alamiah yang tidak dapat diprediksi pada saat menyambar

dan tidak dapat kendalikan oleh manusia.

Sambaran petir yang menyambar pada saluran maka gelombang petir tersebut

akan merambat pada dua sisi yaitu menuju gardu traksi dan menuju peralatan

(beban) sehingga dapat menyebabkan kenaikan tegangan pada gardu traksi dan

kenaikan tegangan pada peralatan (beban). Seperti ilustrasi yang ditunjukan pada

gambar 2.9 [5].

14

Pada saat gardu induk dan peralatan (beban) mengalami kenaikan tegangan yang

disebabkan oleh sambaran petir tanpa terpasangnya sistem proteksi, maka sistem

isolasi yang berada pada gardu induk dan peralatan (beban) akan mengalami

kerusakan karena kenaikan tegangan lebih telah melewati tingkat isolasi dasar

atau BIL (Basic Insulation level) yang telah ditetapkan. Sehingga pada saat

terjadinya tegangan lebih diperlukan sistem proteksi agar kenaikan tegangan yang

sampai pada gardu induk dan peralatan (beban) tidak melewati tingkat isolasi

dasar atau BIL (Basic Insulation level) pada peralatan gardu tersebut[5].

Gambar 2.6 Tegangan Surja akibat sambaran petir[5]

Salah satu usaha untuk mencegah petir menyambar langsung dikawat fasa dengan

dipasangnya kawat tanah dengan memposisikannya diatas kawat fasa. Ketika

kawat tanah tidak dapat menangkap sambaran petir dan mengenai langsung kawat

fasa dalam kasus ini biasa disebut kegagalan perisaian (shielding failure). Serta

digunakannya sistem proteksi yaitu arester dalam melindungi kenaikan tegangan

yang merambat dengan cara memotong kenaikan tegangan lebih tersebut[10].

15

2.6 Arester Surja

Arester surja adalah alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap

tegangan lebih baik yang disebabkan oleh surja petir maupun surja hubung.

Arester berfungsi jalan pintas (by pass) sekitar isolasi dengan membentuk jalan

yang mudah dilalui oleh arus sambaran petir sehingga tidak timbul tegangan lebih

yang tinggi pada peralatan[9]. Pada saat keadaan tegangan normal, arester

berfungsi sebagai isolasi, namun pada saat terjadi surja petir yang mengakibatkan

tegangan lebih maka arester akan bekerja atau berfungsi sebagai konduktor yang

akan mengalirkan arus yang tinggi ke tanah[11]. Pada sistem kereta rel listrik

penempatan surja arester diletakan pada gardu traksi dan pada pantograph.

Gambar 2.7. menunjukkan skematik dalam lokasi penempatan surja arester yang

akan digunakan.

Gambar 2.7 Skematik penempatan Surja Arester kereta rel listrik[9]

16

2.6.1 Karakteristik Lightning Arester

Karakteristik standar yang dimiliki Lightning Arester antara lain[12]:

1. Arester memiliki karakteristik yang dibatasi tegangan (voltage limiting) yang

merupakan harga pada terminal yang mampu ditahan oleh arester pada saat

dilalui arus petir.

2. Arester memiliki batasan termis yaitu memiliki kemampuan untuk melewatkan

arus surja dalam durasi yang lama dan berulang-ulang.

3. Karakteristik arester yang memiliki tahanan yang tidak linier, sehingga arester

akan bekerja berdasarkan tahanan tidak linier tersebut. Ketika arester bekerja

tahanan tersebut akan mengalami penurunan nilai tahanan sehingga arester

berubah menjadi konduktor, namun pada saat tidak bekerja tahanan arester

bernilai besar sehingga arester bersifat isolator.

4. Arester harus memiliki kemampuan untuk melepaskan tegangan lebih dengan

mengalirkan arus surja ketanah tanpa merusak arester itu sendiri.

