Kumpulan Bahan Kuliah & Tugas Teknik Elektro: Fenomena Tegangan Lebih dan Koordinasi Insulasi Pada Sistem Tenaga Listrik

8.1. Penyebab Alami Overvoltages – Fenomena Petir

8.1.2. Apa itu petir

Petir atau halilintar adalah gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan di mana di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan biasanya disebut kilat yang beberapa saat kemudian disusul dengan suara menggelegar sering disebut Guruh. Perbedaan waktu kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan kecepatan cahaya.

Petir merupakan gejala alam yang bisa kita analogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap netral). Seperti yang sudah diketahui kapasitor adalah sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang bisa menyimpan energi sesaat (energy storage). Petir juga dapat terjadi dari awan ke awan (intercloud), dimana salah satu awan bermuatan negatif dan awan lainnya bermuatan positif.

Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi atau dengan awan lainnya. Proses terjadinya muatan pada awan karena dia bergerak terus menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara. Petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada keadaan tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif, maka petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan. sambarannya yang rata-rata memiliki kecepatan 150.000 km/detik itu juga akan menimbulkan bunyi yang menggelegar. Di lain kesempatan, ketika akumulasi muatan listrik dalam awan tersebut telah membesar dan stabil, lompatan listrik (eletric discharge) yang terjadi pun akan merambah massa bermedan listrik lainnya, dalam hal ini adalah Bumi. Besar medan listrik minimal yang memungkinkan terpicunya petir ini adalah sekitar 1.000.000 volt per meter.

8.1.2. Mekansime Sambaran Petir

Adapun tahap tejadinya petir adalah sebgai berikut:

Siklus Air

Dalam siklus air, terdapat adanya proses yaitu evaporasi dan kondensasi. Evaporasi adalah proses dimana air menyerap panas dan berubah wujud menjadi uap air. Sedangkan kondensasi adalah proses dimana uap air kehilangan panas dan berubah ke wujut cair.Perhatikan gambar 2.1 di bawah ini yang menjelaskan tentang siklus air
air atau kelembaban yang berada di dalam bumi menyerap panas dari matahari. Ketika panas telah terserap, beberapa molekul zat cair mempunyai cukup energi untuk berubah wujud menjadi uap air dan bergerak ke atmosfir. Karena uar air naik ke tempat yang lebih tinggi, suhu di sekeliling air menjadi semakin rendah. Sehingga uap air kehilangan panas dan berubah kembali ke dalam wujud cair dan jatuh ke bumi akibat gaya gravitasi. Dan perlu diketahui bahwa apabila suhu di sekeliling udara cukup rendah, uap tersebut akan membeku menjadi es. Dan kemudian terjadilah hujan.

Electrical Storm

Dalam proses siklus air, uap akan bekumpul di atmosfer, berkumpulnya uap air ini yang kita sebut awan. Awan mengandung lebih dari jutaan titik air dan es di udara. Karena proses evapoasi dan kondensasi berlangsung terus menerus, titik air dan es tersebut bertumbukan dengan uap lain yang sedang berkondensasi, peranan dalam tumbukan ini adalah electron tertahan dan memebentuk proses Charge Separation (pemisahan muatan).Tertahanya elektron pada lapisan bawah awan, mengakibatkan bagian bawah awan bermuatan negatif. Kemudian uap air yang naik membawa proton ke bagian atas awan. Selain proses charge separation, ada juga proses yang dinamakan electric field (medanlistik).
Kekuatan medan listrik berhubungan dengan jumlah muatan yang ada di awan. Semakin banyak elektron dan proton yang menumpuk dan awan, maka medan listriknya pun semakin besar. Pada kenyataan, elektron yang berada di permukaan bumi tolak menolak dengan elektron yang berada di bawah awan dan masuk kebumi ( dinamakan Repulsion of electrons). Dan hal ini menyebabkan permukaan bumi memiliki muatan positif yang kuat. Sekarang yang dibutuhkan adalah jalan agar negatif menuju kebumi. Dan yang berperan adalah medan listrik yang kuat

