TUGAS PENTANAHAN SISTEM TENAGA

Oleh :

Muhamad Wahidi (0915031061)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

2009

BAB

EMPAT

PENGETANAHAN DENGAN KUMPARAN PETERSEN

4.1 PENDAHULUAN

Istilah kumparan Petersen ini berasal dari nama orang yang pertama-tama

menciptakan alat itu , yaitu W . Petersen. Petersen mendapatkan cara ini pada

tahun 1916. Di Negara-Negara Anglo-Saxon nama alat itu sering juga disebut

“Ground Fault Neutralizer” atau “Arc Suppression Coil”. Umumnya kita di

Indonesia mengenalnya sebagai kumparan Petersen atau ”Petersen Spoel”. Perlu

dicatat disini bahwa analisa serta perbaikan kumparan Petersen dibuat oleh JONAS

mulai tahun 1920.

Sekalipun penggunaan kumparan Petersen itu sudah mulai berkurang tetapi

system 30 dan 70 KV yang ada di JAWA masih diketanahkan dengan kumparan

Petersen. Disamping itu, akhir-akhir ini, semakin banyak generator yang terhubung

dengan transformator (unit connected generator) diketanahkan dengan kumparan

Petersen. Oleh karena itu dalam tiga bab berikut akan dibahas persoalan-persoalan

pada system yang diketanahkan dengan kumparan Petersen.

4.2 FUNGSI KUMPARAN PETERSEN PADA KEADAAN GANGGUAN.

Bila suatu system yang tidak diketanahkan terganggu oleh hubung singkat

kawat tanah, maka arus gangguan kapasitif itu kembali ke system melalui

gangguan itu, Gambar 4.1

Gambar 4.1 Sistem yang tidak diketanahkan dalam keadaan gangguan kawat tanah.

a). Sistem fasa-tiga pada keadaan gangguan.

b). Gambar ekivalen pada keadaan gangguan.

Gambar 4.2 Sistem 3 fasa dengan reaktor fasa.

Tetapi cara ini bukanlah pemecahan ynag ekonomis, karena dalam hal ini

dibutuhkan 3 reaktor yang tidak akan jenuh dan induktansinya harus konstan.

Bila reactor itu dihubungkan ke titik netral system, umumnya dipilih netral

sekunder transformator, maka dalam hal ini dibutuhkan hanya satu reactor,

Gambar 4.3 .

Gambar 4.3. System diketanahkan melalui reaktor dalam keadaan gangguan.

a). Diagram fasa-tiga.

b) Diagram ekivalen

Gambar 4.3. (b) diatas menggambarkan sirkuit ekivalen system itu dalam

keadaan gangguan kawat tanah. Bila reaktor itu mempunyai kesanggupan untuk

dapat mengatur impedansinya di samping adanya sadapan , alat ini dinamakan

kumparan Petersen. Untuk sementara marilah kita sebut alat itu reaktor saja yang

impedansinya dapat diatur.

Sebutlah ipedansi reaktor itu Zp, maka arus melalui reaktor IL, dimana,

IL = = ( L = induktansi reaktor ) (4.1)

Dan arus kapasitif ,

IFG = Eph w Ce (Ce = kapasitansi system ke tanah, dan

Ce = Co)

= Eph w Co (4.2)

Bila dipenuhi kondisi,

w L = (4.3)

Maka arus yang mengalir dari system melalui kapasitansi pada satu pihak

dan melalui reaktor netral pada pihak lain akan saling menetralisir. Jadi dalam hal

ini tidak ada arus yang mengalir melalui titik gangguan kecuali komponen arus

rugi-rugi (lihat pasal 3) dan arus-arus harmonis.

Persamaan 4.3 adalah ekspresi matematis dari hukum Petrsen, bahwa reaktor

pengetanahan harus didimensionir sedemikian rupa agar dapat ditala dengan

kapasitansi system itu.

4.3 KOMPONEN RUGI DAYA DARI ARUS GANGGUAN RESIDU.

Telah dikatakan di muka bahwa didalam system dengan kumparan Petersen,

bila terjadi gangguan tanah akan ada arus kapasitif dan arus induktif.

Komponen rugi-rugi didalam rangkaian pengganti urutan nol dapat

dinyatakan dengan tahanan yang memberikan efek yng sama. Untuk itu rugi-rugi

tersebut perlu dibahas satu per satu, lihat gambar 4.4.