5. Arester juga harus mampu dalam memutuskan arus surja apabila terjadi arus

susulan.

2.7 Metal Oxide Arrester

MOA - Metal Oxide Varistor atau arester arester seng oksida merupakan jenis

arester yang banyak dipakai sebagai elemen proteksi surja yang mimiliki sifat

non-linear dimana nilai resistansinya dikontrol berdasarkan nilai tegangan.

Prinsip kerja MOA pada saat petir menyambar yang menyebabkan kenaikan

tegangan maka tahanan yang terdapat pada MOA akan mengalami penurunan

17

sehingga menjadi konduktor dan mengalirkan surja ke bumi. Namun, pada saat

arus petir mengalami penurunan maka tahanan pada arreter akan kembali naik

sehingga arester akan bersifat sebagai isolator[13].

Gambar 2.8 Model rangkaian MOA IEEE [14]

Model dari MOA yang digunakan berdasarkan model surja arester yang

dikembangkan oleh IEEE. A0 dan A1 merupakan dua resistansi nonlinear yang

dipisahkan oleh RL filter[14].

2.8 Basic Insulation Level (BIL)

Basic Insulation Level (BIL) atau Tingkat Isolasi Dasar (TID) merupakan daya

tahan terhadap kenaikan tegangan impuls standar yang masih dapat ditahan

isolasi. BIL dapat juga didefinisikan sebagai tingkat-tingkat patokan (reference

level) dinyatakan dalam tegangan puncak impuls dengan gelombang impuls

standar. BIL pada trafo 1,2 kV dan pada kereta rel listrik 1,5 kV dapat dilihat pada

tabel 2.2 [23].

Tabel 2.2 BIL Transformator dan kereta rel listrik

Peralatan Tegangan (kV) BIL (Basic Insulation Level) (kV)

Transformator 1,2 45

Kereta Rel Listrik 1,5 35

18

2.9 Penelitian Yang Pernah di Lakukan

1. G.B. Gharehpetian dan Farhad Shahnia, dalam “Lightning And Switching

Transien Overvoltage In Power Distribution System Feeding DC

Electrified Railways” membahas tentang mengendalikan dan pengurangan

besarnya tegangan transien pada distribusi daya pada kereta listrik

merupakan salah satu masalah yang sangat penting. Oleh karena itu perlu

untuk dipelajari bagaimana dan mengapa tegangan transien harus di

kurangi pada sistem tenaga. Pada penelitian ini tegangan lebih transien

pada kereta rel listrik DC diselidiki untuk dapat menentukan pemilihan

surja arreter yang berkualitas dan yang terbaik untuk dihubungkan pada

sistem tenaga listrik.

2. Tomasz Chmielewski dan Andrzej Dziadkowiec dalam penelitian

“Simulation Of Fast Transients In A Typical 25 kV a.c. Railways Power

Supply System” membahas tentang kabel listrik pada railways yang

merupakan konduktor overhead yang selalu berkontak secara langsung

pada samabaran petir. Tegangan yang dihasilkan oleh lonjakan petir ini

dapat sangat mengurangi kehandalan sistem tenaga listrik secara

keseluruhan. Oleh karena itu sangat penting dalam mendesain proteksi

petir, untuk simulasi lonjakan petir pada penelitian ini menggunakan

PSCAD.

3. Violeta Chis et all, mengenai “Simulation Of Lightning Overvoltages With

ATP-EMTP And PSCAD?EMTDC” pada penelitian ini membahas tentang

suatu pemodelan tegangan lebih dengan menggunakan 2 program yaitu

19

ATP-EMTP And PSCAD?EMTDC. Simulasi dilakukan untuk saluran

transmisi 220 kV dengan tinggi menera setinggi 40 meter yang jarak nya

280 meter dengan nilai tahanan kaki sebesar 30 ohm. Simulasi untuk

tegangan lebih petir dilakukan dengan menggunakan software ATP dan

PSCAD dalam memperoleh hasil tegangan diatas dan dibawah menara saat

terjadi sambaran petir.