Air Ionization

Medan listrik yang kuat menyebabkan udara di sekeliling awan menjadi “break down”, aliran arus berusaha untuk menetralkan pemisahan muatan. Secara sederhana, gangguan udara membuat jalan antara bumi dengan awan yang seolah-olah ada ”long metal rod” yang menghubungkan awan dengan bumi.
Ketika medan listrik menjadi semakin kuat ( 10.000 volt per inch), udara akan mengalami kerusakan. Medan listrik yang kuat menyebabkan sekeliling udara menjadi terpisah ke dalam muatan positif dan electron, dan udara kemudian meng-ion. Proses peng-ion-nan ini menyebabkan electron menjadi terpisah dari struktur molekul.
Hal yang terpenting dari proses pemisahan ini ialah elektron menjadi bebas bergerak dari sebelum pemisahan. Jadi sekarang udara menjadi lebih bersifat konduktor, karena kemampuan elektron bergerak menjadikan suatu material lebih memiliki sifat konduktor yangbaik.
Pergerakan elektron yang bebas, mengakibatkan arus listrik untuk mengalir. Proses pengionan udara membentuk plasma dengan sifat seperti logam yang konduktor.
Plasma berperan untuk menetralkan pemisahan muatan di dalam medan listrik. Cara kerjanya seperti proses kimia pembakaran yang melibatkan proses oksidasi. Oksidasi adalah proses dimana atom atau molekul kehilangan electron ketika direaksikan dengan oksigen. atom dan molekul berubah dari potensial rendah ke potensial tinggi, proses dari pengionan akan membentuk plasma, juga terjadi mengalami kehilangan elektron. Dari ketetrangan diatas, dapat kita sebut proses pengionan seperti “burning a path” melalui udara yang mengakibatkan listrik untuk mengalir, seperti menggali terowongan di gunung agar kereta api dapat lewat.
Setelah proses pengionan, jalan diantara awan dan bumi mulai terbentuk.

Step Leaders

Setelah proses ionisasi mulai dan terbentuk plasma, maka terbentuklah jalan. Banyak jalan yang tebentuk oleh proses pengionan uadara yang disebut step leaders.
Step leader menuju ke bumi yang tidak selalu tegak lurus dengan bumi. Bentuk dari medan listrik berpengaruh sangat besar terhadap lokasi partikel bermuatan yang berada di bagian bawah awan dan berada di permukaan bumi.
Akan terbentuk electric flux yang terbentuk dari proses pemisahan muatan yang tegak lurus dengan bumi.
step leaders akan bergerak menuju bumi dengan warna ke ungu unguan dan dapat menumbuhkan di wiliyah dimana leader asli turun. Leader mempunyai dua kemungkinan yaitu tumbuh ketika plasma tumbuh atau menunggu sampai terdapat plasma sampai leader lain menemukan targetnya.
Leader yang menyentuh bumi pertama kali memberikan jalan antara bumi dan tanah. The leader bukanlah kilatan petir, hanya membuka jalan saja.

Positive Streamers dan Ledakan Udara

Karena step leaders mendekat ke bumi, objek di permukaan mulai merespon adanya medan listrik yang kuat. Objek tersebut mengeluarkan apa yang di sebut positive streamers.
Seluruh benda yang beada di pemukaan bumi mempunyai potensi untuk mengeluarkan positive streamer, ketika dihasilkan streamer tidak tumbuh ke atas, hanya menjembatani step leader agar ke tanah.
Kemudian yang terjadi adalah petemuan antara step leader dengan steamer.
Plasma telah selesai menuju tujuan, arus akan mengalir dari awan ke bumi. Pelepasan arus merupakan usaha alam untuk menetalkan pemisahan muatan.
Kapanpun selama ada arus listik, pasti ada panas yang behubungan dengan arus. Karena terdapat arus yang sangat besar di dalam peti, pasti juga ada enegi panas yang besar, kenyataanya petir itu lebih panas dari pemukaan matahari. Panaslah yang menyebabkan kilatan warna biru-putih yang kita lihat.
Ketika leader dan streamer bertemu, udara disekitar petir menjadi sangat panas, saking panasnya sehingga meledak karena panas menyebabkan udara mengembang dengan cepat. Ledakan inilah yang dikenal dengan sebutan Petir.
Ketika udara panas dan mengembang dengan cepatnya, membuat tekanan suara dan menyebabkan suara

8.1.3. Parameter dan Karakteristik Sambaran Petir

Parameter dan karakteristik dari petir meliputi amplitudo arus kecepatan kenaikan arus, kemungkinan distribusi , dan bentuk gelombang tegangan dan arus petir.

8.1.4. Model Matematika untuk Petir

Ketika discharge streamer terjadi pada tanah melalui sambaran utama, dengan arus sumber I_o dan impedansi sumber Z_O. Jika sambaran mengenai objek dengan impedansi Z, maka tegangan yang dialami objek adalah

Sementara itu, jika TD (Thunderstorms Days) menunjukkan jumlah hari dalam setahun ketika petir terdengar atau terekam di tempat tertentu. Jika N_g merupakan ukuran kerapatam flashover tanah maka

8.1.5. Gelombang berjalan Pada Jalur Transmisi

Beberapa gangguan pada jalur transmisi seperti pembukaan dan penutupan jalur yang terjadi tiba-tiba, hubungan singkat atau kegagalan mengakibatkan terjadinya tegangan lebih atau arus lebih pada jalur tersebut. Gangguan ini tersebar sebagai gelombang berjalan hingga akhir jalur. Biasanya gelombang berjalan ini merupakan gelombang dengan frekuensi tinggi. Gelombang itu bisa dipantulkan, ditransmisikan, teratenuasi, atau terdistorsi selama peyebaran sampai energinya terserap. Sebuah jalur transmisi terdiri dari beberapa unsur elektrik, misalnya R, I, L, dan C.

