analisis pengaruh jenis dan kedalaman tanah terhadap … · tanah penguburan kabel dan jenis-jenis...

Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS 1

Analisis Pengaruh Jenis dan Kedalaman Tanah terhadap Kuat Medan Listrik serta Kapasitas Hantar Arus

pada Kabel XLPE 20 kV dengan Metode Elemen Hingga

Indriyanti Paramita – 2205100134

Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS, Keputih – Sukolilo, Surabaya – 60111

Abstrak :

Kuat medan listrik dan kapasitas hantar arus adalah

faktor terpenting dalam desain dan operasi kabel daya listrik

sehingga pemilihan jenis tanah dan kedalaman penanaman

kabel berpengaruh terhadap kuat medan listrik, kapasitas

hantar arus, dan panas yang dihasilkan oleh kabel. Medan

listrik timbul karena beda potensial antara dua titik. Kuat

medan listrik yang berlebih akan menyebabkan umur bahan

isolasi kabel menjadi berkurang. Kapasitas hantar arus

(ampacity) pada kabel menentukan besarnya arus listrik yang

diperbolehkan untuk mengalir sehingga suhu maksimal pada

konduktor tidak melebihi batas suhu yang telah ditentukan.

Metode dan analisis pemetaan distribusi kuat medan

listrik dan panas pada kabel XLPE 20 kV menggunakan metode

elemen hingga. Hasil yang didapatkan adalah visualisasi

distribusi kuat medan listrik dan panas pada kabel XLPE 20 kV.

Kata kunci : Kabel XLPE, medan listrik, kapasitas hantar arus,

panas lapisan terluar kabel, metode elemen hingga

I. PENDAHULUAN

Penentuan kuat medan listrik dan kapasitas hantar arus maksimal

adalah faktor terpenting dalam desain dan operasi kabel daya listrik.

Kuat medan listrik pada kabel akan timbul apabila material

dielektrik diberi tegangan. Kuat medan listrik yang berlebih akan

menyebabkan umur bahan isolasi kabel menjadi berkurang.

Permasalahan kapasitas hantar arus pada kabel adalah menghitung

besarnya arus listrik yang diperbolehkan untuk mengalir sehingga

temperatur maksimum konduktor kabel tersebut tidak melebihi batas

yang telah ditentukan.

Beberapa metode analitis telah digunakan untuk menentukan

besar kuat medan listrik dan kenaikan suhu pada kebel tenaga listrik.

Pada permasalahan yang lebih komplek contohnya untuk medium

yang tidak seragam dan material penyusun kabel yang tidak sama

penyelesaian secara analistis tidak memungkinkan diperoleh hasil

yang akurat dalam penentuan kuat medan listrik dan kapasitas hantar

arus pada kabel tenaga listrik, maka dilakukan pendekatan secara

numerik untuk menyelesaikannya. Salah satu bentuk penyelesaian

numerik yang dapat digunakan adalah metode elemen hingga (finite

element method).

Penyelesaian dengan menggunakan metode elemen hingga

(finite element method) tidak hanya memberikan gambaran yang

baik mengenai distribusi kuat medan listrik dan efek pemanasan

suhu pada kabel tetapi juga memberikan gambaran secara akurat

mengenai pemodelan syarat batas yang nantinya digunakan untuk

menyelesaikan permasalahan medan listrik dan kapasitas hantar arus

pada kabel.

II. KABEL TENAGA LISTRIK

Dalam penyaluran tenaga listrik dengan saluran transmisi bawah

tanah digunakan kabel tenaga listrik. Bagian utama dari suatu kabel

adalah inti atau konduktor, bahan isolasi, bahan pengisi, bahan

pengikat, bahan pelindung beban mekanik dan selubung pelindung

luar, semua bahan tersebut harus membentuk suatu konstruksi yang

membuat kabel fleksibel dan meskipun fleksibel tetap memiliki

kekuatan mekanis yang memadai.

Tujuan utama isolasi pada kabel tenaga listrik adalah untuk

melindungi kabel dari kegagalan mekanik, elektromekanik dan

kimia. Bentuk isolasi kabel tenaga listrik adalah selubung dengan

bahan metalik dan biasanya dilindungi lapisan non-konduktor.

2.1 Konduktor

Material yang biasanya digunakan sebagai bahan konduktor

kabel tenaga listrik adalah alumunium dan tembaga. Konstruksi dari

konduktor kabel tenaga listrik memegang peranan penting dalam

petunjuk perhitungan rating kabel. Salah satu parameter penting

dalam perhitungan rating kabel adalah diameter konduktor kabel

tersebut. Pada umumnya semakin besar diameter konduktor kabel

maka kapasitas hantar arus sebuah kabel semakin besar juga.

