ANALISIS METODE PENGUJIAN ARESTER TEGANGAN RENDAH BUTTON TYPED SURGE PROTECTION DEVICE TERHADAP KOMPONEN ELEKTRONIKA

NAMA : ELISABETH SASTRA ARIYANTI SIAHAAN

NIM : 5112131004

MATA KULIAH : PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK

JURUSAN : PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS NEGERI MEDAN

Abstrak 

Gangguan akibat surja petir dapat masuk pada peralatan-peralatan elektronik. Komponen-komponen semikonduktor yang berada di dalamnya sangat rentan terhadap tegangan lebih. Peralatan elektronik banyak memakai arester jenis kancing (Button Typed Surge Protection Device) sebagai pelindung tegangan lebih akibat surja petir. Pada artikel ini dibahas efektifitas metode pengujian arester tegangan rendah terhadap komponen elektronika. Berdasar pengujian dan analisis diketahui bahwa metode pengujian arester yang telah dilakukan efektif untuk mengetahui tingkat proteksi arester tegangan rendah. Hasil pengujian menunjukkan bahwa arester mempunyai tegangan pemotongan 259,916 V jika dikenai tegangan impuls petir 3,7 kV. Kata-kata kunci: surja petir, arester, komponen elektronika

1. PENDAHULUAN

Pemakaian peralatan elektronik dan sistem teknologi informasi di bidang perdagangan, industri bahkan rumah tangga terus meningkat. Peralatan ini mempunyai sesnsitivitas yang tinggi terhadap tegangan lebih karena komponen-komponen semikonduktor di dalam peralatan ini sangat rentan terhadap tegangan lebih.

Tegangan lebih pada instalasi dapat timbul sebagai muatan statis awan bermuatan listrik maupun induksi elektromagnetis akibat sambaran petir. Sambaran langsung petir dapat terjadi di mana saja terutama pada daerah dengan kerapatan sambaran petir yang tinggi. Oleh karena itu tindakan pengamanan untuk mencegah terjadinya kerusakan perlu dilakukan. Alat pelindung terhadap tegangan lebih merupakan alat yang melindungi peralatan tertentu dengan cara membatasi tegangan yang datang dan dapat menyalurkan energinya ke tanah. Sesuai dengan fungsinya maka alat ini harus dapat menahan tegangan sistem untuk waktu yang tak terbatas dan dapat melalukan surja arus ke tanah tanpa mengalami kerusakan. Pada umumnya pelindung terhadap surja arus tersebut adalah arester yang mempunyai karakteristik pemotongan yang berbeda-beda sesuai dengan jenis peralatan yang diamankan. Untuk proteksi terhadap tegangan lebih surja dengan pemotongan sampai level tegangan yang cukup rendah harus dipilih suatu arester dengan pemotongan yang rendah pula.

Peralatan elektronik banyak memakai arester jenis kancing (button typed surge protection device) sebagai alat pelindung terhadap tegangan lebih akibat surja petir. Arester ini banyak dipakai di sentral telepon pusat, sentral-sentral telepon lokal dan peralatan-peralatan ukur listrik. Agar didapat keyakinan keamanan perlindungan bagi peralatan elektronika perlu diketahui tingkat proteksi arester, sedangkan komponen elektronika mempunyai tingkat ketahanan tertentu terhadap tegangan impuls terpotong arester. Hal yang perlu dikaji adalah sejauh mana tingkat proteksi arester tersebut dan tingkat ketahanan komponen elektronika terhadap tegangan impuls terpotong arester. Untuk mengetahui hal tersebut di atas perlu dilakukan penelitian berupa pengujian di laboratorium. Dari latar belakang ini maka dilakukan pengujian untuk mengetahui tingkat perlindungan arester dan tingkat ketahanan konponen elektronika terhadap tegangan impuls terpotong arester. Untuk meneliti tingkat proteksi arester dan tingkat ketahanan komponen elektronika terhadap tegangan impuls terpotong arester perlu disusun rumusan masalah yang sistematis, jelas dan terarah. Rumusan masalah tersebut adalah:

1) Bagaimana metode yang digunakan untuk meneliti tingkat proteksi arester terhadap komponen elektronika.
2) Bagaimana metode yang digunakan untuk meneliti tingkat ketahanan komponen elektronika terhadap tegangan surja terpotong arester.

Pengujian arester biasanya dilakukan dengan menggunakan dua macam surja, yaitu surja arus dan surja tegangan, sedangkan peralatan elektronika terdiri dari berbagai jenis komponen. Berdasarkan peralatan yang ada dan unutk mempermudah analisa maka batasan masalahnya adalah :

1) Generator surja yang digunakan adalah generator surja tegangan tipe 1,2/50 μs.
2) Surja yang dikenakan adalah surja tegangan.
3) Arester yang diuji adalah arester tegangan rendah tipe kancing (button typed surge protection device).
4) Komponen elektronika yang digunakan terdiri dari transistor jenis 2SC2236, TIP41C, dan IC 555.
Tujuan penyusunan artikel ini adalah mengemukakan efektifitas metode pengujian arester tegangan rendah tipe kancing (button typed surge protection device) terhadap komponen-komponen elektronika.

