1 | P a g e

ARRESTER

1. Pengertian Arrester (Lightning Arrester)

Arrester atau biasa juga disebut Lightning Arrester adalah suatu alat

pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap surja petir (surge) dengan

cara membatasi surja tegangan lebih yang datang dan mengalirkannya ke tanah.

Dipasang pada atau dekat peralatan yang dihubungkan dari fasa konduktor ke

tanah.

Sesuai dengan fungsinya itu maka arrester harus dapat menahan tegangan

sistem pada frekuensi 50 Hz untuk waktu yang terbatas dan harus dapat

melewatkan surja arus ke tanah tanpa mengalami kerusakan pada arrester itu

sendiri. Arrester berlaku sebagai jalan pintas di sekitar isolasi. Arrester

membentuk jalan yang mudah untuk dilalui oleh arus kilat atau petir, sehingga

tidak timbul tegangan lebih yang nilainya tinggi pada peralatan.

Selain melindungi peralatan dari tegangan lebih yang diakibatkan oleh

tegangan lebih eksternal, arrester juga melindungi peralatan dari tegangan lebih

yang diakibatkan oleh tegangan lebih internal seperti surja hubung.Surja hubung

merupakan suatu gangguan tegangan lebih yang muncul secara internal yang

disebabkan oleh lepas beban (karena gangguan alam) dan fluktuasi beban. Selain

itu arrester juga merupakan kunci dalam koordinasi isolasi suatu sistem tenaga

listrik. Bila surja hubung datang ke gardu induk maka arrester akan bekerja

melepaskan muatan listrik serta mengurangi tegangan abnormal yang mengenai

peralatan dalam gardu induk.

Lightning arrester bekerja pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi

untuk membuang muatan listrik dari surja petir dan berhenti beroperasi pada

tegangan tertentu di atas tegangan operasi agar tidak terjadi arus pada tegangan

operasi, dan perbandingan dua tegangan ini disebut rasio proteksi arrester.

Tingkat isolasi bahan arrester harus berada di bawah tingkat isolasi bahan

transformator agar apabila sampai terjadi flashover, maka flashover diharapkan

terjadi pada arrester dan tidak pada transformator.

2. Prinsip kerja Arrester (L.A)

Pada umumnya prinsip kerja arrester cukup sederhana yaitu membentuk

jalan yang mudah dilalui oleh petir, sehingga tidak timbul tegangan yang lebih

tinggi pada peralatan listrik lainnya. Pada kondisi kerja yang normal, arrester

berlaku sebagai isolasi tetapi bila timbul surja akibat adanya petir maka arrester

akan berlaku sebagai konduktor yang berfungsi melewatkan aliran arus yang

tinggi ke tanah. Setelah tegangan surja itu hilang maka arrester harus dengan cepat

kembali berlaku sebagai isolator, sehingga pemutus tenaga (PMT) tidak sempat

membuka. Pada kondisi yang normal (tidak terkena petir), arus bocor arrester

tidak boleh melebihi 2 mA. Apabila melebihi angka tersebut, berarti kemungkinan

besar lightning arrester mengalami kerusakan.

3. Macam – macam Arrester

Arrester yang umumnya diketahui terdiri dari dua jenis yaitu :

1. Arrester jenis sela batang (rod gap)

2. Arrester jenis ekspulsi (expulsion type) atau tabung pelindung (protector

tube)

2 | P a g e

3. Arrester katup (valve type)

3.1.Arrester jenis sela batang (rod gap)

Merupakan alat pemotong petir yang paling sederhana berupa batang

elektroda yang diletakkan antara hantaran dan tanah. Banyak digunakan pada

bushing insulator trafo, pada insulator hantaran udara beupa tanduk api (arching

horn) atau ring api (arching ring) dan pemutus daya (circuit breaker).

