BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Saluran transmisi memegang peranan penting dalam proses penyaluran daya dari pusat-

pusat pembangkit hingga ke pusat-pusat beban. Agar dapat melayani kebutuhan tersebut maka

diperlukan sistem transmisi tenaga listrik yang handal dengan tingkat keamanan yang memadai.

Salah satu penyebab terjadinya kerusakan peralatan utama maupun peralatan lainnya seperti

instrument gardu induk adalah sambaran surja petir baik secara langsung maupun tak langsung

pada peralatan di dalam gardu induk. Dengan demikian, pada sebuah gardu induk sangat

diperlukan perlindungan terhadap gangguan surja petir. Untuk membuat jalan yang mudah

dilalui oleh surja petir harus dipasang sebuah alat yang disebut arrester. [3,7]

Beberapa penelitian tentang perlindungan sambaran petir terhadap trafo. Dari sudut yang

berbeda diteliti antara lain :

1. Oleh Dr. Ir. Dipl. Ing. Reynaldo Zoro, ahli petir dan direktur PT. Lapi Elpatsindo yang

membahas tentang “TIGA SYARAT TIMBULNYA PETIR” di mana pada tulisannya

sedikit banyak membahas tentang ketiga elemen yaitu naiknya udara, kelembapan, dan

partikel bebas atau aerosol menyebabkan timbullah muatan dalam awan cumulonimbus.

Umumnya muatan negatif terkumpul dibagian bawah dan ini menyebabkan terinduksinya

muatan positif diatas perrmukaan tanah, sehingga membentuk medan listrik antara awan dan

tanah. Jika muatan listrik cukup besar dan kuat medan listrik di udara dilampaui, maka

terjadi pelepasan muatan berupa petir atau terjadi sambaran yang bergerak dengan kecepatan

cahaya dengan efek merusak yang sangat dahsyat karena kekuatannya. [8]

2. Oleh Hidayat , di mana dalam tulisannya sedikit banyak membahas tentang pengertian awan

cumulonimbus yaitu awan yang terjadi sangat cepat akibat pemanasan tinggi di permukaan

bumi. Pemanasan di permukaan di bumi ini mendorong uap air naik ke atas adengan cepat.

[13]

3. Oleh Suyono dan T. Haryono yang membahas tentang “TANGGAPAN ARRESTER ZnO

TERHADAP SURJA TEGANGAN DENGAN BERBAGAI KECURAMAN MUKA

GELOMBANG” di mana pada tulisannya sedikit banyak menyimpulkan tentang arrester

Zinc-oxide produk ABB tipe exlim-P bekerja sangat baik, yaitu dapat memotong semua

surja tegangan baik surja cepat maupun surja lambat pada muka gelombangnya. [10]

4. Oleh Zoro dan Merfiadhi yang membahas tentang “GANGGUAN AKIBAT SAMBARAN

PETIR” di mana pada tulisannya sedikit banyak membahas tentang sambaran petir yang

menjadi temporer akibat adanya short circuit pada jaringan. [14]

5. Oleh E Kuffel W. S. Zaengldalam Warmi Y di mana pada penulisannya sedikit banyak

membahas tentang perlindungan peralatan pada gardu induk biasanya menggunakan arrester

yang dapat membatasi harga tegangan surja di bawah tingkat isolasi dasar peralatan. Namun

pengaruh gelombang berjalan akan menimbulkan tegangan yang lebih tinggi di tempat-

tempat yang agak jauh dari arrester. [3]

2.1 Transformator [2]

Trafo dibagi atas dua bagian yaitu trafo tenaga (Power Transformer) dan trafo instrumen

(Instrumen Transformer). Trafo tenaga gunanya untuk menyalurkan daya listrik pada tegangan

yang berbeda sesuai dengan kebutuhan, bisa step up/step down. Trafo instrumen gunanya untuk

mengukur, memonitor & mengamankan kebesaran listrik (Volt, kilo Volt, Ampere, kilo Ampere)

pada sisi primer.

2.1.1 Transformator Tenaga (daya) [12]

Bagian Utama Transformator :

1. Inti besi

Berfungsi untuk menampung fluksi yang ditimbulkan arus listrik yang ada pada

belitan kumparan trafo.

2. Kumparan trafo

Lilitan-lilitan kawat berisolasi akan membentuk kumparan. Dimana lilitan kumparan

tersebut diisolasi terhadap inti besi maupun terhadap kumparan lainnya dengan isolasi

padat tipis seperti karton, pertinax dan lain-lain. Trafo biasanya terdiri dari 2 belitan

atau 3 belitan kumparan yakni : belitan primer, sekunder dan tertier.

3. Minyak Trafo

Kumparan & inti besi trafo seluruhnya direndam dalam minyak trafo, dimana minyak

trafo berfungsi sebagai media isolasi dan media pemindah panas (sebagai pendingin).

4. Bushing

Bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator. Berfungsi sebagai

penyekat anatara konduktor tersebut dengan tangki trafo.

5. Tangki dan Konservator

Untuk menampung pemuaian minyak trafo, maka tangki dilengkapi dengan

konservator. Konservator merupakan tabung yang mempunyai sebagian ruang kosong

untuk menampung volume pemuaian minyak trafo.

2.1.2 Trafo Instrumen (Trafo Arus) [6]

Trafo instrumen gunanya untuk mengukur, mengamankan, dan memonitor kebesaran

listrik pada sisi primer. Terdiri atas trafo tegangan (PT) dan trafo arus (CT). Desain dari trafo

instrumen sama sekali berbeda dengan trafo tenaga. Pada trafo arus, arus primer tidak

tergantung pada kondisi arus sekunder, bahakan arus primer merupakan faktor dominan.