2. TINJAUAN PUSTAKA

Fenomena Tegangan Surja

Petir adalah fenomena alam yang merupakan hasil suatu proses elektrostatis yang terjadi di awan akibat adanya medan listrik yang sangat besar pada daerah pemisahan muatan positif dan muatan negatif. Biasanya terjadi pada saat akan turun hujan. Dalam keadaan normal udara mengandung ion positif dan negatif yang terdistribusi secara random. Ion-ion tersebut dapat terjadi karenatumbukan antar atom udara radiasi sinar kosmis dan energi termis. Pada permukaan bagian bawah dari butir-butir air timbul gaya tarik terhadap ion negatif yang mempunyai mobilitas rendah, sedangkan ion positif mengalami gaya tolak. Akibatnya pada butir air itu terkumpul muatan-muatan negatif di lapisan bawah dan permukaan bumi. Medan ini akan membantu proses terbentuknya lidah dan kanal muatan dari awan.Mekanisme sambaran petir terdiri dari tahapan-tahapan sebagai berikut (Saksomo. S, tanpa tahun:8)

1) Lidah mula
2) Sambaran kembali
3) Sambaran berulang

Lidah mula (initial leader)

Permulaan dari suatu kilat, didahului oleh aliran pegemudi (pilot streamer) yang menentukan arah perambatan muatan dari awan ke udara yang ionisasinya rendah. Sesudah pilot streamer terjadi, selanjutnya diikuti oleh titik cahaya yang bergerak secara melompat-lompat sehingga dinamakan stepped leader. Kecepatan stepped leader ini kurang lebih 100.000 m/detik. Arah tiap langkahnya berubah-ubah, sehingga jalannya tidak lurus dan terpatah-patah. Ketika lidah kilat menuju ke bumi, cabang-cabang dari lidah utma akan terbentuk. Bila stepped leader telah dekat dengan bumi, akan terjadi kanal muatan positif dari bumi ke awan, hal ini disebabkan karena adanya beda potensial yang cukup tinggi. Kanal muatan positif ini akan bertemu dengan ujung stepped leader, titik pertemuannya dinamakan point of strike, yang berada sekitar 20 – 70 m di atas permukaan bumi. Waktu yang dibutuhkan stepped leader agar dapat sampai ke bumi kira-kira 20 milidetik.

Sambaran kembali. Ketika lidah kilat mengenai bumi, suatu sambaran kembali yang cahanya sangat terang bergerak ke atas melalui jalan yang sama. Hal ini karena adanya aliran muatan positif dari bumi ke awan. Naiknya muatan positif akan menarik lagi muatan elektron yang ada di awan, sehingga dapat terjadi lidah kilatlagi yang menuju ke bumi. Peristiwa yang demikian ini dinamakan sambaran kembali (return stroke). Lidah kilat (arus) ini merupakan arus impuls dimana harga puncaknya hanya terjadi dalam beberapa mikrodetik saja dan setiap sambaran rata-rata besarnya 20 kA, dalam keadaan tertentu bahkan dapat mencapai 100 kA. Terkaman yang berulang-ulang (multiple stroke). Sesudah return stroke yang pertama, biasanya masih ada pusat muatan yang lain di awan unutk memulai sambaran petir berikutnya. Sambaran ini dimulai dengan leader yang mengikuti jalan yang dilalui oleh return stroke sebelumnya. Ciri-cirinya adalah tidak mempunyai percabangan dan mempunyai kecepatan yang sangat tinggi yakni kira-kira 3% kecepatan cahaya (0,13 sampai dengan 10%). Mengingat ciri-cirinya yang tidak mempunyai percabangan, maka ia disebut juga lidah panah (dart leader). Adapun waktu yang diperlukan untuk mencapai bumi sekitar 1 milidetik. Interval waktu antara return stroke sebelumnya dan dart leader sekitar 40 – 50 milidetik. 

Umumnya suatu sambaran petir terdiri dari 4 return stroke, dan kadang-kadang dapat mencapai 10 kali return stroke. Tahapan-tahapan sambaran petir dapat dilihat pada gambar 1, yaitu:

1) Pada salah pusat muatan, mulai terjadi lidah lompat yang bergerak menuju bumi.
2) Lidah lompat hampir mencapai bumi, sementara itu di bumi terjadi kanal muatan positif yang bergerak ke atas. Kanal ini akan bertemu dengan lidah lompat di titik pukulan.
3) Terjadi sambaran balik, muatan positif bergerak ke atas dengan cepat sekali.
4) Pusat muatan pertama telah terlepas dan kanal muatan positif berkembang menuju ke pusat muatan kedua. Pelepasan antara pusat muatan pertama dengan pusat muatan kedua, lidah panah bergerak menuju ke bumi melewati jalan yang telah dilalui oleh sambaran balik sebelumnya.

5) Terjadi sambaran balik kedua. Pelepasan terjadi antara bumi dengan muatan negatif di bagian bawah awan.

Cara Masuk Tegangan Surja (Petir) Pada Peralatan Petir dapat masuk ke peralatan listrik melalui dua cara, yaitu:

1) Secara langsung
2) Secara tidak langsung

Yang dimaksud sambaran langsung adalah sambaran petir yang langsung menerkam peralatan. Yang dimaksud sambaran tidak langsung adalah bila sambaran tersebut tidak langsung mengenai peralatan, tetapi mengenai peraltan lain/benda lain dan masuknya pada peralatan melalui induksi. Sambaran langsung dapat menyebabkan kerusakan fisik pada peralatan. Sambaran tidak langsung masuk ke peralatan melalui kabel (listrik/data) dengan cara:

1) Kopling resistif
2) Kopling kapasitif

Kopling Resistif
Ketika petir menyambar benda di sekitar gedung (mis: pohon dekat gedung), maka benda tersebut mengalirkan arus petir ke tanah sehingga menyebabkan adanya kenaikan tegangan pada tanah di sekitar benda tersebut. Kenaikan tegangan tanah ini mempengaruhi sistem pentanahan gedung tersebut. Arus mengalir dari tanah melewati konduktor pentanahan menuju peralatan di gedung tersebut, sehingga menyebabkan kenaikan tegangan yang besar pada peralatan tersebut. Apabila di samping gedung tersebut ada gedung lain yang saling terhubung peralatannya (mis:jaringan komputer) maka peralatan di gedung kedua juga akan terkena dampak kenaikan tegangan melewati kabel jaringan.

