kawat tanah sib

8/2/2019 kawat tanah sib

http://slidepdf.com/reader/full/kawat-tanah-sib 1/27

PROCEEDINGSTB VoI.2i,No. I, 1988

PERHITUNGANGANGGUANKILAT PADA SALURANI.JDARATEGANGANMENENGAH

Oleh: I.,SHutahuruk*

SARI

Perhitungan8an88lBnkilat saluranudara teganganmenengahbaru dilak'kan secarantensifpada ahun-tahun erakhir l960an, -antara ain oleh Uehara dkk. (196s)dan Auer dkk.(1e6e).

Perhitungan-perhitunganersebut menggunakanmodel geometrisdari salurandan generatorsurja,misalnya angdilakukanolehAuer dkk. (1969).

Berdasarkaneori-teori yang sudahdikembangkan leh Rusck (195g), whitehead(1977),Razevg (1979), dan lain-lain, penulis mencoba menguraikansuatu metode analitis yangsederhana enganperhitungan angandenganmenggunakan lat hitung elektronik.

ABSTRACT

The calculations f lightningoutages f mediumvoltage verheadineshavenot been nten-sivelyconducteduntil late in the 1960s, amongothersby ueharaet al (196g) and Aueretal (1969).

Thosecalculationsusea geometric nrodel of the line and a surgegeneratoras conductedbyAueret al (1969).

Based n the theoriesr evelo.pedy Rusck 195g),whitehead(1977), Razevig1979),andothers, the writer tries to outline a.simpleanalytical method that canbe calculatedmanuallyby usingan electroniccalculator.

2l

t Jurusan Teknik Elekrro, Fakurtas Teknorogi Industri, Institut Teknologi Bandung.



22 PROCEEDINGSTB VoL21,No. 1, 1988

Pendahuluan

Yang dimaksud dengangangguan ilat pada saluranudara adalahkilat yang

menyai-rbarSaluran,baik secara angsungmaupun tidak langsung,dan me-

nyebabkan rlat pemutus daya membuka untuk mengisolasikan :tlrtran ang

terganggu ari sistem.

Pada saluran udara teganganmenengah SUTM), gangguan ilat terdiri dari

gangguan kibat sambaranangsung an gangguan kibat sainbaiait ;dak la;rg

sungatau sambarannduksi. Padasaluranudara eganganinggigangguan ilat

akibat sambarannduksi sangat ecil dan diabaikan.Tetapi padasaluranudara

teganganmenengah, erutama Salulanmenengahanpakawat tanah ataukawat

netral, qmlah gangguan ilat akibat sambarannduksi itu dapat ebih banyakdari gangguan ilat akibat sambaranangsung.Hal tersebutdisebabkaningkat

ketahanan mpuls isolasi Vson) dari isolator SUTM rendah dan daerahsam-

baran nduksi yang uas.

Jadi umlah gangguan adasaluran eganganmenengah apatdituliskansebagai

N o = N 1 + l / , ( l )

dengan:

No = jumlah gangguan ilat padasaluran

Ni = jumlah gangguan kibat sambarannduksil/t = jumlahgangguanakibat sambaranangsung.

Sambaran angsung

Yang dimaksud dengansambaran angsungad'alahkilat yang menyambar lang-

sungpadakawat fasa untuk saluran anpakawat tanah)ataupadakawat tanah

(untuk salurandengankawat tanah). Pada saluranudara tcganganmenengahyang dilengkapidengan awat tanahdiasumsikanidak adakegagalan erisaian.

Asumsi ini dapat dibenarkan karena tinggi kawat di atas tanah relatif rendah

(10 sampai l3 meter) dan juga karena dengansudut perisaian ang biasanya

< 60o sudahdapat dianggap emuasambaran ilat mengenai awat tanah;jadi

tidak ada kegagalan erisaian.

PanjanggawaltJsaluranudara teganganmenengah elatif pendek, dan hanya

berkisar itrttara 40 sampai 80 meter dengan panjang rata-rata50 meter. Pada

saluran anpa kawat tanah semuasambaran ilat dianggap erjadi padakawat

dan pada salurandengankawat tanah, di mana pengetanahan ilakukan pada

jarak 3 sampai 4 gawang, emua sambaran ilat dianggap erjadi pada tiang

atau dekat tiang, baik pada tiang yang diketanahkanmaupun pada tiang yang

tidak diketanahkandenganperbandinganyang sama.