4. Agung Setiawan dalam “Karakteristik Unjuk Kerja Arester ZnO Tegangan

Rendah 220 Volt” membahas tentang karakteristik arester ZnO 220 volt

dalam mengatasi impuls yang digunakan sebagai sistem proteksi saluran

tegangan rendah dengan melaukukan simulasi menggunakan program

EMTP. Pada simulasi yang dilakukan ini menggunakan 3 model ZnO yaitu

model IEEE, Pincetti dan Saha. Dari hasil penelitian yang dilakukan

diperoleh bahwa arester ZnO mempunyai tegangan potong dan tegangan

residu yang nilainya masih berada dibawah batas BIL. Namun untuk

pemodelan arester IEEE memiliki nilai presentasi tegangan residu yang

terkecil dari pada pemodelan yang lainnya sehingga arester model IEEE

bisa diterapkan pada tegangan rendah 220 volt sebagai arester untuk gardu

induk dalam simulasi ini tegangan impul petir diletakkan pada saluran

transmisi.

5. M.yonggi puriza dan Reynaldo zoro dalam “Lightning Over Voltage

Evaluation On DC 1.5 kV Overhead Contact System (OCS) For Electrified

Railways In Indonesia”. IEEE Conference on Power Engineering and

Renewable Energy ICPERE 2014. Gardu induk pada kereta listrik dan

saluran udara sudah dibangun dalam kurun waktu yang lama namun tidak

20

terdapatnya kesesuaian dengan sistem proteksi. Ketidaksesuaian antara

desain dan sistem proteksi membuat saluran udara sangat rentan terhadap

kerusakan yang disebabkan oleh sambaran petir secara langsung maupun

sambaran petir secara induksi. Pada penelitian yang dilakukan sebelumnya

ini hanya meneliti sistem proteksi pada saluran udara kereta listrik dengan

menggunakan grounding wire dan memvariasikan penempatan grounding

wire. Pada penelitian ini Arester tidak terpasang pada kereta listrik sehinga

dapat mengakibatkan kerusakan peralatan pada saat terjadi gangguan.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

3.1.1 Waktu

Pengerjaan tugas akhir ini dilaksanakan pada bulan Mei 2017 hingga

Maret 2018

3.1.2 Tempat

Penelitian tugas akhir ini dilakukan di Laboratorium Terpadu Jurusan

Teknik Elektro Universitas Lampung.

3.2 Alat dan Bahan

3.2.1 Alat Penelitian

Adapun peralatan yang dibutuhkan pada penelitian ini antara lain :

1. Perangkat Laptop

2. Perangkat lunak ATPDraw.

3. Data-data one line diagram sistem kereta rel ristrik 1500 VDC.

3.2.1 Pemodelan Penelitian

Adapun pemodelan peralatan yang dibutuhkan pada penelitian ini adalah

sebagai berikut :

1. Sumber tegangan

2. Transformator

22

3. Kawat tanah dan Isolator

4. Arester

5. Menara saluran

6. Saluran Udara dan Isolator

7. Pentanahan

3.3 Tahapan Penelitian

Pada penyelesaian tugas akhir ini akan dilakukan melalui tahapan sebagai

berikut:

a. Studi Literatur

Dalam studi literatur ini dimaksudkan untuk mempelajari dan mencari

informasi dari jurnal, buku dan artikel-artikel dari perpustakaan yang

digunakan sebagai referensi yang berhubungan dalam penyusunan tugas

akhir ini diantaranya.

b. Studi Bimbingan

Dalam tahapan ini dengan melakukan pendalaman materi dan melakukan

diskusi dengan pembimbing mengenai penelitian tugas akhir yang

dilakukan, yang berguna dalam mencari solusi dari permasalahan yang ada

dalam melakukan penelitian ini.

c. Pengumpulan data

Dalam tahapan melakukan pengumpulan data yang dibutuhkan dalam

proses penelitian, data tersebut meliputi spesifikasi peralatan yang

digunakan dalam penelitian yang bersumber dari PT. KAI Commuter

Jabodetabek agar dapat memenuhi dalam pembuatan simulasi pada

software yang digunakan.