Kopling Induktif. 

Petir yang menyambar penangkap petir pada sebuah gedung akan mengalirkan arus petir melalui konduktor petir ke tanah. Arus petir yang mengalir melalui konduktor petir ini akan menimbulkan perubahan medan magnetik yang akan menginduksikan tegangan pada benda-benda di sekitarnya. Apabila di sekitar konduktor petir tersebut terdapat kabel listrik, maka tegangan akan diinduksikan melalui kabel tersebut dan masuk ke peralatan.

Parameter-parameter Tegangan Impuls Petir

Dalam teknologi tegangan tinggi, suatu pulsa tegangan dengan polaritas tunggal dikatakan sebagai impuls. Pada gambar 4 ditunjukkan contoh suatu bentuk gelobang impuls disertai dengan parameter-parameternya.

Waktu yang diperoleh dari bentuk gelombang impuls tergantung pada cara pembangkitannya. Untuk keperluan pengujian maka tegangan impuls eksponensial ganda telah dibakukan. Bentuk gelombang yang dihasilkan hanya mengandung osilasi yang kecil, cepat mencapai nilai maksimum (nilai punck Û) dan kemudian meluruh perlahan menuju nol. Jika terjadi tembus secara sengaja atau tidak sengaja pada benda uji selama penerpaan impuls yang menyebabkan hilangnya tegangan secara mendadak, maka tegangan yang terjadi disebut sebagai tegangan impuls yang terpotong seperti terlihat pada gambar 4. Pemotongan dapat terjadi pada bagian depan, pada puncak atau pada bagian punggung dari tegangan impuls.

Definisi dahi dan punggung gelombang ditetapkan dalam standar-standar sedemikian rupa sehingga kesulitan dalam menentukan permulaan gelombang dan puncak gelombang dapat diatasi. Menurut standar Jepang titik nol nominal dari sebuah tegangan impuls adalah perpotongan antara sumbu waktu dengan garis lurus yang menghubungkan titik-titik 10% dan 90% dari suatu puncak tegangan. Menurut rekomendasi International Electrotechnical Commission (IEC), angkanya berturut-turut 30% dan 90% (Arismunandar, 1984:29). Dahi gelombang didefinisikan sebagai bagian dari gelombang yang dimulai dari titik nol (nominal) sampai titik puncak, sedang sisanya disebut punggung gelombang. Setengah puncak gelombang adalah titik-titik pada dahi dan punggung dimana tegangannya adalah setengah puncak. Menurut standar Jepang waktu dahi Ts didefinisikan sebagai hasil bagi antara lamanya tegangan naik dari 10% sampai 90% dari puncak dan 0,8. Sedangkan waktu punggung Tr didefinisikan sebagai waktu titik nol nominal sampai setengah puncak ekor. Kecuraman muka gelombang adalah kecepatan naiknya gelombang pada muka gelombang. Kecuraman rata-rata untuk mudahnya dinyatakan sebagai perbandingan antara tegangan puncak dan lamanya waktu muka. Gelombang penuh adalah gelombang yang tidak terputus karena lompatan api atau tembus(breakdown), mempunyai waktu dahi Ts dan waktu punggung Tr. Bentuk gelombang impuls petir standar menurut IEC adalah 1,2/50 μs. Standar-standar Jerman dan Inggris menetapkan 1/50 μs. Amerika Serikat mempunyai standar 1,5/40 μs. Jepang memiliki standar 1/40 μs. Toleransi untuk waktu dahi Ts dan waktu punggung Tr adalah masing-masing: Jepang 0,5-2 μs, Inggris 0,5-1,5 μs dan 40-60 μs, Amerika Serikat 1,0-2,0 μs dan 30-50 μs.
Dalam membahas tegangan impuls untuk keperluan pengujian maka bentuk tegangan ditentukan oleh parameter waktu tertentu untuk dahi dan punggung, seperti ditunjukkan pada gambar 5. Karena bentuk dahi tegangan impuls yang benar sering sukar diukur, maka untuk mencirikan dibentuk garis lurus O1S1 melalui titik A dan B. Kemudian waktu dahi Ts maupun waktu punggung Tr yang terukur dari titik O1 hingga titik C juga ditentukan. Secara umum digunakan tegangan impuls petir standar 1,2/50 μs yang berarti suatu tegangan impuls dengan waktu dahi Ts = 1,2 μs ± 30% dan waktu punggung Tr = 50 μs ± 20%.

