arrester

BAB IV

LIGHTNING ARRESTER

1. Pengertian

Lightning arrester adalah alat proteksi bagi peralatan listrik terhadap tegangan

lebih, yang disebabkan oleh petir atau surja hubung (switching surge). Alat ini bersifat

sebagai By-pass disekitar isolasi yang menghubungkan arus kilat ke system

pertanahan sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak

isolasi peralatan listrik. Jadi pada keadaan normal arrester berlaku sebagai isolator,

bila timbul tegangan surja alat ini bersifat sebagai konduktor yang tahanannya relative

rendah, sehingga dapat mengalirkan arus yang tinggi ketanah.

Sesuai dengan fungsinya, yaitu arrester melindungi peralatan listrik pada

system jaringan terhadap tegangan lebih yang disebabkan petir atau surja hubung.

Maka pada umumnya arrester dipasang pada ujung SUTT yang memasuki gardu

induk.

2. Bagian-bagian yang penting dari arrester

Beberapa bagian yang terdapat pada suatu arrester yaitu :

a. Elektroda

Elektroda-elektroda ini adalah terminal dari arrester yang dihubungkan dengan

bagian yang bertegangan di bagian atas, dan elektroda bawah dihubungkan

dengan tanah.

b. Sela Percikan (spark-gap)

Apabila terjadi ganguan lebih oleh sambaran petir atau surja hubung pada

arrester yang terpasang, maka pada sela percikan (spark-gap) akan terjadi

loncatan busur api. Pada beberapa type arrester busur api yang terjadi tersebut

di-tiup keluar oleh tekanan gas yang ditimbulkan oleh tabung fiber yang

terbakar.

c. Tahanan katun(vave resistor)

Tahanan yang dipergunakan dalam arrester ini adalah suatu jenis material yang

besifat tahanannya yang berubah bila mendapatkan perubahan tegangan

3. Jenis-jenis Lightning Arrester

Lingkup arrester luas, mulai dari penggunaan elektronika hingga pada system

transmisi Tegangan Tinggi maupun Tegangan Ekstra Tinggi. Laporan ini membahas

tentang arrester pada level tegangan Lightning Arrester pada Sistem Transmisi secara

umum yang dapat dikelompokkan berdasarkan beberapa kategori:

1. Berdasarkan Level Tegangan Withstand Voltage Peralatan yang

dilindungi

Mengacu pada IEC 60071-1:

a. Range I (1kV – 245kV)

b. Range II (di atas 245 kV)

Klasifikasi ini didasarkan pada perbedaan karakteristik surja, dimana pada

Range II surja akibat proses switching lebih membahayakan peralatan daripada surja

lightning. Oleh karena proses switching memiliki steepness yang lebih lambat, maka

diperlukan pula arrester dengan karakteristik komponen non linear yang berbeda.

ANSI/ IEEE C62.1 dan C62.11 membedakan lightning arrester ke dalam 4 kelas:

a. Station Class

b. Intermediate Class

c. Distribusi Class

d. Secondary Class

2. Berdasarkan Letak Pemasangan

Arrester pada HV/ EHV menurut pemasangannya dibedakan menjadi sebagai

berikut:

a. Arrester GIS

Gambar 4.1 Arrester di GIS

b. Arrester Saluran Transmisi

Dipasang baik parallel dengan insulator pada tower (umumnya diserikan

dengan spark gap) atau dipasang pada konduktor sebagai pengganti damper

dilengkapi dengan disconnector Switch. Untuk tipe gap, stress akibat tegangan

power frekuensi tidak mempengaruhi kondisi arrester, namun sulit untuk

memonitor kondisi arrester karena tidak dilengkapi dengan counter, yang dapat

dilaksanakan adalah monitoring kondisi tanduk api untuk menentukan apakah

telah terjadi proses discharge.

Sementara untuk arrester tanpa gap, dipasang pada konduktor terhubung ke

ground, dilengkapi dengan disconnector switch (yang akan bekerja bila telah

terjadi arus di atas nilai nominalnya), arrester line jenis ini juga dilengkapi

dengan counter sehingga memudahkan proses monitoring.

c. Arrester Gardu Induk

Merupakan Arrester kebanyakan yang terpasang di Gardu Induk, menurut

material penyusun housing, material Gardu Induk dibedakan menjadi:

1. insulator porselen

2. insulator polimer

Gambar 4.2 Lightning Arrester Jenis Metal Oksida di Gardu Induk Simpang Tiga

1. Berdasarkan material penyusun komponen non linear

A. Sela Udara Air Gaps dengan Modifikasi

Proteksi selama periode awal ini hanya menggunakan sela udara sederhana dari

line ke ground.Gap dapat didesain agar terjadi spark over pada tegangan yang

cukup rendah untuk menyediakan perlindungan petir yang baik,tanpa tegangan

discharge.Akan tetapi,sela udara tidak mampu menghilangkan power follow

current kecuali sebuah resistansi dipasang seri untuk membatasi magnitude arus

dan meningkatkan nilai power factor dari sirkuit interrupting.Sekalipun

demikian ,sela udara membutuhkan operasi CB atau fuse untuk memadamkan

power follow current.