1.2 Gardu Induk [1]

Gardu Induk (GI) adalah tempat peralatan-peralatan listrik untuk menghubungkan dan

memutuskan serta mengatur tegangan listrik yang dibangkitkan dari pembangkit dan merupakan

penghubung saaluran sistem transmisi dan saluran distribusi. Peranan dari gardu induk itu sendiri

adalah menerima dan menyalurkan tenaga listrik (KVA, MVA) sesuai dengan kebutuhan pada

tegangan tertentu (TET, TT, TM).

AL 3 X1 X 800 mm2

Trafo IIIXIAN - 60 MVA

150 kV / 20 kV

Imp: 13,32 %

YNyn0(d)

150 kV / V3

100 V / V3

TAMBAKLOROKtower 01 - 14

6,298 kMI II

ABB IMBE 170 L3T42400-1200/1 A

AEG -S1 170 F33150 A 40 kA

BBC AOT 170 GA1200-900-600-300/1 A

Kbl tanah Cu 240 mm2

3,185 kM

SIMPANG LIMA

PUDAK PAYUNGtower 01 - 95

14,516 kMII I

Trafo IUnion - 16 MVA

150 kV / 21 kV

Imp: 11,9%, 12,5%, 13,5%

Ynyn0

10 kA 10 kA

Trafo IIAlsthom - 16 MVA

150 kV / 21 kV

Imp: 11,4%, 13%, 13,8%

SRONDOLtower 01 - 25

8,045 kMII I

AEG -S1 170 F33150 A 40 kA

BBC AOT 170 HA600-450-300-150/1 A

AEG -S1 170 F33150 A 40 kA

BBC AOT 170 HA600-450--300-150/1 A

Rel 20 KV CALOR EMAG - 1250 ARel 20 KV MERLIN GERIN - 2500 A

630 A

200-400/1 A

630 A

200-400/1 A

630 A

200 -400 /1 A

2500 A

2000/1 A

630 A

200 -400 /1 A

630 A

200-400/1 A

Rel 20 KV MERLIN GERIN - 2500 A

630 A 630 A 2500 A1250 A25 kA

600-1 200 /5 A

1250 A

1200/5 A

1200 A

600/5 A

1200 A

600/5 A

1200 A

600/5 A

INC.II

800-400/1 -1 A

Rel 22 KV MODALEK - 1250 A

Trafo PS

100 kVA20 kV/0,38 kV

630 A

600-300/1 -5 A

630 A

600-3 00/1 -5 A 600 -300 /1-5 A

CAD CAD PDL.2 PDL.1INC.I

INC. IIIPDL.3PDL.4PDL.7PDL.5 PDL.8

BUSRISER

CAD. CAD. BUS SECTION

AL 3 X4 X 400 mm2A

L 3

X2

X 2

40

mm

2

ABB IMBD 170 A41200-2400/1 A

ABB IMBD 170 A41200-2400/1 A

ABB IM BD 1 70 A4

200 0/1 A

III

1600 A 1600 A 1250 A 1250 A 1250 A 1250 A

10 kA 10 kA 10 kA 10 kA

10 kA

10 kA

10 kA 10 kA

1250 A 1250 A 1250 A 1250 A

1250 A

2500 A

1250 A 1250 A

1250 A 1250 A

1250 A

CADCADPDL.6

630 A

Bus Bar 150 kV

AEG -S1 170 F33150 A 40 kA

AEG -S1 170 F33150 A 40 kA

AEG -S1 170 F33150 A 40 kA

AEG -S1 170 F13150 A 40 kA

ABB IMBD 170 A4150-300-1000-2000/ 1 A

SIEMENS 3AQIEG3150 A 31,5 kA

ABB IMBD 170 A4150-300/1 A

AEG S1-170 F13150 A 40 kA

ABB IMBD 170 A4150-300/1 A

AEG S1-170 F13150 A 40 kA

ABB IMBD 170 A5500-1000-2000/1 A

SIEMENS 3AQIEE

3150 A 31,5 kA

200-400 /1A 200-4 00/1A 200-400/1A

630 A

400/1 A

PDL.9

INC. IIGEC. OX-36

(Ex Trf 1 GI K laten)

RJTD/FML/04-3028

Tanggal RevisiDisetujui

02-05-2006

GI 150 kV PANDEANLAMPER

DERI 01

Digambar Diperiksa

File: \\Evop1\D\Single Line Diagram\UPT Semar ang\GI Pandeanlamper.cdr

PT PLN (Persero)

REGION JAWA TENGAH DAN DIY

PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

Unit Pelayanan Transmisi Semarang

CAHYONO M ARDI S

Gambar 2.1. Single line diagram Gardu Induk 150 kV Pandean lamper

Adapun klasifikasi gardu Induk menurut tegangannya : [3]

1. Gardu Induk Transmisi

adalah gardu induk yang tegangan keluarannya berupa tegangan ekstra tinggi atau

tegangan tinggi.

2. Gardu Induk Distribusi

adalah gardu induk yang menerima suplai tenaga dari gardu induk transmisi untuk

diturunkan tegangannya melalui trafo daya menjadi tegangan menengah (20 Kv)

Klasifikasi gardu induk menurut penempatan peralatannya :

1. Gardu Induk Pasang Dalam (Indoor Substation)

adalah suatu gardu induk dimana ruang kontrol, peralatan gardu induk seperti pemisah,

pemutus tenaga, trafo tenaga, arrester, isolator dan sebagainya dipasang di dalam suatu

ruangan atau bangunan yang tertutup.

2. Gardu Induk Pasang Luar (Outdoor Substation)

adalah gardu induk dimana semua peralatan gardu induk seperti pemisah, pemutus

tenaga, trafo tenaga, arrester, isolator dan sebagainya dipasang di luar (udara terbuka)

kecuali ruang kontrol, peralatan pengukur dan alat-alat bantu biasanya diletakkan di

dalam bangunan gedung.