Gambar 4.4 komponen-komponen-komponen rugi daya pada system dengan kumparan Petersen yang disebabkan oleh arus gangguan.

a. arus bocor yang mengalir melaui permukaan isolator penggantug pada

tiang transmisi. Besar arus ini tidak akan melampaui 5% dari arus

kapasitif dari system. Pengukuran sesungguhnya tehadap arus bocor

pada isolator penggantung tidak memberikan nilai yang tetap, tetapi

tergantung pada keadaan permukaan isolator, cuaca dan

perencanaannya.

b. Rug-rugi I2R yang disebabkan oleh arus gangguan kapasitif dan arus

kumparan didalam jala-jala transmisi, transformator daya, dan jalan

balik lewat tanah, dinyatakan dengan tahanan pengganti R3.

c. Rugi-rugi yang disebabkan adanya efek korona atau rugi-rugi

dialektrik, dinyatakan dengan tahanan pengganti R4.

d. Rugi-rugi yang dihasilkan di dalam kumparan Petersen sendiri, yang

terdiri dari rugi-rugi besi didalam inti, dan rugi-rugi tembaga pada

belitannya, kedua macam rugi-rugi ini dinyatakan masing-masing

dengan tahanan shunt R2 dan R3.

e. Rugi-rugi yang disebabkan oleh tahanan hubungan tanah dapat

dinyatakan oleh tahanan pengganti R6.

Rangkaian pengganti secara lengkapnya untuk menunjukkan komponen

komponen rug- rugi ini diperlihat dalam Gambar 4.4.

Di dalam system tanpa efek korona , harga dalam persen masing-masing

komponen rugi-rugi dinyatakan dalam table 4.1

Table 4.1 komponen-komponen rugi daya oleh arus gangguan pada system dengan kumparan Petersen.

Konduktansi bocor 1,5 - 5%

Kumparan Petersen :

Rugi rugi besi

Rugi rugi tembaga

0,5 – 1%

1,5 %

Rugi rugi I2R dalam transmisi dan jalan balik lewat tanah . Sampai 0,5%

Rugi rugi tambahan pada trafo daya yang diketanahkan. Sampai 5%

Rugi rugi pada titik pengetanahan kumparan Petersen. Sampai 1%

Didalam system tegangan ekstra tinggi (EHV), persen rugi daya total selama

terjadi gangguan tanah ini biasanya besarnya tak melampaui 4%, dan rugi daya

pada kumparan Petersen sendiri sanagat kecil sehingga dapat diabaikan. Bila

dipakai isolasi dengan tingkat yang normal, persen rugi daya total dapat berkisar

6–15 %. Hal ini dapat dilihat dalam table 4.2 yang didapat dalam praktek untuk

berbagai tegangan system, dan juga tergantung dari keadaan system,.

Untuk mencari rugi daya total ini tidak dibutuhkan perhitungan yang teliti,

tetapi sudah cukup teliti bila dipakai cara pendekatan dengan berpedoman pada

table tadi.

Table 4.2 persen rugi total pada tegangan system yang berbeda-beda

Tegangan system

(KV)

Jenis hantaran Arus gangguan

(amper)

Persen rugi daya

total

6

30

30

10

25

25

25

50

110

110

Kabel

Kabel

Kabel

Kabel udara

Kabel udara

Kabel udara

Kabel udara

Kabel udara

Kabel udara

Kabel udara

20,5

450

2800

6,5

3

9

10 – 45

7

22 – 54

70

9,5

4,5

3,5

11

12

8

14 - 10

9,5 - 13

3,3 - 4,75

4,3

Sebagai pegangan dalam perhitungan perhitungan, jumlah rugi-rugi itu adalah kira-kira :

5% untuk tegangan tinggi 110 KV ke atas

15% untuk tegangan sedang

5% untuk kabel tanah

Jadi bila rugi-rugi itu tidak diabaikan, diagram ekivalen Gambar 3.3 (b)

berubah menjadi seperti Gambar 4.5.

Gambar 4.5. Diagram ekivalen system yang diketanahkan dengan kumparan Petersen dalam keadaan gangguan. R = rugi-rugi ekivalen.

Perlu ditekankan disini bahwa rugi-rugi ini sangat terpengaruh oleh keadaan

cuaca , karena rugi-rugi ini sebagian besar ditentukan korona dan kebocoran

isolator. Dalam musim hujan kemungkinan timbulnya korona lebih besar. Jadi

rugi-rugi dalam musim hujan jadi lebih besar dari pada rugi-rugi dalam musim

kering.

4.4 PEMADAMAN BUSUR LISTRIK DALAM KEADAAN GANGGUAN

TANAH.

Pada saat gangguan dihilangkan, maka paada saat pemutusan arus, busur

listrik timbul antara kontak-kontak, yaitu antara fasa yang teganggu dan tanah, atau

antara elektroda-elektroda a dan b, Gambar 4.5. bersamaan dengan pemutusan arus

itu tegangan kawat akan berusaha kembali ke tegangan normal melalui waktu

transisi. Pada waktu pengembalian tegangan inilah akan kita lihat kegunaan yang

sangat besar dari kumparan Petersen itu.

Sifat sesuatu gangguan menentukan pergeseran titik netral dari 0 sampai Eph.

Umumnya kumparan Petersen itu tidak ditala sempurna, jadi selalu ada arus

gangguan mengalir (termasuk arus rugi-rugi)

Arus itu dinamakan arus residu (residual current) dan diberi dengan notasi Ir.

komponen reaktif dari arus gangguan residu ini,

Ir,x = Eph (w Co - ) (4.4)

Arus gangguan bila tidak ada kumparan Petersen ,

IFG = Eph w Co = (4.5)

Bila ada penyimpangan dari penalaan yang sempurna dinayatakan dengan δ ,

maka :

δ = =

δ = 1 -

atau

δ = 1 - (4.6)

bila persamaan (4.3) dipenuhi maka δ = 0.