Pembangkitan Tegangan Impuls

Tegangan impuls diperlukan dalam pengujian tegangan tinggi untuk mesimulasikan terpaan akibat tegangan lebih internal dan eksternal. Umumnya tegangan impuls dibangkitkan dengan meluahkan (discharging) muatan kapasitor tegangan tinggi melalui sela pada suatu rangkaian pembangkit tegangan impuls. Prinsip kerja rangkaian pembangkit tegangan impuls pada gambar 6 dapat dijelaskan sebagai berikut. Kapasitor Cs dimuati melalui suatu resistansi dengan tegangan searah Uo dan kemudian diluahkan (discharged) dengan menyalakan sela F. Tegangan impuls u(t) akan meuncul pada kapasitor beban Cb. Nilai elemen rangkaian menentukan bentuk kurva tegangan impuls. Waktu dahi (waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai puncak Û) yang singkat membutuhkan pengisian muatan yang cepat pada Cb, sedangkan waktu punggung yang panjang berarti peluahan yang lmbat dan ini dicapai dengan Re<<Rd. Segera setelah penyalaan F pada t = 0 maka hamper seluruh tegangan Uo muncul pada rangkaian seri RdCb. Semakin kecil nilai RdCb maka akan semakin cepat tegangan u(t) mencapai nilai puncak. Nilai puncak Û akan selalu kurang dari nilai tegangan yang dihasilkan dengan muatan awal UoCs yang terbagi pada Cs + Cb. Untuk mendapatkan Û yang setinggi mungkin (untuk Uo tertentu) maka harus dipilih Cs<<Cb. Peluruhan atau menurunnya amplitude tegangan impuls dari nilai puncak Û terjadi dengan konstanta waktu CsRe.

Keterangan: -Cs : Kapasitor impuls -Cb : Kapasitor beban -Rd : Resistor peredam -Re : Resistor pelepas -F : Sela bola -Uo : Tegangan pemuatan Untuk rangkaian pada gamabr 6 berlaku persamaan (Kind, 1993:238)

Persamaan diferensial ini diselesaikan dengan menggunakan tranformasi Laplace. Untuk fungsi dalam kawasan – s maka diperoleh persamaan transformasi berikut (Kind, 1993:239)

Dengan menyatakan u = u(s) diperoleh penyederhanaan sebagai berikut:

Kedua akar persamaan kuadrat pada bagian penyebut adalah:

Kedua nilai akar bernilai nyata dan negative. Transformsi balik dalam kawasan – t mengahsilkan persamaan sebagai berikut (Kind, 1993:239)

Tampak bahwa tegangan impuls merupakan selisih dua fungsi eksponensial yang meluruh, dengan kontanta waktu T1 dan T2. Di sini konstanta waktu T1 = -1/s1 dan T2 = -1/s2 . Penyelesaian umum dapat disederhanakan jika dipenuhi pendekatan: ReCs<<RdCb Dengan demikian diperoleh hubungan pendekatan sebagai berikut (Kind, 1993:240)

Dengan demikian nilai akar dalam s akan mendekati nilai (1-2c/b2) sehingga diperoleh pendekatan berikut:

dan

3. PEMBAHASAN

Metodologi Pengujian Arester

Dalam artikel ini dikemukakan data primer yang diperoleh dari hasil pengujian yang dilakukan di laboratorium. Langkah-langkah pengujian yang dilaksanakan adalah sebagai berikut:

1) Pengujian arester tanpa beban

Pengujian dilakukan dengan menerpakan tegangan impuls pada arester dimulai dari tegangan 3,7 kV sesuai dengan kemampuan pembangkit, kemudian dinaikkan dengan langkah 1 kV hingga mencapai beberapa kV. Pengujian ini bertujuan untuk mencari kurva V – t arester. Pengukuran dilakukan dengan osiloskop.

2) Pengujian arester berbeban

Pengujian dilakukan dengan memasang beban secara paralel. Tegangan impuls diterpakan mulai dari 3,7 kV hingga beberapa kV dengan langkah 1 KV. Sebelum pengujian berbeban dilakukan komponen diuji baik dan tidaknya pada kondisi awal, kemudian pada tiap langkah komponen diuji kembali. Pada tiap langkah pengujian komponen diganti dengan yang baru untuk menghindari adanya lelah (fatique) pada komponen. Transistor diuji hFEnya dan IC555 diuji kerjanya dengan melihat lebar pulsa dan amplitudo yang dihasilkan. Pengujian terhadap tegangan impuls dilakukan hingga komponen mengalami kerusakan. Rangkaian pengujian dapat dilihat pada gambar 8.

3) Pengujian komponen elektronika

a. Transistor
Baik dan tidaknya transistor ditentukan dari nilai hFEnya. Pengujian nilai hFE dilakukan dengan menggunakan digital multimeter. Nilai hFE transistor pada pengujian yang pertama ditentukan sebagai kondisi awal dan digunakan sebagai acuan terhadap kondisi selanjutnya setelah dikenai tegangan impuls terpotong arester. Apabila nilai hFEnya tetap maka transistor dinyatakan baik dan apabila berubah transistor dinyatakan rusak. Rangkaian pengujian ditunjukkan pada gambar 9.

b. IC555
Pada IC555 baik tidaknya kondisi ditentukan dari bekerjanya IC555 menghasilkan pulsa-pulsa tegangan. Hal ini diketahui dengan menggunakan osiloskop. Apabila IC555 dapat menghasilkan pulsa-pulsa teganganberbentuk kotak maka IC555 dinyatakan baik dan apabila tidak, IC555 dinyatakan rusak. Rangkaian pengujian seperti gambar 10.

Hasil Pengujian

Pengujian arester dilaksanakan di Laboratorium Tegangan Tinggi Jurusan Elektro Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang. Dalam pengujian ini digunakan rangkaian tegangan impuls 1,2/50 μs seperti nampak pada gambar 11.