3. Gardu Induk Pasang Bawah Tanah (Underground Substation)

adalah suatu gardu induk dimana hampir semua peralatannya terpasang dalam bangunan

bawah tanah. Alat pendinginnya biasanya terletak di atas tanah dan kadang ruang

kontrolnya berada di atas tanah.

4. Gardu Induk Pasang Sebagian Bawah Tanah (Semi Underground Substation)

adalah suatu gardu induk dimana sebagian peralatannya seperti trafo tenaga dipasang

dalam bangunan bawah tanah sedangkan peralatan lainnya dipasang di atas tanah.

5. Gardu Induk Mobil (Mobile Substation)

adalah suatu gardu induk dimana peralatannya diletakkan diatas trailer atau semacam

truk, sehingga bisa dipindahkan ke tempat yang membutuhkan.

Klasifikasi Gardu Induk Menurut Isolasi yang Dipakai :

1. Gardu Induk Isolasi Udara

adalah gardu induk yang menggunakan udara untuk mengisolasi bagian-bagian

bertegangan baik antara fasa-fasa maupun fasa dengan tanah.

2. Gardu Induk Isolasi Gas

adalah gardu induk yang menggunakan gas untuk mengisolasi bagian-bagian bertegangan

baik antara fasa-fasa maupun fasa dengan tanah. Gas yang digunakan biasanya gas SF6

tekanan rendah (5kg/cm2).

2.3 Fasilitas dan Peralatan Gardu Induk [7]

Gardu Induk dilengkapi dengan fasilitas dan peralatan yang diperlukan sesuai dengan

tujuannya, dan mempunyai fasilitas untuk operasi dan pemeliharaan sebagai berikut :

1. Transformator utama

Transformator utama dipakai untuk menurunkan atau menaikkan tegangan. Pada gardu

induk, trafo utama untuk menurunkan tegangan, di pusat pembangkit, trafo utama untuk

menaikkan tegangan. Ada dua jenis trafo yaitu trafo 1 fasa dan trafo 3 fasa. Sekarang ini

banyak terlihat kemajuan dalam teknik pembuatan trafo, dan keandalannya makin baik,

trafo 3 fasa banyak digunakan karena menguntungkan. Demikian pula halnya dengan

pengubah-penyadap berbeban, kemampuannya makin baik, lebih awet, dan

pemeliharaannya lebih mudah. Oleh karena itu makin banyak dipakai pengubah-

penyadap-berbeban untuk G.I. tegangan sangat tinggi. Untuk sistem rangkaian tertutup

(loop) kadang-kadang dipakai transformator dengan pengubah-fasa-berbeban untuk

mengatur aliran daya.

2. Alat pengubah-fasa

Alat pengubah-fasa dipakai untuk mengatur jatuh tegangan pada saluran atau

transformator dengan mengatur daya reaktif, atau untuk menurunkan rugi daya dengan

memperbaiki faktor daya, alat tersebut ada yang berputar dan ada yang stasioner. Yang

berputar adalah kondensator sinkron dan kondensator asinkron, sedang yang stasioner

adalah kondensator statis dan reactor shunt. Untuk yang berputar dapat dipakai baik

untuk fasa mendahului (leading) atau terbelakang (lagging) dan dapat diatur secara

kontinyu. Tetapi alat ini sangat mahal dan pemeliharaanya juga rumit. Alat yang stasioner

sekarang ini banyak dipakai menggantikan alat yang berputar, sebab teknik

pembuatannya telah banyak dipakai menggantikan alat yang berputar, dan juga teknik

pembuatannya telah mengalami kemajuan yang pesat, seperti halnya tegangannya dapat

diukur tanpa kesulitan dengan penyetelan daya reaktif secara bertingkat mengikuti

perluasan sistem tenaga listrik.

3. Peralatan penghubung

Saluran transmisi dan distribusi dihubungkan dengan G.I jadi G.I merupakan tempat

pemusatan dari tenaga yang dibangkitkan dan penghubung antara sistem transmisi dan

distribusi kepada para pelanggan. Saluran transmisi dan distribusi dihubungkan dengan ril

(bus) melalui transformator utama, setiap saluran mempunyai pemutus beban (circuit

breaker) dan pemisah (disconnecting switch)pada sisi keluarnya. Pemutus beban dipakai

untuk menghubungkan atau melepaskan beban. Jika terjadi gangguan pada saluran

transmisi atau alat lain, pemutus beban dipakai untuk memutuskan hubungan secara

otomatis. Jika saluran transmisi dan distribusi, transformator, pemutus beban dan

sebagainya mengalami perbaikan atau pemeriksaan, pemisah dipakai untuk memisahkan

saluran dari peralatan tadi. Pemutus beban dan pemisah ini dinamakan peralatan

penghubung (switch gear).

4. Panel hubung dan trafo ukur

Panel hubung atau meja hubung (switch board) merupakan pusat syaraf bagi suatu G.I.

Pada panel hubung inilah operator dapat mengamati keadaan peralatan, melakukan

operasi peralatan serta pengukuran-pengukuran tegangan, arus, dan daya dan sebagainya,

setiap waktu bila dipandang perlu. Bila terjadi gangguan, panel hubung itu membuka

pemutus beban secara otomatis melalui rele pengaman dan memisahkan bagian yang

terganggu. Karena tegangan dan arus tidak dapat diukur langsung pada sisi tegangan

tinggi, maka transformator ukur (instrument) mengubahnya menjadi tegangan dan arus

yang rendah, dan sekaligus memisahkan alat-alat ukur tadi dari sisi tegangan tinggi. Ada

tiga jenis transformator ukur yaitu transformator tegangan (potencial transformer),

transformator arus (current transformer), dan transformator tegangan dan arus.