Sebenarnya bagaimanapun sempurnanya penalaan selalu ada arus rugi-rugi

Iw.

Dalam gambar 4.5 , L dan Co membentuk sirkuit isolasi. Frekuensi sudut

(angular frequency) dari isolasi bebas (free isolation) adalah :

(4.7)

Bila w = frequency daya maka pada penalaan yang sempurna wf = w.

Sekarang akan kita lihat bagaimana pemadaman bunga api itu terjadi setelah

gangguan itu hilang. Untuk ini kita akan meninjau dua macam keadaan, yaitu pada

penalaan yang sempurna dan penalaan yang tidak sempurna.

4.4.1 Pemadaman Bunga Api pada Penalaan yang Sempurna

Terjadinya busur listrik atau loncatan api sebenarnya disebabkan karena

udara terionisasi pada waktu adanaya gangguan, sehingga yang tadinya bersifat

sebagai isolator, sekarang bersifat sebagai konduktor. Setelah gangguan itu hilang

pada waktu arus melewati titik nolnya, udara ingin kembali lagi sebagai isolator.

Peristiwa kembalinya udara sebagai isolator lagi disebut tegangan pulih dielektrik

atau “dielektrik recovery voltage” (DRV) atau “build-up of dielectric strength of

gap”. Pada saat arus nol tegangan system ingin kembali keharga normalnya

melalui gejala peralihan mengikuti lengkung tegangan pulih system atau “system

recovery voltage” (SRV).

Penyalaan kembali dari busur listrik dapat terjadi apabila pada timbulnya

tegangan pulih system terjadi pukul ulang (restrike), dimana terjadi perpotongan

antara kedua lengkung tersebut yaitu tegangan pulih dielektrik dan tegangan pulih

system dan kejadian ini bisa menyebabkan timbulnya busur tanah, walaupun

penyebab dari gangguan itu sendiri sudah hilang. Jadi harus diingat bahwa pada

saaat arus sama denagn nol, belum tentu system lebih rendah dari tegangan pulih

dielektik, atau dengan perkataan lain diinginkan agar kenaikan tegangan system

lambat dan kenaikan dari tegangan dielektrik lebih cepat.

Perlu dicatat bahwa bila tegangan system makin tinggi berarti kemungkinan

terionisasinya udara akan besar, maka bila terjadi gangguan tanah yang

menimbulkan busur listrik, arus daya yang mengalir dalam busur listrik itu besar

sehingga menyebabkan naiknya tegangan pulih dielektrik menjadi lambat. Tetapi

pada pemutus daya udara, busur listrik itu cepat hilang karena itu tegangan pulih

dielektrik dipercepat.

Begitu juga yang terjadi pada kumparan Petrsen, dimana tegangan pulih

dielektrik dapat dibuat cepat sekali dan tegangan pulih system dibuat cukup

lambat. Inilah jasa kumparan Petersen yang terpenting, sebab gangguan tanah

dapat diselamatkan pada pemutusan saluran yang terganggu. Kumparan Petersen

memperlambat naiknya tegangan pulih system, setelah gangguan itu hilang, seperti

terlihat pada keterangan- keteranagn dibawah ini.

Pada penalaan yang sempurna wf = w , jadi bila system dibiarkan bebas

akan terus menerus berisolasi. Tetapi karna adanya rugi-rugi amplitudenya makin

lama makin kecil.

Konstanta waktu dari isolasi yang teredam itu adalah.

T = = 2 L/Rse

Dimana : Rse = tahanan ekivalen seri.

Bila konstanta waktu dihitung dari sirkuit ekivalen paralel maka :

T = = 2 R C.

Dimana : R = tahanan ekivalen paralel.

Superposisisi dari tegangan pulih transient yang berisolasi dari tegengan

normal menghasilkan tegangan yang secara perlahan-lahan kembali dari keadaan

gangguan ke keadaan normal. Jadi seperti terlihat pada gambar 4,6 arti yang

terpenting dari kumparan Petersen ialah memperlambat dari kembalinya tergangan

antara pasa yang terganggu dan tanah. Bila tegangan fasa Eph sin wt dan tegangan

transien Eph e - t sin wt maka tegangan pulih pada fasa yang terganggu ke tanah

menjadi,

Eph (1- e - t sin) (4.10)

Gambar 4.7 Menggambarkan hasil superposisi Persamaan (4.10) di atas.

Gambar 4.6. Pemulihan tegangan pada fasa yang terganggu pada system yang diketanahkan dengan kumparan Petersen.

O : titik netral

A : fasa yang terganggu

B,C : fasa-fasa yang tidak terganggu

Dari gambar 4.7 jelas kelihatan bagaimana tegangan dari fasa yang

terganggu itu kembali setelah gangguan dihilangkan.