2.2 Isolasi

Suatu kabel tenaga listrik harus dilengkapi dengan bahan isolasi

yang berfungsi untuk mencegah aliran listrik dari konduktor

mengalir ke tanah. Isolasi listrik harus dapat menahan tekanan listrik

yang disebabkan oleh tegangan bolak-balik dan tegangan transien

tanpa mengalami kegagalan dielektrik yang dapat menyebabkan

terjadinya hubung singkat. Banyak sekali material yang dapat

digunakan sebagai bahan isolasi listrik. Pada kabel bawah tanah

material isolasi listrik yang dapat digunakan adalah oil-impregnated

paper tapes, isolasi padat seperti polyethylenes, ethylene-propylene

rubber dan isolasi gas bertekanan seperti SF6. Tipe isolasi sangat

mempengaruhi rating kabel tenaga listrik tersebut, dari sudut

pandang panas yang dihasilkan, bahan isolasi yang baik harus

mempunyai thermal resistivity yang kecil dan mempunyai rugi-rugi

dielektrik yang rendah. Bahan isolasi XLPE atau cross-linked

polyethylene adalah contoh bahan isolasi yang baik dan banyak

digunakan sebagai bahan isolasi kabel tegangan rendah dan

menengah.

2.3 Sheath/Concentric Neutral Wires

Selubung metalik sebuah kabel biasanya terbuat dari bahan

aluminium. Pada beberapa konstruksi kabel yang lain, isolasi dengan

bahan tembaga bisa digunakan untuk sistem proteksi bahan isolasi.

Selubung dengan bahan tembaga ini berfungsi untuk membawa arus

netral atau arus hubung singkat menuju ke tanah pada saat terjadi

hubung singkat ke tanah pada suatu sistem.

2.4 Armor

Pelindung armor biasanya dibuat dari bahan kawat atau pita baja.

Penggunaan baja untuk konstruksi sebuah kabel berinti tunggal akan

mengakibatkan tingginya medan magnet histerisis dan rugi-rugi

kabel yang dapat menurunkan rating kabel tersebut. Untuk

mengurangi rugi-rugi magnetik, untuk jenis kabel ini, bahan non-

magnetik seperti alumunium atau tembaga paling banyak digunakan.

III. METODE ELEMEN HINGGA

Metode elemen hingga atau finite elemen method adalah metode

numerik yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan

differensial parsial maupun persamaan integral. Dasar dari metode

2

Proceding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS

elemen hingga adalah membagi area kerja menjadi elemen – elemen

kecil yang jumlahnya berhingga, sehingga dapat dihitung reaksi

akibat beban pada kondisi batas (boundary condition) yang

diberikan.

Pemilihan jenis elemen segitiga untuk membagi area kerja

menjadi elemen – elemen kecil sangat cocok untuk di gunakan

dalam lingkup area dua dimensi. Penggunaan elemen segitiga sendiri

di gunakan karena untuk area dengan bentuk yang tidak teratur,

boundary-nya dapat di lakukan pendekatan yang lebih baik. Luas

elemen segitiga tersebut bisa diatur konstan atau berubah – ubah.

Permasalahan medan listrik dan transfer panas biasanya berupa

persamaan Laplace atau persamaan Poisson yang merupakan jenis

persamaan differensial parsial. Dengan menggunakan metode

elemen hingga pemetaan kuat medan listrik dan transfer panas dapat

dengan mudah dilakukan.

Dalam tugas akhir ini akan dilihat pengaruh kedalaman

tanah penguburan kabel dan jenis-jenis tanah terhadap kabel bawah

tanah XLPE 20 kV Jenis N2XSEFGbY. Tabel 1 akan menunjukkan

resistansi jenis-jenis tanah dan tabel 2 menujukkan konduktivitas

panas tanah sebagai parameter inputan untuk metode ini.

Tabel 1. Resistivitas Jenis Tanah (Sumber : IEEE Std 142-1991)

n

o

Deskripsi Tanah Resistvita

s Tanah

(Ohm-

meter)

1 Kerikil tinggi, campuran kerikil dan pasir,

kerapatan rendah dan tidak halus

600-1000

2 Kerikil dan tandus, campuran kerikil dan

pasir kerapatan rendah dan tidak halus

1000-

2500

3 Kerikil dan liat, tandus, campuran tanah liat

dan pasir

200-400

4 Pasir berlumpur, campuran pasir dan lumpur 100-500

5 Pasir liat, campuran pasir dan tanah liat,

tandus

50-200

6 Pasir halus berlumpur dan liat mengandung

plastik konsentrasi rendah

30-80

7 Pasir halus atau tanah lumpur, lumpur elastik 80-300

8 Liat berkerikil, liat berpasir, liat berlumpur 25-60

9 Liat aborganik dengan kandungan plastic

tinggi

10-55

Tabel 2. Konduktivitas Panas Jenis Tanah[11]

Konduktivitas

Panas Tanah

(K m /W)

Kondisi Tanah Kondisi Suhu

0.7 Sangat lembab Selalu lembab

1.0 Lembab Curah hujan tinggi

2.0 Kering Curah hujan rendah

3.0 Sangat Kering Tidak ada curah hujan /

sedikit sekali curah hujan

IV. PEMODELAN DAN PERHITUNGAN

KUAT MEDAN LISTRIK, KAPASITAS HANTAR

ARUS, DAN PANAS YANG DIHASILKAN KABEL

XLPE 20 kV

Dalam tugas akhir ini digunakan kabel XLPE 20 kV

berinti tiga untuk pemodelan dan perhitungan kuat medan listrik dan

kapasitas hantar arus. Kabel XLPE ini memiliki kode pengenal

N2XSEFGbY 12/20 (24) kV. Data kabel XLPE N2XSEFGbY

12/20 (24) kV dapat dilihat pada tabel 1.