5. Alat pelindung

Alat-alat pelindung (protective device) dalam arti luas, disamping pemutus beban dan rele

pengaman, juga ada arrester dan peralatan netral. Arrester mengamankan peralatan G.I

terhadap tegangan lebih abnormal yang bersifat kejutan (surja/surge), misalnya kejutan

petir dan surja hubung (switching surge). Arrester jenis tiupan magnetis umum dipakai.

Beberapa peralatan netral sering dipakai dititik netral transformator untuk pengamanan

pada waktu terjadi gangguan tanah. Tahanan pembumian netral dipakai untuk menekan

tegangan lebih abnormal dan untuk memastikan bekerjanya rele pengaman. Kumparan

pemadam busur api (kumparan Petersen) dipakai untuk menghilangkan atau

memadamkan busur api tanah secara otomatis, atau reaktor pembumian netral dipasang

untuk kompensasi arus kapasitif urutan fasa nol. Sering pula dipasang arrester pada titik

netral transformator untuk pengamanan isolasinya.

Bila terjadi gangguan (hubung singkat) tanah atau gangguan petir, potensial tanah dari

G.I mungkin naik tidak semestinya sehingga membahayakan orang dan binatang yang

ada didekatnya, atau menyebabkan rusaknya alat. Untuk menghindarkan resiko ini,

penghantar pengetanahan dengan tahanan tanah diusahakan sekecil mungkin. Semua

peralatan dan bangunan luar dihubungkan pada peralatan pembumian tadi. Di dalam G.I

dipasang peralatan perisaian (shielding device) berupa kawat tanah atas (overhead ground

wire) guna melindungi peralatan gardu induk terhadap sambaran petir langsung.

6. Peralatan lain-lain

Disamping peralatan tersebut diatas ada peralatan pembantu (auxiliary), seperti alat

pendingin, alat-alat pencuci isolator, batere, kompresor, sumber tenaga, alat penerangan,

dan sebagainya. Dalam operasinya G.I berhubungan dengan pusat pembagi beban (load

dispatching centre). Oleh karena itu harus ada pula peralatan komunikasi. Disamping itu

G.I yang penting sering dilengkapi pula dengan peralatan komunikasi untuk pengukuran

jauh (telemetering) dan supervisi. Gardu-gardu yang tua biasanya dilengkapi dengan

peralatan yang diperlukan untuk pemeliharaan, seperti misalnya ruang bongkar

transformator, fasilitas untuk pemindahan transformator, bengkel, dan sebagainya.

Sekarang fasilitas-fasilitas demikian sudah jarang dipasang, sebab keandalan peralatan

G.I sudah makin baik dan pemeliharaannya menjadi lebih mudah.

7. Bangunan (gedung) gardu induk

Gedung G.I berbeda-beda tergantung pada skala dan jenis G.I. Pada G.I jenis pasangan

luar, disamping panel hubung dan sumber tenaga untuk kontrol, hanyalah peralatan

komunikasi dan kantor yang harus ada di dalam gedung. Oleh karena itu gedungnya kecil

saja dibandingkan dengan G.I jenis pasangan dalam. Alat perlengkapan untuk gedung

antara lain terdiri dari alat penerangan, instalasi air minum dan pembuang (drainage), alat

pemadam api, ventilasi dan sebagainya. Selain itu kebanyakan disediakan pula

perumahan pegawai untuk operator dan tukang disekitar G.I.

1.5 Perlindungan Gardu Induk [5]

Pada umumnya GI dilindungi untuk mendapatkan pengamanan, dari macam-macam

gangguan. Pada GI dipasang suatu pengamanan supaya dapat beroperasi sebagaimana fungsinya,

dan supaya alat-alat yang terdapat di dalam GI juga tidak mudah rusak. Sehingga gardu induk

akan berfungsi dengan baik dan stabil. Perlindungan gardu induk terbagi dalam 2 bagian :

a. Perlindungan terhadap sambaran langsung

b. Perlindungan terhadap gelombang yang datang dari kawat transmisi

Sepanjang perambatannya pada kawat transmisi, gelombang mengalami redaman dan distorsi

yang disebabkan oleh korona, pengaruh kulit, resistivitas, tanah dan gandengan. Selain itu,

bentuknya juga dapat berubah karena pantulan ketika mencapai gardu.

Redaman dimisalkan mengikuti formula empiris dari FOUST and MENGER,

�

� �� � � (2.1)

Keterangan :

� = tegangan ��pada titik sejauh mil dari titik mula.

� = jarak perambatan (mil)

� = tegangan surja �� pada titik mula.

� = konstanta redaman

= 0,0006 untuk gelombang-gelombang terpotong �� ��

= 0,0003 untuk gelombang-gelombang pendek �� ��

= 0,00016 untuk gelombang-gelombang panjang ��� ��

Semakin tinggi tegangan, makin besar redaman dan gelombang-gelombang pendek

diredam lebih cepat dari gelombang panjang.

Apabila surja dengan tegangan e mencapai gardu, terjadi pantulan dan tegangan puncak

pada gardu menjadi :

�� � � � � � �

� �� � � (2.2)

dimana :

b � puncak dari surja selama pantulan

puncak dari gelombang berjalan bebas

� indeks terusan

Jadi b merupakan perbandingan antara tegangan total selama pantulan dengan gelombang masuk.

2.5 Sambaran Petir

Bila ada suatu awan yang berada di atas bumi dalam jarak tertentu, muatan positif

mengumpul pada bagian atas dan muatan negatif berada pada bagian bawah. Bumi dapat

dikatakan sebagai benda yang mempunyai muatan positif pada permukaan. Muatan negatif yang

berada di awan akan ditarik oleh muatan positif pada permukaan bumi. Proses pengaliran muatan

negatif dari awan menuju ke bumi dinamakan petir.