PROCEEDINGSTB Vol. 21, No. I, 1988

Pada waktu kilat menyambar kawat tanah atau kawat fasa akan timbul arus

yang besardan sepasang elombangberjalan yang merambat padakawat. Arus

yang besar ni dapat membahayakanperalatanyang adapadasaluran.Besarnya

arus atau tegangan akibat sambaran ini tergantung pada besararus kilat, waktu

muka, dan jenis tiang saluran.Karena saluran eganganmenengah idak begitu

tinggi di atas tanah, maka jumlah sambaran angsungpun rendah.Makin tinggi

tegangansistem,makin tinggr tiangnya, dan makin besar umlah sambaran e

saluran tu.

&mbaran tidak langsungatau sambaran nduksi

Bila terjadi sambarankilat ke tanah di dekat saluran, akan terjadi fenomena

transien yang diakibatkan oleh medan elektromagnetisdari kanal kilat. Feno-

mena kilat ini terjadi pada kawat penghantar.Akibatnya timbul teganganebih

dan gelombang berjalan yang merambat pada kedua sisi kawat di tempat

sambaranberlangsung.

Fenomena transien pada kawat dapat berlangsunghanya di bawah pengaruh

gaya yang memaksa muatan bergerak sepanjanghantaran. Atau dengan per-

kataan lain, transien dapat terjadi di bawahpengaruhkomponen vektor kuat

medan yang berarahsejajardenganarahpenghantar.Jadi bila komponen vektor

dari kuat medan berarahvertikal, dia tidak akan mempengaruhiatau menimbul-

kan fenomena transienpada penghantar.

Penangkapankilat oleh saluran, umlah sambarandan probabilitas distribusi;

arus.

Suatu saluran di atas tanah dapat dikatakan membentuk bayang-bayang istrikpada tanah yang berada di bawah saluran transmisi itu. Kilat yang biasanya

menyambar tanah di dalam bayang-bayang tu akan menyambar saluransebagai

gantinya, sedangkilat di luar bayang-bayangtu samasekali.tidak menyambar

saluran.

Lebar bayang-bayang istrik atau disebut'daerahperisaian'untuk suatu saluran

diberikan oleh Whitehead (197'7)(gambar I ).

Lebar bayang-bayangW adalah:

W = (b + hr,oe\meter Q)

dengan

b = jarak pemisah antara kedua kawat tanah (meter, bila kawat tanah hanya

satu.b = 0)

23



24 PROCEEDINGSTB Vol. 21, No. I, 1988

h = tnggi rata-rata kawat tanah di atas tanah = ht -23 unaoneun meter).

h, = ttnggi kawat tanah padatiang (meter).

Di luar daerahperisaian tu kilat dianggapmenyambar langsung e tanah, atau

disebut sambaran nduksi.

Padasaluranudara teganganmenengah(SUTM) lebar bayang-bayanguntuk tiga

macirmkonfigurasi diberikan pada gambar2.

GW=

kawatanahA, B, C = kawatasa

\\

2n lF --{G- b +- 2hlos

Gambar Lebar ayang-bayangistriksaluran daraerhadapambaranilat

Jadi luas bayang-bayang ntuk 100 km panjangsaluran

.,4= l0o (km) X (b + qtr '0e) x l0- 3 (tm)

atau

A = O,l (b + 4hr '0e1km2 per 100 km saluran

Jumlah vmbaran kilot ke bumi

Jumlah sanrb::rrnkilat ke bumi sebandingdengan umlah hari guruh per tahun

atau Iso Keraunic Level (IKL) di tempat itu. Banyak penyelidik yang mem-

berikan periiitian ke arah ini dan mengemukakan rumus-rumus yang berlainan.

Rumus-rumus tersebut diberikan dalam tabel I (Anderson, 1982).Untuk Indonesia, penulis mengusulkanmenggunakan

N = O, l5IKL

dengan

(3)

(4)



PROCEEDINGSTB Vol. 21, No. t, 1988

N = jumlah sambaranper km2 per tahun

IKL

= jumlahhari

guruh pertahun

Jadi umlah sambaranpadasaluransepanjang100 km adalah

N r=N x ' 4

. atauII 1yr= 0,015 IKL (b a 471,0e sambaran er 100 km per tahun (5)

I f"bel 1 Relasimpirisntara erapatanambaranilatdanhariguruhahunanAnderson,

1982).