B. Nonlinear Resistors berdasarkan Puncturing dan Reforming Film

Arrester yang pertama kali menggunakan elemen valve nonlinear adalah sel

alumunium,pertama diperkenalkan di tahun 1908.Sebuah arrester sel aluminium

comprised bola atau horn gap dipasang sering dengan tangki yang berisi sel

aluminium.Setiap sel memiliki level tegangan 300 Volt.Elektrolit ditabur di dalam

cone untuk memisahkan antar sel.beberapa cone dimasukkan ke dalam tanki yang

berisi minyak.Lapisan Film yang berada di dalam plat dapat punctured oleh

lightning discharge,namun akan membentuk kembali atau “heal”rapidly setelah

proses discharge.Secara Fisik ,arrester ini berukuran besar dan memerlukan

pemeliharaan khusus,seperti kebutuhan pengecekan plat film harian.

C. Arrester dengan Lapisan Film Oksida

Arrester jenis ini terdiri dari gap yang dipasang seri dengan sejumlah sel yang

berisi lead peoksida.Pada ujung pelat sel dibungkus dengan lapisan film

insulasi.Ketika lapisan film insulasi mengalami surge,nilai resistansi menjadi

rendah dan arus mengalir.Lead peroksida menjadi bersifat high resistan untuk

memadamkan follow current .Arrester dapat beroperasi sekian kali sebelum sel

memerlukan rekondisi.

D. Resistor Non Linear Silicon Carbide Dengan Gap Nonactive

Blok resistor non linear terbuat dari silicon Carbide.Nilai tegangan pada blok

tergantung pada bijih Silicon Carbide dan proses bonding dan pembakaran selama

pabrikasi.Ukuran arrester ini 80 % lebih kecil bila dibandingkan dengan generasi

Film Oksida.

E. Resistor Non Linear Silicon Carbide dengan Active Gaps

Gap arrester active diatur sehingga medan magnetis dihasilkan oleh koil ( atau

Komponen lain dengan Fungsi sama) menggerakkan power follow current arc dari

titik inisiasi menuju tempat pada struktur gap dimana proses pemadaman

berlangsung.

F. Zinc Oxide Arresters

Elemen valve ,terbuat dari Zinc Oksida dengan sejumlah komponen additive untuk

memenuhi karakteristik sesuai dengan yang diinginkan.Material dasar penyusun

keeping blok MOSA ( Metal Oxide Surge Arrester) adalah ZnO.Senyawa ZnO

memiliki kemampuan konduktivitas sangat baik ketika dilewati arus

kerja discharge-nya pada interval arus 1-100 kA ,namun akan berlaku sebagai

kapasitor atau resistansi tinggi ketika dilewati arus dibawah nilai tersebut.

Pengembangan MOS (Metal Oxide Arrester) digunakan pada perangkat

perlindungan tegangan lebih.Hasil pengembangan ini memungkinkan arrester di

desain tanpa menggunakan celah percikan seperti dalam lightning arrester

konvensional yang menggunakan resistor non-linear yang terbuat dari Silicon

Carbide (Sic) dan menggunakan celah percikan.

Gambar 4.3 Blok diagram pengaturan Katup pada : a)Sic,unsure-unsur sela

percikan dihubungkan Secara seri ; dan b)MO,unsur-unsur ditumpuk diatas satu

sama lain tanpa sela percikan.

Gambar 4.4 Struktur Skematis dari rangkaian elemen tiga kolom

4. Konsep Dasar Ligthing Arrester

5.6.

Lightning Arrester/ Arrester/ Surge Arrester memiliki peran penting di dalam

koordinasi isolasi peralatan di gardu induk. Fungsi utama dari Lightning Arrester

adalah melakukan pembatasan nilai tegangan pada peralatan gardu induk yang

dilindunginya. Panjang lead yang menghubungkan arrester pun perlu diperhitungkan,

karena inductive voltage pada lead ini ketika terjadi surge akan mempengaruhi nilai

tegangan total paralel terhadap peralatan yang dilindungi. Untuk memahami kerja

sebuah arrester, maka akan dijelaskan lebih rinci di bawah melalui contoh kasus yang

diperoleh dari Siemens Handbook – Metal Oxide Arrester.

4.4.1 Over Voltage (Tegangan Lebih)

Pada kurva di bawah ini menunjukkan bagaimana arrester melakukan

pemotongan tegangan lebih terhadap beragam jenis surja:

Gambar 4.5 Skematik diagram yang menggambarkan level tegangan yang mungkin

timbul pada peralatan gardu induk, bila diinstall LA ataupun tanpa diinstall Lightning

Arrester.

Surja - atau pendek, arrester - merupakan suatu bantuan yang sangat diperlukan untuk

insulasi coordination1 dalam sistem catu daya listrik. Gambar 4.5 membuat ini jelas.

Ada yang tegangan yang mungkin muncul dalam sistem tenaga listrik tegangan tinggi

yang diberikan dalam per- unit nilai puncak yang tertinggi fase bumi-to-menerus

voltage2, tergantung pada durasi waktu.Sumbu waktu dibagi menjadi kisaran

tegangan lebih petir (mikro-detik), beralih tegangan lebih (milidetik) 3, tegangan lebih

sementara (detik) -yang sering dikutip oleh singkatan "Tov" - dan akhirnya temporally

unlimited tertinggi sistem kontinyu tegangan operasi. Tegangan atau overvoltage

yang dapat dicapai tanpa menggunakan arrester, adalah nilai dari beberapa pu Jika

sebaliknya,satu mempertimbangkan kurva tegangan menahan isolasi peralatan, (di sini

membekali-pemerintah berarti perangkat listrik seperti transformator daya) satu

pemberitahuan bahwa mulai tahun kisaran beralih overvoltages1, dan terutama untuk

tegangan lebih petir,isolasi peralatan tidak dapat menahan tekanan dielektrik terjadi.