23

d. Pemodelan

Komponen yang akan dimodelkan dalam simulasi rangkaian antara lain:

Sumber teganga DC, saluran Distribusi, sisi sekunder pada transformator,

tiang, pentanahan, Impuls petir dan Surge Arester.

e. Simulasi Rangkaian

Simulasi dilakukan dengan memvariasikan besarnya arus yang disebabkan

oleh surja petir.

f. Membuat Analisis dari Hasil Simulasi

Setelah perancangan single line diagram dan simulasi selesai dijalankan

maka didapatkan data hasil simulasi dari program ATPDraw. Hasil yang

didapatkan berupa data nilai tegangan transien pada saat sebelum

menggunakan arester surja dan setelah menggunakan arester surja.

g. Penulisan Laporan

Dalam tahapan ini yang dilakukan adalah penulisan laporan hasil dari

penelitian yang sesuai dengan data yang didapat, penulisan laporan ini

tulis secara lengkap dari latar belakang, tinjauan pustaka hingga proses

simulasi pada program ATPDraw kemudian mengalisanya serta

kesimpulan dan tidak luput dari saran demi melangkai penulisan laporan.

24

3.4 Pemodelan Rangkaian Simulasi

Pemodelan rangkaian simulasi digambarkan dalam blok diagram pada gambar 3.1

Gambar 3.1 Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi

Tahapan dalam simulasi dan pemodelan dimulai dengan melakukan simulasi yang

dilakukan menggunakan program ATPDraw yang didalamnya terdapat fasilitas

untuk membuat pemodelan dengan menggunakan komponen-komponen yang

terdapat dari menu-menu yang tersedia pada program yang pemodelannya

disesuai dengan single line diagram.

PemodelanSumber

tegangan DC

Pemodelan

Transformator

Pemodelan Isolator dan

overhead contact system

Pemodelan

Tiang

Pemodelan

Kawat tanah

dan Isolator

Pemodelan

Sambaran petir

Pemodelan Kereta rel

listrik (KRL)

Pemodelan

Arester Rangkaian

Simulasi

25

a. Model Menara/Tiang

Model menara yang digunakan yang digunakan pada saluran distibusi

pada kerata rel listrik ini menggunakan menara “pole concrete” jarak antar

menara 50 meter dapat dilihat pada gambar 3.2. Model menara ini yang

umum digunakan pada jaringan saluran distribusi pada kereta rel listrik.

Gambar 3.2 Menara distribusi 1,5 kVDC[15]

Besarnya nilai impedansi pada menara type pole concrete ini dapat di

representasikan dengan nilai :

(

) (

)

Dimana

H = Tinggi tiang (m)

r = Jarak antar tiang (m)

b. Sistem Pentanahan

Pemodelan sistem pentanahan dalam sistem kereta rel listrik menggunakan

pemodelan Integrated Grounding Line (IGL) dapat dilihat pada gambar

3.3 yang terhubung secara langsung pada pemodelan tiang, dengan nilai

grounding resistivity sebesar ρ = 20 Ωm.

26

Gambar 3.3 Integrated Grounding Line (IGL) [15]

Dalam kasus single rod nilai dari resistansi grounding dapat di rumuskan

dengan :

[ (

) ]

Dimana :

ρ = resistivitas tanah

l = panjang elektroda (m)

r = diameter elektroda (m)

c. Saluran Udara

Saluran udara yang biasa digunakan pada kereta rel listrik menggunakan

single phase overhead dapat dilihat pada gambar 3.4 dimana tegangan

akan mengalir sebesar 1500 VDC, pemodelan yang digunakan pada saluran

udara ini menggunakan LCC Line/Cable dengan PI-Model.

