Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

18
Analisa dan Simulasi Kinerja Arrester terhadap Pengaruh Perubahan Beban Penyulang dalam Perlindungan Tegangan Lebih Petir Abstract Arrester adalah suatu alat proteksi peralatan sistem tenaga terhadap gangguan surja petir. Arrester menurunkan tegangan lebih petir pada saluran transmisi ke nilai paling rendah sehingga tidak membahayakan isolasi dan makhluk hidup di dekat peralatan. Simulasi kinerja arrester dengan bermacam – macam beban penyulang dilakukan dengan bantuan program ATP – EMTP. Suatu peningkatan beban penyulang atau suatu penurunan pada impedansi beban dengan faktor daya tetap membuat tegangan sisa (residu) menurun karena puncak dari tegangan lebih transient petir terjadi pada suatu nilai terendah. Perubahan tegangan relatif kecil karena arus surja petir lebih besar daripada arus saluran. Untuk arus petir 30 kA, 4/40 µs, beban 548 kVA, dan faktor daya 0,8, tegangan sisa puncak 68.4043 kV, ketika beban 3984 kVA tegangan sisa puncak arrester menjadi 68.4023 kV. Untuk beban kVA yang sama dan arus saluran antara 155 A dan 345 A, dengan peningkatan pada faktor daya atau penurunan pada beban induktansi membuat tegangan sisa puncak menurun karena beban induktansi paling kecil dihasilkan pada saat puncak tegangan lebih transient paling kecil. Untuk beban 3984

description

Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arrester ZnO.

Transcript of Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Page 1: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Analisa dan Simulasi Kinerja Arrester terhadap Pengaruh Perubahan

Beban Penyulang dalam Perlindungan Tegangan Lebih Petir

Abstract

Arrester adalah suatu alat proteksi peralatan sistem tenaga terhadap gangguan surja

petir. Arrester menurunkan tegangan lebih petir pada saluran transmisi ke nilai paling rendah

sehingga tidak membahayakan isolasi dan makhluk hidup di dekat peralatan. Simulasi kinerja

arrester dengan bermacam – macam beban penyulang dilakukan dengan bantuan program

ATP – EMTP.

Suatu peningkatan beban penyulang atau suatu penurunan pada impedansi beban

dengan faktor daya tetap membuat tegangan sisa (residu) menurun karena puncak dari

tegangan lebih transient petir terjadi pada suatu nilai terendah. Perubahan tegangan relatif

kecil karena arus surja petir lebih besar daripada arus saluran. Untuk arus petir 30 kA, 4/40

µs, beban 548 kVA, dan faktor daya 0,8, tegangan sisa puncak 68.4043 kV, ketika beban

3984 kVA tegangan sisa puncak arrester menjadi 68.4023 kV.

Untuk beban kVA yang sama dan arus saluran antara 155 A dan 345 A, dengan

peningkatan pada faktor daya atau penurunan pada beban induktansi membuat tegangan sisa

puncak menurun karena beban induktansi paling kecil dihasilkan pada saat puncak tegangan

lebih transient paling kecil. Untuk beban 3984 kVA, faktor daya 0,95 dan arus surja petir 30

kA, 4/40 µs, menghasilkan tegangan sisa puncak 68.4005 kV.

The residual reverse-voltage occured because of load inductances. Magnitude of the

residual reverse-voltage is smaller than the residual peak-voltage. An increase on kVA loads

at a constant power factor resulting in the higher magnitude of residual reverse-voltage. For

548 kVA load 0.8 power factor and 30 kA 4/40 μs lightning surge, the reverse-voltage is –

36.7700 kV, when the load is 3984 kVA 0.8 power factor the reverse-voltage becomes –

41.1775 kV. For the same kVA loads, magnitude of the residual reverse-voltage at 0.95 power

factor is higher than magnitude of the residual reverse-voltage at 0.9, 0.85, and 0.8 load power

factor, when the load feeder is 3984 kVA 0.95 power factor, the residual reverse-voltage

becomes -42.1950 kV.

Keywords : ZnO arrester, lightning surge, residual peak-voltage, load impedance, residual

reverse-voltage

Page 2: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

1 Pengantar

Pada sistem penyaluran energi listrik dapat terjadi bermacam-macam gangguan, yaitu

gangguan eksternal dan gangguan internal. Gangguan eksternal antara lain disebabkan oleh

sambaran petir langsung atau tidak langsung yang disebut surja petir. Gangguan internal atau

gangguan dari dalam sistem dapat berupa surja hubung dan tegangan-lebih sementara.

Indonesia adalah salah satu negara yang wilayahnya sering mengalami sambaran petir.

