PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 1

PENGARUH GANGGUAN HUBUNG SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK*)

Oleh

Ir.Wahyudi Sarimun.N.MT **)

A b s t r a k

Keandalan sistem tenaga listrik dari pembangkitan sampai dengan distribusi sangat diperlukan baik oleh pelanggan maupun pemasok tenaga listrik dalam hal ini PLN. Gangguan-gangguan yang terjadi sering dialami oleh jaringan yang terpasang dialam terbuka, seperti Transmisi atau saluran udara tegangan menengah 20 kV Gangguan-gangguan ini diakibatkan oleh petir, binatang dan pohon yang terkena pada jaringan tenaga listrik. Yang dapat menimbulkan gangguan 1 fasa –tanah, dua fasa atau 3 fasa, akibatnya penyaluran tenaga listrik terganggu atau mengalami pemadaman.. Bila gangguan-gangguan seperti tersebut diatas besar nilainya, dapat meng-akibatkan kerusakan pada peralatan listrik yang dilaluinya seperti trans-formator tenaga, Pemutus dan current transformer.

Kata kunci : gangguan Hubung singkat.

* ) = Disampaikan pada pada “Workshop Distribusi” PT PLN (Persero) 14 Desember 2009

**) = Purna karya PT PLN (Persero)

1. PENDAHULUAN PLN sebagai pemasok utama energi listrik di Indonesia, pasti akan menghadapi tuntutan peningkatan keandalan yang terus menerus disamping juga peningkatan efisiensi. Indikator keandalan terpenting penyediaan tenaga listrik adalah lama padam/konsumen/ tahun dan kali padam/konsumen/ tahun. Kedua angka itu harus ditekan terus menerus. Pada konsumen PLN angka lama padam itu masih sangat tinggi yaitu sebesar 20 jam/konsumen /tahun. Sedangkan di negara maju sekitar 15 menit/konsumen /tahun.

Karena sebagian besar jaringan distribusi 20 kV di Indonesia mempergunakan saluran udara Tegangan Menengah (SUTM) yang melintasi udara terbuka banyak gangguan-gangguan yang tak dapat dihindari seperti gangguan karena petir atau gangguan yang diakibatkan pepohonan dan binatang. Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya hubung singkat antar fasa (3 fasa atau 2 fasa) atau antara 1 fasa ke tanah, dan dapat bersifat tamporair (non persistant) atau permanent (persistant). Gangguan yang permanen misalnya hubung singkat yang terjadi pada

PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 2

kabel, belitan trafo atau belitan generator karena tembusnya (break downnya) isolasi padat. Di sini pada titik gangguan memang terjadi kerusakan yang permanen. Peralatan yang terganggu tersebut baru bisa dioperasikan kembali setelah bagian yang rusak di-perbaiki atau diganti. Pada gangguan yang temporer, tidak ada kerusakan yang permanen di titik gangguan. Gangguan ini misalnya berupa flashover antara penghantar fasa dan tanah (tiang, travers atau kawat tanah pada SUTT atau SUTM) karena sambaran petir, atau flashover dengan pohon-pohon yang tertiup angin dan sebagainya. Pada gangguan ini yang tembus (breakdown) adalah isolasi udaranya, oleh karena itu tidak ada kerusakan yang permanen. Setelah arus gangguannya terputus, misalnya karena terbukanya circuit breaker oleh relay pengamannya, peralatan atau saluran yang terganggu tersebut siap diopera-sikan kembali. Arus hubung singkat 2 fasa biasanya lebih kecil daripada arus hubung singkat 3 fasa. Jika tahanan gangguan diabaikan arus hubung singkat 2 fasa kira-kira : ½ √3 (=0,866) kali arus hubung singkat 3 fasa. Arus gangguan 1 fasa ke tanah hampir selalu lebih kecil daripada arus hubung singkat 3 fasa, karena di samping impe-dansi urutan nolnya pada umum-nya lebih besar daripada impedansi urutan positifnya, gangguan tanah hampir selalu melalui tahanan gangguan, misalnya beberapa ohm yaitu tahanan pentanahan kaki tiang dalam hal flashover dengan tiang atau kawat tanah, atau beberapa puluh atau ratusan ohm dalam hal flashover dengan pohon. Di samping itu untuk sistem dengan pentanahan melalui tahanan, tahanan pentanahan netral itu juga

akan membatasi arus gangguan 1 fasa ke tanah. Bila gangguan-gangguan seperti ter-sebut diatas besar nilainya, dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan listrik yang dilaluinya seperti transformator tenaga, Pemu-tus dan current transformer. 2. PERHITUNGAN ARUS