Pada titik ini,arester intervensi. Sementara dalam operasi, bisa dipastikan bahwa

tegangan yang terjadi padaterminal perangkat - tetap menjaga margin keselamatan

yang memadai - akan tetap di bawah yang menahan tegangan. Efek arrester ', oleh

karena itu, melibatkan petir dan switching overvoltages2.

Melalui kurva tersebut terlihat bahwa durasi overvoltage berbeda satu sama lain,

yaitu:

1. Lightning Overvoltage – fast front overvoltage (Durasi Microseconds)

2. Switching Overvoltages – slow front overvoltage (Durasi Milliseconds)

3. Temporary Overvoltages – TOV (Durasi seconds), missal akibat gangguan sistem

4.4.2 Resistor SiC (Silicon Carbide) dan ZnO (Zinc Oxide)

Sekalipun Arrester jenis ber-gap dengan resistor non linear SiC (Silicon

Carbide) masih terpasang pada sebagian kecil Gardu Induk, namun mayoritas Arrester

yang kini terpasang adalah jenis tanpa gap, dimana Varistor Metal Oksida (ZnO)

digunakan sebagai komponen resistor non linear. Keunggulan dari Arrester Metal-

Oksida adalah karakteristik tegangan-arus non-linear yang ekstrim.

Pada Arrester yang masih menggunakan komponen SiC, diperlukan gap untuk

melakukan discharge overvoltages. Peristiwa pada gap arrester ini mungkin

menimbulkan panas berlebih pada kedua titik gap.

Gambar 4.6. Perbandingan Karakteristik antara Arrester jenis Metal Oksida dan jenis

Silicon Carbida

4.4.3 Parameter Arrester Metal Oksida

Seperti telah dijelaskan sebelumnya, bahwa keistimewaan arrester jenis metal

oksida adalah memiliki karakteristik yang ekstrim, sehingga tidak memerlukan gap

udara tambahan dalam proses pemotongan tegangan surja. Pada kasus ini, diberikan

contoh arrester yang terpasang pada sebuah sistem 150 kV, dimana arrester memiliki

residual voltage (10kA) sebesar 823 kV.

Gambar 4.7 Kurva Karakteristik V-I dari Arrester Jenis Metal Oksida

Tegangan power frequency merupakan besaran tegangan fasa ke tanah yang

dioperasikan secara kontinu terhadap arrester. Pada kurva di atas, nilainya adalah:

Di saat yang bersamaan mengalir besaran arus bocor (leakage current) yang

sebagian besar mengandung komponen kapasitif, dengan sebagian kecil komponen

resistif. Pada kurva di atas Gambar 4.8,nilai arus yang direpresentasikan merupakan

besaran nilai arus resistif.

Untuk mendapatkan gambaran besaran arus komponen kapasitif, dapat dilihat

pada grafik osiloskop seperti pada Gambar di bawah ini :

Pada tegangan power frequency 343 kV, besaran arus resistif menurut kurva

(Gambar 4.8) bernilai 100 μA, sementara kurva yang ditunjukkan melalui osiloskop

ditunjukkan dalam kurva di bawah ini memiliki nilai puncak 0,75 mA yang

merupakan arus bocor total, dimana mayoritas mayoritas arus memiliki komponen

kapasitif :

Grafik Osiloskop Arus bocor pada Arrester

Continuous Operating Voltage, disimbolkan Uc (bila merujuk pada standar IEC),

sama artinya dengan MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) bila

mengacu ANSI/ IEEE, merupakan nilai tegangan power-frequency dimana arrester

dapat terus beroperasi tanpa batasan tertentu. Seluruh bagian arrester, yang telah

diujikan pada type test, mampu bekerja dengan baik level tegangan kontinu

ini. Parameter ini sering salah diartikan dengan Rated Voltage.

R ated V oltage . Nilai rated mencerminkan kemampuan arrester dalam

menghadapi Temporary Overvoltage. Rated voltage ini hanya boleh dialami oleh

arrester selama durasi tertentu, yaitu 10 detik. (beberapa pabrikan memberikan durasi

hingga 100 detik). Pada saat mencapai rated voltage (lihat kurva V-I pada

Gambar 4.8.) besar arus bocor (komponen resistif) menjadi 1 mA. Nilai arus tersebut

cukup besar untuk menghasilkan panas di dalam kompartemen arrester dalam waktu

panjang. Umumnya relasi antara Ur dan Uc, ditunjukkan oleh nilai: Ur = 1,25 x Uc.

Lightning Impulse protective Levels. Merupakan parameter yang paling penting

pada Lightning Arrester. Nilai ini menunjukkan besar tegangan diantara kedua ujung

arrester ketika nominal discharge current mengalir melalui arrester. Lightning current

impulse bervariasi dari 1,5 kA hingga 20 kA (IEC 60099-4). Utk Arrester HV (Us>=

123 kV), umumnya hanya terdapat kelas 10 kA dan 20 kA.