Sambaran petir bisa terjadi antar awan, atau antara awan dengan tanah. Sambaran petir antara

awan dengan tanah tersebut dapat menimbulkan masalah pada kepentingan manusia termasuk

juga dalam sistem penyaluran energi listrik.

Sambaran petir dapat membangkitkan tegangan-lebih transien pada saluran transmisi dan

distribusi melalui tiga kejadian :

(i) sambaran langsung pada kawat fasa saluran-daya,

(ii) sambaran langsung pada tiang atau kawat pelindung, dan

(iii) sambaran di tempat yang dekat konduktor. Petir dapat merusak peralatan daya

karena menaikkan tegangan pada terminal peralatan sehingga terjadi percikan api

(sparkover) yang bisa mengakibatkan hubung singkat atau kebocoran isolasi dan

menyebabkan kerusakan permanen. Energi sambaran petir melebihi kapabilitas

peralatan, mengakibatkan leleh atau keretakan (Chowdhuri, 2001).

Arester adalah alat pelindung peralatan daya terhadap tegangan-lebih akibat sambaran

petir dengan mengurangi tegangan-lebih transien yang terjadi sehingga tidak merusak isolasi

dan peralatan. Sejak diperkenalkan penggunaan arester ZnO (zinc-oxide), semakin banyak

penggunaan arester ZnO sebagai alat proteksi tegangan-lebih pada jaringan listrik tegangan

menengah maupun tegangan tinggi, menggantikan arester SiC yang mempunyai sela.

Kinerja arester ZnO pada sistem transmisi dan distribusi ditentukan oleh besarnya

tegangan residu ketika terjadi gangguan tegangan-lebih transien dalam berbagai macam

kondisi beban dan arus pada saluran daya, apakah tegangan residu tersebut masih dalam batas

yang aman yang tidak merusak peralatan. Pemodelan dan simulasi dilakukan untuk

mendapatkan tegangan residu arester ZnO yang terpasang pada saluran distribusi 20 kV di

dekat gardu induk ketika terjadi sambaran petir, pada bermacam kondisi beban dan arus

penyulang atau dalam keadaan kVA beban dan faktor daya yang berbeda-beda.

Page 3: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

2 Bahan dan Data Penelitian

Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah arester ZnO (zinc-oxide) tipe

D018SA015ADEN0 dengan spesifikasi :

Tegangan pengenal : 18 kV

Arus pelepasan nominal 8/20 μs : 10 kA pk

Arus impuls curam 4/10 μs : 100 kA pk

Arus hubung singkat 48-62 Hz : 20 kA rms untuk 0,2 detik

Kapabilitas energi, 1 impuls : 1,5 kJ/kV pada MCOV

Tegangan operasi kontinyu maksimum (MCOV) : 15,3 kV rms

Beban penyulang Gardu Induk Bantul diperoleh dari PT. PLN APJ Yogyakarta dari

Laporan Beban Penyulang bulan Maret 2005 berupa arus konduktor fasa R, S, dan T jam

10.00 dan jam 19.00. Arus penyulang GI Bantul Senin 7 Maret 2005 jam 10.00 dan 19.00

diperlihatkan dalam tabel 1.

Tabel 1 Arus penyulang GI Bantul Senin 7-3-05 jam 10.00 dan 19.00

No Penyulang R10 (A) R19 (A) S10(A) S19 (A) T10 (A) T19 (A)

1 BNL 1 50 81 26 45 41 63

2 BNL 2 132 162 164 191 140 176

3 BNL 3 194 218 189 212 214 210

4 BNL 5 130 280 110 203 165 332

5 BNL 6 70 205 80 222 80 222

6 BNL 7 110 320 110 395 115 338

7 BNL 8 65 124 65 120 45 190

8 BNL 9 35 50 25 50 25 50

9 BNL 10 25 30 20 25 20 30

10 BNL 11 78 200 78 195 110 175

3 Hasil Penelitian dan Pembahasan

3.1 Rangkaian Ekivalen Arester

Model arester yang digunakan dalam simulasi diperlihatkan pada gambar 1 (Fernandez

dan Diaz, 2003) dengan dua resistor non-linier A0 dan A1, induktans Lo = 0,2 μH dan

kapasitans Co = 1 pF. Lo ditambahkan pada rangkaian supaya arester menghasilkan tegangan-

puncak residu yang lebih tinggi pada arus impuls dengan waktu-muka yang lebih kecil.

Page 4: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Kapasitans Co untuk menghilangkan osilasi tegangan yang terjadi apabila dalam rangkaian

ekivalen tidak terdapat kapasitans.