25

No. Lokasi

KerapatanambaranpetirN (perkm2

per ahun)' Penyelidik

1 . I n d i a 0 , 1 0 K L Aiya (19681

Anderson Jenner 19541. R h o d e s i a 0 . 1 4 I K L

3. Afrika Selatan 0,023(lKL)13i Anderson-Eriksson1954)

4. Swedia

5 . Inggr i s

a = 2 , 6 1 0 , 2 X 1 0 - 3b = 1 , 9 1 0 , 1

6. AS (bag.Utara) 0,11 KL

7. AS (bag. elatan 0,17 KL

0,004 lKL)2 Mul ler-Hi l lebrand1964)

a ( lKL )b Stringfellow1974t'

Horn& Ramsey1951)

Horn& Ramsey1951)

Anderson 1968)

Brown& Whitehead19691

0 , 1 K L

0 , 1 5 l K L

8. AS

9. AS

10. Rusia

11 . Dun ia i k l im edang) 0 ,19 KL

12. Dunia ik l imsedang} 0,15 KL

13 . Dun ia i k l im rop i s ) 0 ,13 IKL

0,036(lKL)13 6olokolov& Pavlova1g72lBrooks 19501

Golde 1966)

Brooks1950)

' Urtuk daerah sekitar katutistiwa dengan iklim tropis sopertidi lndonesiadergan IKL antara 6O sampai150, penul ismerBusulkanpenggunaanN = 0,15 lKL.

ILompatan api dan bwur api

II Besar tegangan yang timbul pada isolator saluran tergantung pada kedua

parameterkilat, yaitu punek dan kecuramanmuka gelombangkilat.Tidak semua sambaran kilat dapat mengakibatkan lompatan api (flashover)

pada isolasi saluran. Demikian juga tidak semua lompatan api yang timbuldapat beralih menjadi busur api Qnwer arc) yang mengakibatkan gangguansaluran(line outage).



PROCEEDINGSTB Vol.21, No. t, 19886

kawat asa.--o o o\z ' f \ -

- l \- l \

- ' |- - -

. | \2 \

a , \- h \- " \

--t-.', - '6 T o---

- l s2 l \

l t i ' o n- -

h

kawat anah

- -?--- z - O ; O C t -. |

- \- l \

t|

- -

h

Gambar2 Lebarbayang-bayangistrik saluran dara(a)Saluran dara anpakawat anah(b) Saluran dara engan awatnetraln (b = 0)(c)Saluran dara engan atukawat anah b = 0)

W = Lebarbayang-baYangistrik.



PROCEEDINGSTB VoL 21, No. I. 1988

Terjadinya lompatan api bila saluran disambar kilat tergantung pada besar

tegangan ang timbul dan melebihi kekuatan mpuls V5sv isolator.Demikian

juga terjadinya peralihandari lompatan api menjadi busur api yangmengakibat-l.an gangguan saluran tergantung pada sejumlah faktor seperti dijelaskan di

bawah ni.

Waktu beraksi rele biasanya tidak kurang dari setengahputaran (cycle) atau0 0l detik (untuk frekuensisistem50 Hertz), sedang ksistensi elombang ilattidak lebih dari 100 mikrodetik. Jadi lompatanapi impuls itu tidak mungkin

mengakibatkanpemutusan saluran.Pemutusansaluranhanya terjadi bila lom-patan api impuls beralih menjadi pelepasanbusur api yang terus bertahankarena egangan erja saluran.

Probabilitasberalihnya lompatan api impuls menjadi busur api tergantungpada

sejumlah faktor, termasuk daya sumber.Tetapi yang paling berpengaruhadalahintensitasmedan yang ditimbulkan oleh tegangankerja dalam kanal pelepasanimpuls (impulse discharge).Makin tinggi intensitasmedan, makin baik konduk-tivitas kanal pelepasan mpuls, dan makin tinggi.probabilitas beralihnya lom-patan api nrenjadi busur api. Yang terakhir ini selalu mengakibatkangangguan

saluran.

Bila gradien tegangan erja sepanjangalan lompatan api tidak cukup besar,busur api tidak akan terbentuk dan karenanya gangguansaluran Wa tidakterjadi.