Gambar 3.4 Saluran Udara 1500 VDC[16]

L

R C

27

Nilai impedansi saluran udara pada pemodelan rel kereta ini dapat

dihitung melalui rumus :

Parameter konduktor Fasa

⁄

Dimana nilai :

r = jari-jari konduktor (m)

π = pi (3,14)

C = Kapasitansi (Farad/F)

L = Induktansi (Henry/H)

(ɛ0) = 8,8542 ∙ 10−9

F/km (permitivitas udara)

d). Gardu Traksi

Model peralatan pada gardu traksi dimodelkan menggunakan rangkaian

ekuivalen yang hanya memodelkan sisi sekunder pada trafo dapat dilihat

pada gambar 3.5, sumber tegangan yang digunakan menggunakan sumber

DC sebesar 1500 VDC sesuai dengan tegangan operasi pada listrik aliran

atas pada kereta.

Gambar 3.5 Model rangkaian sisi sekunder trafonsforrmator[17]

L

R

C

28

e) Impuls surge

Pemodelan yang digunakan untuk menginjeksikan besarnya arus impuls

pada rangkaian simulasi dapat dimodelkan dengan rangkaian

pembangkitan impuls Heidler type 15 dapat dilihat pada gambar 3.6.

Gambar 3.6 Pembangkitan impuls Heidler type 15[18]

f) Kawat tanah

Kawat tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah kawat tanah

tunggal dapat dilihat pada gambar 3.7. Sehingga perhitungan impedansi

surja kawat tanah adalah:

(

)

Dimana :

Zs = impedansi surja kawat tanah

Ht = tinggi rata – rata kawat tanah

r = radius kawat tanah

Gambar 3.7 Model kawat tanah[19]

29

f). Arester

Pemodelan yang digunakan pada program ATPDraw menggunakan

pemodelan arrester IEEE models yang dimodelkan dengan menggunakan

kompenen MOV-type 92 dapat dilihat pada gambar 3.8 [20].

Gambar 3.8 Arrester IEEE models

Dimana :

d = Tinggi Arester (m)

n = Jumlah Paraller dari MOA

g) Sumber Tegangan

Pemodelan sumber tegangan yang digunakan pada program ATPDraw

menggunakan pemodelan sumber tegangan DC.

L

R

L

R C

30

Pemodelan sumber tegangan dapat dilihat pada gambar 3.9.

Gambar 3.9 Sumber tegangan DC[8]

h) Motor DC

Pemodelan motor DC yang digunakan pada program ATPDraw menggunakan

rangkaian ekuivalen motor DC yang dimodelkan dengan rangkaian R dan L.

Pemodelan motor DC dapat dilihat pada gambar 3.10.

Gambar 3.10 Motor DC[21]

i) Isolator

Pemodelan Isolator yang digunakan pada program ATPDraw menggunakan

rangkaian ekuivalen yang dimodelkan dengan rangkaian impedansi R . Pemodelan

Isolator DC dapat dilihat pada gambar 3.11.

Gambar 3.11 Model Isolator

R

L

31

3.5 Penempatan Arester surja Pada KRL

Gambar 3.12 Sebelum Pemasangan arester surja

Gambar 3.12 menunjukkan tentang skematik kereta rel listrik pada gambar

tersebut dapat dilihat bahwa pada kereta rel listrik belum terpasangnya sistem

proteksi. Kondisi ini yang digunakan dalam simulasi software ATPDraw untuk

melihat kenaikan tegangan pada saat terjadi gangguan sambaran petir.

Gambar 3.13 single line diagram skenario I KRL tanpa sistem proteksi

Gambar 3.13 merupakan single line diagram kereta rel listrik pada saat belum

terpasangnya arester surja. Kondisi ini yang digunakan dalam simulasi dalam

software ATPDraw dalam melihat kenaikan tegangan pada transformator dan

kereta rel listrik saat terjadi gangguan sambaran petir. Terdapat dua variasi letak

32

sambaran petir yang pertama berjarak 350 meter dari kereta rel listrik dan yang

kedua berjarak 50 meter dari kereta rel listrik. Pemodelan rangkaian pada simulasi

tanpa sistem proteksi digambarkan dalam blok diagram pada gambar 3.13.

