studi pengaruh tegangan lebih akibat induksi petir pada saluran transmisi tegangan tinggi...

Abstrak :Sistem tenaga listrik terdiri atas pembangkitan,

transmisi, distribusi, dan pemakaian oleh konsumen. Penyaluran daya listrik dengan saluran transmisi tegangan tinggi berpotensi besar tersambar petir, sehingga dapat menyebabkan tegangan lebih pada saluran. Pada tugas akhir ini akan dibahas perhitungan dan analisis tegangan lebih akibat induksi petir pada saluran transmisi tegangan tinggi. Metode yang digunakan adalah perhitungan dengan teori Coupling Model Rusck, serta simulasi dengan bantuan perangkat lunak EMTP.

Hasil simulasi EMTP menunjukkan bahwa teori Rusck cukup akurat dalam menghitung tegangan puncak induksi petir, terutama pada lokasi yang dekat dengan sambaran petir. Pada jarak maksimum 1200 meter dari pusat sambaran petir, error hanya 9,139%. Sementara untuk tinggi menara, pengukuran yang akurat hanya pada ketinggian 33 – 50 meter saja dengan batasan error 6,468%.

Kata kunci: Tegangan Induksi Petir, Saluran Transmisi Tegangan Tinggi, Coupling Model Rusck.

I. PENDAHULUAN

Indonesia terletak pada daerah tropis memiliki tingkat sambaran petir yang lebih tinggi dibandingkan dengan negara subtropis. Pada saluran transmisi yang melalui daerah dengan potensi sambaran petir cukup tinggi, probabilitas terkena sambaran petir akan cukup besar.

Sambaran petir pada saluran transmisi tegangan tinggi menyebabkan tegangan induksi pada saluran. Tegangan induksi inilah yang dapat menyebabkan terjadinya tegangan lebih pada saluran yang dapat membahayakan isolator pada saluran, serta peralatan-peralatan listrik lainnya. Masalah yang bisa ditimbulkan oleh tegangan lebih akibat induksi petir sangatlah kompleks. Salah satu metode yang digunakan untuk menganalisa tegangan lebih akibat induksi petir pada saluran transmisi tegangan tinggi adalah dengan Coupling Model Rusck.

Dengan menggunakan teori Coupling Model Rusck dan simulasi perangkat lunak EMTP (Electromagnetic Transient Program) akan didapatkan besarnya tegangan

lebih akibat induksi petir pada saluran transmisi tegangan tinggi. Oleh karena itu, penentuan nilai tegangan puncak induksi petir pada saluran transmisi tegangan tinggi bertujuan untuk meningkatkan upaya perlindungan saluran transmisi terhadap adanya gangguan berupa tegangan lebih.

II. PETIR DAN PERMASALAHANNYA

2.1 PetirPetir merupakan kejadian alam di mana terjadi

loncatan muatan listrik antara awan dengan bumi. Indonesia terletak di negara tropis yang sangat panas dan lembab. Kedua faktor ini sangat penting dalam pembentukan awan Cumulonimbus (Cb) penghasil petir. Petir atau kilat yang menyambar saluran transmisi tegangan tinggi dibedakan menjadi dua macam menurut terjadinya sambaran, yaitu sambaran langsung dan sambaran tidak langsung atau sambaran induksi. Dari segi ketinggian komponen-komponen saluran transimi, sambaran langsung lebih sering terjadi pada saluran transmisi. Namun, gangguan akibat sambaran tidak langsung (sambaran induksi) juga tidak boleh diabaikan begitu saja, justru jenis sambaran induksi inilah yang lebih berbahaya dibandingkan sambaran langsung.

2.2 Sambaran LangsungYang dimaksud dengan sambaran langsung adalah

apabila kilat menyambar langsung pada kawat fasa (untuk saluran tanpa kawat tanah) atau pada kawat tanah (untuk saluran dengan kawat tanah). Pada waktu kilat menyambar kawat tanah atau kawat fasa akan timbul arus besar dan sepasang gelombang berjalan yang merambat pada kawat. Arus yang besar ini dapat membahayakan peralatan-peralatan yang ada pada saluran. Oleh karena saluran transmisi tegangan tinggi cukup tinggi di atas tanah, maka jumlah sambaran langsung pun cukup tinggi. Makin tinggi tegangan sistem serta tinggi tiangnya, makin banyak pula jumlah sambaran petir ke saluran itu.