Keterangan gambar 11.
 TEO = Trafo uji
GS = Penyearah
IS = Isolator penyangga
Cs = Kapasitor impuls
ES = Saklar pembumian
RM = Resistor ukur
EZK = Bola pemicu
KF = Sela percik
RE = Resistor gelombang dahi
RD = Resistor gelombang punggung
CB = Kapasitor beban
NTZ = Pembagi tegangan rendah
MF = Sela percik ukur
DGM = DC voltmeter
ZAG = Peralatan pemicu
 DSTM = Impuls voltmeter
OSC = Osiloskop
SRP = Meja kontrol

Dalam pembangkitan tegangan impuls ini diperlukan trafo uji tegangan tinggi TEO dan rangkaian penyearah untuk menyediakan tegangan pemuat pada kapasitor Cs. Besar tegangan pemuat diukur dengan alat ukur DGM dan puncak tegangan impuls diukur dengan osiloskop. Bentuk gelombang impuls dapat dilihat pada Oscilloscope Storage Philips PM 3365A.

Tegangan petir standar yang dihasilkan oleh rangkaian pengujian dapat dilihat pada gambar 12.

Arester ini bekerja jika terjadi tegangan lebih yang disebabkan oleh surja petir dan akan memotong surja tersebut pada tegangan dan waktu tertentu. Untuk melihat perilaku tersebut, arester diterpai tegangan impuls dari 3,7 kV sampai dengan kemampuan pembangkit impuls yakni hingga 20,1 kV. Hasil yang diperoleh sebagai berikut.

Dari beberapa kali pengujian nampak bahwa arester mampu memenuhi fungsinya untuk menyalurkan energi listrik ke tanah pada saat terkena tegangan impuls petir. Pengujian Komponen Elektronika Tanpa Perlindungan. Pada pengujian ini tegangan impuls dikenakan langsung pada komponen elektronika. Hasil yang diperoleh sebagai berikut:

Dari ketiga pengujian yang dilakukan diperoleh hasil komponen masih dalam kondisi baik setelah diadakan pengujian dengan menerpakan tegangan impuls petir. Hal ini menunjukkan bahwa metode pengujian yang digunakan adalah benar dan arester tegangan rendah yang diuji mampu memberikan perlindungan kepada komponen elektronika yang dilindunginya.

4. PENUTUP

Dari hasil pengujian terhadap arester tegangan rendah dan pengujian ketahanan komponen elektronika terhadap tegangan impuls terpotong dapat dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1) Metode pengujian tingkat proteksi arester yang dilakukan terbukti efektif untuk digunakan sebagai cara untuk menguji tingkat perlindungan arester terhadap komponen elektronika.

2) Arester tegangan rendah tipe kancing (button typed surge protection device) mampu melindungi komponen elektronika.

Hal yang perlu dilakukan lebih lanjut untuk mengetahui karakteristik arester adalah:

1) Perlu dilakukan pengujian lebih lanjut untuk meneliti karakteristik arester tegangan rendah.

2) Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang tingkat proteksi arester terhadap komponen elektronika yang dilindunginya.

5. DAFTAR PUSTAKA

Anonim. Tanpa Tahun. Lightning and Surge Protection – Basic Principles, Alban Park: Telematic Limited. 

Anonim. Tanpa Tahun. Lightning and Surge Protection for Electronic Equipment, Alban Park: Telematic Limited. 

Kind,D. 1993. Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi, alih bahasa Sirait, K.T. Penerbit ITB. Bandung 

MWB, Main Katalog. 1998. Surge Protection. Dehn and sŐhne gmbh co.kg 

Saksomo, Setiyo. Tanpa Tahun. Proteksi Sistem Tenaga Listrik. Handout kuliah. Malang.

Wijono. Januari 2000. Laporan Pengujian Arester Tegangan Rendah (I&II). Jurusan Energi Elektrik ITB. Bandung

ANALISA PERHITUNGAN SETTING ARUS DAN WAKTU PADA RELAI ARUS LEBIH (OCR) SEBAGAI PROTEKSI TRAFO DAYA DI GARDU INDUK CAWANG LAMA JAKARTA

NAMA : ELISABETH SASTRA ARIYANTI SIAHAAN
NIM : 5112131004
MATA KULIAH : PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK
JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS NEGERI MEDAN

ABSTRAK 

Gangguan hubung singkat fasa ke tanah dan fasa-fasa merupakan salah satu permasalahanyang mungkin timbul dalam pengoperasian transformator daya dalam sebuah Gardu Induk. Gangguan yang disebabkan oleh adanya hubung singkat menimbulkan banyak kerugian, kerugian pada sistem transmisi kelistrikan maupun kerugian di pihak konsumen energi listrik. Salah satu cara untuk mengatasi gangguan ini adalah dengan cara memasang peralatan pengaman pada transformator. Relai arus lebih merupakan relai proteksi yang bekerja dengan Pemutus Tenaga (Circuit Breaker). Gangguan hubung singkat fasa ke tanah dan fasa-fasa menimbulkan arus gangguan hubung singkat yang besarnya melebihi seting arus pada relai arus lebih, sehingga relai arus lebih memicu Pemutus Tenaga bekerja sesuai dengan setting waktu yang diterapkan, sehingga resiko kerusakan pada sistem kelistrikan dapat dihindar. Kata kunci: arus, hubung singkat, relai arus lebih, setting relai, transformator.