Menurut sejumlahpenelitianyang dilakukan di Rusia(Razevig,1979), proba-bilitas beralihnya ompatan api menjadi busur api pada solator dihubungkandengan intensitas medan karena tegangankerja dan ini kira-kira sama denganhasilbagi tegangan etral (rms) denganpanjang solator. Besarnya robabilitasperalihan ompatanapi menjadibusurapi diberikandalam abel2.

Tabe l2 Probab i l i tas era l ihan ompatanap i men jad ibusurap i (Razev ig, g79)

Gradien tegngan

Eo (kVr,nr/meter)

Probabilitas eralhan ompatan

api menjadibusurapi,11

1 1

0,60,45

o,25

0 . 10

Makin tinggi tegangankerja sistem, makin besargradien tegangan, ehinggamakin besarpula probabilitas eralihan ompatanapi menjadibusurapi.Jadi, dari penjelasan i atas dapat disimpulkanbahwa umlah gangguan ada

saluran ergantungpada

50

3020

1 0



28 PROCEEDINGSTB Yol. 21 No. I , 1988

a. Jumlah sambaranpada saluran,N1b. Probabilitas erjadinya lompatan api,Pp 1

c. Probabilitasperalihan ompatan api menjadi busurapi,4

Dengandemikian umlah gangguan apat ditulis Sebagai:

N, = 0,015 IKL (b + 4hr oe) .pp I .r l (6)

Untuk mengurangi probabilitas terjadinya lompatan api biasanya dipasangkawat tanah'pada saluran.Jadi, bila kilat menyambar kawat tanah, hanya aruskilat yang besaryang dapat menimbulkan lompatan api.

hobabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api dapat'dikurangi denganmemperpanjangalan

lompatan api, misalnyamenggunakan iang kayu.

hobabilitas distribusi arus kilat

Probabilitas distribusi harga puncak aruskilat diberikan oleh beberapapeneliti,antara ain oleh Popolansky (1970), yaitu

1Pt=, a e)

t+ (B) '

Tetapi untuk memudahkan penggunaannya elak, terutama dalamperhitungangangguankilat karenasambarannduksi, rumus Popolansky tu didekati denganfungsi eksponensial

I

^-3 t -

f r = € (8)

selanjutnya, persamaan 8) inilah yang digunakandalamperhitungangangguankilat akibat sambaran angsungdan sambaran nduksi padasaluranudara egang-an menengah.

Perhitungan gangguankilat akibat sambaran nduksi

Sampai saat ini telah banyak dilakukan penelitian, baik perhitungan teoritismaupun percobaandalam hubungan dengan egangan nduksi akibat sambarankilat tidak langsungatau sambaran nduksi. Penelitian-penelitian ersebut di-lakukanantara ainolehBewly (1951)dan Rusck 1958).

Dalam pembahasan-pembahasani bawah ini akan diberikan secarasingkatteori yang dikemukakan oleh Rusck (1958). Ia memperhitungkanpotensialskalar dan potensial vektor untuk menghitung tegangan nduksi akibat sam-baran tidak langsung.



PROCEEDINGSTB Vol.2 , No. I, 1988

Teganganpada saluranakibat sambaran nduksi

Untuk dapat menghitung tegangan ebih pada saluranakibat sambaran nduksi

terlebih dahulu harus diketahui medan elektromagnetisdari sambarankilat.Arus kilat pada tanah mempunyai waktu muka yang kecil dan ekor yang pan-jang. Selamaprosespelompatan kepala (stepped eader) suatu muatan 46 ter-distribusi secaramerata sepanjangkanal kilat (lightning channel). Kemudiansambaranbalik yang berupa su4'aarus denganbentuk fungsi langkah (stepped

function) bergerakke atas dengankecepatansamadengankecepatansinardanmenetralkan muatan yang ada padakanal kilat. Bila waktu muka dari aruskilattidak diperhatikan, pendekatan ini dapat digunakan untuk bagian bawah darikanal kilat, di mana variasi muatan dan kecepatan pada ketinggian di ataspermukaan anah dapat diabaikan.