Dalam simulasi pemetaan kuat medan listrik diasumsikan

saluran dibebani dengan tegangan listrik nominal dengan beda tiap

fasenya 120o. Untuk rating tegangan 20 kV yang merupakan nilai

tegangan line to line dapat dihitung Vmaks, yaitu tegangan maksimal

line to netral. sebagai berikut.

kV16.97053

220000

3

2VVmaks LL ===

Bentuk pemodelan tegangan dapat dilihat pada gambar 2.

Pada pemetaan kuat medan listrik ini diambil besar tegangan listrik

perfasa untuk step 15o listrik seperti pada tabel 3 dan kode pengenal

kabel seperti pada tabel 4 berikut.

Gambar 1 Kabel XLPE 20 kV N2XSEFGbY

Tabel 3. Data Dimensional dan Elektrikal Kabel XLPE 20 kV

Keterangan Satuan Nilai

Nominal cross sectional area mm2 240

Conductor diameter (approx) mm 18.7

Nominal insulation thickness mm 5.5

Insulation diameter (approx) mm 31.3

Nominal armor thickness mm 0.80

Nominal sheath thickness mm 3.6

Overall cable diameter (approx) mm 85

Cable net weight (approx) kg/m 14.300

Standard length per-reel m 300

Minimum bending radius mm 780

Min DC insulation resistance at 20oC Mohm/km 700

Max DC conductor resistance at 20oC ohm/km 0.0754

Capacitance per-phase µF/km 0.307

Inductance per-phase mH/km 0.302

Max short circuit current of conductor kA/sec 34.78

Max short circuit current of screen kA/sec 4.53

Max Current carrying capacity at 30oC

1. In air A 553

2. In ground A 492

Tabel4. Kode Pengenal Kabel

Kode Huruf Keterangan N Kabel dengan tembaga sebagai

2X Isolasi XLPE

SE Lapisan logam pada masing-masing

FGb Perisai kawat aluminium pipih Y Berselubung PVC

Gambar 2 Grafik Tegangan Kabel

3


Tabel 5. Data Tegangan Kabel

Sudut Listrik R(kV) S(kV) T(kV)

0 0.0000 14.6969 -14.6969

15 4.3923 12.0000 -16.3923

30 8.4852 8.4852 -16.9705

45 12.0000 4.3923 -16.3923

60 14.6969 0.0000 -14.6969

75 16.3923 -4.3923 -12.0000

90 16.9705 -8.4852 -8.4852

105 16.3923 -12.0000 -4.3923

120 14.6969 -14.6969 0.0000

135 12.0000 -16.3923 4.3923

150 8.4852 -16.9705 8.4852

165 4.3923 -16.3923 12.0000

180 0.0000 -14.6969 14.6969

195 -4.3923 -12.0000 16.3923

210 -8.4852 -8.4852 16.9705

225 -12.0000 -4.3923 16.3923

240 -14.6969 0.0000 14.6969

255 -16.3923 4.3923 12.0000

270 -16.9705 8.4852 8.4852

285 -16.3923 12.0000 4.3923

300 -14.6969 14.6969 0.0000

315 -12.0000 16.3923 -4.3923

330 -8.4852 16.9705 -8.4852

345 -4.3923 16.3923 -12.0000

360 0.0000 14.6969 -14.6969

4.1 Hasil Simulasi Pemetaan Medan Listrik Simulasi pemetaan medan listrik dalam tugas akhir ini

hanya menggunakan tegangan kabel pada sudut 90º

Gambar 3 Hasil Pemetaan Medan Listrik dengan Kedalaman

Penanaman Kabel 0.5 meter


Penanaman Kabel 1 meter




Penanaman Kabel 2 meter

Hasil simulasi pemetaan diatas dapat diketahui kuat medan

listrik permukaan tanahnya seperti pada tabel 6 berikut ini:

Tabel 6. Kuat Medan Listrik Maksimal Permukaan Tanah Hasil

Pemetaan terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman

Kabel

Kedalaman (meter) Emax(kV/m)

0.5 0.88546

1 0.573299

1.5 0.470381

2 0.411799

Dari hasil simulasi pemetaan dapat diketahui bahwa persebaran

medan listrik pada kabel XLPE 20 kV tidak merata, kuat medan

listrik terbesar terdapat pada konduktor yang mempunyai tegangan

paling tinggi. Kuat medan listrik terbesar ditandai bagian yang

berwarna ungu, sedangkan kuat medan listrik terkecil ditandai

bagian berwarna biru.

Gambar-gambar di atas merupakan hasil simulasi pemetaan kuat

medan listrik pada kabel XLPE untuk perubahan kedalaman

penanaman kabel (meter). Simulasi dilakukan dengan menggunakan

tegangan kabel satu fasa pada sudut 90o dan dengan hambatan jenis

tanah 10 ohm/meter.

