Lightning arrester dan gejala petir

29,134 views

Published on

pembahasan mengenai definisi, prinsip kerja, macam-macam lightning arrester dan gejala terjadinya sambaran petir,

Published in: Education
0 Comments
7 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
29,134
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
9
Actions
Shares
0
Downloads
1,403
Comments
0
Likes
7
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Lightning arrester dan gejala petir

  1. 1. Lightning Arrester1. Pendahuluan Seperti yang telah kita ketahui bahwa pusat pembangkit listrik umumnyadihubungkan dengan saluran transmisi udara yang menyalurkan tenaga listrik kedari pusat penbangkit ke pusat-pusat konsumsi tenaga listrik, yaitu gardu-garduinduk (GI). Sedangkan saluran transmisi udara ini rawan sekali terhadap sambaranpetir yang menghasilkan gelombang berjalan (surja tegangan) yang dapat masuk kepusat pembangkit listrik. Oleh karena itu, dalam pusat listrik harus ada lightningarrester (penangkal petir) yang berfungsi menangkal gelombang berjalan dari petiryang akan masuk ke instalasi pusat pembangkit listrik. Gelombang berjalan jugadapat berasal dari pembukaan dan penutupan pemutus tenaga atau circuit breaker(switching).Pada sistem Tegangan Ekstra Tinggi (TET) yang besarnya di atas 350 kV, surjategangan yang disebabkan oleh switching lebih besar dari pada surja petir. Saluran udara yang keluar dari pusat pembangkit listrik merupakan bagianinstalasi pusat pembangkit listrik yang paling rawan sambaran petir dan karenanyaharus diberi lightning arrester. Selain itu, lightning arrester harus berada di depansetiap transformator dan harus terletak sedekat mungkin dengan transformator. Halini perlu karena pada petir yang merupakan gelombang berjalan menuju ketransformator akan melihat transformator sebagai suatu ujung terbuka (karenatransformator mempunyai isolasi terhadap bumi/tanah) sehingga gelombangpantulannya akan saling memperkuat dengan gelombang yang datang. Berartitransformator dapat mengalami tegangan surja dua kali besarnya tegangangelombang surja yang datang. Untuk mencegah terjadinya hal ini, lightning arresterharus dipasang sedekat mungkin dengan transformator. Rezon Arif B /L2F008082 1
  2. 2. 1.1. Peristiwa petir Petir merupakan peristiwa alam yang mengenai muatan listrik dan pelepasanlistrik elektrostatik antara awan bermuatan dengan awan dan antara awanbermuatan dengan bumi. Mekanisme sambaran petir Kristal es yang aktif mempunyai kandungan muatan yang positif dan airhujan biasanya menandung muatan negative. Dipengaruhi gravitasi bumi, butir airhujan terpolarisasi akan bergerak turun yang menyebabkan ion negative ditarik danion positif ditolak sehingga pada derah bagian bawah akan terhimpun muatannegative yang menciptakan muatan terpisah dalam awan. Awan bagian bawah yang bermuatan negative menginduksi muatan positif dipermukaan bumi sehingga menyebabkan munculnya tegangan antar awanbermuatan dengan bumi. Bila gradient tegangan telah melebihi kekuatan listrikudara 30 kV/cm maka terjadi pelepasan energi (leader stroke) yang bergerak dariawan ke bumi. Setelah leader stroke, terjadi sambaran kembali (return stroke) dari bumi keawan melalui jalan yang sama. Peristiwa ini menyebabkan adanya perbedaantegangan yang cukup besar antara muatan positif di bumi dengan muatan negativedi awan. Beberapa saat kemudian terjadi lagi sambaran dari awan ke bumi melaluijalan yang sama (dart leader), lalu terjadi return stroke dan peristiwa ini disebutmultiple stroke. Peristiwa Petir terdiri dari beberapa sambaran yaitu :  Leader stroke  Return stroke  Dart stroke  Return stroke Rezon Arif B /L2F008082 2