2.3 Sambaran Tidak Langsung (Sambaran Induksi)Sambaran tidak langsung atau sambaran induksi

merupakan sambaran titik lain yang letaknya jauh tetapi obyek terkena pengaruh dari sambaran sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada obyek tersebut.

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 1 dari 6 halaman

STUDI PENGARUH TEGANGAN LEBIH AKIBAT INDUKSI PETIR PADA SALURAN TRANSMISI TEGANGAN TINGGI MENGGUNAKAN

COUPLING MODEL

M. Yusron Affandi

Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh NopemberKampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya - 60111

Bila terjadi sambaran petir ke tanah di dekat saluran penghantar listrik, maka akan terjadi fenomena transien yang diakibatkan oleh medan elektromagnetis dari kanal petir. Fenomena petir ini terjadi pada kawat penghantar listrik. Akibat dari kejadian ini timbul tegangan lebih dan gelombang berjalan yang merambat pada kedua sisi kawat penghantar listrik di tempat sambaran berlangsung.

Fenomena transien pada kawat penghantar listrik berlangsung hanya di bawah pengaruh gaya yang memaksa muatan-muatan bergerak sepanjang hantaran. Atau dengan perkataan lain transien dapat terjadi di bawah pengaruh komponen vektor kuat medan magnet yang berarah sejajar dengan arah penghantar. Jadi bila komponen vektor dari kuat medan berarah vertikal, dia tidak akan mempengaruhi atau menimbulkan transien pada penghantar.

Untuk mengetahui besarnya tegangan lebih akibat induksi petir, dibutuhkan suatu perhitungan yang terdiri dari [9]:1. Model sambaran balik yang menentukan distribusi arus

petir sepanjang saluran.2. Perubahan medan elektromagnetik menghasilkan arus

terdistribusi, termasuk efek propagasi pada medan yang dihitung di sepanjang saluran.

3. Tegangan dihasilkan dari interaksi elektromagnetik antara medan dan konduktor saluran dengan menggunakan coupling model.

2.4 Gelombang Berjalan [8]Sampai saat ini sebab – sebab dari gelombang berjalan

yang diketahui adalah:a. sambaran kilat secara langsung pada kawatb. sambaran kilat tidak langsung pada kawat induksic. operasi pemutusan (switching operations)d. busur tanah (arcing grounds)e. gangguan–gangguan pada sistem oleh berbagai

kesalahanSemua macam sebab–sebab ini menimbulkan surja

(surge) pada kawat, yaitu surja tegangan dan surja arus. Dari sudut energi, dapat dikatakan bahwa surja pada kawat disebabkan oleh penyuntikan energi secara tiba–tiba pada kawat. Energi ini merambat pada kawat, sama halnya seperti bila kita melemparkan batu pada air yang tenang dalam sebuah kolam. Energi yang merambat ini terdiri dari arus dan tegangan.

Bentuk umum suatu gelombang berjalan digambarkan sebagai berikut:

(a) (b)

Gambar 1. Spesifikasi gelombang berjalan

Spesifikasi dari suatu gelombang berjalan :

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

b. Waktu muka gelombang, t1 (mikrodetik), yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Dalam praktek ini diambil 10%E sampai 90%E, seperti terlihat pada gambar 1 (b).

c. Ekor gelombang, yaitu bagian di belakang puncak. d. Waktu ekor gelombang, t2 (mikrodetik), yaitu waktu

dari permulaan sampai titik 50%E pada ekor gelombang.

e. Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang, positif atau negatif.

III. COUPLING MODEL PADA SALURAN TRANSMISI

Rusck menunjukkan bahwa model coupling antara medan dan kawat diturunkan dalam arus dan tegangan total yang terdistribusi sepanjang saluran. Persamaan saluran transmisi dengan model ini diturunkan berdasarkan medan listrik total pada permukaan konduktor ke potensial skalar dan potensial vektor.