Dari hasil simulasi, besarnya kuat medan listrik berpengaruh

terhadap perubahan kedalaman penanaman kabel. Kuat medan listrik

yang diambil pada permukaan tanah menunjukkan bahwa semakin

dalam penanaman kabel maka semakin kecil kuat medan listrik yang

dihasilkan.

Kemudian untuk perubahan resistivitas tanah dengan kedalaman

penanaman kabel yang konstan yaitu 1 meter juga dilakukan

simulasi pemetaan kuat medan listrik seperti gambar 3, 4, 5, 6 diatas

sehingga didapat hasil seperti pada tabel 7 berikut ini.

4


Tabel 7. Kuat Medan Listrik Maksimal Permukaan Tanah Hasil

Pemetaan terhadap Perubahan Resistivitas Tanah

Resistivitas tanah

(ohm/meter) Emax(kV/m)

10 0.573299

60 0.573299

400 0.573299

1000 0.573299

Dari hasil simulasi pemetaan dapat diketahui bahwa kuat

medan listrik pada permukaan tanah yang diambil pada bagian

lapisan permukaan tanah menunjukkan bahwa hambatan jenis tanah

tidak berpengaruh terhadap besarnya kuat medan listrik.

4.2 Hasil Simulasi Pemetaan Distribusi Panas

Hasil simulasi pemetaan distribusi panas pada kabel XLPE 20

kV adalah sebagai berikut:

Gambar 7 Hasil Pemetaan Distribusi Panas untuk Plot Color

pada ρs = 0.7 K m/W


pada ρs = 1 K m/W


pada ρs = 2 K m/W


pada ρs = 3 K m/W

Hasil simulasi pemetaan diatas dapat diketahui kuat medan

listrik permukaan tanahnya seperti pada tabel 8 berikut ini:

Tabel 8. Suhu Lapisan Terluar Kabel Hasil Pemetaan

terhadap Perubahan Konduktivitas Panas Tanah

ρs(K m/W) ∆θe(ºC)

0.7 52.634

1 50.043

2 46.89

3 45.987

Gambar diatas merupakan hasil simulasi pemetaan distribusi

panas pada kabel XLPE 20 kV. Dari hasil simulasi pemetaan

distribusi panas kabel XLPE terlihat bahwa persebaran panas pada

kabel XLPE tidak merata dari bagian konduktor sampai ke bagian

selubung luar kabel (sheath), Suhu tertinggi pada kabel ditandai oleh

bagian yang berwarna putih, sedangkan suhu terendah ditandai

bagian yang berwarna gelap. Suhu tertinggi kabel terjadi pada daerah

inti kondutor dengan suhu mencapai 90 oC.

Simulasi diambil dari lapisan terluar kabel, dari hasil simulasi

didapat semakin tinggi konduktivitas panas tanah maka semakin

rendah panas yang dihasilkan kabel pada lapisan terluar kabel

tersebut.

Kemudian untuk kedalaman penanaman kabel juga dilakukan

simulasi pemetaan distribusi panas seperti gambar 7, 8, 9, 10 diatas

sehingga didapat hasil seperti pada tabel 9 berikut ini.

Tabel 9. Suhu Lapisan Terluar Kabel Hasil Pemetaan terhadap

Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel

L(meter) ∆θe(ºC)

0.5 47.75

1 48.06

1.5 48.52

2 49.03

Dari table 9 diatas, simulasi diambil dari lapisan terluar kabel

dan didapat hasil semakin dalam penanaman kabel maka semakin

rendah panas yang dihasilkan kabel pada lapisan terluar tersebut

4.3 Perhitungan Kuat Medan Listrik, Kapasitas Hantar Arus,

dan Panas Kabel XLPE 20 kV

4.3.1 Parameter Kabel[12]

Dalam melakukan perhitungan dibutuhkan parameter

kabel, Tabel 10 berikut adalah data parameter kabel untuk

melakukan perhitungan

Tabel 10. Parameter Kabel

Parameter Nilai Satuan

R 9.1626 x 10-5 Ω/m

Wd 0.0393 W/m

λ1 0.2417 -

λ2 0.5971 -

5


T1 0.4549 K.m/W

T2 0 K.m/W

T3 0.0198 K.m/W

Dimana,

T1 = Nilai resistansi thermal antara konduktor dan sheath

(K.m/W)

T2 = Nilai resistansi thermal antara sheath dan armor /

bedding (K.m/W)

T2 = Nilai resistansi thermal lapisan terluar / serving kabel

XLPE (K.m/W)

Wd = Rugi-rugi dielektrik (W/m)

4.3.2 Kapasitas Hantar Arus

Rumus yang digunakan untuk perhitungan kapasitas hantar

arus untuk kabel yang ditanam secara langsung di dalam tanah

adalah:

( )e

2s4

D

2L udan 1uuln

2π

ρT =−+×=

( )[ ]0.5

4321211

4321d

)T)(TλλnR(1)TλnR(1RT

TTTn0.5TW-∆θI

++++++

+++=

Dimana

ρs : Resistivitas thermal tanah (K.m/W) = 1 K.m/W

L : Kedalaman kabel (mm) = 500 mm

De : Diameter terluar kabel (mm) = 85 mm

I : Arus / Kapasitas hantar arus (A)

∆θ : Temperatur (C)

Wd : Rugi-rugi dielektrik (W/m)

T1 : Tahanan panas per inti antara konduktor dan sheath

(K.m/W)

T2 : Tahanan panas antara sheath dan armor (K.m/W)

T3 : Tahanan panas dari lapisan terluar/serving (K.m/W)

T4 : Tahanan panas sekeliling kabel (K.m/W)

R : Tahanan AC dari konduktor saat pengoperasian pada

temperature maksimal (Ω/m)

λ1, λ2 : Perbandingan total rugi-rugi daya pada sheath dan armor

n : Jumlah inti kabel

Sehingga,

Untuk kedalaman (L) 0.5 meter dan ρs = 1 K.m/W

( )[ ]( )( )

A460.85

102.7487104.168

0.0704365

0.60180.01980.59710.24171109.162630.4549109.1626

0.50180.019830.45490.50.03932590I

0.5

45

0.5

33

=

×+×

−=

+++××+××

++×−−=

−−

−−

4.3.2.1 Pengaruh Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel

terhadap Kapasitas Hantar Arus.

Dengan menggunakan rumus kapasitas arus diatas maka

diperoleh perubahan kapasitas arus dengan konduktivitas pans tanah

tetap sebesar 1 K.m/W sebagai akibat dari perubahan kedalaman

penanaman kabel seperti pada Tabel 11 berikut.

Tabel 11. Kapasitas Hantar Arus terhadap Perubahan

Kedalaman Penanaman Kabel

L(meter) 0.5 1 1.5 2

I (Ampere) 460.85 423.69 405.74 394.31

Dari hasil perubahan kedalaman penanaman kabel, maka

semakin dalam penanaman kabel akan diperoleh perubahan arus

yang semakin menurun.

4.3.2.2 Pengaruh Perubahan Konduktivitas Panas Tanah

terhadap Kapasitas Hantar Arus.

Dengan menggunakan rumus kapasitas arus diatas maka

diperoleh perubahan kapasitas hantar arus dengan kedalaman

penanaman kabel yang tetap yaitu 0.5 meter sebagai akibat dari

perubahan konduktivitas panas tanah seperti pada Tabel 12 berikut.

Tabel 12. Kapasitas Hantar Arus terhadap Perubahan

Konduktivitas Panas Tanah

ρs (K.m/W) 0.7 1 2 3

I (Ampere) 531.96 460.85 340.42 282.2

Dari hasil perubahan resistivitas panas tanah, maka semakin dalam

penguburan kabel akan diperoleh perubahan arus yang semakin

menurun

4.3.3 Respon Lingkungan terhadap Kabel

4.3.3.1 Pengaruh Perubahan Waktu Kabel Bekerja

terhadap Panas Lapisan Terluar Kabel

Dengan menggunakan sampel kapasitas hantar arus

sebesar 460.85 A (L=0.5 meter dan ρs = 1 K.m/W) didapat rugi-rugi

konduktor (Wc) sebagai berikut:

W/m459779.19109.1626460.85W 52

c =⋅⋅=−

7

0.8

s

10ρ

4.68δ

−⋅=

10tδ

Lxdan

16tδ

Dx

22

e ==

besarxuntukx

3

x

2!

x

11

x

e

0.1xjikaxlnx0.577

0.1x3!3

x

2!2

xxlnx0.557x)Ei(

32

x

32

+−+−−=

<+−−=

>⋅

+⋅

−+−−=−−

−

Λ

Λ

Λ

d21ct W)λλ(1WW +++=

−+

−−−=

δt

LEi

16δ6

DEi

4π

ρW60(t)∆θ

22

este

Dimana,

δ = diffusivity panas tanah, m2/W

ρs = resistivitas panas tanah, K.m/W

-Ei = eksponensial integral

De = Diameter terluar kabel, m

L = Kedalaman kabel, mm

c = Spesifik panas = (610c ⋅ ) J/(m3 . K) = 2.4 x 106 J/(m3K)

Wt = Total power yang dihilangkan dalam kabel dalam per

unit panjang, W/m

Wc = rugi-rugi konduktor, W/m

Wd = rugi-rugi dielektrik per unit panjang per fasa, W/m

t = waktu, second

λ1 = faktor rugi-rugi sheat

λ2 = faktor rugi-rugi armor

∆θe(t) = penambahan temperatur transient diluar permukaan

kabel diatas temperatur ambient, ºC

, sehingga dengan mengukur kedalaman penanaman kabel sedalam

0.5 meter dan konduktivitas panas tanah sebesar 1 K.m/W didapat

perubahan panas terluar kabel terhadap perubahan waktu kabel

beroperasi sebagai berikut :

77

0.8104.6810

1

4.68δ −−

⋅=⋅=

0.134104.683600216

0.085x

7

2

=⋅⋅⋅⋅

=−

1.57

3!3

0.134

2!2

0.1340.134ln0.1340.557x)Ei(

32

=

⋅+

⋅−+−−=−−

7.42104.683600102

0.5x

7

2

=⋅⋅⋅⋅

=−

6


0.00357.42

3!