  3. 3. Gambar dari sambaran petir dapat dilihat pada gambar di bawah ini Awan bermuatan Leader stroke Return stroke Pelepasan muatan dari tanah Dart leader Return stroke Gambar 1 peristiwa sambaran Petir ke bumi Rezon Arif B /L2F008082 3
  4. 4. 1.2. Efek sambaran petir 1.2.1. Sambaran Tidak Langsung (sambaran induksi) Muatan induksi yang muncul pada jaringan yang disebabkan oleh sambaran petir ke bumi dan oleh sambaran petir dari awan ke awan. Pada umumnya lompatan api yang ditimbulkan tidak terlalu besar, sehingga bukan merupakan masalah yang serius. 1.2.2. Sambaran langsung Sambaran petir dari awan langsung ke jaringan yang menyebabkan tegangan naik dengan cepat pada daerah sambaran. Daerah yang terkena sambaran dapat terjadi pada daerah tower, kawat petir dan kawat penghantar. Gambar 2 bentuk gelombang petirSpesifikasi suatu gelombang petir a. Puncak (crest) gelombang, E (kV), yaitu amplitudo maksimum dari gelombang b. Muka gelombang, t1 (mikrosekon) yaitu waktu dari permulaan sampai puncak. Diambil dari 10 % E sampai 90% E c. Ekor gelombang (residual voltage), yaitu waktu dari permulaan samapi titik 50 % E pada ekor gelombang. Tegangan residu atau residual voltage adalah tegangan yang di bangkitkan pada tahanan non linier saat lonjakan arus mengalir d. Polaritas, yaitu polaritas dari gelombang, positif atau negatif Rezon Arif B /L2F008082 4
  5. 5. 2. Pengertian dan fungsi Arrester (Lightning Arrester) Arrester atau biasa juga disebut Lightning Areester adalah suatu alatpelindung bagi peralatan sistem tenga listrik terhadap surja petir(Surge). Alatpelindung terhadap gangguan surja ini berfungsi melindungi peralatan sistemtenaga listrik dengan cara membatasi surja tegangan lebih yang datang danmengalirkannya ke tanah. Dipasang pada atau dekat peralatasn yang dihubungkandari fasa konduktor ke tanah. Sesuai dengan fungsinya itu maka arrester harus dapat menahan tegangansistem pada frekuaensi 50 Hz untuk waktu yang terbatas dan harus dapatmelewatkan surja arus ke tanah tanpa mengalami kerusakan pada arrester itusendiri. Arrester berlaku sebagai jalan pintas di sekitar isolasi. Arrester membentukjalan yang mudah untuk dilalui oleh arus kilat atau petir, sehingga tidak timbultegangan lebih yang nilainya tinggi pada peralatan. Selain melindungi peralatan dari tegangan lebih yang diakibatkan olehtegangan lebih eksternal, arrester juga melindungi peralatan dari tegangan lebihyang diakibatkan oleh tergangan lebih internal seperti surja hubung. Selain ituarrester juga merupakan kunci dalam koordinasi isolasi suatu sistem tenaga listrik.Bila surja hubung datang ke gardu induk maka arrester akan bekerja melepaskanmuatan listrik serta mengurangi tegangan abnormal yang mengenai peralatan dalamgardu induk. Lightning arrester bekerja pada tegangan tertentu di atas teganganoperasi untuk membuang muatan listrik dari surja petir dan berhenti beroperasipada tegangan tertentu di atas tegangan operasi agar tidak terjadi arus padategangan operasi, dan perbandingan dua tegangan ini disebut rasio proteksiarrester. Tingkat isolasi bahan arrester harus berada di bawah tingkat isolasi bahantransformator agar apabila sampai terjadi flashover, maka flashover diharapkanterjadi pada arrester dan tidak pada transformator. Rezon Arif B /L2F008082 5