4.4.4 Nameplate Arrester Gardu dan Hasil pengukuran tahanan Isolasi Pada

Pemeliharaan Lightning Arrester di Gardu Indung Simpang Tiga

1. PHT 150 KV PRABUMULIH LINE 1

Pabrik : EMP (Bowthorpe Emp Brighton England)

Type : MCA4-150, 150 KV 40 KA, Class 3 1997

UC-MCOV 120 KV

10 KA Heavy Duty

Basic Impulse Insulated Level ( BIL ) : 750 kV

Switching Impulse Level (SIL) : 620 kV

Tahun Pemasangan : 14 juli 2003

2. PHT 150 KV PRABUMULIH LINE 2

Pabrik : ABB Power Technologies

Surge arrester EXLIM Q 150-EH 170

No. 75105241

Class 10 KA

Year : 2006

Ur : 150 KV

Uv : 108 KV



Short circuit current : 65 KV

3. PHT 150 KV KERAMASAN LINE 1

Pabrik : DELLE ASTHLOM

Type : PYB 150

Rated : Un : 150 KV

10 KA Nominal Discharge Current

20 KA pressure



4. PHT 150 KV KERAMASAN LINE 2

Pabrik : ABB Power Technologies

Surge arrester EXLIM Q 150-EH 170

No. 75105241

Class 10 KA

Year : 2006

Ur : 150 KV

Uv : 108 KV

Short circuit current : 65 KV



Nama Saluran Nilai tahanan saat pemeliharaan untuk bulan September 2012

Kramasan 1 R = 20,6 GΩ

S = 40,3 GΩ

T = 60,2 GΩ

Kramasan 2 R = 30,4 GΩ

S = 20,3 GΩ

T = 50,3 GΩ

Prabumulih 1 R = 50 GΩ

S = 50,2 GΩ

T = 70,5 GΩ

Prubumulih 2 R = 30,4 GΩ

S = 40,3 GΩ

T = 60,2 GΩ

Tabel 1 : Hasil Pengukuran pada Pemeliharaan Tahanan Isolasi Ligtning Arrester

pada Gardu Induk Simpang Tiga.

Dari hasil pengukuran Tahanan Isolasi Lightning Arrester pada saat Pemeliharaan di

Gardu Induk Simpang Tiga pada bulan September dapat dikatakan bahwa tahanan

Isolasnya masih dalam keadaan baik (Dilihat dari tahanan Minimum Isolasi 1

MΩ).Dan kemampuan sistem proteksi Lightning Arrester di Gardu Induk Simpang

Tiga adalah Sebesar 10 % X tegangan Nominal (150 kV) = 15 kA.

Tabel 2 Karakteristik Arrester

Dimana :

FOW : Tegangan Percikan Impuls muka Gelombang

STD : Tegangan Percikan Impulse Maksimum

Tegangan Percikan maksimum (maksimum impuls sparkover voltage) merupakan

tegangan gelombang impuls tertinggi yang terjadi pada arrester.Jika tegangan puncak

surja petir yang datang mempunyai harga yang lebih tinggi atau sama dengan

tegangan percikan maksimum arrester, maka arrester akan bekerja memotong surja

dan mengalirkannya ke tanah.

Tabel 3: Tegangan Kerja Arrester

5. Pertimbangan Pemasangan Arrester

Setiap peralatan di gardu induk memiliki Standard Lightning Impulse With-

stand Voltage (juga dikenal sebagai nilai BIL) sesuai desain. Pada sistem 420 kV

nilai ini sebesar 1425 kV, sementara pada banyak GITET miliki PLN, untuk sistem

500kV memiliki nilai BIL bervariasi antara 1550 – 1800 kV. Menurut IEC 60071-

2, tegangan tertinggi yang diperbolehkan pada peralatan beroperasi dengan non-

self-restoring (contoh Transformator), merupakan nilai Standard Lightning

Impulse withstand Voltage dibagi dengan safety factor 1,15.

Sehingga untuk sistem 150 kV, tegangan tertinggi yang diperbolehkan pada

peralatan ketika mengahadapi surja adalah sebesar 1239 kV. Tidak jarang nilai

batas aman ini terlampaui. Hal-hal yang memungkinkan batas ini terlampaui

adalah sebagai berikut proses gelombang berjalan.

Kenaikan secara cepat nilai over voltage akan menyebar dalam bentuk

gelombang berjalan (travelling wave) pada line. Pada kondisi demikian, dimana nilai

surge impedance (surge impedance: impedansi relevan selama proses terjadinya

gelombang berjalan di dalam saluran transmisi) berubah, terjadi peristiwa refraksi dan

refleksi (lihat gambar di bawah ini).

Ketika gelombang berjalan mencapai sebuah ujung saluran tanpa terminasi,

maka gelombang tersebut akan dipantulkan ke arah balik. Level tegangan pada setiap

titik secara instan di saluran merupakan penjumlahan dari nilai instan yang berbeda

dari setiap gelombang tegangan individual. Sehingga pada ujung saluran, nilai tegangan menjadi dua kalinya.