Jadi dengan adanya kumparan Petersen itu diperoleh beberapa keuntungan.

i. arus gangguan kecil, jadi pada pemutusan arus, busur listrik dapat

diabaikan.

ii. Tegangan pulih system diperlambat sedemikian rupa sehingga

memberikan waktu yang cukup kepada pemulihan dielektrik dari jalan

busur listrik (arc path) yang terjadi karena ionisasi selama gangguan.

iii. Pemutusan arus tidak menimbulkan busur listrik,

iv. Kemungkinan timbulnya busur tanah dihindarkan.

Pemadaman sendiri (self-extinguishing) itu bukanlah oleh karena arus

kecil, tetapi karena tegangan antara elektroda a dan b (gambar 4.4) lambat

kembalinya. Walupun gangguan itu besar, misalnya 50 amper pada system yang

diketanahkan dengan kumparan Petersen, adalah jauh lebih baik dari arus 5

amper pada system yeng tidak diketanahkan. Pada keadaan yang pertama

pemadaman sendiri itu dapat terjadi, sebaliknya pada keadaan terakhir belum

tentu terjadi.

4.4.2. PEMADAMAN BUNGA API PADA PENALAAN TIDAK SEMPURNA

Telah diterangkan di muka bahwa kumparan petersen itu pada umumnya tidak

ditala sempurna. Derajat simpangan talaitu diberikan oleh persamaan (4.6), yaitu:

δ =1-

dan persamaan (4.7)

wf =

bila persamaan (4.7) diisikan dalam persamaan (4.6), diperoleh :

δ = 1-

jadi frekuensi dari teganagan transien menjadi :

wf = w

tegangan pulih sitem antara fasa yang terganggu dan telah diberikan oleh

persamaan di bawah ini :

Eph sin wt - Eph e-αt sin wf t

Dengan

α =

Gambar 4.8 tegangan fasa yang terganggu bila kumparan petersen ditala tidak

sempurna.

δ = -25%, dan redaman diabaikan.

Bila redaman diabaikan (diperoleh hasil yang konservatif), persamaan (4.13)

menjadi:

Eph (sin wt- sin wf t)

Atau

2 Eph sin

Gambar 4.8 menggambarkan keadaan yang diberikan oleh persamaan (4.14).

dari gambar 4.8 kelihatan bahwa tegangan pulih dari fasa yang terganggu itu masih

tetap diperlambat walaupun pada keadaan penalaan yang tidak sempurna, dan

redaman diabaikan.

Perlu dicatat disini bahwa simpangan yang besar (arus residu makin besar)

akan mempercepat naiknya tegangan pulih system. Begitu pula halnya bila makin

besar arus rugi-rugi Iw. Dan bila simpangan tala terlalu besar, maka tegangan pulih

system menjadi terlalu cepat naiknya sehingga pemadaman sendiri mungkin akan

gagal, karena selain mempercepatkenaikan tegangan pulih juga arus busur lstrik

bertambah besar, deionisasi bertambah lambat jadi tegangan pulih dielektrik juga

lambat.

Oleh karena itu beberapa alasan, penalaan yang sempurna itu tidak

diinginkan”Never tone to resonance”, demikian kata jonas.

Alasan-alasan tersebut disebabkan antara lain oleh:;

1. sukar mengatur sehingga diperoleh penalaan sempuna,

2. bila ada pergeseran netral yang ditimbulkan oleh ketidakseimbangan

kapasitif, tegangan pada kumparan Petersen itu pada kerja normal akan

sangat besar (mungkian sekitar 10 sampai 15 kali sebesar pergeseran

netral) bila ditala sempuna.

3. dalam keadaan gangguan pergeseran akan maksimum bila ditala

sempurna.

Kedua alas an trakhir ini akan diterangkan lebih lanjut dalam pasal 7 bab ini. Dari

pengalaman-pengalaman, derajat simpangan tala jangan lebih besar dari harga-

harga yang diberikan pada table 4.3

Tabel 4.3 simpangan dari penalaan sempurna

Simpangan Tegangan Kerja

(KV)

± 25 25

± 15

± 10

69

115 dan lebih

Bila δ positif dinamakan kompensasi kurang, dalam hal ini wf < w, dan bila

δ negatif dinamakan kompensasi lebih, dalam hal ini wf >w.

Besar arus residu Ir (sebagai pecahan dari arus gangguan kapasitif IFG)

tergantung dari derajat simpangan δ, gambar 4.9.

Gambar 4.9 arus residu Ir , sebagai fungsi dari derajat simpanan δ. Iw =arus komponen rugi-rugi dari arus residu.

Dari gambar 4.5

Iw =

Ir =

Ir,x =IFG - IL

=

Jadi,

Dari relasi terakhir ini dapat dilukiskan gambar 4.9.