Petir merupakan loncatan elektron dari awan yang merupakan kilatan yang umumnya

disertai dengan suara gemuruh. Muatan dari awan cenderung mengumpul pada tempat-tempat

yang runcing, sehingga petir seringkali menuju pada tempat-tempat tersebut. Elektron dari awan

mempunyai jumlah yang besar, jika mengalir ke permukaan bumi akan mengalirkan pula arus

listrik yang sangat besar, dimana nilainya dapat mencapai ratusan kilo amper.

Pada sistem tenaga listrik yang dipasang diatas tanah, kemungkinan terkena sambaran petir

sangat besar sekali, maka sistem tenaga listrik perlu di beri perlindungan terhadap adanya

sambaran petir. Keadaan awan yang bermuatan positif dan negatif tersebut tidak merata

diseluruh angka, hal ini akan mempengaruhi cara-cara masuk dan macam-macam proteksi untuk

memberi perlindungan peralatan-peralatan listrik dari gangguan yang mungkin terjadi. [7]

2.5.1 Lidah Mula (Initial Leader)

Permulaan dari suatu kilat, didahului oleh aliran pengemudi (pilot streamer) yang

menentukan arah perambatan muatan dari awan ke udara yang ionisasinya rendah. Sesudah

pilot streamer terjadi, selanjutnya diikuti oleh titik cahaya yang bergerak secara melompat-

lompat tersebut lebih kurang 100.000 m/s arah tiap-tiap langkahnya berubah-ubah, sehingga

jalannya tidak lurus dan patah-patah. Ketika lidah kilat menuju permukaan bumi, cabang-

cabang dari lidah pertama akan terbentuk. Bila stepped leader telah dekat dengan bumi, akan

terjadi kanal muatan positif dari bumi ke awan, hal ini disebabkan karena adanya beda potensial

yang cukup tinggi. Kanal muatan positif ini akan bertemu dengan ujung stepped leader, titik

pertemuannya dinamakan point of strike, yang berada sekitar 20-70 m di atas permukaan bumi.

Waktu yang dibutuhkan stepped leader agar dapat sampai ke bumi kira-kira 20 milidetik. [9]

2.5.2 Sambaran Kembali

Ketika lidah kilat mengenai permukaan bumi, suatu sambaran kembali yang cahayanya

sangat terang bergerak ke atas melalui jalan yang sama. Hal ini terjadi karena adanya aliran

muatan positif dari bumi ke awan. Naiknya muatan positif akan menarik lagi elektron yang ada

di awan, sehingga dapat terjadi lidah kilat lagi menuju ke permukaan bumi. Peristiwa yang

demikian dinamakan sambaran kembali (return stroke). Lidah kilat (arus) ini merupakan arus

impuls dimana harga puncaknya hanya terjadi dalam beberapa mikrodetik saja dan setiap

sambaran rata-rata besarnya 20 kA, dalam keadaan tertentu bahkan dapat mencapai 100 kA. [9]

2.5.3 Sambaran Berulang-Ulang

Sesudah sambaran yang pertama biasanya masih ada pusat muatan lain di awan untuk

memulai sambaran berikutnya, sambaran ini dimulai dengan “leader”yang mengikuti jalan

yang dilalui oleh sambaran ulang sebelumnya. Ciri-cirinya tidak ada percabangan dan tidak

dapat dilihat oleh boys camera. Karena tidak ada percabangan maka disebut lidah panah (dart

leader) lidah panah memerlukan 1 mili detik untuk mencapai ke bumi yang akan diikuti oleh

sambaran balik berikutnya. Interpal antar sambaran balik sebelumnya dengan lidah panah

adalah 30-50 mili detik, biasanya satu sambaran petir terdiri dari 4 sampai 10 sambaran balik.

Kecepatan dari stepped leader kira-kira 0,01 sampai 0,7 % kecepatan cahaya, sedangkan dart

leader kira-kira 0,13 sampai 10 % kecepatan cahaya. [9]

2.5.4 Sambaran Langsung

Yang dimaksud sambaran langsung adalah apabila kilat menyambar langsung pada kawat

fasa (untuk saluran tanpa kawat tanah) atau pada kawat tanah (untuk saluran dengan kawat

tanah). Sambaran langsung yang mengenai ril dan peralatan dalam gardu induk adalah yang

paling hebat di antara gelombang berjalan lainnya yang datang ke gardu induk. Ia

menyebabkan tegangan lebih (over voltage) sangat tinggi yang tidak mungkin dapat ditahan

oleh isolasi yang ada. Cara yang banyak dipakai untuk mencegah hal ini adalah dengan

memperkuat perlindungan terhadap petir dengan memasang arrester atau pun kawat tanah

(ground wire) pada gardu induk dan transmisi di dekatnya. [7]

2.5.5 Sambaran Tak Langsung

Bila terjadi sambaran ke tanah di dekat saluran maka akan terjadi fenomena transien yang

menyebabkan medan elktromagnetis dari kanal penghantar. Akibat dari kejadian ini timbul

tegangan lebih dan gelombang berjalan yang merambat pada kedua sisi kawat ditempat

sambaran berlangsung. Fenomena transien pada kawat berlangsung hanya dibawah pengaruh

gaya yang memaksa muatan-muatan bergerak sepanjang hantaran atau dengan perkataan lain

transien dapat terjadi di bawah pengaruh komponen vektor kuat medan yang berarah sejajar

dengan arah penghantar. Jadi bila komponen vektor dari kuat medan berarah vertikal, dia tidak

akan menimbulkan transien pada penghantar. [7]

2.6 Sambaran Petir Sebagai Gelombang Berjalan [4]

Bentuk umum suatu gelombang berjalan digambarkan seperti pada gambar (2.2),

sedangkan spesifikasi dari suatu gelombang berjalan antara lain meliputi :

a. Puncak (crest) gelombang, E (kV), yaitu amplitude maksimum dari gelombang.

b. Muka gelombang, t1 (mikro detik), yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Dalam

praktek ini diambil dari 10% E, lihat gambar (2.2b).

c. Ekor gelombang, yaitu bagian dibelakang puncak. Panjang gelombang, t2 (mikro detik),

yaitu waktu dari permulaan sampai titik 50% E pada ekor gelombang.

d. Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang, positif atau negative.