Gambar 3.14 Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi tanpa sistem proteksi

Gambar 3.15 Sesudah Pemasangan arester surja

Gambar 3.15 menunjukkan tentang skematik kereta rel listrik pada gambar

tersebut dapat dilihat bahwa pada kereta rel listrik setelah terpasangnya sistem

proteksi. Kondisi ini lah yang akan digunakan dalam simulasi software ATPDraw

untuk melihat kenaikan tegangan pada saat terjadi gangguan sambaran petir.

Sumber tegangan DC Transformator

Isolator dan overhead

contact system

Tiang Kawat tanah

dan Isolator

Sambaran petir Kereta rel listrik (KRL)

33

Gambar 3.16 Single line diagram skenario II KRL dengan sistem proteksi

Gambar 3.16 merupakan single line diagram kereta rel listrik pada saat setelah

terpasangnya arester surja. Kondisi ini lah yang akan digunakan dalam simulasi

dalam software ATPDraw dalam melihat kenaikan tegangan pada transformator

dan kereta rel listrik saat terjadi gangguan sambaran petir. Terdapat dua variasi

letak sambaran petir yang pertama berjarak 350 meter dari kereta rel listrik dan

yang kedua berjarak 50 meter dari kereta rel listrik. Pemodelan rangkaian simulasi

tanpa sistem proteksi digambarkan dalam blok diagram pada gambar 3.17.

Gambar 3.17 Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi dengan sistem proteksi.

Sumber tegangan DC Transformator

Isolator dan overhead

contact system

Tiang Kawat tanah

dan Isolator

Sambaran petir Kereta rel listrik (KRL)

Arester

Arester

34

3.6 Diagram Alir Penelitian

YA

TIDAK

YA

Gambar 3.18 Diagram Alir Penelitian

Urutan proses penelitian dapat di gambarkan dalam flowchart diagram alir

penelitian tugas akhir yang ditunjukan pada gambar 3.18 yang dapat di

representasikan sesuai berdasarkan tahapan penelitian yang dimulai dari

studi literatur, studi bimbingan, pengumpulan data, pemodelan rangkaian,

simulasi rangkaian, analisis hasil simulasi dan tahap terakhir adalah

penulisan laporan.

MULAI

Studi literature dan

pengumpulan Data

Komponen

Pemodelan sistem pada program

ATP

Memasukkan parameter pada setiap

komponen yang digunakan

Simulasi pada program ATP

Hasil keluaran pada program

ATP

Memasukkan besarnya impuls petir

Analisis dan Pembahasan

Pengujian

simulasi

Kesimpulan

SELESAI

A

A

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

2.10 Simpulan

Berdasarkan hasil simulasi proteksi tegangan lebih yang telah dilakukan,

diperoleh kesimpulan sebagai berikut :

1) Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin besar arus impuls yang diinjeksi

akan mengakibatkan kenaikan tegangan yang semakin besar.

2) Kenaikan tegangan telah melewati batas isolasi dasar dapat mengakibatkan

kerusakan pada peralatan , hasil dari simulasi A.1 dan simulasi A.2 kenaikan

tegangan pada transformator yang telah melewati tingkat isolasi dasar ≥ 45

kV pada saat arus impuls 15 kA, dan 20 kA, sedangkan kenaikan tegangan

pada kereta rel listrik yang telah melewati tingkat isolasi dasar ≥ 35 kV pada

saat arus impuls 10 kA, 15 kA dan 20 kA.