A0

A1

Lo

Co

Gbr. 1 Rangkaian ekivalen arester

Resistor non-linier A0 dan A1 adalah komponen MOV tipe 92. Vref = 56 kV, tegangan

residu pada rating arester 10 kA. Digunakan dua MOV supaya model arester menghasilkan

tegangan residu lebih akurat pada berbagai macam bentuk impuls. Perbandingan arus pada A0

dan A1 adalah 2,04.10-2. Data A0 dan A1 disusun dalam tabel 2.

Tabel 2 A dan kV untuk A0 dan A1

A0 A1

A kV kA kV

20 46,5 0,98 46,33

50 49,3 2,45 49,21

100 52,1 4,9 52,01

200 56,0 9,8 55,86

400 63,6 19,6 63,42

3.2 Simulasi Tegangan Residu Arester

Simulasi untuk mendapatkan tegangan residu arester dilakukan dengan rangkaian gambar

2. Arus impuls dihasilkan oleh komponen surge tipe 15. Bentuk impuls dapat diatur dengan

mengubah nilai Amp, A dan B pada komponen surge. Amp untuk mengatur puncak impuls, A

untuk waktu-ekor, B waktu-muka. Probe current untuk mendapatkan data arus, probe volt

untuk tegangan residu. Apabila tidak ada kapasitans dalam rangkaian ekivalen arester maka

terjadi osilasi pada tegangan residu.

Page 5: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Impuls

A0

A1

Lo

Co

Gbr. 2 Simulasi tegangan residu arester

Bentuk impuls 10 kA 8/20 μs hasil simulasi diperlihatkan pada gambar 3. Parameter

simulasi, surge, Amp 34950, A = -90000, B = -200000.

Tegangan residu arester 18 kV dengan impuls 10 kA 8/20 μs ditampilkan dalam gambar 4.

Diperoleh tegangan-puncak residu 55,9005 kV dan waktu-ekor 120 μs, lebih besar daripada

waktu-ekor impuls 8/20 μs.

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300

Impuls 10 kA 8/20 usMax: 10.0016 Min: -1.05207e-007 Avg: 0.711934Abs: 10.0016 RMS: 2.17235 CF : 4.60404FF : 3.05133

kA

Time (us)

Gbr. 3 Arus impuls 10 kA 8/20 μs hasil simulasi

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300

Residu, 10 kA 8/20 usMax: 55.9005 Min: 0 Avg: 23.1616Abs: 55.9005 RMS: 29.3769 CF : 1.90287FF : 1.26835

Volta

ge (k

V)

Time (us)

Gbr. 4 Tegangan residu arester impuls 10 kA 8/20 μs

Page 6: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Tegangan residu untuk impuls 30 kA 4/40 μs sebesar 68,3977 kV dan untuk impuls 60

kA 4/40 μs sebesar 77,8368 kV diperlihatkan dalam gambar 5 dan 6. Arus surja pada

konduktor fasa saluran-daya akibat sambaran petir berkisar antara 10 kA sampai 60 kA

(Schmitt dan Winter, 2001), dan nilai median arus sekitar 30 kA (Mousa dan Srivastava,

1989).

0

20

40

60

80

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Residu 30 kA 4/40 usMax: 68.3977 Min: 0 Avg: 30.9546Abs: 68.3977 RMS: 34.7593 CF : 1.96775FF : 1.12291

Volta

ge (k

V)

Time (ms)

Gbr. 5 Tegangan residu, impuls 30 kA 4/40 μs

0

20

40

60

80

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Residu 60 kA 4/40 usMax: 77.8368 Min: 0 Avg: 33.4719Abs: 77.8368 RMS: 37.3951 CF : 2.08147FF : 1.11721

Volta

ge (k

V)

Time (ms)

Gbr. 6 Tegangan residu, impuls 60 kA 4/40 μs

3.3 Tegangan Residu Arester pada Berbagai KVA Beban

Gambar 7 merupakan rangkaian simulasi untuk mengetahui kinerja arester pada

penyulang dalam berbagai keadaan beban. Sumber impuls 30 kA 4/40 μs menimbulkan

tegangan-lebih transien pada saluran yang dapat mengakibatkan kilatan api atau kerusakan

pada isolator dan peralatan. Arester berfungsi melindungi isolator dan peralatan daya yang

terletak pada saluran.

Page 7: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Resistansi dan induktansi pada berbagai kVA beban dengan faktor daya 0,8 disusun dalam

tabel 3. Arus dan tegangan penyulang diperoleh dari data penyulang BNL 7 konduktor fasa S

bulan Maret 2005. Untuk melakukan simulasi, data Apk dimasukkan ke Amp komponen

Source AC, data R dan L ke komponen RLC beban.