  6. 6. 3. Prinsip kerja Arrester (L.A) Pada umumnya prinsip kerja Arrester cukup sederhana yauti membentukjalan yang mudah dilalui oleh petir, sehungga tudak timbul tegangan lebih tinggipada peralatan listrik lainnya. Pada kondisi kerja yang normal, arrester berlakusebagai isolasi tetapi bila timbul surjaakibat adanya petir maka arrester akanberlaku sebagai konduktor yang berfungsi melewatkan aliran arus yang tinggi ketanah. Setelah tegangan surja itu hilang maka arrester harus dengan cepat kembaliberlaku sebagai isolator, sehingga pemutua tenaga (PMT) tidak sempat membuka.Pada kondisi yang normal (tidak terkena petir), arus bocor arrester tidak bolehmelebihi 2 mA. Apabila melebihi angka tersebut, berarti kemungkinan besarlightning arrester mengalami kerusakan.4. Macam – macam ArresterArrester yang umumnya diketahui terdiri dari dua jenis yaitu :1. Arrester jenis ekspulsi (expulsion type)atau tabung pelindung (protector tube)2. Arrester katup (valve type) 4.1. Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung Lightning Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung ini pada prinsipnyaterdiri dari sela percik yang berada dalam tabung serat dan sela percik yang beradadiluar udara atau disebut juga sela seri. Prinsip kerja lightning arrester jenis ekspulsi. Bila ada tegangan surja yang tinggi sampai pada jepitan arrester, kedua sela percik, yang diluar maupun yang di dalam tabung serat, tembus seketika dan membentuk jalan penghantar dalam bentuk busur api. Jadi Arrester menjadi konduktor dengan impedansi yang rendah danGambar 3 arrester jenis ekspulsi Rezon Arif B /L2F008082 6
  7. 7. menyalurkan petir /surja dan arus daya sistem bersama- sama ke bumi. Panas yangtimbul akibat mengalirnya arus petir menguapkan sedikit bahan dinding tabungserat, sehingga gas yang di timbulkan menyembur dan memedamkan api padawaktu arus susulan melewati titik nolnya. Arus susulan dalam arrester ini dapat mencapai harga yang tunggi sekalitetapi lamanya tidak lebih dari 1 atau 2 gelombang, dan biasanya kurang darisetengah gelombang. Jadi tidak menimbulkan gangguan. Arrester jenis ekspulsi inimempunyai karakteristik volt – waktu yang lebih baik dari sela batang dan dapatmemutuskan arus susulan. Akan tetapi tegangan impulsnya lebih tinggi daripadaarrester jenis katup. Kemampuan untuk memutuskan arus susulan tergantung daritingkat arus hubung singkat dari sistem pada titik dimana arrester itu di pasang.Dengan demikian perlindungan dengan arrester jenis ini dipandang tidak memadaiuntuk perlindungan transformator daya kecuali untuk sistem distribusi. Arresterjenis ini banyak digunakan pada saluran transmisi untuk membatasi besar surjayang memasuki gardu induk. Gambar 4. Konstruksi sebuah lightning arrester buatan Westinghouse yang menggunakan celah udara (air gap) di bagian atas Rezon Arif B /L2F008082 7
  8. 8. 4.2.Arrester jenis katupArrester jenis katup ini terdiri dari sela percik terbagi atau sela seri yangterhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak linier. Gambar 5 Arrester jenis katupTahanan tersebut mempunyai sifat khusus yaitu tahanan akan turun banyaksekali bila arusnya naik dan berlangsung dalam waktu yang sangat cepat.Tegangan frekuensi dasar tidak dapat menimbulkan tembus pada sela seri.Apabila sela seri tembus pada saat tibanya suatu surja yang cukup tinggi, makaalat tersebut akan menjadi penghantar. Sela seri itu tidak dapat menimbulkanarus susulan. Dalam hal ini dibantu oleh tahanan tak linier yang mempunyaikarakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arussusulan