Persamaan saluran transmisi yang diturunkan oleh Rusck adalah [12]:

(1)

(2)

Pada persamaan (1) dan (2), uφ(x,t) adalah tegangan induksi pada saluran akibat potensial skalar (φi) pada medan. R adalah resistansi, L adalah induktansi, dan C adalah kapasitansi per unit. Tegangan total u(x,t) pada saluran adalah:

(3)


Gambar 2. Representasi Terjadinya Tegangan Induksi Petir pada Saluran Transmisi

Gambar 3. Representasi Coupling Model Rusck pada Saluran Transmisi

Untuk menyederhanakan proses dalam mendapatkan solusi akhir, Rusck memberikan asumsi bahwa medan listrik, potensial skalar dan vektor antara tanah (ground) dan tinggi saluran adalah konstan dan sama dengan permukaan tanah. Dengan perkiraan ini, solusi akhir yang ditemukan oleh Rusck adalah:

(4)

dengan

Persamaan tegangan induksi petir terhadap fungsi waktu dirumuskan sebagai berikut:

(5)

Sedangkan untuk mendapatkan besarnya tegangan puncak dari tegangan induksi petir diperoleh dari persamaan:

(6)dengan

Vmax = tegangan puncak induksi petir (Volt)Z0 = impedansi pada ruang hampa (ohm)I0 = arus puncak petir (kA)d = jarak antar saluran transmisi (m)c = kecepatan cahaya (m/s)h = tinggi menara transmisi (m)β = rasio antara kecepatan sambaran balik dan

kecepatan cahaya

IV. ANALISIS TEGANGAN PUNCAK INDUKSI PETIR

4.1 Simulasi Menggunakan ATP-EMTPPada tugas akhir ini, model saluran transmisi dan

menara disimulasikan dengan ATP-EMTP. Model yang disimulasikan dapat dilihat pada gambar 4. Pada saluran ini akan dianalisa tegangan lebih akibat induksi petir pada menara transmisi terhadap sambaran petir yang memiliki nilai arus puncak 10–120 kA. Dengan menempatkan Voltmeter pada setiap 300 meter jarak saluran transmisi, akan dapat menunjukkan tampilan berupa tegangan lebih transien pada saluran transmisi yang terkena sambaran induksi petir.

Gambar 4. Pemodelan Sistem pada ATP-EMTP

4.2 Pengaruh Jarak Sambaran Petir Pada simulasi ini, jarak antar menara transmisi adalah

300 meter. Pada tiap jarak 300 meter dipasang voltmeter. V1 menunjukkan voltmeter yang dipasang pada jarak 300 meter dari pusat sambaran petir, V2 pada jarak 600 meter, dan seterusnya sampai V6 pada jarak 1800 meter. Hasil keluaran berupa tegangan lebih akibat induksi petir saat arus puncak petir 120 kA yang tampak pada masing-masing voltmeter ditunjukkan oleh gambar 5.


(f ile V6.pl4; x-v ar t) v :V1A v :X0114A v :X0106A v :X0110A v :X0145A v :X0149A 0 5 10 15 20 25[us]

-100

0

100

200

300

400

500

600

700[kV]

Gambar 5 Tegangan Induksi Petir Saat Berdasarkan Jarak Sambaran Saat Arus Puncak Petir 120 kA

Tabel 1 Nilai Tegangan Lebih Akibat Induksi Petir Berdasarkan Jarak Sambaran Saat Arus Puncak Petir 120 kA

VoltmeterJarak (m)

Tegangan Puncak Induksi (kV)

Teori Rusck

Simulasi ATP-EMTP

1 300 667,613 694,900 3,9272 600 333,806 351,680 5,0823 900 222,538 238,820 6,8184 1200 166,903 183,690 9,1395 1500 133,523 161,900 17,5286 1800 111,269 150,510 26,072

Jarak Sambaran vs Tegangan Puncak Induksi Petir

0

100

200

300

400

500

600

700

800

300 600 900 1200 1500 1800

Jarak Sambaran (m)

Teg

ang

an P

un

cak

Ind

uks

i P

etir

(kV

)

Teori Rusck

Simulasi ATP-EMTP

Gambar 6 Grafik Perbandingan Tegangan Induksi Teori Rusck dan Simulasi ATP-EMTP Berdasarkan Jarak Sambaran

Hubungan antara arus puncak petir dan tegangan puncak induksi adalah berbanding terbalik. Semakin dekat jarak sambaran petir, maka semakin besar tegangan induksinya.