I

Surja

A0

A1

Lo

Beban

Co

Gbr. 7 Model rangkaian arrester pada saluran distribusi

Tabel 3 R dan L beban pada faktor daya 0,8

A Apk kV (L-L) kVA Z (Ω) R (Ω) L (mH)

45 63,64 21,1 548 270,71 216,57 517,02

98 138,59 20,8 1177 122,54 98,03 234,03

155 219,20 20,8 1861 77,48 61,98 147,97

200 282,84 20,6 2379 59,47 47,57 113,57

298 421,44 20,1 3458 38,94 31,15 74,37

345 487,90 20 3984 33,47 26,78 63,92

Tegangan residu pada beban 548 kVA faktor daya 0,8 sudut fasa arus 143,13o, impuls

30 kA 4/40 μs diperlihatkan dalam gambar 8.

Parameter simulasi,

ATP settings, delta T = 1E-7, Tmax = 1.5E-3

surge Tstart = 1E-5

source AC Amp = 63.64, Pha = 143.13,

dinyatakan dalam persamaan

i(t) = 63,64 cos (314,16t + 143,13o) A

Tegangan saluran sebelum ada impuls,

v(t) = 17,23 cos (314,16t + 180o) kV

setelah ada impuls,

Page 8: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

tegangan-puncak residu 68,4043 kV

tegangan-balik residu –36,77 kV

-40

-20

0

20

40

60

80

0,0 0,5 1,0 1,5

F8C4Max: 68.4043 Min: -36.77 Avg: 34.6463Abs: 68.4043 RMS: 36.2475 CF : 1.88715FF : 1.04621

Volta

ge (k

V)

Time (ms)

Gbr. 8 Tegangan residu, beban 548 kVA PF sudut fasa tegangan 180o

Tegangan-puncak residu pada berbagai kVA beban dengan faktor daya 0,8 0,85 , 0,9 dan

0,95 dan apabila impuls 30 kA 4/40 s terjadi ketika tegangan sesaat saluran berada pada nilai

minimum diperlihatkan dalam tabel 4 dan gambar 9.

Tabel 4 Tegangan-puncak residu pada PF 0,8,0,85, 0,9 dan 0,95 impuls 30 kA 4/40 s

A kV kVA PF 0,8 PF 0,85 PF 0,9 PF 0,95

45 12,18 548 68,4043 68,4043 68,4046 68,4043

98 12,01 1177 68,4040 68,4041 68,4041 68,4037

155 12,01 1861 68,4037 68,4036 68,4036 68,4031

200 11,89 2379 68,4036 68,4033 68,4031 68,4024

298 11,60 3458 68,4028 68,4024 68,4022 68,4011

345 11,55 3984 68,4023 68,4022 68,4015 68,4005

Page 9: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Gbr. 9 Tegangan-puncak residu impuls 30 kA 4/40 s

Dalam kurva gambar 9 terlihat bahwa pada kondisi beban dengan faktor daya yang sama,

semakin besar kVA beban semakin rendah tegangan-puncak residu. Perubahan tegangan-

puncak residu relatif kecil karena perubahan arus penyulang sangat kecil jika dibandingkan

arus surja petir.

Pada arus penyulang 155 A sampai 345 A dan beban dengan kVA tetap, tegangan-puncak

residu pada faktor daya 0,8 lebih tinggi daripada tegangan-puncak residu pada faktor daya

0,85 , 0,9 dan 0,95. Semakin besar faktor daya beban semakin rendah tegangan-puncak residu

karena puncak tegangan-lebih transien yang terjadi semakin rendah apabila induktans beban

semakin kecil.

Tegangan-balik residu apabila impuls 30 kA 4/40 s terjadi ketika tegangan sesaat

saluran berada pada nilai minimum dan faktor daya beban 0,8, 0,85, 0,9 dan 0,95

diperlihatkan dalam tabel 5 dan gambar 10.

Tabel 5 Tegangan-balik residu pada PF 0,8 , 0,85,0,9 dan 0,95 impuls 30 kA 4/40 s

A kVA PF 0,8 PF 0,85 PF 0,9 PF 0,95

45 548 -36,7700 -36,9745 -37,2564 -37,7265

98 1177 -38,4301 -38,6410 -38,9338 -39,4218

155 1861 -39,4110 -39,6262 -39,9249 -40,4161

200 2379 -39,9709 -40,1858 -40,4856 -40,9815

298 3458 -40,8579 -41,0740 -41,3740 -41,8724

Page 10: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

345 3984 -41,1775 -41,3941 -41,6957 -42,1950

Gbr. 10 Tegangan-balik residu impuls 30 kA 4/40 s

Dalam kurva gambar 10 terlihat pada kondisi beban dengan faktor daya yang sama,

semakin besar kVA beban semakin besar magnitude tegangan-balik residu. Pada kondisi

beban dengan kVA konstan, magnitude tegangan-balik residu pada faktor daya 0,95 lebih

besar daripada magnitude tegangan-balik residu pada faktor daya 0,9, 0,85 dan 0,8.