3) Semakin dekat letak titik sambaran petir dari objek yang tersambar maka

kenaikan tegangan yang dihasilkan akan semakin besar, begitupun sebaliknya

Semakin jauh letak titik sambaran petir dari objek yang tersambar maka

kenaikan tegangan yang dihasilkan akan semakin kecil.

4) Kenaikan tegangan yang telah melewati tingkat isolasi dasar diperlukan

pemasangan sistem proteksi agar tidak mengakibatkan kerusakan pada

peralatan, hasil simulasi B.1 dan B.2 dengan terpasangnya sistem proteksi

pada transformator dan kereta rel listrik kenaikan tegangan yang terjadi

58

berada dibawah tingat isolasi dasar yang diizinkan ≤45 kV dan 35 kV, sistem

proteksi yang terpasang dianggap mampu dalam melindungi kedua peralatan

tersebut dari dari kerusakan.

2.11 Saran

Sebagai masukan untuk menyempurnakan penelitian yang akan dilakukan

selanjutnya, pada penelitian ini peneliti menggunakan frekuensi steady state

pada saat kondisi transien, sehingga efek reaktansi kapasitif terabaikan. Pada

penelitian selanjutnya diharapkan tidak menggunakan frekuensi steady state

pada saat kondisi transien, sehingga efek reaktansi kapasitif yang dipengaruhi

oleh frekuensi tinggi tidak terabaikan.

59

DAFTAR PUSTAKA

[1] Reza Fauzan, Muhammad. Martin, Yul. 2015 “Analisa Harmonisa akibat

pengaruh penggunaan converter pada kereta rel listrik 1x25 kV

Jogjakarta-solo”. Electrician- Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro.

Teknik elektro, Universitas Lampung, Lampung, Indonesia.

[2] Oura, yasu. Mochinaga, Yoshifumi. Nagasawa, Hiroki. (1998, June 16)

“Railway Electric Power Feeding Systems”[online]. Available :

http://www.ejrcf.or.jp/jrtr/jrtr16/pdf/f48_technology.pdf.

[3] Nugroho, Setiyo. 2013. “ Sistem Propulsion Dan Auxiliary Pada Kereta

Rel Listrik (Krl) Di Pt. Inka (Persero) Madiun”. Dept. electrical

engeering, Universitas Diponegoro, Semarang. Indonesia.

[4] Ek Bien, liem. Kasim, Ishak. Hartanto, Henry. 2006. “Sistem Kendali

Kereta Otomatis Pada Kereta Rel Listrik VVVF”. JETri vol. 5, no. 2, pp.

ISSN 1412-0372.

[5] Palupi, Dyah Retno. 2014. “Perancangan dan Analisis Rangkaian

Rectifier Pada Rectenna Menggunakan Antena Televisi”. Jurnal

Mahasiswa TEUB, vol. 2, No. 6, pp. 320-115-1-PB.

[6] Sintianingrum, Ayu. Martin, Yul. 2014. “Simulasi tegangan lebih akibat

sambaran petir terhadap penentuan jarak masimum untuk perlindungan

peralatan pada gardu induk”. Electrician- Jurnal Rekayasa dan Teknologi

Elektro. Teknik Elektro, Universitas Lampung, Indonesia.

60

[7] Syakur, Abdul. 2014. “Kinerja Arrester Akibat Induksi Sambaran Petir

Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 kV” Transmisi, Jurnal Teknik

Elektro, Jilid 11, vol. 09-14, No. 1, pp. 307-8030-1-PB.

[8] Puriza, M. Yonggi. Zoro, Reynaldo. 2014. “Lightning Over Voltage

Evaluation On DC 1.5 kV Overhead Contact System (OCS) For Electrified

Railways In Indonesia”. IEEE Conference on Power Engineering and

Renewable Energy, vol. 267-272, No. 11B1-4, pp. 978-1-4799-6402-1,

Desember, 2014.

[9] Mathin Mustika, Halomoan. Wijono. Suryono, Hadi. Dhofir, Moch. 2013.