PENDAHULUAN

Transformator merupakan peralatan yang sangat vital dalam penyaluran sistem tenaga listrik karena transformator merupakan peralatan yang menyalurkan energi listrik langsung ke konsumen baik konsumen tegangan tinggi, tegangan menengah

maupun tegangan rendah. Dalam sistem penyaluran tidak menutup kemungkinan terjadi gangguan terutama gangguan yang disebabkan oleh alam.

Gangguan yang sering terjadi antara lain kawat penghantar putus, kerusakan pada pembangkit, gangguan pada saluran transmisi akibat petir serta gangguan hubung singkat. Dengan adanya gangguan yang tidak dapat diprediksi maka diperlukan suatu peralatan pengaman (sistem proteksi) yang tepat dan dapat diandalkan pada peralatan sistem tenaga listrik serta pengoperasian dan pemeliharaan yang baik. Relai proteksi harus dapat mengenal kondisi abnormal pada sistem tenaga dan melakukan langkah-langkah yang dianggap perlu untuk menjamin pemisahan gangguan dengan kemungkinan gangguan terkecil terhadap operasi normal (PT. PLN,2005c).

Relai Pengaman

Relai pengaman adalah suatu piranti baik elektrik maupun magnetik yang dirancang untuk mendeteksi suatu kondisi ketidaknormalan pada peralatan sistem tenaga listrik yang tidak diinginkan. Jika kondisi abnormal tersebut terjadi maka relai pengaman secara otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga (circuit breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem normal. Di samping itu relai juga berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam gangguannya sehingga memudahkan evaluasi pada saat terjadi gangguan (Tjahjono, 2000). Pada prinsinya relai pengaman yang terpasang pada sistem tenaga listrik mempunyai tiga macam fungsi, yaitu:

• Mendeteksi, mengukur dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta memisahkan secepatnya.
• Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu.
• Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain, yang tidak terganggu di dalam sistem tersebut dan dapat beroperasi normal serta mencegah meluasnya gangguan.

Relai Arus Lebih

Proteksi arus lebih adalah proteksi terhadap perubahan parameter arus yang sangat besar dan terjadi pada waktu yang cepat, yang disebabkan oleh hubung singkat. Pada proteksi arus lebih ini, relai akan pick-up jika besar arus melebihi nilai seting (Tjahjono, 2000). Elemen dasar dari proteksi arus lebih adalah relai arus. Proteksi arus lebih meliputi proteksi terhadap gangguan hubung singkat yang dapat berupa gangguan hubung singkat fasa-fasa, satu fasa ke tanah serta hubung singkat antar fasa.

Proteksi terhadap hubung singkat antar fasa dikenal sebagai proteksi arus lebih dan relai yang digunakan disebut relai arus lebih (over current relay). Jika arus gangguan mengalir melalui tanah, gangguan ini disebut gangguan hubung singkat ke tanah dan relai yang digunakan disebut proteksi hubung tanah (ground fault relay).

Pada proteksi transformator daya, relai arus lebih digunakan sebagai tambahan bagi relai differensial untuk memberikan tanggapan terhadap gangguan luar. Relai arus lebih yang digunakan adalah relai arus lebih tanpa perlambatan waktu, relai arus lebih dengan karakteristik waktu yang berbanding terbalik dengan besar arus dan relai arus lebih dengan komponen arah. Relai arus lebih terdapat beberapa karakteristik waktu yang

dikelompokkan menjadi tiga jenis yaitu:

1. Relai arus lebih seketika (instantaneus). Relai ini memberikan perintah trip pada pemutus tenaga (PMT) pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besar arus gangguannya mencapai arus settingnya (Is) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai relai bekerja sangat singkat tanpa tunda waktu (20 ms - 60 ms).
2. Relai arus lebih waktu tertentu. Relai ini akan memberikan perintah trip pada PMT pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besar arus gangguannya mencapai setting (IS) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai relai kerja diperpanjang dengan waktu tertentu tidak tergantung besarnya arus yang mengerjakan relai.
3. Relai arus lebih terbalik (inverse). Relai ini akan memberikan perintah trip pada PMT pada saat terjadi gangguan bila arus gangguan mencapai nilai settingnya (IS) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai kerja relai diperpanjang berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan. Pada relai ini sumbu tegak merupakan waktu dalam detik dan sumbu datar adalah berapa kali besarnya arus gangguan yang melewati relai terhadap arus penyetelannya (n x Iset). Penyetelan waktu ditunjukkan dengan kurva yang sering digunakan dan disebut dengan Td (time dial) atau TMS (time multiple setting) yang dirumuskan sebagai berikut (PT. PLN, 2005c):

Relai Arus Lebih pada Transformator Daya

Relai pengaman pada transformator dibedakan menjadi dua yaitu elektris dan mekanis. Relai-relai pengaman elektris yaitu relai differential, relai arus lebih untuk sisi primer dan sekunder, relai arus terbatas (REF atau restricted earth fault) untuk sisi primer dan sekunder serta relai sisi netral (SBEF atau stand by earth fault) untuk melindungi resistor

netral trafo pada saat terjadi gangguan ke tanah. Sedangkan untuk relai pengaman mekanis antara lain relai bucholz, relai jansen dan relai suddent pressure di mana setiap relai pengaman mempunyai fungsi tersendiri.