Error Hasil Simulasi ATP-EMTP dengan Teori Rusck Berdasarkan Jarak Sambaran

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000

Jarak Sambaran (m)

Err

or

(%)

Gambar 7 Grafik Error Tegangan Induksi Teori Rusck dan Simulasi ATP-EMTP Berdasarkan Jarak Sambaran

Dari gambar 7, terlihat bahwa semakin jauh jarak pengukuran tegangan induksi dari pusat sambaran petir, maka semakin besar pula nilai error yang terjadi pada hasil simulasi.

4.3 Pengaruh Arus Puncak PetirBesarnya arus puncak petir tidak dapat diperkirakan

sebelumnya. Pada simulasi ini digunakan arus puncak petir yang berkisar antara 10-120 kA. Besarnya nilai tegangan induksi yang ditunjukkan pada hasil simulasi ATP-EMTP dibandingkan dengan teori yang dikemukakan oleh Rusck. Hasilnya dapat kita lihat pada tabel 2.

Tabel 2 Nilai Tegangan Lebih Akibat Induksi Petir Berdasarkan Arus Puncak Petir Pada Jarak 300 Meter Dari Sambaran Petir

Arus Puncak

Petir (kA)

Tegangan Induksi (kV)Teori Rusck

Simulasi ATP-EMTP

10 55,634 57,909 3,92820 111,269 115,820 3,9350 278,172 289,540 3,92680 445,075 463,270 3,927100 556,344 579,090 3,928120 667,613 694,900 3,927

Arus Puncak Petir vs Tegangan Puncak Induksi Petir

0

100

200

300

400

500

600

700

800

10 20 50 80 100 120

Arus Puncak Petir (kA)

Teg

ang

an P

un

cak

Ind

uks

i Pet

ir

(kV

)

Tegangan Induksi (kV) TeoriRusck

Tegangan Induksi (kV)Simulasi ATP-EMTP

Gambar 8 Grafik Perbandingan Tegangan Induksi Teori Rusck dan Simulasi ATP-EMTP Berdasarkan Arus Puncak Petir


Hubungan antara arus puncak petir dan tegangan

puncak induksi adalah berbanding lurus. Semakin kecil arus puncak petir, maka semakin rendah tegangan induksinya.

4.4 Pengaruh Tinggi MenaraBesarnya nilai tegangan induksi yang ditunjukkan

pada hasil simulasi ATP-EMTP dibandingkan dengan hasil perhitungan teori yang dikemukakan oleh Rusck. Hasilnya dapat dilihat pada tabel 3:

Tabel 3 Nilai Tegangan Lebih Akibat Induksi Petir Berdasarkan Tinggi Menara

Tinggi Menara

(m)

Tegangan Induksi (kV)

Teori Rusck

Simulasi ATP-EMTP

33 667,613 694,900 3,92740 809,228 775,910 4,29450 1011,534 950,080 6,46860 1213,841 1084,300 11,94770 1416,148 1207,700 17,25980 1618,455 1321,100 22,508

Tinggi Menara vs Tegangan Puncak Induksi Petir

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

33 40 50 60 70 80

Tinggi Menara (m)

Teg

ang

an P

un

cak

Ind

uks

i Pet

ir (

kV)

Tegangan Induksi (kV)Teori Rusck

Tegangan Induksi (kV)Simulasi ATP-EMTP

Gambar 9. Grafik Perbandingan Tegangan Induksi Teori Rusck dan Simulasi ATP-EMTP Berdasarkan Tinggi Menara

Error Hasil Simulasi ATP-EMTP dengan Teori Rusck Berdasarkan Tinggi Menara

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100

Tinggi Menara (m)

Err

or

(%)

Gambar 10. Grafik Error Tegangan Induksi Teori Rusck dan Simulasi ATP-EMTP Berdasarkan Tinggi Menara

Semakin tinggi menara, maka semakin besar pula nilai error pada hasil simulasi. Error terkecil hanya terjadi pada menara dengan tinggi 33-50 meter saja.