Hubungan'antara rus s dan muatan{s adalah:

I o = c Q o ( 9 )

dengan

16 = hargapuncak arus kilat selamasambamnbalikc -- kecepatanmerambat sambaranbalikq9 = muatan listrik pada intasankilat per satuanpanjang

Denganbantuan pers:lmaanMaxwell, Rusck menurunkan besarpotensialskalarpenginduksi penurunan rinci dari persamaantu tidak diberikan di sini) sbb.:

dengan

- I Y , _ | , 1 . 26X 10 - 6 . , . , .zo=fr-

(uoleo)- -u (#ffii)r, (ilI= 30 ohm

h = tinggi kawat di atas anahco = kecepatanmerambat sinar

c = kecepatanmerambatsambaranbalikI = panjang otal jalan kilatr0 = jarak antarakawat dengansambaran ilatf = waktu

Jugaditurunkan besarpotensialvektor penginduksi,

V i n d = 2 Z o I o h ( c o ! - \ I Itv' '\r[OT+;7

, #t"=2zoro klc) h

JGD"+tt-Gl%fth

1 10)

(t2)




Daripersamaanl0) dan l2) diperoleh arga elombangegangannduksiuntuk masing-masingomponen, aitu

Vr= VinoG)+Yz,W

vz= vind(-x)Y,o+fo (13)

atau

vr =zo oh(clc) t j - r4qfW:r), l

v , r _x + ( c l c o ) 2 ( c o t - x )

,n l r f t

V, = V, (-x) (14)

Jadi umlah gelombangegangannduksiakibat sambaran ilat tidak langsungadalah

V=V.+V, (15)

Dalampersamaan14),

x = kordinat sepanjang awat;x = 0 adalah itik yang terdekat ke sambaran ilat

y = jarak kawat dengansambaran ilat vertikal.

Pada itik r = 0, yaitu titik terdekat ke sambaran, etelahsubstitusidalam per-

samaan I 4) dan ( l5), dan mengingatcf cs kecil, diperoleh hargamaksimum

zo lohI r+{ + . - - -J - - - - l (16)o ,^ak.=- y

- ', /2 co 11 r7r1r1^y .p l

Hargaclco = 0,1 sampai0,5, adi

zo lohVo,^^k , - ] - (1 ,07 1 ,38)

Dari persamaan | 6) nyata kelihatan bahwa tegangan nduksi tidak begitu ter-

gantung pada kecepatan merambat dari sambaranbalik kilat. Tegangannduksi

padasalurandi titik yang auh dari sambarandicapai bila x = + oo.

Bila harga ini diisikan ke dalam persamaan 14) dan kemudian dihitung tegang-

an induksi maksimum padatitik terjauh itu, diperoleh

z o l o h 3 0 I o hVi= V* ,^urs = - " - j - (17)



PROCEEDINGSTB VoL21. No. 1. 1988

Dalam perhitungan sela4iutnya, sebagai tegangan induksi akibat sambaraninduksi digunakan egangannduksi yang diberikan oleh persamaan 17). Dari

pcrsamaan ni terlihat bahwa harga maksimum tegangan nduksi tidak tergan-tung lagi padakecepatanmerambatdari sambaranbalik kilat.

Pengaruhkawat tanah terhadap tegangan nduksi

Dalam menghitung pengaruh kawat tanah terhadap tegangan nduksi diper-kenalkan Faktor Perisaian (FP) yang didefinisikan sebagaihasil bagi teganganinduksi dengankawat tanah dan tegangannduksi tanpa kawat tanah.

Kawat tanah ideal adalah kawat tanah yang mempunyai titik pengetanahanpada setiap titik sepa4jang awat tanah sehingga otensialnyasepanjang awatadalah nol. Pada kenyataannya idak ada kawat ideal, adi kawat tanah itumempunyaibeda eganganertentu terhadap anah.

Padapasal ini dibahas keadaan dengansatu kawat tanah dan tahanan kontaktiang sebesarR(gambar3). Diasumsikan idak terjadi pantulan padaujung salu-ran. Bila gelombang egangan ang timbul padakawat 2 (kawat tanah) sebelumdiketanahkanadalah vr, maka arus yang melalui impedansisetelahdiketanah-kan dengan ahananR

adalah

R + ( 2 2 2 1 2 ) ( 18 )

31

v21 2 =

2 .. kawat anah

Garnbar Saluran engan atukawat anah



PROCEEDINGSTB Vol. 21, No. I, 1988

dengan

V2 = tegangan nduksi padakawat 2 sebelumdi ketanahkan

222 = impedansisurja kawat 2R = tanah kontak ke tanah

12 = arusyang mengalirpadahubunganke tanah.