Gambar 2.2. Spesifikasi gelombang berjalan

Suatu gelombang berjalan (surja) dinyatakan sebagai :

�, &�&�

'

dengan,

� : Tegangan puncak

&�&�

' : Rasio muka gelombang terhadap ekor gelombang surja

Jadi suatu gelombang dengan polaritas positif, puncak 1000 kV, maka tiap 3 mikro detik, dan

panjang 21 mikro detik dinyatakan sebagai : + 1000, 3/21.

Ekspresi dasar dari gelombang berjalan secara sistematis dinyatakan dengan persaman

dibawah ini :

� �&� � � ��() & – �(�&� (2.3)

Dimana E, a dan b adalah konstanta.

Dari variasi a dan b dapat dibentuk berbagai macam bentuk gelombang yang dapat dipakai

sebagai pensekatan dari gelombang berjalan. [5]

Gambar 2.3.

(a)

(b)

Keterangan gambar (2.3)

a. Gelombang sinus teredam.

+ � , – -.

/ � , 0 -.

1 � 12 3 2-

1 � 12 2-⁄ 6(78 �69:8(6(9:8�

� 6(78 sin .;

b. Gelombang kilat tipikal.

a

b terbatas serta riil

E

Bila gelombang berjalan menemui titik peralihan, misalnya : hubungan terbuka, hubungan

singkat, atau perubahan impedansi, maka sebagian gelombang itu akan dipantulkan dan sebagian

lagi akan diteruskan kebagian lain dari titik tersebut.[5]

Pada titik peralihan itu sendiri, besar tegangan dan arus dapat dari 0 sampai 2 x besar

tegangan gelombang yang datang.

Gelombang yang datang dinamakan gelombang datang (incident wave), dan kedua

gelombang lain yang timbul karena titik peralihan itu dinamakan gelombang pantulan (reflected

wave) dan gelombang terusan (transmitted wave),

lihat gambar 2.2.

Gambar 2.4. Perubahan impedansi pada titik peralihan

Keterangan gambar :

e1 : Gelombang datang (incident wave)

e1’ : Gelombang pantulan (reflected wave)

e1’’ : Gelombang terusan (transmitted wave [5]

2.7 Arrester Sebagai Pengaman Peralatan Gardu Induk

Arrester adalah alat proteksi bagi peralatan listrik terhadap tegangan lebih yang disebabkan

oleh surja petir atau surja-hubung (switching surge). Alat ini bersifat sebagai by-pass disekitar

isolasi yang membentuk jalan yang mudah dilalui oleh arus petir ke sistem pentanahan sehingga

tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak isolasi peralatan listrik.

Pada keadaan normal arrester berlaku sebagai isolator, dan bila timbul tegangan surja alat

ini bersifat sebagai konduktor yang tahanannya relatif rendah, sehingga dapat melewatkan arus

yang tinggi ke tanah. Setelah surja hilang, arrester harus dapat dengan cepat menjadi isolator

kembali sehingga circuit breaker (CB) tidak sempat membuka.

Arrester itu sendiri terdiri dari dua jenis : jenis ekspulsi (ekspulsion type) atau tabung

pelindung (protector tube) dan jenis katub (valve type). [2]

2.7.1 Arrester Jenis Ekspulsi atau Tabung Pelindung [6]

Arrester ini mempunyai dua jenis sela, yaitu sela luar dan sela dalam. Sela dalam

ditempatkan di dalam tabung serat, Bila di terminal arrester tiba suatu surja petir, maka kedua

sela terpecik. Arus susulan yang terjadi memanaskan permukaan dalam tabung serat. Akibatnya

tabung mengeluarkan gas. Arus susulan merupakan arus sinusoidal sehingga pada periode

tertentu akan mencapai nilai nol. Saat arus susulan mencapai nol, gas akan memadamkan arus

susulan. Arus susulan paling lama bertahan dua periode. Biasanya sudah padam dalam waktu

setengah periode. Tetapi, pemadaman arus susulan masih tergantung pada tingkat arus hubung

singkat pada lokasi penempatan arrester.

2.7.2 Arrester Jenis Katup [6]

Arreter ini terdiri atas beberapa sela percik yang dihubungkan seri dengan resistor tak

linier. Resistor tak linier mempunyai tahanan yang rendah saat dialiri arus besar dan

mempunyai tahanan yang besar saat dialiri arus yang kecil. Resistor tak linier yang umum

digunakan untuk arrester terbuat dari bahan silikon karbid. Sela percik dan resistor tak linier

keduanya ditempatkan dalam tabung isolasi tertutup, sehingga kerja arrester ini tidak

dipengaruhi oleh keadaan udara sekitar.

2.8 Usaha Penanggulangan Terhadap akibat Sambaran Petir Langsung

Di antara tegangan lebih akibat sambaran petir, sambaran langsung pada area suatu G.I

atau pada saluran transmisi dekat kepada G.I merupakan bahaya terbesar terhadap isolasi G.I itu.