7.42

2!

7.42

11

7.42

ex)Ei(

32

7.42

=

−+−−=−−

−

[ ] C5212.550.00351.574π

822.53160(2)∆θ

W/m822.530.03930.5971)0.2417(1459779.91W

e

t

°=

+

⋅−=

=+++=

Tabel 13 berikut menujukkan perubahan panas lapisan

terluar kabel terhadap perubahan waktu kabel beroperasi.

Tabel 13. Panas Lapisan Terluar Kabel terhadap Perubahan Waktu Kabel Bekerja

t (jam) 2 4 6 12 24

L (meter) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

δ 4.68 x 10-7

4.68 x 10-7

4.68 x 10-7

4.68 x 10-7

4.68 x 10-7

x 0.134 0.067 0.044 0.022 0.011

Ei 1.57 2.2 2.58 3.25 3.93

x 7.419 3.709 2.473 1.237 0.618

Ei 0.0035 0.1411 0.4744 1.3902 0.522

Wt(W/m) 35.822 35.822 35.822 35.822 35.822

∆θe(ºC) 55.5212 53.34292 51.29949 47.2545 47.30543

4.3.3.2 Pengaruh Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel


Dengan menggunakan rumus pada sub bab 4.3.3 maka

diperoleh perubahan panas terluar kabel akibat dari perubahan

kedalaman penanaman kabel seperti pada Tabel 14 berikut.

Tabel 14. Panas Lapisan Terluar Kabel terhadap


L (meter) 0.5 1 1.5 2

∆θe(ºC) 47.30543438 49.38277 51.26198 51.79279

Dari hasil perhitungan sebagai referensi, diperoleh nilai error

antara panas lapisan terluar kabel hasil simulasi pemetaan dan

perhitungan manual seperti pada Tabel 15 berikut ini.

Tabel 15. Nilai Error Panas Lapisan Terluar Kabel yang Terukur

terhadap Perubahan Kedalaman Penanaman Kabel

∆θe(ºC)

Simulasi

Pemetaan

Perhitungan

Error ( % )

47.75 47.30543 0.9398 %

48.06 49.3827 2.6785 %

48.52 51.26198 5.349 %

49.03 51.79279 5.3343 %

Total error 3.5754 %

Nilai error dihitung dari

%100nPerhitunga

Simulasi-nPerhitungaError ×=

Dari hasil simulasi pemetaan dapat disimpulkan bahwa

besar panas lapisan terluar kabel dipengaruhi oleh kedalaman

penanaman kabel tersebut, semakin dalam penanaman kabel maka

semakin tinggi besarnya perubahan suhu lapisan terluar kabel. Error

terlihat besar karena dalam simulasi input data pada simulasi sangat

terbatas dan dapat juga terjadi kesalahan parallax dalam melihat data

suhu panas terluar lapisan kabel tersebut.

4.3.3.3 Pengaruh Perubahan Konduktivitas Panas Tanah


Dengan menggunakan rumus pada sub bab 4.3.3 maka

diperoleh perubahan panas terluar kabel akibat dari perubahan konduktivitas panas tanahl seperti pada Tabel 16 berikut.

Tabel 16. Panas Lapisan Terluar Kabel terhadap Perubahan

Konduktivitas Panas Tanah

ρs (K.m/W) 0.7 1 2 3

∆θe(ºC) 47.66854 47.51927 46.94115 45.93618

Dari hasil perhitungan sebagai referensi, diperoleh nilai

error antara panas lapisan terluar kabel hasil simulasi pemetaan dan perhitungan manual seperti pada Tabel 17 berikut ini.

Tabel 17. Nilai Error Panas Lapisan Terluar Kabel yang Terukur

terhadap Perubahan Konduktivitas Panas Tanah

∆θe(ºC)

Simulasi

Pemetaan

Perhitungan

Error ( % )

52.634 47.66854 10.4166 %

50.043 47.51927 5.311 %

46.89 46.94115 0.109 %

45.987 45.93618 0.1106 %


Nilai error dihitung dari

%100nPerhitunga


Dari hasil simulasi pemetaan dapat disimpulkan bahwa

besar panas lapisan terluar kabel dipengaruhi oleh perubahan

konduktivitas panas tanah tersebut, semakin besar konduktivitas

panas tanah maka semakin rendah besarnya perubahan suhu lapisan

terluar kabel. Error terlihat besar karena dalam simulasi input data

pada simulasi sangat terbatas dan dapat juga terjadi kesalahan

parallax dalam melihat data suhu panas terluar lapisan kabel tersebut

4.3.4 Kuat Medan Listrik

Perhitungan manual untuk menentukan nilai kuat medan

listrik kabel XLPE 20 kV diperoleh secara pendekatan dengan

menggunakan rumus.