Kembali pada persamaan (4.10) di atas, yaitu untuk penalaan sempurna, laju

kenaikan tegangan adalah:

Dan pada t=0,

α Eph =

Laju kenaikan tegangan inilah sebagian besar yang menentukan apakah akan

terjadi pukul ulang (restrike) atau tidak. Pada umumnya harga 2 RC bekisar antara

0,02 detik untuk tegangan tinggi sampai 0,1 detik untuk tegangan menengah.

4.5. PENGARUH TAHANAN KONTAK

Pengaruh dari tahanan kontak ini paling terasa pada saluran transmisi yang

menggunakan tiang-tiang kayu.

Kita menginginkan supaya sebagian besar tegangan berada pada R, gambar

4.10, untuk menghindar kan loncatan api samping (side flash over).

Tegangan pada kumparan petersen adalah:

EN =

=

Jadi supaya tegangan EN besar, r/R harus diusahakan kecil.

Contoh:

Misalkan suatu sistem besar 69 KV, dengan tiang kayu, dan diketanahkan dengan

kumparan petersen.

R = 10%, r = 250 Ohm. Panjang seluruhnya 1.030 kms.

Maka,

IFG = Amp.

Iw =10% =27,3 Amp.

Jadi,

R = Ohm.

Maka,

EN = KV (=85%)

Dan

Er = KV (=15%)

Bila sistem tersebut tidak di ketanahkan maka diagram ekivalennya

diberikan dalam gambar 4.11. (Rugi-rugi sistem R kecil terhadap I/wC, karena itu

diabaikan).

Arus kapsitif IFG = 273., jadi Ohm.

Jadi,

I = KV (=86,3%)

4.6 KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN KUMPARAN PETERSEN

Jadi jelas kelihatan sekarang keuntungan-keuntungan dari kumparan

petersen.

Untuk menggerakan alarm dipergunakan tegangan dari kumparan petrsen,

EN. Besar tegangan yang dibutuhkan untuk menggerakan alarmtersebut kira-kira

80% dari Eph. Di atas telah dihitung bahwa FN = 85% dari Eph , jadi tegangan ini

sudah cukup menggerakan alarm.

Jadi bila r terlalu besar, maka disamping Er yang besar ( dan ini tidak baik)

juga akan kemungkinan EN terlalu kecil sehingga tidak dapat menggerakan alarm.

Dari uraian-uraian diatas dapat disimpulkan bahwa keuntungan yang paling utama

dari metoda pengetanahan sistem dengan kumparan petersen antara lain:

1. arus gangguan satu fasa ke tanah dapat dibuat kecil sekali, dengan semikian

gangguan ke tanah itu menjadi tidak berbahaya lagi terhadap sistem dan

gangguan dapat hilang sendiri (self-clearing), tanpa operasi pemutus ayanya.

2. hilangnya gejala busur tanah yang sangat berbahaya terhadap sistem (karena

tegangan lebih dihasilkannya), sehingga dengan demikian terhindar

kerusakan pada peralatan sistem, terutama pada titik gangguan.

3. suplay daya menjadi tak terganggu dan dapat berlangsung terus walaupun

gangguan belum dihilangkan sama sekali, artinya sistem dapat beroprasi

terus dalam keadaan gangguan tanah.

4. tegangan lebih transien yang terlampau besar dapat dikurangi dibandingkan

pada sistem yang terisolir.

5. efek-efek terhadap sitem komunikasi dapat diperkecil.

6. mengurangi kejutan pada sistem yang disebabkan gangguan tanah itu.

Kerugian dan kelemahan-kelemahan dari metode pengetanahan dengan kumparan

petersen ini antara lain ialah:

1. kumparan petersen tidak dapat mengkompensir terhadap gangguan dua fasa

ke tanah.

2. kumparan petersen tidak dapat menghilangkan gangguan satu fasa yang

menetap 9substained ground fault) pada sistem.

3. kumparan petersen tidak mengkompensir rugi-rugi daya dari sistem (watt

component) dan harmonisa-harmonisa, sehingga pemekaiannya terbatas pada

sistem dengan tegangan sampai 110 KV. Pada sistem-sistem yang

mempunyai tegangan sangat tinggi rugi-rugi daya (termasuk kerugian korona)

besar sekali.

4. kumparan petersen tidak mencegah tegangan lebih secara keseluruhan, hanya

membatasi sampai pada keadaan tertentu sehangga memerlukan peralatan

yang mampu menanggulangi tegangan lebih tersebut.

4.7 PERSAMAAN DAN DIAGRAM LINGKARAN JONAS

Dalam pasal 4 telah diterangkan bahwa pada hakikatnya penalaan sempurna

itu tidak perlu, malahan selalu dinasehatkan supaya jangan dilakukan penalaan

sempurna untuk menerangkan hal ini marilah kita tinjau dua macam keadaan, yaitu

sistem dalam keadaan tidak ada gangguan, dan sistem dalam keadaan gangguan

kawat tanah.

4.7.1. SISTEM PADA KEADAAN TIDAK ADA GANGGUAN

Gambar 4.12 menggambarkan suatu sistem yang diketanahkan dengan

kumparan petersen dalam keadaan tidak ada gangguan.