GANGGUAN

Jaringan sistem tenaga listrik sederhana, seperti terlihat pada gambar 1 dibawah ini, dipasok dari arus bolak balik. Dimana impedansi hubung singkat ZSC (short circuit) terdiri dari tahanan (R) dan reaktansi (X), yang diperoleh dari impedansi sumber, transformator tenaga dan jaringan tenaga listrik, dimana besar kecilnya nilai impedansi jaringan tergantung pada luas penampang dan jarak jaringan dari sumber.

Impedansi beban (Zbeban) tersambung pada sistem tenaga listrik ini seperti terlihat pada gambar 1. Bila saklar S ditutup, maka akan mengalir arus I dari sumber yang besarnya tergan-tung pada kapasitas dari beban (VA, Watt atau ohm). Saat jaringan beroperasi terjadi gang-guan hubung singkat antara titik A dan B, maka timbul arus gangguan hubung singkat pada jaringan tersebut. besarnya impedansi hubung singkat, sebagai berikut:

Gambar 1: jaringan sistem tenaga listrik

ZSC

R X

Zbeban

A

B

S

e

I

PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 3

ZSC = 22( XR + (1) (II.17)

Dimana:

ZSC = impedansi hubung singkat (ohm,pu)

R = Tahanan sistem (ohm,pu) X = Reaktansi sistem (ohm, pu)

Dalam sistem distribusi, reaktansi X = 2πf.L nilainya jauh lebih besar dari tahanan (R) , perbandingan antara R dan X atau R/X antara 0,1 s/d 0,3(1). Nilai R/X hampir sama dengan nilai Cosϕ, dimana nilainya adalah

Cosϕ =22 XR

R

+ (2)

Secara umum kondisi kenaikan/ transient arus hubung singkat ber-beda, tergantung antara lokasi gangguan hubung singkat dan ge-nerator. Jika gangguan dekat gene-rator yang dominan adalah impe-dansi generator, tetapi kalau gangguan jauh dari generator yang dominan adalah impedansi generator, transformator dan jaringan. Penje-lasan gangguan hubung singkat pa-da sistem tenaga listrik dijelaskan. sebagai berikut:

a. Gangguan hubung singkat jauh dari generator.

Gangguan hubung singkat seperti ini, sering dijumpai pada sistem tenaga listrik. Dimana kondisi transient yang diperoleh dari aplikasi tegangan persis sama besar dengan rangkaian reactor-resistansi.Tegangannya, seba-gai berikut(1):

e = E 2 sin(ωt + α) (3)

Dan arus (i) yang timbul diperoleh dari penjumlahan komponen si-nusoidal arus bolak balik dari arus seketika (intantaneous) iac dan kom-ponen tidak periodik (aperiodic) dari arus seketika idc.

i = iac + idc (4) (II.20).

Dimana:

Arus iac adalah arus bolak-balik yang berbentuk sinusoidal dengan persamaan sebagai berikut:

iac = I 2 sin (ωt + α - ϕ) (5)

I = SCZ

E

α = sudut antara permulaan gangguan dan tegangan nol (zero voltage).

Arus idc adalah komponen tidak periodic (aperiodic) yang dikatakan sebagai arus dc (direct current) yang tergantung pada nilai R/L, sebagai berikut:

idc = -I 2 sin(α-ϕ) L

Rt

e−

(6)

Penjumlahan gelombang kedua arus (lihat persamaan (4), jika digam-barkan dalam bentuk gelombang dapat dilihat pada gambar 2

Dimana:

ϕ = Sudut fase ( arus berpengaruh pada tegangan)

t = Waktu

Saat terjadi gangguan hubung sing-kat, tegangan dapat di nyatakan sebagai berikut:

u = E 2 .sin(ωt+ϕ) (7)

Dan pengembangan arus gangguan hubung singkat seperti pada persamaan (4), yang telah diekspresikan, diperoleh:

Kurva arus gangguan

iac=Isin(ωt+α-ϕ)

idc=-Isin(α-ϕ)e-R/ L t i = iac + idcω

α ϕ−

I

Gambar 2: Grafik arus gangguan hubung singkat jauh dari generator

PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 4

i = Z

E 2[ sin(ωt + α - ϕ) – sin (α-

ϕ)t

L

R

e−

] (8) (II.24)

Dengan dua komponen, dimana arus bolak-balik tergantung pada nilai ϕ yang berpengaruh pada tegangan dan komponen kedua sebagai aperiodik yang waktu (t) menuju nol (zero), hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut:

• Bila : α = ϕ = π/2 dikatakan

simetris (seimbang), Arus gangguan-

nya, sebagai berikut:

I = Z

E 2sin (ωt) (9) (II.25)

Dimana gelombang sinusoidalnya

mempunyai nilai sama dengan pun-

cak gelombang = E/Z. Hal inilah yang

dikatakan sebagai gangguan simetris.

Dari persamaan 7 & 8 dapat digam-

bar gelombang arusnya seperti terli-

hat pada gambar 3.

• Bila α = 0, dikatakan tidak simetris (asymmetrical), seperti terlihat pada gambar 4. Arus gang-guannya, sebagai berikut:

i = Z

2E[ sin(ωt - ϕ)+ sin ϕ

tL

R

e−

] (10) (II.26)

Dimana nilai puncak Ip tergantung dari nilai R/X = cosϕ. Dan Faktor

tL

R

e−

adalah faktor yang ditentukan oleh nilai R/L atau R/X. Gelombang sinusoidal yang terjadi mempunyai nilai tidak sama pada puncak gelombangnya, hal ini yang dikatakan sebagai gangguan yang tidak simetris.

Arus puncak Ip dari gangguan tidak simetris, diperhitungkan untuk menentukan making capacity dari pengaman (circuit breaker) dan electrodynamic forces dari instalasi listrik di Gardu Induk atau di Pusat Listrik.

Arus puncak Ip, mungkin diperhi-tungkan dari rms arus hubung singkat simetris Ia , sebagai berikut:

IP = k. 2 .Ia

Dimana:

IP = Arus maksimum (puncak pertama), saat terjadi gangguan hubung singkat.

Ia = Arus hubung singkat simetris. k = faktor koefisien, untuk

menentukan besarnya puncak arus gangguan hubung singkat(1)

= 1,02 + 0,98 L

R3

e−

Atau Koefisien k dapat diperoleh dari gambar 5 dibawah ini.

Gambar 4 : Grafik tidak simetris untuk arus & tegangan saat gangguan hubung singkat.

Kurva tegangan & arus gangguan tidak simetris

i = iac + idc

i = iac

u

idc

Ip

I,V

Kurva tegangan & arus gangguan simetris

i = iac + idc

Gambar 3: Grafik simetris untuk arus & tegangan saat gangguan hubung singkat

I,V

u

PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 5

Kejadian yang sering dijumpai pada sistem distribusi, dimana beberapa Pusat listrik yang di interkoneksi (lihat gambar 6) dimana Pusat lisrik memasok Gardu Induk dengan tegangan 150kV/20 kV atau 70kV/20 kV, bila terjadi gangguan hubung singkat di jaringan distribusi yang lokasinya jauh dari Pusat listrik, dalam perhitungan arus hubung singkat, reaktansi dari Generator, transformator tenaga dan transmisi yang diperhitungkan sebagai reaktansi hubung singkat (XSC).

b. Gangguan hubung singkat dekat dengan generator.

Pada sistem distribusi, yang dipasok langsung dari generator melalui Pusat Listrik Tenaga Diesel atau dari Pusat Listrik yang langsung memasok beban melalui transformator tenaga seperti terlihat pada gambar 7. Jika

terjadi gangguan hubung singkat di jaringan distribusi, dalam perhi-tungan hubung singkat yang domi-nan adalah reaktansi transient dari generator sebagai impedansi hubung singkat.

Maka terdapat beberapa reaktansi yang berkembang yaitu(1):

� Reaktansi Subtransient (Xd”) waktu = 10 – 20 Millidetik

� Reaktansi Transient (Xd’) waktu kurang dari 500 Millidetik.