Arus ini memberikan kenaikan pada gelombang teganganpada kawat fasa IsebesarVz, yaitu:

, I ) 2 , ,AVz=zrz(--)=- rT#;vz ( le)

dengan Zt2 = impedansisurja bersama awat tanah dengankawat fasa.Jadi besar eganganpadakawat fasa I setelahkawat tanah 2 diketanahkan.

Vt ' = Vl + LV2 atau

2 , "Vr'= V, -

fn-*}; V, (20y

Jadi Faktor Perisaian FP) adalah

vr ' z rz vzFP=- i - - l - (21), r 2 R + 2 2 2 V r

dengan

Vr' = tegangan nduksi padakawat I setelahkehadirankawat tanah 2Z, = tegangan nduksi padakawat I sebelumkehadirankawat tanah2.

Karena tegangan nduksi sebelumdiketanahkan sebandingdengan inggi kawatdi atas anah, atau(V

rlV,)= (h

rlh1 ), makapersamaan21) menjadi

Z . h 2t r p _ l * _ t te Z )

2 R + 2 2 2 h r

dan persamaan20) menjadi

.z*h ,/, '= r T{e, i),, (23)

Dalampersamaan22) dan 23),ft, = tinggi rata-rata awat asa

{iatas anah

h, = tnggi rata-rata awat anah2 di atas anah.

Pacasaluran asa-tigadenganempat kawat, yaitu iiga kawat fasadan satu.kawatnetral,dantidak adakawat tanah,makapengaruh awatnetral tu ter-hadap egangannduksi padakawat fasasamasepertipengaruh awat tanah



PROCEEDINGSTB Vol. 21. No. I. 1988

padategangannduksi padakawat fasa.Dalam halini,tinggi kawat netral di atas

tanahh2 lebih rendah dari tinggi kawat fan ii1 sehingga esar aktor perisaian

lcbih besardibandingkanfaktor perisaiandari salurandengankawat tanah.Atla kalanya kawat netral tu dipasang i ataskawat fasa,samasepertikeduduk-

an kawat tanah. Dalam hal ini faktor perisaianakan lebih kecil, adi lebih baik.

Tetapi kawat netral yang dipasangdi ataskawat fasa akan mempertinggi iang

dan dengandemikianakanmemperbesarumlah sambaranangsung.

Bila di mmping kawat netral yang dipasangdi bawah kawat fasa a.dakawat

tanah yang dipasangdi ataskawat fasa,persamaan 23) tetap dapat digunakan.

Dalam hal terakhir ini 212 dan 222 harus dihitung untuk kawat gabungan

kawat tanahdan kawat netral dengan inggiekivalendari kawat gabungantu.

Perhitungan umlah gangguankilat akibat sambaran nduksi

Pandanglahsuatu kawat setinggi h di atas anah. Misalkanlahsuatu sambaran

kilat vertikal menyambar anahpada araky darikawat (gambar4).

Besaregangannduksi padakawat diberikanoleh persamaan I 7), yaitu

30 / , ( ' hv i= -n ' (17)

dengan

V, = tegangan nduksi padakawat (kv)

Io = besararuskilat (kA)

h = tinggirata-rata kawat di atas a,rah(m)

y = jarak horisontal antarasambaran ilat dengankawat (m)

Bila saluran itu dilengkapi dengan kawat tanah, maka besar tegangan nduksi

padakawat fasadiberikan oleh persamaan 23),yaitu

33

z.^ h"vi=(t-

2R+;trr ' (23)

dengan

Vi = tegangannduksi padakawat fasadengan awat tanah(kv)

Vi = tegangannduksi padakawat fasa anpakawat tanah kv)

222 = impedansi uqa sendirikawat tanah2 (ohm)

Z12 = impedansisuf a bersamaantara awat tanah 2 dan kawat fasa (ohm)

h 1= tinggi rata-rata awat fasa I di atas anah(m)

h2 = tinggi rata-ratakawat tanah 2 di atas anah (m)

R = tahanankontak tiang (ohm).



(})5

(a ) Tanpa kawat tanah

*

*tri

zA

at)

\ut

clF

ru:-

i\o!a

kawat asa

Gambar Saluran dara egangan enengah.