Gambar 4.8 Skema Proses Gelombang Berjalan

Pada skema di atas, gelombang berjalan bergerak dengan kecepatan cahaya

yaitu 300.000 km/ detik. Dalam contoh ini pula, arrester dianggap sebagai arrester

ideal, dimana arrester akan tetap bersifat sebagai insulator hingga beda potensial

diantara kedua ujungnya mencapai 823 kV, juga tegangan lebih tinggi akan dibatasi

pada nilai tersebut (prosos pemotongan tegangan surja).

Oleh k

arena jarak antara arrester dan trafo adalah 30 meter, maka surja akan mencapai

trafo dalam waktu 0,1 µs kemudian. Pada saat gelombang berjalan mencapai trafo,

tegangan di arrester mencapai nilai: 1000kV/ µs . 0,1 µs = 100kV (arrester masih

bersifat sebagai insulator). Gelombang berjalan akan dipantulkan kembali setelah

mencapai transformator.

Contoh di atas memberikan gambaran bahwa mungkin saja, tegangan pada

peralatan akan lebih tinggi di arrester itu sendiri ketika terjadi surja. Seberapa besar

tegangan pada peralatan tergantung pada:

1. Jarak antara Arrester dan peralatan yang dilindungi

2. Nilai front steepness dari surja tegangan

Sebagai contoh pada perhitungan di atas, bila jarak antara arrester dan

transformator ditingkatkan menjadi 2x dan nilai steepness meningkat 10%, maka

berdasarkan perhitungan gelombang berjalan tegangan pada transformator menjadi >

1239 kV. Hal ini berarti juga bahwa arrester memiliki zona proteksi yang terbatas.

Pemasangan arrester dalam contoh di atas, digambarkan dalam gambar di bawah ini:

Skema pemasangan Lightning Arrester

Jarak dari Over Head Line Conductor menuju bumi adalah 10 meter. Bila

diasumsikan bahwa nilai induktansi konduktor adalah 1 µH/ m, maka total nilai

induktansi untuk jarak 10 meter adalah 10 µH. Bila dalam kasus ekstrim, arus

steepness yang menuju arrester sebesar 10kA/s, maka akan terdapat tegangan sebesar

100kV pada arrester yang akan mensumperimpose tegangan discharge arrester.

Level proteksi dari sebuah arrester didefinisikan sebagai nilai residual voltage

pada arrester ketika arrester tersebut dialiri oleh arus nominal discharge standar.

Arrester memiliki kemampuan untuk dialiri arus discharge yang lebih tinggi, namun

semua tergantung pada kurva V-I keping metal oksidanya sendiri.

Oleh karena itu dalam memasang arrester perlu dipertimbangkan beberapa

detil, seperti: jarak dari arrester dan peralatan yang dilindungi, karakteristik surja di

GI/ GITET. Umumnya digunakan factor pembagi antara nilai Standard Lightning

Impulse Withstand Voltage (dikenal juga dengan istilah BIL) dan nilai Lightning

Impulse Protective Level dari Arrester itu sendiri.

Selain mempertimbangkan agar arrester beroperasi stabil pada kondisi operasi

tegangan kontinu, dan memilih nilai level proteksi serendah mungkin, juga perlu

mempertimbangkan kemampuan absorpsi energi. Kemampuan absorpsi pada setiap

individu arrester sangat terkait pada hal sebagai berikut:

1. Energi yang diinjeksi secara instan. (single Impulse Energy Absorption Capability).

Selama Arrester mengalami pukulan single dari surja, maka akan timbul panas yang

tinggi dalam keping metal oksida, panas ini memungkinkan kerusakan pada keping metal

oksida, belum lagi, bila distribusi material penyusun Keping MO tidak sempurna akibat

keterbatasan kemampuan proses pabrikasi. Selain panas, stress pukulan mekanis pun

dihasilkan pada keping metal oksida, hal ini dapat merusak fungsi arrester. Besaran

batasan kemampuan terhadap Impulse tunggal ini perlu didefinisikan oleh pabrikan.

Gambar 4.9 Kerusakan keping Metal Oksida

2. Kemampuan Absorpsi Energi Thermal , (Thermal Energy Abosorption Capability).

Merupakan level energi maksimum yang diinjeksikan ke dalam arrester, dimana

arrester masih mampu melakukan proses pendinginan secara otomatis ke suhu

normal operasinya.

Kurva di bawah ini menunjukkan titik-titik suhu dimana arrester beroperasi. Pada

titik “stable operation point”, panas yang dihasilkan oleh arrester masih mampu

didisipasikan keluar dari arrester. Titik “thermal stability limit” merupakan batas

atas dari suhu maksimum yang dapat diterima oleh Lightning Arrester, selama

keping metal oksida belum mencapai titik suhu tersebut maka suhu dari keping

metal oksida masih dapat diturunkan ke suhu normal operasi. Nilai typical pada

titik ini adalah 170 – 200OC

Kurva Stabilitas Thermal

1. Jarak Maksimum Lightning Arrester Dan Transformator Yang

Dihubungkan Dengan Saluran Udara

Perlindungan Yang baik diperoleh jika arrester ditempatkan sedekat mungkin

dengan transformator.Tetapi,dalam kenyataannya,arrester harus ditempatkan dengan

jarak tertentu,agar perlindungan dapat berlangsung dengan baik.