Persamaan arus:

IP + IA + IB + IC = 0

atau

Persamaan (4.19) dapat ditulis sebagai :

Atau

Tetapi dari persamaan (2.8) IU =

Jadi persamaan (4.21) dapat ditulis:

Atau

EN =

Pada persamaan diatas:

EN = tegangan kumparan petersen, yaitu tegangan pada titik netral dan

tanah pada sistem yang diketanahkan dengan kumparan petrsen.

ENG = tegangan netral ke tanah pada sistem delta.

Mulai sekarang tegangan ketidakseimbangan ENG kita sebut tegangan urutan

nol, E0, jadi persamaan (4.23) menjadi :

EN =

Gambar 4.13. gambar ekivalen dari sistem yang diketanahkan dengan kumparan petersen dan tidak ada gangguan

ZP = rp + jXP

ZG = r – jX’G

Rse = r + rp

Gambar ekivalen dari persamaan (4.24) diberikan oleh gambar 4.13 yaitu suatu

rangkaian tertutup yang diberikan oleh impedansi kumparan petersen Zp, dan

impedansi ekivalen kapasitif sitem terhadap tanah, ZG terhubung seri, dan

tegangan ketidakseimbangan atau tegangan urutan nol, E0.

Jadi dari persamaan (4.24) dan gambar 4.13 jelas kelihatan bila kumparan

petersen itu ditala sempurna (resonansi seri) harga Zp + ZG akan sangat kecil

(hanya tahanan rugi-rugi Rse), jadi persamaan (4.24) menjadi:

EN aks =

Dan tegangan kumparan petersen akan maksimum, EN , maks dan ini relatif sangat

besar, yaitu 10-15 kali sebesar tegangan ketidakseimbangan E0. ini berarti kalau

ada tegangan ketidakseimbangan E0, maka dalam keadaan kerja normal

pergeseran titik netral sistem (neutral displacement) menjadi sangat besar. Jadi

jelaskan sekarang bahwa penalaan tidak sempurna itu sangat efaktif bila ada

ketidakseimbangan kapasitif pada sistem itu. Tapi jagalah simpangan tala ini

ditunjukan untuk membatsi pergeseran netral yang besar, tetapi lakukanlah

dengan transposisi.

Untuk menjaga supaya tegangan kumparan Petersen (tegangan netral)

jangan terlalu besar, impedansi kumparan Petersen itu dibuat untuk konstan, yaitu

pada arus yang lebih besar impedensasinya berkurang, gambar 4.14 (lihat juga

Gambar 4.16).

4.7.2 Sistem dalam Keadaan Gangguan Tanah

Pada keadaan gangguan tanah Zp dan ZG terhubung parallel, gambar 4.15

Telah diterangkan di atas bahwa kumparan Petersen itu tidak ditala sempurna, jadi

arus kumparan Petersen tidak menetralisir seluruh arus kapasitif. Selisih arus ini

dsebut arus residu, Ip .

Besar arus residu,

Ir = (4.25)

Substitusi persamaan-persamaan (2.10) dan (2.24) dalam persamaan (4.25)

diperoleh

Ir = IFG

Atau

= (4.26)

Persamaan (4.26) ini mula-mula diberi oleh jonas, dan persamaan tersebut

dinamakan persamaan jonas.

Dalam keadaan resonansi (resonansi pararlel) tegangan kuparan, Petersen,

EN, akan maksimum dan

Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen

IR = IW

Yaitu komponen watt dari arus residu.

Jadi tegangan maksimum kumparan Petersen itu menjadi :

EN, maks = Eo

Dari contoh di Bawah ini dapat kita lihat berapa besarnya pergeseran netral

(tegangan kumparan Petersen) bila ditala sempurna.

Contoh :

Suatu system besar 23 KV. Tegangan ketidakseimbangan ENG = Eo

dimisalkan 3 % dari tegangan fasa , dan rugi-rugi system 10% (IW = 10% dari IFG),

maka :

EN, maks = x 3% = 30%

Jadi di sini kita lihat bila Eo = 3% maka EN, maks = 30% dan terakhir ini sudah “

sangat besar”.

4.7.3 Diagram Lingkaran Jonas

Dari gambar 4.14 dapat dilihat bahwa impedansi kumparan Petersen itu

konstan sampai EN = Eph , dan di atas titik Eph impedansi itu makin berkurang

sehngga tegangan kumparan Petersen itu agak konstan.

Karena pada umumnya tegangan yang mungkin timbul pada kumparan

Petersen itu jarang di atas Eph maka kita cukup meninjau daerah sampai Eph

saja.kumparan Petersen itu mempunyai sadapan-sadapan. Gambar 4.16, dan

impedansi itu berubah secara linear dengan perubahan sadapan.

Misalkan impedansi kumparan Petersen itu,

Zp = k(rp + j xp)

Dimana k konstan tergantung dari kedudukan sadapan.