Dimana

atenuator konstan

panjang gelombang konstan

Admitansi gelombang

Impedansi gelombang

8.1.5.1. Klasifikasi jalur transmisi

Jalur transmisi biasanya diklasifikasikan sebagai:

1. Jalur tanpa rugi-rugi atau jalur ideal

Jalur dikatakan jalur ideal jika R=0 dan G=0, sehingga Z=L/C dan Y=C/L

2. Jalur tanpa distorsi

Jalur dikatakan tanpa distorsi jika R/L=G/C=

, sehingga

3. Jalur dengan rugi yang kecil

Konstanta waktu jalur ini besar, sementara R/L dan G/C kecil, sehingga

4. Jalur dengan panjang yang terbatas dan tidak terbatas

Solusi untuk jalur ini sangat kompleks, namun beberapa inferensi dapat ditunjukan sebagai berikut:

a. Gelombang arus dan tegangan tidak sama

b. Atenuasi dan distorsi sebagai akibat resistansi jalur normal dan dan kebocoran konduktansi, konsekuensinya adalah kecil.

c. Impedansi Z adalah fungsi kompleks dan bisa didefenisiakna secara biasa.

8.1.5.2. Atenuasi dan distorsi pada gelombang berjalan

Atenuasi adalah penurunan magnitudo gelombang. Sementara distorsi adalh elongasi atau perubahan bentuk gelombang. Atenuasi disebabkan oleh energi yang hilang pada jalur misalnya karena efek kulit, penukaran pada resistansi ground, kebocoran resistansi, dan ketidakseragaman resistansi. Sementara distorsi disebabkan oleh induktasi (seperti efek kulit, efek jarak, dan ketidak seragaman distribusi arus dan terlalu dekat dengan benda baja) dan kapasitansi saluran (seperti perubahan kapsistansipada insulasi yang terdekat ke tanah. Atenuasi juga bisa disebabkan oleh korona.

8.1.5.3. Refleksi dan Tranmisi Gelombang pada titik transisi

Gelombang berjalan dapat megalami refleksi dan transmisi pada suatu titik transmisi, seperti yang terlihat pada gambar

8.2. Overvoltage Pada Switching, Gangguan System, Dan Kondisi Abnormal Lainnya

8.2.1 Switching Surge

Keadaan buka-tutup pada saklar (switch) menyebabkan kenaikan tegangan tiba-tiba yang tinggi pada system yang mempunyai nilai induktansi dan kapasitansi tang tinggi. Kenaikan tegangan ini mengganggu kepada peralatan-peralatan pada sistem tenaga. Karakteristik tegangan surja hubung :

Bentuk gelombang dari gangguan surja hubung ini bermacam macam, bergantung pada sumbernya yang antara lain :

• De-energizing pada saluran transmisi, kabel-kabel, kapasitor shunt, kapasitor bank. Dll.

• Pelepasan (diskoneksi) trafo tanpa beban, reaktor dll

• Energization atau reclosing pada saluran dan beban reaktif

• Perubahan (switching) beban secara tiba-tiba

• Hubung singkat dan clearence (penangan) gangguan hubung singkat tersebut

• Fenomena resonansi, seperti ferro-resonance, dll.

Bentuk-bentuk Gelombang Tegangan Surja Pada Keadaan Switching :

(a) Recovery voltage after fault clearing

(b) Fault initiation

(d) Energization of long transmission line

(e) Overvoltage at line end during (d)

8.2.2 Switching overvoltage pada sistem EHV dan UHV

Macam-macam situasi dan kondisi yang terjadi pada sistem yang mengalami gangguan :

• Gangguan arus induktiv rendah, terjadi saat trafo atau reaktor di lepas.

• Gangguan arus kapasitif rendah, terjadi pada pelepasan salurantanpa beban.

• Kondisi fero-resonance, biasa diketahui apabila kutub dari circuit breaker tidak menutup secara simultan.

• Energization lainnya pada saluran EHV atau UHV dengan durasi singkat (0.5—5 ms) dan magnitudo (2.0—2.5 pu), yaitu :

o Penutupan salah satu kutub pada CB

o Arus yang ada akibat adanya penyelesaian gannguan lainnya (L-G atau L-L)

o Penggantian line oleh trafo

o Saluran yang terkompensasi secara seri oleh kapasitor

o Tegangan yang naik akibat adanya pemutusan saklar yang disebabkan sambaran petir.