Gambar 4.10 : Jarak Arrester dengan Transformator Sebesar

Jika Arrester dihubungkan dengan menggunakan saluran udara alat yang

dilindungi ,maka untuk menentukan jarak yang baik antara Arrester dengan

Transformator ,dinyatakan dengan persamaan :

t = a + 2µ x /v

Dengan :

t = Tegangan Terminal dari Peralatan yang akan dilindungi (kV)

a = Tegangan Pelepasan dari Arrester (kV)

µ = Kecuraman Gelombang (kV/µs)

v = Kecepatan Rambat Gelombang yang datang (m/ µs)

x = Jarak dari Arrester ke alat yang dilindungi (m)

4.5.2 Perhitungan Jarak Maksimum Arrester dengan Peralatan Yang dilindungi

Gambar 4.11 : Single Line Diagram Gardu Induk SImpang Tiga

Dari Gambar tersebut dan hasil kerja praktek diketahui bahwa :

Lightning Arrester 1, Arrester terpasang pada ujung saluran guna melindungi

peralatan,khususnya pada bus bar / line.Dimana Jaraknya di Gardu Induk

Simpang Tiga adalah 15 m.

Lightning Arrester 2, Arrester terpasang sebelum transformator tenaga (Apabila

dilihat dari ujung saluran),sebagai pengamanan Khusus Transformator.Dimana

Jaraknya di Gardu Induk Simpang Tiga adalah 2 m.

Secara umum arrester melindungi peralatan-peralatan pada Gardu Induk

Simpang Tiga terhadap sambaran-sambaran petir maupun surja hubung.Arrester

ini memiliki jarak maksimum untuk melindungi peralatan.Letak dari Arrester

tersebut tidak boleh lebih dari perhitungan jarak yang ada ,dengan kata lain

arrester memiliki cakupan daerah yang terrbatas.

Jadi dengan menggunakan persamaan diatas ,maka jarak cakupan Arrester yang

terdapat pada Gardu Induk Simpang Tiga dapat dihitung :

t = a + 2µ x /v

Dengan Nilai –nilai :

t = BIL = 750 kV

a = 620 kV

µ = 6250 kV/ µs (Sesuai Tabel 2 diatas Karakteristik Arrester)

v = 300 m/ µs (Kecepatan Cahaya)

maka,

750 = 620 + 2

x = 3,119 m

Didapatkan jarak menurut perhitungan antara arrester dengan peralatan adalah 3,119

meter,sedangkan dalam kenyataannya di lapangan jarak antara arrester I pada ujung

saluran dengan sejumlah peralatan (diambil dari jarak transformator tenaga ) sejauh

15 m ,sedangkan jarak antara arrester II yang terpasang sebelum transformator adalah

2 m (apabila dilihat dari ujung saluran ).Untuk Jarak Arrester I

perlindungannya kurang baik untuk melindungi Transformator karena sangat jauh

diatas jarak maksimum ,maka dari gambar diatas Arrester 1 perlindungannya lebih

efsien untuk peralatan yang ada di sekitar Saluran, Sedangkan Arrester I

perlindungannya dapat dikatakan baik untuk peralatan (Transformator) karena

nilainya masih dibawah jarak maksimum dan tidak efisien untuk melindungi peralatan

yang ada di saluran .

4.5.3 Protecive Margin Ligtning Arrester

Gambar 4.12 : Koordinasi Isolasi

Secara umum arrester melindungi peralatan-peralatan pada Gardu Induk

Simpang Tiga terhadap sambaran-sambaran petir maupun surja hubung.Dimana

Protective Marginnya dapat dihitung dengan menggunakan rumus ;

PM = ((BIL/IR)-1) X 100 %

Dimana :

PM = Protective Margin (%)

BIL = Basic Insulation Level Lightning Arrester

IR = Residual Volt (kV) = 420 kV

Maka Untuk PM di Gardu Induk Simpang Tiga adalah

PM = ((750/420) – 1) X 100 %

PM = 78,57 %

Nilai Protective Margin yang diperoleh adalah memenuhi Syarat dimana lebih

besar dari 20 % (Nilai Minimum PM).

4.6 Konstruksi Metal Okisda

Dalam sub bab ini akan dijelasakan beberapa bagian yang menjadi konstruksi

dari arrester khusunya Arrester dengan Metal Oksida.

Active Part dari Arrester terdiri dari Kolom Varistor Metal Oksida yang dipasang

dengan konstruksi supporting. Keping metal oksida dibuat dalam bentuk silinder yang

besaran diameter keping tergantung pada kemampuan absorbsi energi dan nilai

discharge arus. Nilai diameter bervariasi dari 30 mm untuk arrester kelas distribusi

hingga 100 mm untuk arrester HV/EHV. Setiap keping blok memiliki tinggi

bervariasi dari 20 hingga 45 mm. Semakin tinggi keping blok metal oksida akan

semakin sulit proses produksinya.

Nilai residual voltage untuk setiap keping block metal oksida pada saat

dilewatkan arus impulse standar 10 kA tergantung pada diameter keping itu. Sebagai

contoh pada MO dengan diameter 32 mm nilai residual voltagenya adalah 450 V/ mm,

sementara untuk diameter 70 mm nilai residual voltage menurun menjadi 280 V/mm.