Lagi pula sukar sekali menentukan G.I itu sepenuhnya dengan arrester. Boleh jadi sambaran

langsung itu memang sangat kecil, tetapi sekali ia terjadi, kerusakan yang ditimbulkan sangat

hebat sekali. Karena itu gardu-gardu yang penting dan saluran-saluran di dekatnya harus

diamankan terhadap sambaran langsung dengan mengadakan perlindungan yang cukup dengan

memasang arrester dan kawat tanah dengan tahanan pengetanahan yang rendah. [7]

2.9 Karakteristik Arrester [7]

Basic Impulse Insulation Level (BIL) adalah batas kumparan suatu peralatan terhadap

surja-hubung atau surja petir. Pada G.I 150 kV diperlukan kekuatan BIL sekitar 750 kV atau

lima kali tegangan sistem. Karakteristik arrester perlu diketahui dengan jelas, sebagai berikut :

2.9.1 Mempunyai Tegangan Dasar Yang Tidak Boleh Dilampui

Arrester adalah sebuah peralatan tegangan dan mempunyai tegangan dasar (rating), mak

tidak boleh dikenakan tegangan yang melebihi tegangan dasar, baik dalam keadaan normal

maupun dalam keadaan hubung singkat, sebab arrester dalam menjalankan fungsinya harus

menanggung tegangan sistem normal dan tegangan lebih transient.

2.9.2 Mempunyai Karakteristik yang Dibatasi Oleh Tegangan (voltage-limiting) Bila

Dilalui Oleh Berbagai Macam Arus Petir

Karakteristik pembatas tegangan impuls pada arrester adalah haraga yang dapat ditahan

pada terminalnya bila menyalurkan arus tertentu, harga ini berubah dengan besarnya arus.

Karakteristik ini harus dapat dikenal pada waktu yang singkat, misalnya pada waktu terjadi

pelepasan arus (dishcharge), bila arrester mulai bekerja (dengan adanya surja), dan sebelum

arus mulai mengalir.

2.9.3 Mempunyai Batas Termis

Batas termis arrester yaitu kemampuan untuk melewatkan arus surja yang berwaktu lama

dan terjadi berulang-ulang, tanpa menaikkan suhunya.

Berhubung dengan hal-hal diatas maka supaya tekanan (stresses) pada isolasi dapat

dibuat serendah mungkin, suatu sistem perlindungan tegangan lebih perlu memenuhi

persyaratan sebagai berikut :

1. Dapat melepas tegangan lebih ke tanah tanpa menyebabkan

hubung singkaat ke tanah (saturated ground fault).

2. Dapat Menghentikan arus sususlan.

Karakteristik pelindung dari pada arrester sudah dikenal sejak tahun 1937, dan sesuai

dengan perbaikan-perbaikan yang dialaminya mengalami perubahan-perubahan. Yang

menonjol dari perubahan ini ialah bahwa perbandingan perlindungannya (protective ratio)

konstan dalam seluruh jangkauan tegangan, yang berarti bahwa tegangan pelepasan maksimum

sebanding dengan tegangan dasar untuk suatu bentuk surja tertentu.

2.10 Pemilihan Arrester [5]

Dalam pemilihan jenis arrester yang sesuai untuk suatu perlindungan tertentu, beberapa

faktor harus diperhatikan :

a. Kebutuhan perlindungan

Kebutuhan perlindungan berhubungan dengan kekuatan isolasi peralatan yang harus

dilindungi dan karakteristik impuls dari arrester.

b. Tegangan sistem

Tegangan sistem adalah tegangan pada terminal arrester.

c. Arus hubung singkat

Arus hubung singkat sistem ini hanya diperlukan pada arrester jenis ekspulsi.

d. Faktor kondisi luar

Faktor kindisi luar apakah normal atau tidak normal (200 meter atau lebih di atas

permukaan laut), temperatur atau kelembapan yang tinggi serta pengotoran.

e. Faktor ekonomi

Faktor ini adalah perbandingan antara biaya pemeliharaan dan kerusakan bila tidak ada

arrester atau dipasang arrester yang lebih rendah mutunya.

2.11 Pengenal Arrester [5]

Pada umumnya pengenal atau (rating) arrester hanya pengenal tegangan. Pada beberapa

jenis arrester perlu juga diketahui pengenal arusnya untuk menentukan kapasitas thermal arrester

tersebut.

Supaya pemakaian arrester lebih efektif dan ekonomis, peril diketahui 4 karakteristiknya :

1. Pengenal tegangan ini paling sedikit sama dengan tegangan maksimum yang mungkin

timbul selama terjadi gangguan.

2. Karakteristik perlindungan atau karakteristik impuls ini adalah untuk koordinasi yang

baik antara arrester dan peralatan yang dilindungi.

3. Kemampuan pemutus arus frekuensi dasar.

4. Kemampuan menahan atau melewatkan arus surja.

2.12 Koordinasi isolasi [7]

Tegangan lebih yang berasal dari dalam sistem jarang mencapai beberapa kali tegangan

sistm itu ketanah, maka tidaklah ekonomis jika seluruh peralatan sistem itu diisolasikan terhadap

tegangan setinggi itu. Jadi, yang dikehendaki adalah perencanaan isolasi yang aman dan

ekonomis untuk seluruh peralatan (dalam G.I dan seluruh transmisi) dengan koordinasi isolasi

yang tepat dengan alat pengamanannya.

Untuk gelombang tegangan dari sambaran petir, tegangan itu tinggi sekali, sehingga

hampir tidak mungkin mengisolasikan peralatan sistem terhadap tegangan tersebut. Karena itu,

untuk pengamanan terhadap sambaran petir, dipakailah kawat tanah dengan tahanan tanah yang

serendah mungkin. Selain itu, dipakailah alat pengaman yang cocok (arrester) untuk gelombang

yang merambat kedalam gardu induk. Peralatan sistem itu pun harus mempunyai ketahanan

isolasi yang cukup, sesuai dengan sistem pengamanannya.