Gangguan pada transfornator dibedakan menjadi dua yaitu gangguan internal dan eksternal. Untuk gangguan internal dapat dikelompokkan menjadi dua jenis gangguan yaitu gangguan incipien dan gangguan elektris. Gangguan incipien merupakan suatu gangguan yang dimulai gangguan yang kecil atau tidak berarti, namun secara lambat akan menimbulkan kerusakan. Gangguan jenis ini akan dideteksi oleh relai pengaman mekanis seperti relai bucholz, relai jansen dan relai sudden pressure. Sedangkan gangguan internal elektris merupakan gangguan elektris yang dideteksi oleh relai proteksi

utama transformator yaitu relai differential dan relai hubung tanah terbatas (REF). Gangguan yang sering terjadi pada transformator merupakan gangguan di luar daerah pengamanan transformator seperti hubung singkat satu fasa ke tanah ataupun gangguan antar fasa. Gangguan ini mempunyai pengaruh terhadap transformator daya sehingga transformator harus segera dikeluarkan dari sistem, bila gangguan tersebut terjadi hanya setelah waktu tertentu untuk memberi kesempatan relai pengaman daerah yang terganggu bekerja. Untuk kondisi gangguan di luar daerah pengamanannya misalnya gangguan hubung singkat pada di sisi 20 kV atau di penyulang 20 kV maka relai arus lebih dengan perlambatan waktu digunakan sebagai pengamannya. Koordinasi yang baik untuk pengaman cadangan transformator ini sangat diperlukan untuk memperoleh selektivitas yang tepat dengan daerah berikutnya yang terkait. Berikut ini merupakan skema proteksi pada transfomator daya (PT. PLN, 2005c).

Pemutus Tenaga (PMT)

Pemutus tenaga (PMT) atau lebih dikenal dengan istilah Circuit Breaker (CB) merupakan suatu piranti saklar mekanik yang secara otomatis akan membuka atau memutuskan rangkaian listrik apabila terjadi ketidaknormalan pada suatu sistem tanpa adanya kerusakan. Pemutus tenaga terdiri atas kontak-kontak yang dialiri arus listrik atau lebih dikenal dengan elektroda. Pada kondisi normal eletroda-elektroda tersebut dalam kondisi terhubung, sebaliknya pada kondisi abnormal maka elektroda-elektroda akan terpisah dan memutuskan hubungan listrik dari satu sisi ke sisi yang lainnya (PT. PLN, 2005a).

Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah

Pada gangguan satu fasa ke tanah misal fasa A mengalami gangguan akan menyebabkan kenaikan arus pada fasa A dan drop tegangan di phasa A (menjadi nol) sedangkan arus pada phasa yang lain menjadi nol yang diikuti dengan kenaikan tegangan fasa yang lain (phasa B dan Phasa C tidak sama dengan nol sedangkan arus phasa B sama besarnya dengan phasa C yaitu nol ampere) (Tjahjono, 2000). Gangguan tidak simetris menyebabkan arus tidak seimbang dalam sistem, sehingga dibutuhkan komponen simetris untuk perhitungannya sebagaimana uraian di atas. Rangkaian gangguan satu fasa ke tanah:

Dari persamaan arus untuk gangguan tidak simetris maka diperoleh:

Kondisi di titik gangguan:

sehingga:

Pada gangguan satu fasa ke tanah, rangkaian urutan positif, negatif dan urutan nol terhubung seri, seperti ditunjukkan pada rangkaian di bawah ini.

dimana:

Mengingat:

Maka diperoleh:

sehingga

Gangguan Hubung Singkat Fasa-fasa

Pada gangguan antar fasa fasa B dan fasa C mengalami gangguan akan menyebabkan kenaikan arus pada fasa B dan C, sedangkan tegangan untuk fasa tersebut menjadi drop (menjadi nol). Diagram rangkaian untuk gangguan antar fasa ditunjukkan dalam gambar di bawah ini (Stevenson, 1984).

Kondisi pada saat gangguan adalah sebagai berikut:

Dengan VB = VC komponen-komponen simetri tegangan adalah sebagai berikut:

Karena IB = - IC dan Ia = 0, komponenkomponen simetri arus diperoleh dari persamaan berikut ini:

Gambar 5 merupakan gambar rangkaian pengganti untuk gangguan fasa-fasa. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui besar arus hubung singkat yang mengalir apabila terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah dan gangguan fasa-fasa pada incoming 20 kV Trafo #1 150/20 kV 60 MVA di GI Cawang Lama Jakarta.

METODE PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan dengan cara mengumpulkan data-data spesifikasi transformator daya dan setting relai arus lebih, kemudian melakukan pengamatan dan pengambilan data Gardu Induk. Berdasarkan data-data yang ada, dilakukan analisa dan perhitungan besar arus gangguan terhadap relai proteksi sehingga relai arus bekerja dan mentripkan pemutus tenaga / CB (Circuit Breaker).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Spesifikasi Transformator Daya GI Cawang Lama

Gardu Induk Cawang Lama terdapat dua buah transformator daya dan dua buah transformator interbus. Tulisan ini hanya akan membahas mengenai Transformator Daya #1 150/20 kV 60 MVA dengan merk MEIDEN type BORSL-E. Datadata transformator adalah sebagai berikut :

Instalasi : Konventional

Jumlah fasa : 3 fasa

Frekuensi : 50 Hz

Impedansi : 12.83%

Daya pengenal : 60 MVA

Tegangan sisi tinggi : 150kV

Tegangan sisi rendah: 20 kV

Arus nominal sisi 150 kV : 231 Ampere

Arus nominal sisi 20 kV : 1650 Ampere

Vektor group : YnYn0

Setting Relai Arus Lebih Trafo #1 150/20 kV 60 MVA

Berikut ini diagram blok Trafo #1 150/20 kV 60 MVA di GI Cawang Lama beserta setting relai arus lebih yang terpasang pada incoming 20kV Trafo #1 dan penyulang yang menjadi beban di Trafo #1 150/20 kV 6 0 MVA.