dari frekuensi dasar.Prinsip kerja Arrester jenis KatupSela seri yang berfungsi sebagai switch apabila terjadi tegangan tinggi yangmenyebabkan sparkover maka tahanan elemen sela percik turun denganteganagannya saja, maka sela seri akan membuka, tahanannya naik kembalisehingga arus susulan dapat dibatasi. Untuk memadamkan busur api yangtimbul, tahanan sela percik yang tidak linier tersebut berfungsi untukmematikannya.Arrester jenis katup ini dibagi dalam tiga jenis yaitu : 1. Arrester katup jenis gardu (station) 2. Arrester katup jenis saluran (intermediate) 3. Arrester katup jenis gardu untuk mesin – mesin 4. Arrester katup jenis distribusi untuk mesin – mesin (distribution) Rezon Arif B /L2F008082 8
  9. 9. 4.2.1. Arrester katup jenis gardu Gambar 6 Arrester katup jenis garduArrester katup jenis gardu ini adalah yang paling efisien dan juga yangpalin mahal. Pemakaiannya secara uumum pada gardu induk besar.Umumnya untuk melindungi alat- alat yang mahal pada rangkaian mulaipada rangkaian mulai dari 2,4 kV sampai 287 kV dan lebih tinggi lagi.4.2.2. Arrester katup jenis saluranArrster jenis saluran ini lebih murah dari arrester jenis gardu. Kata”saluran”disini bukanlah berarti untuk saluran transmisi. Gambar 7 Arrester katup jenis saluranSeperti arrester jenis gardu, arrester jenis saluran ini dipakai untukmelindungi transformator dan pemutus daya serta dipakai pada sistemtegangan 15 kV sampai 69 kV Rezon Arif B /L2F008082 9
  10. 10. 4.2.3. Arrester katup jenis gardu untuk mesin – mesin Lightning arrester ini khusus untuk melindungi mesin-mesin berputar. Pemakaiannya untuk tegangan 2,4 kV sampai 15 kV. 4.2.4. Arrester katup jenis distribusi Gambar 8 Arrester katup jenis distribusi Lightning arrester jenis distribusi ini khusus untuk melindungi transformator. Arrester jenis ini dipakai pada peralatan dengan tegangan 120 volt sampai 750 volt.5. Persyaratan yang harus dipenuhi oleh Arrester a. Tegangan percikan (sparkover voltage) dan tegangan pelepasannya (discharge voltage), yaitu tegangan pada terminalnya pada waktu pelepasan, harus cukup rendah, sehingga dapat mengamankan isolasi peralatan. Tegangan percikan tersebut disebut juga tegangan gagal sela (gap breakdown voltage) sedangkan pelepasan disebut juga tegangan sisa (residual voltage) atau tegangan jatuh (voltage drop). Jatuh tegangan pada arrester = I x R Dimana I = arus arrester maksimum (A) R = tahanan arrester (Ohm) b. Arrester harus mampu memutuskan arus dinamik dan dapat bekerja terus seperti semula. Batas tegangan sistem dimana arus susulan ini masih mungkin, disebut tegangan dasar (rated voltage) Rezon Arif B /L2F008082 10
  11. 11. 6. Karakteristik Lightning Arrester Oleh karena arrester dipakai untuk melindungi peralatan sistem tenagalistrik maka perlu diketahui karakteristiknya sehingga arrester dapat digunakandengan baik didalam pemakaiannya. Arrester mempumyai tiga karakteristik dasaryang penting dalam pemakainnya yaitu : 1. Tegangan rated 50 c/s yang tidak boleh dilampaui 2. Arrester mempunyai karakteristik yang dibatasi oleh tegangan (voltage limiting) bila dilalui oleh berbagai macam arus petir. 