� Steady-state (Xd) atau reaktansi sinkron.

PLTD Sistem distribusi

Gambar 7: Pasokan daya dari PLTD

Gangguan hubung singkat

Gambar 5: variasi koefisien k tergantung nilai R/X atau R/L(1)

Trafo

unit

KIT 1

KIT 3

KIT 2

G.I A

transmisi

transmisi

transmisi transmisi

Gambar 6: Pusat listrik di interkoneksi

Gambar 8: tiga komponen yang terjadi saat terjadi arus gangguan hubung singkat dan total ketiga arus gangguan e)

a)

b)

c)

d)

t (detik)

t (detik)

Kurva tegangan & arus gangguan simetris

b)

e)

c)

a)

d)

PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 6

Penjelasan tentang gelombang si-nusoidal dari arus gangguan hubung singkat, dimana lokasi gangguan dekat dengan generator dapat dilihat pada gambar 8 dibawah(1):

Gambar: 8.

a) Reaktansi Subtransient = Xd”

b) Reaktansi Transient = Xd’ c) Reaktansi sinkron = Xd d) Komponen tidak periodik

(aperiodic) e)Total arus gangguan hubung

singkat dan Kontribusi dari tiap komponen.

Catatan: Penurunan reaktansi generator secara cepat dari komponen tidak periodik (aperiodic), dapat menye-babkan kejenuhan (saturation) dari rangkaian maknetik generator yang menjadi penyebab timbulnya bebe-rapa periode sebelum arus mencapai titik nol.

Masing-masing reaktansi, mempero-leh nilai tertinggi dari langkahnya seperti terlihat pada gambar 8a, 8b, 8c. Tetapi setiap perubahan langkah ada penurunan seperti reaktansi transient berkurang dari reaktansi subtransient, selanjutnya berkurang ke reaktansi synchronous. Seperti terlihat pada gambar II.20e, dimana efek tersebut adalah: • Tiga komponent arus bolak balik (subtransient, transient dan ste-ady state). • Komponen aperiodic dihasilkan dari arus yang terdapat pada rang-kaian listrik (induktif). Dari hal tersebut diatas, dapat diekspresikan dalam bentuk matematik sebagai berikut:

at/Te

"dX

2E

t cosω

dX

1'd

t/Te

dX

1

'dX

1"d

t/Te

'dX

1

"dX

12Ei(t)

−−

+−

−+−

−=

Dimana:

E = Tegangan rms fase-netral pada terminal generator.

X”d = Reaktansi subtransient X’d = Reaktansi transient Xd = Reaktansi synchronous (steady

state) T”d = Waktu konstant subtransient T’d = Waktu konstant transient Ta = Waktu konstan aperiodic.

Secara praktis, bahwa arus gangguan hubung singkat yang dekat generator, dapat dijelaskan, bahwa:

• Pada instalasi listrik, dengan kecepatan peralatan breaking, awal arus gangguan hubung singkat simetris tercatat sebagai I”k dan puncak maksimum amplitude subtransient Ip. Yang disebut sub-transient, dimana nilai subtransient dari arus gangguan hubung singkat ini, dipergunakan untuk menentukan besarnya breaking capacity dari per-alatan proteksi dan electrodynamic force dari peralatan listrik. • Pada sistem tegangan tinggi atau tegangan menengah, saat terjadi gangguan hubung singkat subtransient (tidak simetris), circuit breaker belum membuka, karena waktu dari subtransient 10-20 milidetik dan membukanya circuit breaker dimulai pada waktu

PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 7

40 milidetik (instantenous). Jadi saat terjadi gangguan hubung singkat ada waktu tunda, untuk membukanya circuit breaker dan gelombang gangguan hubung singkat menurun dari subtransient ke transient yang diperhitungkan sebagai waktu t = tmin seperti terlihat pada gambar 10 sebelum steady state), circuit breaker mulai membuka. Nilai Transient dari gangguan hubung singkat diper-gunakan untuk relai proteksi (perhitungan arus gangguan hubung singkat).

3. KASUS ARUS KELUAR DARI

SUMBER

Kasus ini diambil dari trans-formator tenaga dengan kapasitas 60 MVA, 150 kV, XT = 12,8% Perhitungan arus gangguan yang ke-luar dari trafo yang terbesar dapat diperoleh dari persamaan 11, sebagai berikut

Imaks = trafoN

T

IX

1 amp (11)

Dimana: Imaks = Arus maksimum dari trafo

tenaga.