Untuk meningkatkan keandalan dari saluran transmisi, cara yang terbaik adalah dengan

memperkuat isolasinya. Namun ini berarti bahwa isolasi saluran itu menjadi jauh lebih kuat dari

pada isolasi peralatan. G.I dan gelombang yang merambat kedalam G.I itu menjadi terlalu besar,

sehingga membahayakan isolasi G.I itu. Sebaliknya, jika tingkatan isolasi dari saluran itu terlalu

banyak diturunkan, maka gangguan akan lebih banyak terjadi dan keandalan saluran itu

menurun.

Oleh karena itu perlu diperhitungkan penyesuaian tingkat isolasi secara menyeluruh dngan

mengingat kemampuan pengaman dari arrester, pentingnya rangkaian, keadaan rangkaian dan

faktor-faktor ekonomis. Prinsip yang sama berlaku pula untuk tegangan lebih frekuensi rendah

dan surja hubung. Dalam hal ini diperlukan perencanaan isolasi sistem yang cukup tahan

terhadap tegangan lebih (tetapi terlalu besar seperti halnya pada gelombang petir) dengan

mengingat koordinasinya dengan alat pelindung.

2.13 Penentuan Tegangan Dasar Arrester [7]

Tegangan dasar arrester ditentukan berdasarkan tegangan sistem maksimum yang mungkin

terjadi. Tegangan ini dipilih berdasarkan kenaikan tegangan dari fasa-fasa yang sehat pada waktu

ada gangguan 1 fasa ke tanah ditambah suatu toleransi :

�< � = > ?@ (2.4)

dengan :

�< : Tegangan dasar arrester ��

= : Koefisien pembumian

> : Toleransi guna memperhitungkan fluktuasi tegangan, effek

ferranti, dan sebagainya

?@: Tegangan sistem maksimum ��

Koefisien α menunjukkan kenaikan tegangan dari fasa yang sehat pada waktu ada gangguan 1

fasa ke tanah, tergantung dari impedansi-impedansi urutan positif, negatif dan nol dilihat dari

titik gangguan.

2.14 Jarak Maksimum Arrester Dan Transformator Yang Dihubungkan Dengan Saluran

Udara [5]

Di sini akan dibahas jarak maksimum arrester dan transformator bila dihubungkan

langsung dengan saluran udara dan transformator dianggap sebagai jepitan terbuka.

Gambar 2.5. Transformator dan arrester terpisah sejarak S

Perlindungan yang baik diperoleh bila arrester ditempatkan sedekat mungkin pada jepitan

transformator. Tetapi, dalam praktek sering arrester itu harus ditempatkan sejarak S dari

transformator yang dilindungi. Karena itu, jarak tersebut harus ditentukan agar perlindungan

dapat berlangsung dengan baik.

Keterangan gambar :

�) : Tegangan percik arrester ��

�A : Tegangan pada jepitan transformator ��

A : CD

CE: Kecuraman gelombang datang, dan dianggap konstan �kV µs' �

S : Jarak arrester dan transformator �@�

v : Kecepatan merambat gelombang m µs'

�A � �) 0 � I J K' (2.5)

Dalam pembahasan penggunaan data komputer dalam gambar 2.5 dan tabel 2.1 digunakan

symbol-simbol sebagai berikut :

� : Harga puncak tegangan surja yang masuk gardu

CL

CM : Kecuraman muka gelombang kV

µdet'

N : Impedansi surja kawat transmisi �O�

�� : Tegangan arrester dalam pada arus nol, ditentukan dari

karakteristik arrester ��

P : Tahanan arrester, ditentukan dari karakteristik �O�

QR

Q& : Laju kenaikan maksimum arus arrester SI �' T

U : Arus maksimum arrester yang terletak diujung suatu saluran �I�, yang terletak di ujung

suatu saluran �� ( �)

N

Dimana �) adalah tegangan arrester yang tergantung dari arrester U itu sendiri. Untuk

menghindarkan kesulitan tersebut dibuatkan asumsi bahwa arrester itu mempunyai karakteristik

V-I yang linier antara 5.000 amper dan 10.000 amper.

Jadi: eV � E2 0 R I maka,

I � 2 e Z �E2 0 RI�

Z

atau ,

U � � � ( ��

N �P (2.6)

Keterangan :

\ QR

Q& : tegangan pada kawat arrester ��

�Q : harga puncak tegangan sistem, fasa netral ��

�� : perubahan tegangan maksimum pada lokasi arrester ��

�< : perubahan tegangan maksimum pada transformator

: �Q 0 tegangan uji gelombang terpotong, kV

] : Tegangan maksimum pada lokasi arrester dibagi laju kenaikan surja

yang datang ��

Q�Q&'

�� : �� 0 P U 0 \ QRQ&' 0 �Q (2.7)

L : Induktansi kawat arrester (0,4 mikro-henry pert kaki)

di

dt � 2

dedt'

Z

F_ � `aCD

CE' ,dimana (2.8)

EV � Eb Z EC

� �� 0 UP 0 \ QRQ&

(2.9)

Ec � Ed Z EC (2.10)

Gambar 2.6. Tegangan maksimum peralatan yang dilindungi dinyatakan sebagai perbandingan terhadap tegangan

arrester. (Menurut Clayton-Powell)

Tabel 2.1. Karakteristik perlindungan arrester jenis gardu induk dan jenis saluran, serta tegangan pelepasan

maksimum untuk gelombang

arus pelepasan 10 x 20 µdet