3. Batas termis Sebagaimana diketahui bahwa arrester adalah suatu peralatan teganaganyang mempunyai tegangan ratingnya. Maka jelaslah bahwa arrester tidak bolehdikenakan tegangan yang melebihi tegangan yang melebihi rating ini, baikdidalam keadaan normal maupun dalam keadaan abnormal. Oleh karena itu dalammenjalankan fungsinya ia menanggung tegangan sistem normal dan tegangan lebihtransiens 50 c/s. Karakteristik pembatasan tegangan impuls dari arrester adalahharga yang dapat di tahan oleh terminal ketika melakukkan arus – arus tertentu danharga ini berubah dengan singkat baik sebelum arus mengalir maupun mulaibekerja. Untuk batas termis ialah kemampuan untuk mengalirkan arus surja dalamwaktu yang lama atau terjadi berulang – ulang tanpa menaikkan suhunya.meskipunkemampuan arrester untuk menyalurkan arus sudah mencapai 65000 – 100.000Ampere, tetapi kemampuannya untuk melakukan surja hubung terutama bilasaluran menjadi panjang dan berisi tenaga besar masih rendah. Maka agar supaya tekanan stress pada isolasi dapat dibuat serendahmungkin, suatu sistem perlindungan tegangan lebih perlu memenuhi persyaratansebagai berikut : 1. Dapat melepas tegangan lebih ketanah tanpa menyebabkan hubung singkat ke tanah (saturated ground fault) 2. Dapat memutuskan arus susulan. 3. Mempunyai tingkat perlindungan (protection level) yang rendah, artinya tegangan percikan sela dan tegangan pelepasannya rendah. Rezon Arif B /L2F008082 11
  12. 12. 6.1. Karakteristik Lightning Arrester ideal a. Pada tegangan sistem yang normal, arrester tidak boleh bekerja. Tegangan tembus arrester pada frekuensi jala-jala harus lebih tinggi dari tegangan lebih maksimum yang mungkin terjadi pada sistem. b. Setiap gelombang transien dengan tegangan puncak yang lebih besar dari tegangan tembus arrester harus mampu mengerjakan arrester untuk mengalirkn arus ke tanah. c. Arrester harus mampu mengalirkan arus surja ke tanah tanpa merusak arrester itu sendiri dan tanpa menyebabkan tegangan pada terminal arrester lebih tinggi dari tegangan sistemnya sendiri. d. Arus tidak boleh mengalir ke tanah setelah gangguan teratasi. Arus ini harus dipotong begitu gangguan teratasi dan tegangan kembali normal.7. Material dari Arrester Metal Oxide Arrester. Komponen utama dari lightning arrester ini terbuatdari bahan Zinc Oxide (ZnO) , kemudian lebih dikenal dengan sebutan metal oxidesurger arrester (MOA). Pada dasarnya arrester ini sama dengan arresterpendahulunya, hanya saja arrester ini tidak mempunyai komponen sel gap (GapLess). Prinsip kerja metal oxide arrester adalah sebagai berikut : Pada dasarnya metal oxide arrester ini mempunyai prinsip kerja yang samadengan arrester jenis katup. Karena arrester MOA ini tidak memiliki tahanan selaseri, maka arrester ini sangat bergantung psa tahanan yang ada dalam arrester itusendiri. Apabila terkena petir, tahanan arrester akan langsung turun sehinggamenjadi konduktor dan mengalirkan petir ke bumi. Namun, setelah petir lewat,tahan kembali naik dan bersifat isolator. Keunggulan dari MOA adalah memiliki reaksi yang cepat dalam membumikan petir. Hal inidisebabkan arrester ini tidak memiliki sela seri. Sedangkan kekeurangannya adalah akibat ketergantunnganya dengan tahanan yang ada di dalam isolator dan bekerja karena pengaruh termal, maka arrester ini harus betul betul memperhitungkan pengaruh termalnya.Gambar 9 metal oxide arrester Rezon Arif B /L2F008082 12