Gambar 4.13 Keping Metal Oksida

Arrester dengan diameter 70 mm ini memiliki tinggi 45 mm, maka untuk satu

keping blok metal oksida, mampu memberikan residual voltage sebesar 12, 5 kV. Bila

arrester ini hendak memiliki residual voltage sebesar 823 kV, maka diperlukan

setidaknya 66 keping blok dipasang tersusun ke atas. Tinggi arrester akan mencapai 3

meter. Oleh karena ketinggian 3 meter dinilai tidak pratis, dan tidak memiliki

kestabilan mekanis yang baik, maka arrester ini dibuat setidaknya 2 tumpuk.

Gambar 4.14 Gambar Struktur Arrester Metal Dioksida

Material Metal Oksida ditaruh dalam tabung yang terbuat dari aluminium.

Tabung ini memiliki kemampuan menahan mekanis, juga sebagai pendingin keping.

TUmpukan keping metal oksida ditaruh dalam sangkar rod, terbuat dari FRP (Fiber

Glass Reinforced Plasctic).

Compression Ring dipasang pada ujung kolom active part untuk memastikan

susunan berada dalam posisi tetap di dalam kompartemen housing. Kompartemen

housing sendiri saat ini terbuat dari porcelain, walau beberapa sudah mulai beralih ke

polimer. Alumunium flange direkatkan dengan menggunakan semen sebagai dudukan.

Untuk bahan alumunium sendiri, menurut IEC 60672-3, terdapat 2 jenis yaitu:

Porselin Quartz dan Porselin Alumina. Porselin Alumina memiliki daya tahan yang

lebih baik. Proses glasur preselin tidak hanya pada sisi dalam dari arrester, namun

juga pada sisi luar dari arrester.

Gambar 4.15 . Struktur Pressure Relief

Sealing Ring dan Pressure Relief Diaphragm dipasang di kedua ujung arrester.

Material sealing ring harus memiliki daya tahan terhadap kondisi ozone, agar tetap

mampu melakukan seal dengan baik. Material yang sering dipilih adalah dari jenis

material sintetis, jenis karet biasa tidak mampu digunakan untuk hal ini. Sementara

untuk Pressure Relief Diapraghm, dipilih material dari jenis steel kualitas tinggi, atau

nikel. Keduanya harus mampu tahan hingga 30 tahun, Pressure relief dan clamping

ring disatukan dengan clamping ring yang dipasang pada flange menggunakan baud.

Pada saat terjadi proses discharge yang dibarengi dengan peningkatan suhu

yang sangat tinggi, maka, akan terjadi pemuain suhu di dalam kompartemen arrester,

kelebihan tekanan inilah yang perlu dilepas dari dalam kompartemen, pressure relief

bekerja sebagai katup pelepasan.

Gambar 4.16 Counter Arrester dan Meter Arus Bocor Total

Surge Counter berfungsi untuk menghitung jumlah kerja dari arrester

melakukan proses discharge, sementara leakage cureent detector berfungsi untuk

memberikan besaran arus bocor pada arrester pada tegangan operasi kontinu, nilai

arus bocor ini merupakan arus bocor total yang umumnya merupakan arus kapasitif,

arus bocor ini juga bergantung pada besar arus bocor permukaan yang nilainya

tergantung pada kebersihan housing dari arrester. Arus bocor dari kapasitansi bocor

peralatan gardu induk lain juga memungkinkan untuk turut terukur oleh meter ini.

Spark Over detector memiliki fungsi yang serupa dengan surge counter, hanya

saja, untuk melihat apakah arrester tersebut telah melakukan proses discharge

kompartemen SparOver perlu dibuka dan dilakukan pengecekan apakah terdapat

tanda bekas discharge diantara kedua pelat tersebut.

Gambar 4.17 Peralatan Monitoring Spark Gap

Teknologi terakhir dari arrester adalah dengan memanfaatkan polimer sebagai

kompartemen housing. Konstruksi desainnya tidak jauh berbeda dengan arrester

dengan kompartemen terbuat dari porselin. Pada arrester kelas distribusi, polimer

dicetak menempel dengan kolom metal oksida (molded), hal ini memberikan

keuntungan: bebas void, ikatan yang kuat serta posisi permanen.

4.7 FMEA (Failure Mode Effect Analysis) pada Lightning Arrester

FMEA (Failure Mode Effect Analysis) merupakan tahapan yang dilaksanakan

untuk mendapatkan gejala kegagalan pada sebuah peralatan dengan menerapkan

keterkaitan sebab-akibat antara kegagalan yang satu dengan penyebab sebelumnya,

demikian seterusnya hingga ditemukan penyebab kegagalan yang paling awal.

Penyebab kegagalan paling mula ini, misal, seal rusak (yang menyebabkan moisture

masuk ke dalam kompartemen arrester), perlu dilaksanakan inspeksi khusus

terhadapnya.

Dalam analisis FMEA, pendekatan yang dilaksanakan bukan melalui pendekatan per

komponen yang menyusun sebuah peralatan, melainkan pendekatan fungsi. Dalam hal

ini, sebuah Sistem Arrester MOSA memiliki sebuah fungsi utama memotong

tegangan lebih yang menuju peralatan yang dilindunginya. Tegangan lebih ini baik

berupa surja petir, surja hubung maupun tegangan lebih di dalam sistem. Sebuah

arrester terdiri dari beberapa sub sistem pendukung, yaitu:

a. Sub Sistem Pemotong Surja

Merupakan sub sistem kritis dari sebuah lightning arrester yang berfungsi memotong

tegangan lebih dari surja. Berupa komponen non linear, umum digunakan adalah ZnO.