3.2.Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung Lightning Arrester jenis ekspulsi atau tabung pelindung ini pada

prinsipnya terdiri dari sela percik yang berada dalam tabung serat dan sela percik

yang berada diluar 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 dan menyalurkan petir /surja dan arus

daya sistem bersama- sama ke bumi. Panas yang timbul akibat mengalirnya arus

petir menguapkan sedikit bahan dinding tabung serat, sehingga gas yang di

timbulkan menyembur dan memedamkan api pada waktu arus susulan melewati

titik nolnya.

Gambar 1. arrester jenis ekspulsi

Arus susulan dalam arrester ini dapat mencapai harga yang tunggi sekali

tetapi lamanya tidak lebih dari 1 atau 2 gelombang, dan biasanya kurang dari

setengah gelombang. Jadi tidak menimbulkan gangguan. Arrester jenis ekspulsi

3 | P a g e

ini mempunyai karakteristik volt – waktu yang lebih baik dari sela batang dan

dapat memutuskan arus susulan. Akan tetapi tegangan impulsnya lebih tinggi

daripada arrester jenis katup. Kemampuan untuk memutuskan arus susulan

tergantung dari tingkat arus hubung singkat dari sistem pada titik dimana arrester

itu di pasang. Dengan demikian perlindungan dengan arrester jenis ini dipandang

tidak memadai untuk perlindungan transformator daya kecuali untuk sistem

distribusi. Arrester jenis ini banyak digunakan pada saluran transmisi untuk

membatasi besar surja yang memasuki gardu induk.

Gambar 2. Konstruksi sebuah lightning arrester buatan Westinghouse yang

menggunakan celah udara (air gap) di bagian atas

3.3.Arrester jenis katup

Arrester jenis katup ini terdiri dari sela percik terbagi atau sela seri yang

terhubung dengan elemen tahanan yang mempunyai karakteristik tidak linier.

Terdiri dari beberapa sela yang tersusun dengan piringan-piringan tahanan.

4 | P a g e

Gambar 3. Arrester jenis katup

Tahanan tersebut mempunyai sifat khusus yaitu tahanan akan turun banyak

sekali 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, maka alat

tersebut akan menjadi penghantar. Sela seri itu tidak dapat menimbulkan arus

susulan. Dalam hal ini dibantu oleh tahanan tak linier yang mempunyai

karakteristik tahanan kecil untuk arus besar dan tahanan besar untuk arus susulan

dari frekuensi dasar.

Prinsip kerja Arrester jenis Katup

Sela seri yang berfungsi sebagai switch apabila terjadi tegangan tinggi

yang menyebabkan sparkover maka tahanan elemen sela percik turun dengan

tegangannya saja, maka sela seri akan membuka, tahanannya naik kembali

sehingga arus susulan dapat dibatasi. Untuk memadamkan busur api yang timbul,

tahanan sela percik yang tidak linier tersebut berfungsi untuk mematikannya.

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)

5 | P a g e

3.3.1. Arrester katup jenis gardu

Gambar 4. Arrester katup jenis gardu

Arrester katup jenis gardu ini adalah yang paling efisien dan juga yang

paling mahal. Pemakaiannya secara uumum pada gardu induk besar. Umumnya

untuk melindungi alat- alat yang mahal pada rangkaian mulai pada rangkaian

mulai dari 2,4 kV sampai 287 kV dan lebih tinggi lagi.

3.3.2. Arrester katup jenis saluran

Arrester jenis saluran ini lebih murah dari arrester jenis gardu.

Kata”saluran”

disini bukanlah berarti untuk saluran transmisi.

Gambar 5. Arrester katup jenis saluran

6 | P a g e

Seperti arrester jenis gardu, arrester jenis saluran ini dipakai untuk

melindungi transformator dan pemutus daya serta dipakai pada system tegangan

15 kV sampai 69 kV.

3.3.3. 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.