  13. 13. 8. Pemilihan Lightning ArresterAda beberapa faktor dalam memilih Arrester yang sesuai untuk suatu keperluantertentu, beberapa faktor yang harus diperhatikan adalah : Kebutuhan perlindungan : ini berhubungan dengan kekuatan isolasi dari alat yang harus dilindungi dan karakteristik impuls dari arrester. MVA yang short circuit yang dinyatakan lewat persamaan S = kV x kA Standart BIL 20kV yaitu 125 kV Initial voltage Lightning arrester yaitu 80% dari BIL, atau sama dengan 100 kV Tegangan sistem : ialah tergangan maksimum yang mungkin timbul pada jepitan arrester Arus hubung singkat sistem : hanya diperlukan pada arrester jenis ekspulsi Jenis Lightning Arrester Faktor kondisi Luar : apakah normal atau tidak normal (2000 meter atau lebih diatas permukaan laut), temperatur dakn kelembaban yang tinggi serta pengotoran Faktor Ekonomi : merupakan perbandingan antara biaya pemeliharaan dan kerusakan bila tidak ada lightning arrester, atau bila dipasang lightning arrester yang nilainya lebih rendah mutunya.Untuk tegangan 69 kV dan lebih dapat di pakai arrester jenis gardu, sedangkantegangan 23 kV samapi 69 kV dapat dipakai jenis lainnya tergantung pada segiekonominya. Rezon Arif B /L2F008082 13
  14. 14. 9. Perhitungan Jarak Maksimum arrester dengan Trafo Jika arrester dihubungkan dengan menggunakan saluran udara terhadap alat yang diindungi, maka untuk menetukan jarak yang baik antara arrester dengan trafo, dinyatakan dengan persamaan : Ep = Ea + ( 2.A.s) / v Ep : tegangan pengenal pada alat yang dilindungi Ea : tegangan tembus/percik dari arrester A : kecuraman gelombang datang ( de / dt ). s : jarak arrester terhadap alat yang dilindungi. v : kecepatan merambat gelombang impuls = kecepatan cahaya : 3 x 108 m/d10. Pengaruh TID terhadap jarak maksimum Untuk meningkatkan keandalan sistem dari gangguan sambaran petir, peralatan yang dipasang di gardu indukharus memiliki tingkat isolasi yang baik ( disesuaikan dengan arrester ). Dari hasil perhitungan jarak maksimum arrester, diketahui bahwa pemasangan peralatan dengan nilai TID ( BIL ) yang semakin besar akan diperoleh nilai jarak maksimum penempatan arrester didepan peralatan semakin besar. Hal ini dikarenakan nilai TID yang semakin besar dari peralatan yang dilindungi, maka semakin besar kemampuan peralatan untuk mengatasi kegagalan isolasi terhadap tegangan lebih maksimum yang sampai ke terminal peralatan. Artinya tingkat isolasinya makin baik. Rezon Arif B /L2F008082 14
  15. 15. 11. Pengaruh Tegangan kerja terhadap jarak maksimum Pemasangan arrester dengan nilai tegangan kerja yang semakin besar akan diperoleh nilai jarak maksimum penempatan arrester di depan peralatan ( trafo ) di gardu induk semakin kecil. Hal ini dikarenakan semakin besar tegangan kerja arrester maka faktor perlindungan yang diberikan arrester terhadap peralatan semakin kecil. Tegangan kerja menentukan faktor perlindungan dari arrester dimana faktor perlindungan adalah selisih antara TID peralatan dengan tingkat perlindungan arrester ( 1,1 x tegangan kerja arrester ).12. Pengaruh Jarak arrester terhadap tegangan residu yang sampai ke peralatan Pemasangan arrester dengan jarak semakin dekat dengan peralatan ( kira- kira lebih kecil dari 66 m ) yang memiliki TID ( misalnya 1550 kV ) diperoleh nilai tegangan residu lebih kecil dari TID peralatan. Hal ini berarti trafo berada dalam jarak lindung yang aman dari arrester. Apabila arrester ditempatkan pada jarak lebih besar dari 66 m, diperoleh tegangan residu melebihi nilai TID trafo, sehingga trafo mengalami kegaglan isolasi. Oleh karena itu jarak arrester terhadap peralatan harus sekecil mungkin, agar tegangan residu yang sampai ke peralatan tidak melebihi tingkat isolai peralatan itu sendiri. Rezon Arif B /L2F008082 15
  16. 16. Lightning Arrester NAMA : REZON ARIF B. NIM : L2F008082 TEKNIK ELEKTROFAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2010 Rezon Arif B /L2F008082 16

×