Impedansi ekivalen kapasitif , ZG, dari system itu adalah konstan. Sekarang

akan kita lihat bagaimana kedudukan EN yaitu tegangan pada kumparan Petersen.

Rangkaian ekivalen dalam keadaan tidak ada gangguan diberikan oleh Gambar

4.13 . dalam gambar 4.13, Eo dan ZG tetap besarnya , sedang Z p dapat diatur, yaitu

dengan merubah sadapannya.

Karena E o merupakan tegangan yang tetap yang dimasukkan pada dua

impedansi dalam seri, satu diantaranya ZG yang tetap, sedang yang lain ZP berubah

secara linear , maka tempat kedudukan EN untuk berbagai-bagai kedudukan

sadapan merupakan sebuah lingkaran, Gambar 4.17.

Lingkaran Gambar 4.17, merupakan tempat kedudukan (tegangan) tanah.

Harga maksimum dari E N yaitu EN, maks ialah diameter dari lingkaran itu (GMN), hal

mana terjadi pada keadaan resonansi.

Jadi jelas kelihatan dari gambar 4.13, bahwa pada penalaan sempurna

pergeseran netral sangat besar pada kerja normal bila ada ketidakseimbangan

kapasitif (Eo). sebab, itulah jonas mengatakan, bila ada ketidakseimbangan

kapasitif system janganlah ditala sempurna.

Pengetanahan Dengan Kumparan Petersen

Dalam Gambar 4.17 :

N = titik netral

GO = sistem delta (ENG = E0)

G1 = kompensasi kurang (EN1)

GM = ditala sempurna (EN,mkas)

G2 = kompensasi lebih (EN2)

EN = tegangan kumparan Petersen atau tegangan netral ke tanah

Cara yang paling mudah untuk memeroleh data untuk melukiskan diagram

lingkaran itu ialah dengan cara pengukuran. Untuk tiap kedudukan sadapan dari

kumparan Petersen itu diukur tegangan-tegangan fasa ke tanah EA, EB, EC, tegangan-

tegangan jala-jala EAB, EBC, ECA,. pengukuran itu dilakukan dengan bantuan

transformator tegangan tiga-fasa dengan netralnya diketanahkan, Gambar 4.18.

Supaya lebih jelas, di bawah ini diberikan contoh suatu sistem 115 KV.

Hasil-hasil pengukuran tegangan dikumpulkan dalam table 4.4.

Prosedur untuk melukiskan diagram lingkaran jonas adalah sebagai berikut ;

1. dari hasil-hasil pengukuran tegangan-tegangan fasa ke tanah (kolom 3,4 dan

5) dan tegangan jala-jala (kolom 6,7 dan 8), diambil harga rata-rata tegangan

jala-jala (kolom 10), dan tegangan-tegangan fasa-tanah dikoreksi ke

tegangan jala-jala ini. Misalnya untuk baris pertama table 4.4, EA dalam

kolom 11 diperoleh sebagai berikut :

EA = x 67,0 (hasil pengukuran)

= 67,0 KV.

Table 4.4 hasil-hasil pengukuran tegangan dari suatu system 115 KV yang dilengkapi dengan kumparan Petersen.

Kumparan

petersen

Tegangan ketanah

(KV)

Tegangan jala-jala

(KV)R Tegangan di ats ke

Posisi

Amp

(arus

Sek)

EA EB EC EAB EBC ECA c/s ELL EA EB EC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Off 0 67,0 64,3 67,0 115.2 115.2 115.0 50 115,1 67,0 64,2 66,9

1 0,5 67,8 63,0 68,0 115,1 115.1 114,9 50 115,0 67,8 63,0 68,0

2 1,5 70,0 55,1 75,2 115,0 115,0 114,9 50 115,0 70,0 55,1 75,2

3 3,8 48,0 81,2 73,5 115,5 115,1 115,1 50 115,2 47,8 81,0 73,0

4 1,3 62,4 71,5 64,8 115,2 115,0 115,0 50 115,1 62,3 71,3 64,7

* tegangan jala-jala diambil rata-rata 115 KV tegangan ini diambil sebagai referensi , dan semua tegangan fasa dirubah terhadap tegangan referensi itu.

Dengan jalan ini diperoleh harga-harga dari tegangan fasa-tanah yang telah

diatur (kolom 11,12 dan 13).

2. untuk tiap kedudukan sadapan dari kumparan Petersen, dengan ketiga

tegangan fasa-tanah yang telah diatur sebagai radius dilukiskan lingkaran.

Melalui ketiga titik perpotongan dari ketiga lingkaran itu dilukiskan segitiga.

3. dengan jalan yang sama seperti langkah 2 di atas dilakukan untuk semua

sadapan dari kumparan Petersen, termasuk kedudukan “off”

4. melalui titik-titik yang diperoleh pada langkah 2 dan 3 dilukiskan lingkaran,

yaitu lingkaran jonas, gambar 4.19.

Lingkaran itu mempunyai radius sebesar 15 KV, atau diameter lingkaran 30 KV.