Mayoritas arrester saat ini menggunakan tipe Metal Oksida. Parameter utama yang

mempengaruhi kualitas ZnO adalah karakteristik V-I yang dimiliki serta

kemampuannya mengabsorbsi energi ketika terjadi proses surja.b. Sub Sistem Isolasi

Merupakan sub sistem yang memiliki sub fungsi memisahkan bagian konduktor

bertegangan dengan ground, terdiri dari kompartemen insulator (housing), baik berupa

keramik maupun polymer, juga insulator dudukan (insulation feet) berada di sisi

bawah dari arrester. Kompartemen perlu diperhatikan tingkat polusinya, semakin

tinggi tingkat polusi yang melekat, memungkinkan nilai arus bocor permukaan

menjadi tinggi. Pada insulator jenis keramik, perlu dilakukan pengecekan apakah telah

terjadi cracking pada permukaan kompartemen, sementara pada insulator jenis

polimer, dicek bilamana kondisi polimer utuh/ robek ataupun berlumut.

c. Sub Sistem Counter & Meter Petunjuk

Counter berfungsi untuk menunjukkan jumlah kali surja telah terjadi pada arrester.

Sementara meter petunjuk berfungsi untuk menunjukkan bbesar nilai arus bocor yang

mengalir dari ujung atas arrester menuju ground dalam kondisi operasi tegangan

kontinu.

Gambar 4.18 Penghitung banyaknya sambaran petir dan penunjuk arus

Arus bocor total ini mayoritas bersifat kapasitif dan terpengaruh oleh banyak factor:

kebersihan kompartemen luar, stray capacitance di gardu induk dan kondisi insulating

feet. Agar keduanya bekerja baik, maka arrester harus dipastikan hanya terhubung ke

bumi melalui kawat ground, untuk itulah, maka insulating feet berperan.

Walau demikian, meter petunjuk memberikan besaran nilai arus bocor total, dimana

nilai tersebut kurang akurat bila hendak digunakan untuk merepresentasikan kondisi

dari keeping metal oksida. Pengukuran lain, yang merujuk pada IEC 60099-5, yakni

pengukuran arus bocor resistif dengan kompensasi harmonisa orde ke-3 dinilai lebih

akurat untuk memberikan gambaran kondisi komponen kritis arrester (Metal Oksida)

tersebut.

Penelitian internal PLN menunjukkan bahwa ada keterkaitan antara jumlah kerja

counter arrester dengan besaran arus bocor resistif dari Arrester.

Relasi antara nilai arus bocor resistif dan jumlah kerja counterd. Sub Sistem Pentanahan

Merupakan komponen yang berfungsi untuk meneruskan baik arus bocor selama

tegangan operasi kontinu, maupun surja menuju bumi. Kawat pentanahan terbuat dari

tembaga. Kawat pentanahan umumnya dipasang seri dengan peralatan monitoring

(counter ataupun meter) sebelum dibumikan. Kondisi konektor harus dipastikan baik,

seperti: tidak terdapat rantas pada kawat, ataupun koneksi-koneksi baik (mur dan

baut), kawat tembaga tidak ditumbuhi lumutf. Sub Sistem Pengaman Tekanan Lebih Internal

Memiliki fungsi melepaskan tekanan lebih di dalam arrester yang mungkin timbul

ketika terjadi discharge arus surja tinggi. Fungsinya mirip pressure relief pada

transformator. Pada saat terjadi surja, baik single maupun multiple, suhu keeping

metal oksida mampu mencapai 170OC – 200OC, oleh karenanya terjadi pemuaian

udara di dalam kompartemen udara, pemuaian ini perlu dilepas keluar kompartemen

untuk menghindari kompartemen (umumnya porselen menjadi pecah), katup kembali

menutup dengan segera untuk menjaga agar tekanan udara di dalam kompartemen

tetap lebih tinggi daripada tekanan udara luar.

Beberapa arrester dilengkapi dengan flag pressure relief, terbuat dari

alumunium, terpasang di ujung venting outlet arrester. Flag ini berfungsi untuk

memberikan indikasi, bahwa pernah terjadi surja yang cukup tinggi (di atas rated

pressure relief device), sehingga memungkinkan kerusakan pressure relief device.g. Sub Sistem Konstruksi Penyangga

Memiliki fungsi sebagai penyangga arrester di atas permukaan tanah. Terdiri dari

pondasi dan struktur besi penyangga.

Gambar 4.19 Konstruksi Penyangga

h. Sub Sistem Konektor

Memiliki fungsi melakukan koneksi antara kawat konduktor dengan bagian atas

arrester, dan dari arrester ke bagian pentanahan. Bagian ini rawan terjadi kelonggaran

yang memungkinkan timbulnya hot spot, oleh karenanya, perlu dilakukan thermovisi

secara berkala pada bagian ini, selain thermovisi pada kompartemen arrester itu

sendiri.

Gambar 4.20 Konektor atas dan konektor bawah Arresteri. Sub Sistem Asesories/ Grading/Corona Ring

Memiliki fungsi mendistribusikan secara merata medan listrik dan mengurangi efek

corona pada bagian ujung atas LA. Grading ring perlu dipasang pada arrester dengan

ketinggian lebih dari 1,5 meter.

arrester

Documents