3.3.4. Arrester katup jenis distribusi

Gambar 6. Arrester katup jenis distribusi

Lightning arrester jenis distribusi ini khusus untuk melindungi

transformator. Arrester jenis ini dipakai pada rentang tegangan antara 120 volt

sampai 69 kV. Untuk tegangan menengah yakni 2,4 kV sampai 69 kV dan untuk

peralatan tegangan rendah dari 120V sampai 750V.

4. 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)

7 | P a g e

5. Karakteristik Lightning Arrester

Oleh karena arrester dipakai untuk melindungi peralatan sistem tenaga

listrik maka perlu diketahui karakteristiknya sehingga arrester dapat digunakan

dengan baik didalam pemakaiannya. Arrester mempumyai tiga karakteristik dasar

yang 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 tegangan

yang mempunyai tegangan ratingnya. Maka jelaslah bahwa arrester tidak boleh

dikenakan tegangan yang melebihi tegangan yang melebihi rating ini, baik

didalam keadaan normal maupun dalam keadaan abnormal. Oleh karena itu dalam

menjalankan fungsinya ia menanggung tegangan sistem normal dan tegangan

lebih transiens 50 c/s. Karakteristik pembatasan tegangan impuls dari arrester

adalah harga yang dapat di tahan oleh terminal ketika melakukkan arus – arus

tertentu dan harga ini berubah dengan singkat baik sebelum arus mengalir maupun

mulai bekerja.

Untuk batas termis ialah kemampuan untuk mengalirkan arus surja dalam

waktu yang lama atau terjadi berulang – ulang tanpa menaikkan

suhunya.meskipun

kemampuan arrester untuk menyalurkan arus sudah mencapai 65000 – 100.000

Ampere, tetapi kemampuannya untuk melakukan surja hubung terutama bila

saluran menjadi panjang dan berisi tenaga besar masih rendah.

Maka agar supaya tekanan stress pada isolasi dapat dibuat serendah mungkin,

suatu sistem perlindungan tegangan lebih perlu memenuhi persyaratan sebagai

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.

5.1. 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 mengalirkan

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.

8 | P a g e

6. Material dari Arrester

Metal Oxide Arrester. Komponen utama dari lightning arrester ini terbuat

dari bahan Zinc Oxide (ZnO) , kemudian lebih dikenal dengan sebutan metal oxide

surger arrester (MOA). Pada dasarnya arrester ini sama dengan arrester

pendahulunya, hanya saja arrester ini tidak mempunyai komponen sel gap (Gap

Less).

Prinsip kerja MO Arrester

Pada dasarnya metal oxide arrester ini mempunyai prinsip kerja yang sama

dengan arrester jenis katup. Karena arrester MOA ini tidak memiliki tahanan sela

seri, maka arrester ini sangat bergantung psa tahanan yang ada dalam arrester itu

sendiri. Apabila terkena petir, tahanan arrester akan langsung turun sehingga

menjadi konduktor dan mengalirkan petir ke bumi. Namun, setelah petir lewat,

tahan kembali naik dan bersifat isolator.

Gambar 7. metal oxide arrester

Keunggulan dari MOA adalah memiliki reaksi yang cepat dalam

membumikan petir. Hal inidisebabkan arrester ini tidak memiliki sela seri.

Sedangkan kekurangannya adalah akibat ketergantunnganya dengan tahanan yang

ada di dalam isolator dan bekerja karena pengaruh termal, maka arrester ini harus

betul-betul memperhitungkan pengaruh termalnya.

Konfigurasi MO Arrester

Arrester ini bekerja untuk tegangan lebih pada system distribusi dan

transmisi dengan level tegangan antara Us = 24 kV dan Us = 550 kV. Hal yang

terpenting adalah sebuah arrester dapat menyediakan sebuah proteksi, dan di lain

hal juga dapat beroperasi secara stabil (stable continuos) yang berarti bahwa

arrester mampu menangani secara jangka panjang, baik yang bersifat sementara

atau tekanan secara transient yang berasal dari operasi jaringan, ketersediaan

secara listrik dan termal yan stabil pada semua kondisi.