Gangguan tegangan lebih yang terjadi pada kondisi diatas dianalisa dan dikalkulasikan dengan cara :

– Pemodelan matematis oleh komputer

– Pemodelan skala mengguanakan analisa transien jaringan

– Pengujian medan konduksi secara langsung pada jaringan.

Batasan overvoltage bagi saluran transmisi UHV dan EHV adalah kisaran dibawah 2.00 pu, dengan dasar tegangan 1 pu.

8.2.3. Power Freqwnecy Tegangan Lebih Pada Power Sistem

Penyebab utama gangguan pada frekwnsi daya dan harmonisa tegangan lebih adalah :

– Pelepasan beban secara tiba-tiba

Kenaikan tegangannya sebesar :

– Ferranti effect

Tegangan ujung terima lebih besar dari tegangan kirim

– Gangguan pentanahan

Gangguan dari salah satu fasa ke tanah menyebabkan kenaikan tegangan pada fasa lainnya (tidak lebih dari 1.4 pu)

– Effect saturasi pada tansformator

jika teagangan yang masuk pada trafo melebihi rattingnya maka arus magnetisasi (tanpa beban) juga meningkat. Arus ini tidak lagi sinusoidal, melainkan berbentuk satu gelombang saja. Kemudian menyebabkan harmonisa pada saluran.

8.2.4 Pengaturan Overvoltage pada keadaan switching

• Penambahan Resistor

Penambahan resistor seri pada CB akan mengurangi gangguan transien selama proses switching

• Switching fasa terkontrol

Penutupan saklar yang cepat dan tepat dari masing-masing fasa secara terpisah (useless)

• Pengosongan trapped charge

Dengan mengguanakan resistor yang terhubung ke tanah secara seri dengan reaktor, kemudian dibuka sesaat sebelum reclosing saklar. Berguna untuk menghilangkan muatan yang terperangkap pada sistem.

• Reaktor seri

Membantu dalam mengurangi tegangan surja karena energizing tiba-tiba. Berosilasi dengan kapasitansi sistem, sehingga mengurangi harmonisa.

8.2.5. Proteksi Saluran Transmisi Dari Gangguan Tegangan Lebih

Proteksi petir menggunakan sangkar kawat atau kawat grounding

G —> kawat Ground

h — > ketinggian dari tanah

P-P — > kawat fasa dari permukaan tanah

ѲS — > sudut shielding

• Proteksi mengguanakan ground rod dan counter-poise wires

– Ground rod

Kawat yang ditanamkan kedalam tanah dari tower guna mengurangi impedansi dari tower, biasanya ditanam sedalam 5-10 m atau dengan kedalaman rendah (4x5) dengan jumlah yang banyak.

– Counter-poise wires

Hampir sama dengan ground rod, tetapi counter-poise wires ini terhubung ke towwer lainnya, kedalaman penanaman kawat lebih rendah (0.5 m-1 m)

• Proteksi dengan mengguanakan alat-alat proteksi lainnya

– Expulsion gaps

Mempunyai jarak tertentu antar elektroda, apabila overvoltage terjadi maka tegangan lebih tersebut akan melewati gap (tembus vacum)

1. External series gap

2. Upper electrode

3. Ground electrode

4. Fibre tube

5. Hollow space

– Tabung protector

Secara prinsip sama dengan expulsion gaps, tetapi alat ini langsung terletak berdekatan dengan saluran transmisi, berbeda dengan expulsion gaps yang terhubung dengan kawat terlebih dahulu.

1. Line conductor on string insulator

2. Series gap

3. Protector tube

4. Ground connection

5. Cross arm

6. Tower body

– Rod gap

Alat proteksi yang simpel, bergantung pada cuaca, langsung terhubung dengan tower, biasa terletak di bagian atas tower.

– Surge diverter atau lightning arrester

Biasa di pakai pada gardu-gardu induk untuk memotong atau menghentikan tegangan lebih akibat petir ataupun switching.

8.3. Prinsip-Prinsip Koordinasi Isolasi Pada System Tenaga Tegangan Tinggi Dan Tegangan Ekstra Tinggi

Penyediaan tenaga listrik harus menjamin keandalan dan kontinuitas dengan memperhatikan kegunaannya.

8.3.1 Diverter Surge

"solusi yang paling sering digunakan " karena yang paling mahal dan paling diakui daya perlindungan perangkat. diverters Surge hanya dapat melindungi dari tegangan transien yang melebihi sekitar 250 volt. Ketika terjadi tegangan yang besar, gelombang diverters klip kelebihan tegangan dan dikirim ke tanah di mana ia dikonversi menjadi modus umum gangguan listrik yang dapat mengganggu fungsi mikroprosesor. Karena transien tegangan lebih kecil dari 250 volt slip oleh diverter surge, komputer terkena substansial menurunkan energy