Kurva tegangan-puncak dan tegangan-balik residu pada berbagai kVA beban untuk

impuls 60 kA 4/40 s diperlihatkan pada gambar 11 dan 12. Diperoleh tegangan-puncak

residu paling besar 77,8406 kV dan magnitude tegangan-balik paling besar 42,7103 kV.

Tabel 6 Tegangan-puncak residu impuls 60 kA 4/40 s

A kV kVA PF 0,8 PF 0,85 PF 0,9 PF 0,95

45 12,18 548 77,8406 77,8406 77,8408 77,8406

98 12,01 1177 77,8404 77,8405 77,8405 77,8403

155 12,01 1861 77,8403 77,8402 77,8402 77,8400

200 11,89 2379 77,8402 77,8401 77,8399 77,8396

298 11,60 3458 77,8398 77,8396 77,8394 77,8389

345 11,55 3984 77,8395 77,8394 77,8391 77,8385

Page 11: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

Gbr. 11 Tegangan-puncak residu impuls 60 kA 4/40 s

Tabel 7 Tegangan-balik residu impuls 60 kA 4/40 s

A kV kVA PF 0,8 PF 0,85 PF 0,9 PF 0,95

45 12,18 548 -37,0842 -37,2915 -37,5765 -38,0496

98 12,01 1177 -38,7954 -39,0099 -39,3070 -39,8023

155 12,01 1861 -39,8100 -40,0297 -40,3332 -40,8390

200 11,89 2379 -40,3917 -40,6122 -40,9210 -41,4304

298 11,60 3458 -41,3173 -41,5419 -41,8533 -42,3696

345 11,55 3984 -41,6542 -41,8794 -42,1919 -42,7103

Gbr. 12 Tegangan-balik residu impuls 60 kA 4/40 s

4 Kesimpulan

1. Pada faktor daya yang sama, semakin besar kVA beban semakin rendah tegangan-puncak

residu, dengan perubahan relatif kecil. Pada impuls 30 kA 4/40 μs beban 548 kVA faktor

daya 0,8 dihasilkan tegangan-puncak residu 68,4043 kV, pada beban 3984 kVA faktor

daya 0,8 tegangan-puncak residu 68,4023 kV.

2. Pada arus penyulang 155 A sampai 345 A dan kVA beban yang sama, apabila faktor daya

semakin besar maka tegangan-puncak residu semakin rendah, dengan perubahan relatif

Page 12: Pengaruh perubahan beban terhadap kinerja arester ZnO

kecil. Pada keadaan beban 3984 kVA faktor daya 0,95 tegangan-puncak residu 68,4005

kV.

3. Terdapat tegangan-balik residu yang diakibatkan oleh induktansi beban. Pada faktor daya

yang sama, semakin besar kVA beban semakin besar magnitude tegangan-balik residu.

Pada beban 548 kVA faktor daya 0,8 impuls 30 kA 4/40 μs dihasilkan tegangan-balik -

36,7700 kV, pada beban 3984 kVA faktor daya 0,8 tegangan-balik -41,1775 kV.

4. Pada kVA beban yang sama, magnitude tegangan-balik residu untuk faktor daya 0,95 lebih

besar daripada magnitude tegangan-balik residu untuk faktor daya 0,9, 0,85, dan 0,8, pada

kondisi beban 3984 kVA faktor daya 0,95 tegangan-balik -42,1950 kV.

Daftar Pustaka

Chowdhuri, P., 2001, “Parameters of Lightning Strokes and Their Effects on Power System”,

Tennessee Technological University, Cookeville.

Fernandez, F., Diaz, R., 2003, “Metal-Oxide Arrester Model for Fast Transient Simulations”,

National University of Tucuman, Argentina.

Mousa, A.M., Srivastava, K.D., 1989, “The Implications of the Electrogeometric Model

Regarding Effect of Height of Structure on the Median Amplitude of Collected Lightning

Strokes”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 4, No. 2, pp. 1450-1460.

Schmitt, H., Winter, W., 2001, “Simulation of Lightning Overvoltages in Electrical Power

System”, Dept. EV SE NC3 Siemens AG, Erlangen, Germany.