19.4

r

J J JJ JJ J J J JJ J J J Jrn

VkE

ek

6564645363534262524231615141312

bmax Κ

××

×=

Dimana

V :Tegangan (kV) = 20 kV

J : Jarak antar konduktor fasa (m) untuk kedalam penguburan

kabel 0.5 meter

Sampel perhitungan berikut akan dilakukan dengan data

pada Tabel 18 berikut untuk jarak konduktor antar fasa dengan kedalaman penanaman kabel 0.5 meter

Tabel 18. Jarak Konduktor antar Fasa dengan Kedalaman


Konduktor J (meter )

J14 , J24 1.082

J34 1.0723

J15 , J26 1.091

J35 , J36 1.082

J16 , J25 1.091

J12 , J13, J23, J45, J46,

J56 0.011

kb : Faktor koreksi

r : Jari-jari luar konduktor (m) = 0.00935 m rek : Jari-jari ekivalen konduktor (m)

: 0.00935 m / 3 = 0.005398225

n : Jumlah inti konduktor = 3

7


Nilai kb dihitung dengan menggunakan rumus

n

ek

ekbr

n.rRk =

,sehingga

0.04597505

50.00539822

00935.0350.00539822k 3

b

=

⋅⋅=

Jadi kuat medan listrik kabel adalah

kV/m023423274.1

00935.03

2004597505.0E

005398225.0

00641.199684.000635.19873.099684.0011.0max 15 22226

=

××

×=

⋅⋅⋅⋅⋅

Tabel 19 berikut menujukkan perhitungan perubahan Emax permukaan tanah terhadap perubahan kedalaman penanaman kabel

Tabel 19. Kuat Medan Listrik Permukaan Tanah terhadap


L(meter) 0.5 1 1.5 2

Emax (kV/m) 1.023423274 0.598936 0.473468 0.400063

Dengan hasil perhitungan sebagai referensi, diperoleh nilai

error antara Emax hasil simulasi pemetaan dan perhitungan manual

seperti pada Tabel 20 berikut ini.

Tabel 20. Nilai Error Kuat Medan Listrik Permukaan Tanah

yang Terukur terhadap Perubahan Kedalaman

Penanaman Kabel

Emax (kV/m)

(kV/m) Perhitungan

Simulasi

Simulasi Error ( % )

1.023423 1.0943 6.925 %

0.598936 0.580794 3.029 %

0.473468 0.465183 1.7499 %

0.400063 0.403568 0.876 %


Nilai error dihitung dari:

%100nPerhitunga


Dari hasil simulasi pemetaan kuat medan listrik dapat

disimpulkan bahwa besar kuat medan listrik dipengaruhi oleh

kedalaman penanaman kabel. Semakin dalam penanaman kabel

maka akan semakin kecil kuat medan listrik yang dihasilkan

permukaan tanah.

V. PENUTUP

5.1 Kesimpulan

1. Berdasarkan hasil simulasi pemetaan medan listrik dan panas

kabel yang dihasilkan, distribusi medan listrik dan panas pada

kabel XLPE 20 kV terlihat tidak merata tergantung pada besar

tegangan konduktor, kedalaman penguburan kabel, dan tahanan jenis tanah / konduktivitas panas tanah tersebut.

2. Dari hasil perubahan hambatan jenis (resistivitas) tanah dari 10,

60, 400, 1000 ohm/meter diperoleh kuat medan listrik pada

permukaan tanah yang sama (tidak terjadi perubahan) yaitu :

0.598936 kV/m . Dan untuk perubahan konduktivitas panas

tanah dari 0.7, 1, 2, dan 3 K.m/W diperoleh perubahan panas

lapisan terluar kabel pada hasil simulasi pemetaan sebagai

berikut : 52.634, 50.043, 46.89, 45.987 ºC, dan untuk hasil

perhitungan berturut-turut diperoleh : 47.66854, 47.51927,

46.94115, 45.93618 ºC. Dan untuk kapasitas hantar arus yang

mengalir akibat perubahan konduktivitas panas tanah berturut-

turut sebagai berikut : 531.96, 460.85, 340.42, dan 282.2

Ampere.

3. Dari hasil perubahan kedalaman penanaman kabel dari 0.5, 1,

1.5, dan 2 meter diperoleh kuat medan listrik dari hasil simulasi

pemetaan berturut-turut sebagai berikut : 1.0943, 0.580794,

0.465183, 0.403568 kV/m dan untuk hasil perhitungan berturut-

turut sebagai berikut: 1.023423, 0.598936, 0.473468, 0.400063

kV/m.. Dan untuk perubahan panas lapisan terluar kabel yang

terjadi akibat perubahan penanaman kabel dari hasil simulasi

pemetaan berturut-berturut adalah : 47.75, 48.06, 48.52, 49.03

ºC, dan dari hasil perhitungan berturut-turut adalah : 47.30543,

49.3827, 51.26198, 51.79279 ºC. Dan untuk kapasitas hantar arus yang mengalir akibat perubahan kedalaman penanaman

kabel berturut-turut sebagai berikut : 460.85, 423.69, 405.74,

394.31 Ampere.

4. Dengan membandingkan nilai kuat medan listrik hasil simulasi

pemetaan dan hasil perhitungan manual akibat dari perubahan

kedalaman penanaman kabel diperoleh nilai error sebesar 3.145

%, untuk perubahan kedalaman penanaman kabel terhadap panas

yang dihasilkan lapisan terluar kabel diperoleh error sebesar

3.5754 %, dan error yang didapat akibat pengaruh perubahan

konduktivitas panas tanah terhadap panas yang dihasilkan

lapisan terluar kabel adalah 3.9868 %. Error terlihat besar, karena input data pada simulasi sangat terbatas (tidak spesifik

seperti pada perhitungan).