4.5 Pengaruh Waktu Muka (Front Time)Dengan mengubah-ubah nilai waktu muka tegangan

impuls petir, nilai tegangan puncak induksi petir juga mengalami perubahan. Berikut ini adalah nilai tegangan puncak induksi petir berdasarkan waktu muka pada saat waktu ekor 50 μs.

Tabel 4 Nilai Tegangan Puncak Induksi Petir Berdasarkan Waktu Muka Saat Waktu Ekor 50 μs

Waktu Muka (μs) Tegangan Puncak Induksi Petir (kV)1,2 1917,45 715,0910 313,9515 257,5320 235,35

Waktu Muka vs Tegangan Puncak Induksi Petir

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25

Waktu Muka (μs)

Te

ga

ng

an

Pu

nc

ak

Ind

uk

si P

eti

r (k

V)

Gambar 11. Grafik Waktu Muka vs Tegangan Puncak Induksi Petir Saat Waktu Ekor 50 μs

Semakin cepat waktu muka sambaran petir, maka nilai tegangan puncak induksi yang terjadi semakin besar, begitu pula sebaliknya. Hubungan antara waktu muka dengan tegangan puncak induksi petir adalah berbanding terbalik.

4.6 Pengaruh Waktu Ekor (Tail Time)Nilai tegangan puncak induksi petir juga berubah

dengan mengubah-ubah nilai waktu ekor tegangan impuls petir. Berikut ini adalah nilai tegangan puncak induksi petir berdasarkan waktu ekor pada saat waktu muka 1,2 μs.

Tabel 5 Nilai Tegangan Puncak Induksi Petir Berdasarkan Waktu Muka Saat Waktu Muka 1,2 μs

Waktu Ekor (μs) Tegangan Puncak Induksi Petir (kV)5 1708,450 1917,4100 2042,9150 2111,5200 2168,6


Waktu ekor vs Tegangan Puncak Induksi Petir

0

500

1000

1500

2000

2500

0 50 100 150 200 250

Waktu Ekor (μs)

Teg

an

gan

Pu

ncak I

nd

uksi

Peti

r (k

V)

Gambar 12. Grafik Waktu Ekor vs Tegangan Puncak Induksi Petir Saat Waktu Muka 1,2 μs

Hubungan antara waktu ekor dengan tegangan puncak induksi petir adalah berbanding lurus. Semakin besar waktu ekor sambaran petir, maka nilai tegangan puncak induksi akan mengalami sedikit kenaikan.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. KesimpulanKesimpulan yang didapat dari analisis dan

pembahasan perhitungan adalah : 1. Simulasi pada ATP-EMTP sangat relevan dengan

teori Rusck pada jarak maksimum 1200 meter dari pusat sambaran petir dengan batasan error 9,139%. Sementara untuk tinggi menara, pengukuran yang akurat hanya pada ketinggian 33-50 meter saja dengan batasan error 6,468%.

2. Tegangan puncak induksi petir berbanding terbalik dengan jarak sambaran. Nilai tegangan puncak induksi petir yang terbesar terjadi pada jarak sambaran terdekat (300 meter) yaitu 667,613 kV. Sedangkan nilai tegangan puncak induksi terkecil terjadi pada jarak sambaran terjauh (1800 meter) yaitu 111,269 kV.

3. Hubungan antara tegangan puncak induksi petir dengan arus puncak petir adalah berbanding lurus. Nilai tegangan puncak induksi petir yang terkecil terjadi pada saat arus puncak petir terendah (10 kA) yaitu 55,634 kV. Sedangkan nilai tegangan puncak induksi terbesar terjadi pada saat arus puncak petir tertinggi (120 kA) yaitu 667,613 kV.