9 | P a g e

Menghitung tegangan operasi (operating voltage) dan tegangan rating (rated

voltage)

Jenis Coninuous Operating

Voltage

Rated Voltage

Netral yang diketanahkan Uc, min ≥ 1,05

Ur1 ≥ 1,25 ∙ 1,05 ∙

Netral yang diketanahkan

secara terpisah Uc, min ≥ Us Ur1 ≥ 1,25 Us

Pada kondisi lain untuk netral yang diketanahkan, tegangan lebih

sementara dapat mencapai nilai hingga 1,4 waktu tegangan maksimum dari fasa

ke bumi (kegagalan-buni faktor k ≤ 1,4) . Dapat dilihat grafik karakteristik U-t

(tegangan frekuensi-daya terhadap waktu). [Volker Hinrichsen, metal oxide surge

arrester fundamentals 1st edition, hal.37 fig.19]

Apabila nilai Ur2 > Ur1 maka:

Memilih arus peluahan nominal (nominal discharge current)

1 500 A 2 500 A 5 000 A 10 000 A 20 000 A

Under

consideration

Ur ≤ 36 kV Ur ≤ 132 kV 3 kV ≤ Ur ≤ 360 kV 360 kV < Ur ≤

756 kV

Memilih kelas peluahan saluran (line discharge class)

Line discharge

class

Surge impedance

of the line Z in Ω

Virtual duration of

peak T in μs

Charging voltage

UL in kV (d.c)

1 4,9 ∙ Ur 2000 3,2 ∙ Ur

2 2,4 ∙ Ur 2000 3,2 ∙ Ur

3 1,3 ∙ Ur 2400 2,8 ∙ Ur

4 0,8 ∙ Ur 2800 2,6 ∙ Ur

5 0,5 ∙ Ur 3200 2,4 ∙ Ur Ur = rating tegangan dari contoh percobaan dalam r.m.s (kV)

System netral yang diketanahkan :

Ur2 = Utov/ Ktov

Ur = max Ur1, Ur2

Uc = Ur / 1,25

10 | P a g e

Lihat buku Volker Hinrichsen, metal oxide surge arrester fundamentals 1st

edition, hal.42 fig.20.

Dari grafik tersebut didapat tabel klasifikasi berikut:

Line discharge class Us (kV)

1 ≤ 245

2 ≤ 300

3 ≤ 420

4 ≤ 550

5 ≤ 800

Berdasar klasifikasi diatas kia dapat menentukan diameter arrester melalui

tabel klasifikasi berikut:

MO resistor diameter (mm) Line discharge class

50 1 and 2

60 2 and 3

70 3 and 4

80 4 and 5

100 (o 2 ∙ 70 in parallel) 5 and higher

Memilih dan meninjau kembali level proteksi

Berdasarkan IEC-standard 60099-4, untuk dua perbedaan nilai impuls arus

pensaklaran (switching current impulse):

Arrester class switching current impulse

20 kA, LD-classes 4 and 5 500 and 2000

10 kA, LD-class 3 250 and 1000

10 kA, LD-class 1 and 2 125 and 500

Memilih housing

Berdasarkan IEC-standard 60099-4, housing arrester harus memenuhi

persyaratan berikut:

In = 10 kA and 20 kA In ≤ 5 kA and High

Lightning Duty

Arresters (1 kV ≤

Us ≤ 52 kV) Ur ≥ 200 Kv Ur < 200 Kv

Test with

lightning

impulse

voltage

1,3 ∙ lightning impulse protection level

11 | P a g e

Test with

switching

impulse

voltage

1,25 ∙ switching

impulse

protection level

- -

Test with

power-

frequency

voltage (û;

duration 1

min)

-

1,06 ∙ switching

impulse protection

level

0,88 ∙ lightning

impulse protection

level