5.2 Saran

1. Pada tugas akhir ini simulasi pemetaan medan listrik dan

distribusi panas dilakukan dengan menggunakan software

MATLAB dengan metode elemen hingga. Untuk selanjutnya

dapat digunakan software yang lain dan metode yang lain, yang

bisa memasukkan input data yang lebih spesifik sehingga error

yang didapat tidak terlampau besar.

2. Untuk pengembangan lebih lanjut dapat dilakukan analisa yang

sama untuk kabel dengan jenis yang berbeda dengan tegangan

yang berbeda.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Anders, George J. 1997. Rating of Electric Power Cables :

Ampacity Computations for Transmission, Distribution, and Industrial Applications. New York: Penerbit Institute of

Elelctrical and Electronics Engineers Inc.

[2]. Arismunandar, Artono. 1982. Teknik Tegangan Tinggi

Suplemen. Jakarta: Penerbit Ghalia Indonesia

[3]. Arismunandar, Artono. 1993. Teknik Tenaga Listrik Jilid II.

Jakarta: Penerbit Pradnya Paramita. [4]. Dwiyanto, Y. O. 2008. Pemilihan dan Pemodelan Kabel 150

kV Berdasarkan Aspek Elektrik, Thermal dan Mekanik. Surabaya: Jurusan Teknik Elektro-ITS

[5]. Hayt, W. H. Jr. 1992. Elektromagnetika Teknologi Edisi

Kelima Jilid I. Jakarta: Penerbit Erlangga.

[6]. Huebner, Kennet H and Thornton, Earl A. 1982. The Finite

Element Method for Engineers. Virginia: Penerbit John Wley

and Sons.

[7]. Hutauruk., T. S. 1985. Transmisi Daya Listrik. Jakarta:

Penerbit Erlangga

[8]. Indah, Rosa Ria. 2008. Studi Perbandingan Pengukuran dan

Pemetaan Distribusi Medan dan Potensial Listrik Pada

Isolator Tegangan Menengah dengan Finite Element

Method. Surabaya: Jurusan Teknik Elelektro-ITS.

[9]. Kadir, A. 1998. Transmisi Tenaga Listrik. Jakarta: Penerbit

Universitas Indonesia.

[10]. Manjang, Salama. Armiyah, Bidayatul. 2005. Analisis

Distribusi Radial Temperatur Kabel XLPE Menggunakan

Metode Numerik Elemen Hingga. Semarang: Seminar

Nasional Teknik Ketenagalistrikan.

8


[11]. Moore, George F. 1997. Third Edition of Electric Cables

Handbook/BICC Cables. USA: Royal Academy of

Engineering Visiting Professor University of Liverpool

[12]. Nurrachmanto, Adi Eka. 2009. Analisis Permodelan dan

Perhitungan Kuat Medan Listrik Bahan Isolasi serta

Kapasitas Hantar Arus pada Kabel XLPE 20 kV

Menggunakan Metode Elemen Hingga. Surabaya: Jurusan

Teknik Elektro-ITS

[13]. Silabus Medium Voltage XLPE Insulated Cable. PT

Supreme Cable Manufacturing and Commerce Tbk.

[14]. SPLN 1 : 1995. Tegangan-Tegangan Standar. Jakarta :

Penerbit PT. Perusahaan Listrik Negara (Persero).

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Indriyanti Paramita dilahirkan di Jakarta, 18 Juni 1987. Penulis adalah putri pertama

pasangan Mochammad Suryadi dan Reni

Historiwati. Penulis memulai karir

akademisnya di TK Mutiara dan SD

PUTRA I Jakarta hingga tahun 1999.

Setelah itu penulis melanjutkan studinya

di SLTPN 115 Jakarta. Tahun 2002

penulis penulis diterima sebagai murid

SMUN 8 Jakarta hingga lulus tahun 2005.

Setelah lulus SMU penulis melanjutkan

studi sarjananya di Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya tahun 2005. Selama

di ITS penulis aktif di organisasi Himpunan Mahasiswa Elektro

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dan juga menjadi

asisten praktikum pada lab Konversi Energi. Pada bulan Juli 2009

penulis mengikuti seminar dan sidang Tugas Akhir dengan Bidang

Studi Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro FTI –ITS Surabaya sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana.

analisis pengaruh jenis dan kedalaman tanah terhadap … · tanah penguburan kabel dan jenis-jenis...

Documents