Daftar penyulang Trafo #1 150/20 kV 60 MVA GI Cawang Lama :

1. Penyulang Jangka 4. Penyulang Arjuna

2. Penyulang Pensil 5. Penyulang Oplet

3. Penyulang Bima 6. Penyulang Tractor

Tabel 1 dan 2 merupakan data relai arus lebih pada incoming serta penyulang Trafo #1 150/20 kV 60 MVA sisi 20 kV GI Cawang Lama.

Spesifikasi Pemutus Tenaga Sisi 20 kV dan Penyulang

Tabel 3 merupakan data pemutus tenaga sisi 20 kV dan penyulang Trafo #1 150/20 kV 60 MVA GI Cawang Lama.

Perhitungan Arus Hubung Singkat

Perhitungan arus gangguan hubung singkat pada jaringan 20 kV Trafo #1 150/20 kV 60 MVA di GI Cawang Lama dengan panjang saluran dari sisi sekunder Trafo ke sel incoming 20 kV 100 meter dan impedansi Trafo sebesar 12,83% dengan asumsi beban 55 Mwatt.

Parameter Dasar

Nilai Impedansi

Perhitungan gangguan satu fasa ke tanah

Besar arus gangguan satu fasa ke tanah sebesar 13.390 Ampere.

Perhitungan gangguan fasa – fasa

Besar arus gangguan fasa-fasa ke tanah sebesar 11.640 Ampere.

Perhitungan Setting Relai Arus Lebih

Sisi 150 kV

Arus nominal sisi 150 kV : 231 Ampere Ratio CT : 300/5 Ampere

1. Setting relai arus lebih(OCR)

Arus setting sisi primer

Dipilih 300 Ampere

Arus setting sisi sekunder :

2. Setting waktu rele OCR

Sesuai kaidah aturan yang diterapkan dilingkungan PT. PLN (persero) P3B Jawa Bali untuk waktu kerja rele OCR sisi 150 kV sebesar 0,55 detik sehingga penerapan setting waktunya sebagai berikut:

Setting relai gangguan tanah (GFR) 

 Arus setting sisi primer

Dipilih 120 Ampere

Arus setting sisi sekunder :

3. Setting waktu GFR

Sisi 20 kV

Arus nominal trafo = 1650 Ampere Ratio CT : 2000/5 Ampere

1. Setting relai arus lebih(OCR)

Arus setting sisi primer

Arus setting sisi sekunder :

2. Setting waktu rele OCR

3. Setting relai gangguan tanah (GFR)

Arus setting sisi primer

Arus setting sisi sekunder :

4. Setting waktu GFR

KESIMPULAN

Dari uraian di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Besar arus gangguan satu fasa ke tanah yang terjadi pada saluran kabel 20 kV menuju incoming 20 kV sebesar 13.390 Ampere dan gangguan fasa-fasa sebesar 11.640 Ampere sehingga arus gangguan hubung singkat fasa-fasa yang digunakan dalam perhitungan setting relai proteksi untuk memperoleh sensitivitas dan kehandalan relai, diharapkan dengan arus gangguan terkecil relai proteksi dapat mendeteksi gangguan tersebut.

2. Setting relai arus lebih (OCR) sisi 150 kV sebesar 300 Ampere untuk sisi primer, 5 ampere untuk sisi sekunder dengan tap pada relai 1 dan waktu kerja relai (TMS) atau time dial sebesar 0,3. Sedangkan untuk Ground fault relay (GFR) sebesar 120 Ampere untuk sisi primer, sisi sekunder sebesar 2 Ampere, tap relai 0,4 dan waktu kerja relai GFR (TMS) atau time dial sebesar 0,4.

3. Setting relai arus lebih (OCR) sisi 20 kV sebesar 2000 Ampere untuk sisi primer, 5 ampere untuk sisi sekunder dengan tap pada relai 1 dan waktu kerja relai (TMS) atau time dial sebesar 0,23. Sedangkan untuk Ground fault relay (GFR) sisi 20 kV sebesar 400 Ampere untuk sisi primer, sisi sekunder sebesar 1 Ampere, tap relai 0,2 dan waktu kerja relai GFR (TMS) atau time dial sebesar 0,3.

4. Setting yang diterapkan menggunakan sistem bertingkat dimulai dari sisi penyulang 20 kV, incoming 20 kV trafo dan terakhir sisi 150 kV sehingga pemadaman beban pada saat terjadi gangguan dapat diminimalisir, hanya sisi yang mengalami gangguan yang dipadamkan serta kehandalan operasi trafo tetap terjaga.

DAFTAR PUSTAKA

PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005a. ”Buku Petunjuk Operasi dan Pemeliharaan Pemutus Tenaga”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.

PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005b. ”Modul Pelatihan Pengaman Transformator”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.

PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005c. ”Modul Pelatihan Relai OCR”. Badan Penerbit PLN. Jakarta. 

Stevenson, William D. Jr. 1984. ”Analisa Sistem Tenaga Listrik”. McGraw-Hill. Inc New York.

Tjahjono, Hendro. 2000. ”Modul Kuliah Analisa Sistem Tenaga Listrik”. Universitas Jaya Baya. Jakarta.