XT = Reaktansi trafo tenaga yang tercantum di name plate

IN = Arus nominal trafo tenaga Maka diperoleh:

Imaks = 203

000.60

%8,12

1

x

= 13,531 KA Bila dihitung nilai MVA nya adalah MVA = √3 x Imaks x V = √3 x 13,531 x 20 = 468,75 MVA Arus sebesar 13,531 KA adalah arus pertama kali keluar dari trafo, sebagai arus subtransient dari trafo yang dapat menimbulkan stress pada belitan trafo seperti terlihat pada gambar 11 dibawah ini

Gambar 11: stress trafo

Saat terjadi gangguan hubung sing-kat di jaringan 20 kV: 1. Terdapat tenaga mekanik pada

belitan trafo 2. Gaya mekanik yang timbul

adalah FX dan FY 3. Kedua gaya ini akan membentuk

gaya F1 dan F2 dimana F1 = - F2.

Bila di jaringan 20 kV sering menga-lami gangguan, maka jepitan dari inti besi trafo akan kendor. Karena kendor nya inti besi, kalau trafo dibebani hampir maksimum trafo tersebut terdengar mendengung, penyebabnya inti besi bergetar. Kare-na adanya frekwensi listrik menim-bulkan frekwensi mekanik.

Gambar 10: Arus hubung singkat dekat dengan generator.

a)

b)

Fx1

Fy1 F1

Fy2

Fx2

F2

Inti

besi

PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK

WAHYUDI SN 8

Juga arus gangguan ini melalui cubi-cle (pemutus) incoming atau outgoing feeder dan current transformer. Arus inilah, sebagai dasar untuk menen-tukan besaran arus puncak atau arus dynamic yang tercantum pada name plate cubicle. Begitu juga untuk current transformer yang terpasang di outgoing feeder perlu diperhatikan arus dynamic nya yang tercantum pada name plate CT. Bila daya transformator tenaga diper-besar, tetapi cubicle PMT dan CT di ganti kemungkinan besar PMT dapat meledak dan CT menjadi jenuh.

Bagaimana kalau sumbernya da-ri PLTD seperti terlihat pada 7. dimi-salkan daya generator 7 MVA, Xd” = 17 % tegangan 6,3 kV. Dengan memperunakan persamaan (11), diperoleh:

Imaks =3,6.3

7000

%17

1 amp

= 3773, 53 amp

dilihat dari sisi 20 kV

Imaks = (6,3/20) x 3777,53) amp

= 1188,66 amp

Bila PLTD diparalel dengan PLTD atau Pusat listrik yang lain, arus maksimum ini akan bertambah besar sesuai arus keluaran dari generator.

Misal: Karena kekurangan pasokan PLN menambah PLTD sebe-sar 3 x 7 MVA dengan Xd” = 17 %, maka arus pertama yang keluar di feeder outgoing saat terjadi gangguan, sebesar:

Imaks = 4 x 1188,66 amp = 4754,65 amp.

Arus ini adalah arus terbesar pertama kali keluar dari generator, tetapi PMT belum trip.

Saat ini PLN banyak membang-un Pusat-Pusat Listrik tersebar di Indonesia, langsung diparalel dengan

sistem yang ada baik mempergu-nakan tegangan 150 kV atau 20 kV. Hal ini dapat menimbulkan besarnya arus gangguan yang terbaca oleh cur-rent transformer (CT). Dapat mengakibatkan CT menjadi jenuh, sehingga Relai tidak trip. yang trip pada incoming yang dapat meng-akibatkan blackout.

4. KESIMPULAN

1. Perlu koordinasi proteksi antara incoming dan outgoing feeder.

2. Bila ada penggantian trafo dengan daya yang lebih besar, khususnya di gardu induk dan penambahan Pusat listrik di sistem 20 kV. Harus ada penelitian terlebih da-hulu untuk arus peak dan current transformer yang terpasang.

REFRENSI:

Benolt de Metz-Nobalt; Frederic Dumas; Christophe Poulain; Calculation of short-circuit current no 158; Schneider Electric. Tahun 2005.