4. Tinggi menara berbanding lurus dengan tegangan puncak induksi petir. Nilai tegangan puncak induksi petir yang terkecil terjadi pada menara terendah (33 meter) yaitu 667,613 kV. Sedangkan nilai tegangan puncak induksi terbesar terjadi pada menara tertinggi (80 meter) yaitu 1,618 MV.

5. Waktu muka dan waktu ekor tegangan impuls petir mempengaruhi nilai tegangan induksi petir. Semakin cepat waktu muka, semakin besar tegangan puncak induksi petir. Sedangkan semakin cepat waktu ekor petir, semakin kecil tegangan puncak induksi petir.

5.2. SaranSaran yang dapat diberikan setelah mengerjakan

Tugas Akhir adalah :1. Pada tugas akhir ini, coupling model yang digunakan

hanya teori Rusck saja. Untuk selanjutnya dapat digunakan coupling model yang lain, seperti Agrawal, Rachidi, Chowduri, dan lain sebagainya.

2. Perangkat lunak ATP-EMTP dapat digunakan secara akurat hanya pada lokasi yang dekat dengan sambaran petir. Untuk selanjutnya, bisa digunakan perangkat lunak EMTP-RV yang memiliki tingkat ketelitian lebih tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kadir, Abdul. 1998. Transmisi Tenaga Listrik. Jakarta: UI–Press.

[2] L. Tobing, Bonggas. 2003. Peralatan Tegangan Tinggi. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama.

[3] Mahmudsyah, Syariffuddin. 2007. Teknik Tegangan Tinggi. Handout Kuliah, Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya.

[4] Arismunandar, A. 1975. Teknik Tegangan Tinggi. Jakarta: Pradnya Paramita.

[5] Zoro H. Reynaldo. 2004. Proteksi Terhadap Tegangan Lebih Petir Pada Sistem Tenaga Listrik. Catatan Kuliah, Departemen Teknik Elektro ITB, Bandung.

[6] Mahmudsyah, Syariffuddin. 2007. Teknik Tegangan Tinggi: Petir dan Permasalahannya. Diktat Kuliah. Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya.

[7] Golde, R. H., 1977. Lightning Protection. London: Academic Press Inc, vol-2.

[8] Hutauruk, T.S. 1989. Gelombang Berjalan dan Proteksi Surja. Jakarta: Erlangga.

[9] Nucci, C.A., Rachidi, F., 1999. ”Lightning-Induced Overvoltages”. IEEE Transmission and Distribution Conference, Panel Session ”Distribution Lightning Protection”, New Orleans, April 14.

[10] Hayt, William. 1989. Elektomagnetika Teknologi: Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga.

[11] Mottola, Fabio. 2007. ”Methods and Techniques for the Evaluation of Lightning-Induced Overvoltages on Power Lines: Application to MV Distribution Systems for Improving the Quality of Power Supply”. PhD Thesis of Electrical Engineering. University Federico II of Napoli.

[12] Mimouni, A., Azzouz, Z.E., Ghemri, B., 2007. ”Lightning-Induced Overvoltages on Overhead Lines: Modeling and Experimental Validation”. Journal of Electrical Engineering, Vol. 58, No. 3, 146-151.

[13] Prikler, László dan Hans Kr. Høidalen. 1998. ATPDraw for Windows 3.1x/95/NT version 1.0:


User’s Manual. Trondheim: SINTEF Energy Research.

[14] <URL: http://www.petir.com>

BIODATA PENULIS

M. Yusron Affandi dilahirkan di kota Sidoarjo, 22 April 1987. Penulis adalah putra kedua dari tiga bersaudara pasangan Samsul Hadi dan Mujiati. Pada tahun 2005, penulis masuk ke Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya lewat jalur SPMB dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Mulai tahun 2008, penulis

aktif sebagai asisten untuk Praktikum Pengukuran Listrik di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga Listrik.Email : [email protected]


mailto:[email protected]

http://www.petir.com/

studi pengaruh tegangan lebih akibat induksi petir pada saluran transmisi tegangan tinggi...

Documents