Jadi pada keadaan resonansi, dalam keadaan kerja normal (tidak ada gangguan),

pergeseran titik netral ialah 30 KV atau kira-kira 43,5 % dari tegangan fasa.

Hasil dari pengukuran untuk sistem lain diberikan dalam Gambar 4.20. Dalam

segitiga tegangan ada dua lingkaran, yang pertama kecil dan yang kedua besar.

Lingkaran kecil ialah lingkaran yang sebenarnya, sedang yang besar diperoleh

dengan melepaskan dua fasa. Hal itu dilakukan karena sistem agak seimbang

(fairly balanced), jadi lingkaran itu terlalu kecil untuk dipelajari. Dengan

melepaskan dua fasa diperoleh ketidakseimbangan yang besar dan lingkaran Jonas

yang besar pula.

4.8. KESIMPULAN – KESIMPULAN PENGETANAHAN DENGAN

KUMPARAN PETERSEN.

1) Pengetanahan dengan kumparan Petersen sangat efektif untuk

memadamkan gangguan hubung tanah (ground fault) yang berupa transien

maupun gangguan yang berlangsung terus.

2) Kumparan Petersen mencegah timbulnya arus gangguan yang besar.

3) Kompensasi yang tepat terhadap arus kapasitif pada waktu gangguan satu

fasa ketanah menyebabkan arus gangguan itu kecil sekali, sehingga

memungkinkan sistem itu dapat bekerja terus dengan satu fasa terhubung

ketanah sampai ada saat yang baik untuk melakukan lokalisasi gangguan.

Sementara itu baik di sisi generator disentral maupun di sisi pihak

konsumen tak merasai gangguan tersebut.

4) Pengurangan arus gangguan sampai harga minimumnya yang tidak lagi

membahayakan konduktor maupun isolator-isolator akan mengurangi

pemeliharaan terhadap saluran transmisi-transmisi, isolator-isolator, dan

sekaligus mengurangi operasi daripada pemutus daya.

5) Busur tanah dapat dihindarkan.

6) Kerusakan-kerusakan yang diakibatkan oleh gangguan tanah diperkecil.

7) Terhadap gangguan satu fasa ke tanah yang temporer, kumparan Petersen

tidak hanya menyebabkan arus gangguan itu kecil tetapi juga

memperlambat kenaikan tegangan pulih sistem dan karena itu busur listrik

mudah hilang sendiri, jadi sistem kembali normal tanpa bekerjanya pemutus

daya.

8) Kumparan Petersen sangat sensitif terhadap ketidakseimbangan di dalam

sistemnya.

9) Kumparan Petersen selalu siap setiap saat untuk menetralisir arus gangguan

hubung tanah maupun gangguan hubung tanah yang berturutan.

10) Kumparan Petersen paling baik digunakan pada sistem radial baik yang

melulu terdiri dari penghantar kawat udara atau campuran hantaran udara

dan kabel tanah dengan tegangan kerja dari 2,4 KV sampai dengan 110 KV.

11) Kumparan Petersen praktis tidak membutuhkan pemeliharaan yang berarti.

12) Karena arus gangguan tanah yang timbul selain kecil juga distribusinya

tidak tergantungkepada letak gangguan, maka arus itu tidak bisa dipakai

sebagai dasar untuk rele gangguan tanah yang efektif. Rele gangguan tanah

yang selektif harus dengan cara-cara yang istimewa atau khusus.

13) Mengingat bahwa terhadap gangguan satu fasa ke tanah yang permanen

pemutusan pemutus daya dapat di tangguhkan, dan pemutusan terhadap

suatu gangguan satu fasa yang temporer tidak perlu, maka rele gangguan

tanah yang selektif bukan suatu keharusan.

14) Pemasangan “wattmeter type earth leakage relay” dapat menunjukkan

dengan tepat letak gangguan, sehingga dapat diadakan tindakan

pengisolasian bagian sistem yang mengalami gangguan itu.

15) Mengigngat bahwa kumparan Petersen itu hanya berjasa terhadap gangguan

satu fasa ke tanah, maka system itu haruslah diusahakan sedemikian rupa

sehingga gangguan-gangguan yang disebabkan sebagian besar oleh petir itu

menyebabkan hanya gangguan satu fasa ke tanah saja. Untuk ini tahanan-

tahanan kaki tiang harus diusahakan serendah mungkin.

16) Karena pada waktu gangguan satu fasa ke tanah menyebabkan tegangan

fasa lainnya naik menjadi . Eph atau tegangan jala-jala, maka pengenal

tegangan arrester haruslah berdasarkan tegangan jala-jala.

17) Sistem dapat bekerja pada simpangan tala tertentu tanpa mempengaruhi

karakteristik proteksinya terhadap sistem, sehingga pada perluasan sistem

tidak menunjukkan adanya pembatasan pemakaian kumparan Petersen ini.

18) Untuk membatasi pergeseran netral akibat resonansi maka salah satu atau

beberapa kumparan Petersen dipasang pada sadapan maksimum.