“Rancang Bangun Generator Arus Impuls Tipe 8/20μs”, Jurnal EECCIS,

No. 2. Vol. 7, pp. 216-427-1-PB.

[10] Chyntya Ayuning, Palupi. 2013. “Analisis arus kegagalan periasaian

terhadap konfigurasi kawat tanah dan fasa pada saluran transmisi

tegangan ekstra tinggi ”, Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh

November (ITS), Surabaya, Indonesia.

[11] Avryansyah Akbar, Airlangga. 2013. “Pemeliharaan Lightning Arrester

(LA) Pada Gardu Induk Krapyak 150 Kv Pt. Pln (Persero) P3b Jawa –

Bali App Semarang”[online]. Available: https://anzdoc.com/pemeliharaan-

lightning-arrester-la-pada-gardu-induk-krapyak-.html.

[12] Wahyudian Kartiko, Bangkit. 2013. ”Study Karakteristik Transien

Lightning Arrester Pada Tegangan Menengah Berbasis Pengujian

Simulasi”, Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh November (ITS),

Surabaya, Indonesia.

61

[13] Bayadi, A. Harid, N. Zehar, K. Belkhiat,S. 2013. “Simulation Of Metal

Oxide Surge Arrester Dynamic Behavior Under Fast Transien”. The

International Conference on Power System Transien (IPST), New Orlean,

USA.

[14] Unahalekhaka, Pramuk. 2014. “Simplified Modeling of Metal Oxide Surge

Arresters”, Eco-Energy and Materials Science and Engeneering (EMSES).

Energy Procedia, No. 2. Vol. 56, pp. 56 (2014) 92 -101.

[15] Phayomhom, A. Sirisumrannakul, S. 2010. “Computation of Total

Flashover Rate in MEA’s Overhead Transmission Circuit Due to

Shielding Failure”.GMSARN International Journal, No. 3. Vol. 3, pp. 4

(2014) 121 -130.

[16] Filipovic Grcic, Bozidar. Uglesic, Ivo. Filipovic Grcic, Dalibor. 2011.

”Analysis of Transien Recovery Voltage in 400 kV SF6 Circuit Breaker

Due to Transmission Line Fault”, International Review of Electrical

Engineering (IREE), vol. 6, no.5. pp. 2652-2658.

[17] Rakotomala, A. Auriol, Ph. 1994. “Lightning Distribution Through

Earthing System”.IEEE. pp. 0-7803-1398-4.

[18] Mahadi. 2015. “Simulation of Haddad Surge Arrester Model on A 132 kV

Overhead Transmission Line For Back Flashover Analysis Using

Alternative Transient Program (ATP)” Dept. Electrical and Electronics

Engineering, Universitas Tun Hussein Onn, Malaysia.

62

[19] Wirahadi, Afriando. 2010. “Analysis Back-Flashover Model Menara

Costant-Parameter Distributed Line (CPDL) Pada Saluran Transmisi 150

kV (GI. Bukit Kemuning – GI Batu Raja)”, Teknik elektro, Universitas

Lampung, Lampung, Indonesia.

[20] Abdulwadood, Shehab. 2013. “Design of lightning Arrester For Electrical

Power System Protection”, Power Engineering and Electrical Engineering

vol. 11, no. 6, pp. 10.15598/aeee.v11i6.661.

[21] Melckzedek Minja, Kelvin, Victor Chombo. 2017. “Characteristics and

Behavior of Transient Current during Multiple Lightning on a Train

Thailand by using ATPDraw”, Proc. International Conference on

Industrial Application Engineering (IIAE), Thailand.

[22] A. suarez, Mario. 2010. “Transient Overvoltage in a Railways System

during Braking”. IEEE/PES Transmission and Distribution Conference

and Exposition, pp. 978-1-4577-0488-8, Latin America.

[23] Chief Engineer Rail, 2014. “Standar Rail Traction System-Insulation”.

Lead Electrical Engineer, Asset Standard Authority.