(b ) Satu kawat tanah



PROCEEDINGSTB Vot.21, No.L tgBS 35

Jumlah sambaranpadadaerahAy untuk panjang100 km saluran gambar4a),AN =0,01 IKL Ay

e4)Menurut persamaan 17), besar egangannduksi padakawat.30r^h

vi = -'c'-

Supaya egangannduksi samaatau melebihi ketahanan mpurs lolasi vs.vo,V

Io2 ff i , es\hobabilitas arusyang demikian

diperoleh dari persanlaang), yaituI o ,

- l - )

P r O = t' 3 4 '

atauprobabilitas terjadinya lompatan api,

.vswo^

P F L = r ' - t * 5 ; / t

Jadi, jumlahsambaranpada bidang Ly yang dapatmelebihi V5sv adalah

_ r v s v o y / rM p r = 0 , 0 1 5 I K L e t o2o " h

A , y

Bila Ay dibuat kecil sekali,Ay berubahmenjadidy danANp r berubahmenjadidNr t, dan setelahdilakukan ntegrasidari ^ io (= hl,0 9y sampai m aks (= takterhingga),untuk kedua sisisalurandiperoleh

(8)

(26)

menimbulkan tegangan

(27)

.V

rN . , =2 I

!J

2Jt ' oc

atau

- {n19%

p,o"r,2

. 5 1 0

N. , = 30,6IKL h---_-

- LJ v r v t t r L f t

l /, s ov oPersamaan28) adalahuntuk keadaan idak

ada kawat tanah. Bila adatanah,maka menurut persama n (23),

Vi=FPV,

301^ h=FPX

v

. vso%- \ - ! )

0,015 KLerozoh

dy

(28)

kawat



36

dengan

fP= pat

tor Perisaian,persamaan22)

Z r z h r ,=( l

TR+T' \ ,

Jadi, umlah lomPatanaPiadalah

, - t )o%-- oo o"s'5 l o F P

- 1J)9'1ro

,or1's l O

PROCEEDINGSTB Vol' 21' No' 1' 1988

(2e1

(30)

( 31 )

NF'L 30 '6 IKL 'FPh 'T

Sebagaimanadi je laskand imukat idaksemualompatanap idapatbera l ihn tenjadi busurapi ataugangguan' an besarnyu ungguuntu tergantungpadabesarnya

probabilitas n. ut"gffl;;iki"t 'l"iuli g;;ssuar akibat sambaran induksi

adalah

a.TanPakawat tanah:

e xn

gangguan er 100 km Per ahun

b. Dengankawat tanah:

N, = 30,6 KL h

N, = 30,6 KL'FP'h

vsoE"

- ,vsv/o_

2o,o"1'5 l0 .FP

e -=--- X rlvs'n

gangguan er 100km Per ahun'

Pe rs am aan (31 )be r l ak u j ugaun t uk s i s t em d i s t r i bus i f as a t i gadengank anetral anPakawat tanah'

Perhitungan gangguankilat akibat sambaran angsung

Umum

Teganganleb ihak ibatsambarank i la t , se la in tergantungpadaparameterk(arus puncak dan *;k; muka)' juga dipengaruhioleh jenis saluran

dan tiang

penopang.Jen issa luranada lahsa lurantanpat<a*at tanahdansa lurande

kawat tanah, dan jenis tiang penopangadaiah iang besi' tiang kayu' dan tiang

beton. Tiang xuvu uiuu u"i*, demikian juga lengan (crossarm) kayu mern-

pengaruhibesarnya ingkat ketahanan mpuls isolasisaluran'



PROCEEDINGSTB Vol. 21 No. I , 1988

Perhitungan-perhitungandilakukan berdasarkan enis tiang dan lengan besi.

Pengaruh penambahan tingkat ketahanan isolasi dari kayu atau beton dapat

ditambahkan epada ingkat ketahanan'impulssolasidari isolator.

Tahanan kontak tiang pada tiang-tiangyang diketanahkan mempengaruhi uga

teganganyang timbul pada isolator saluran. Dalam perhitungan, besar ahanan

kontak tiang yang diketanahkan diambil 20 ohm, tiang besiyang tidak diketa-

nahkan 100 ohm, dan tiang beton yang tidak diketanahkan500 ohm.

Padasambaranke kawat fasauntuk saluran tanpa kawat tanah hanya ditinjau

arus puncak kilat, sedangpada sambaranke kawat tanah pada salurandengan

kawat tanah, keduaparameter

kilat, aruspuncak,

danwaktu mukagelombang,

diperhitungkan.

Seperti disebut di muka, dimisalkan bahwa pada saluran dengankaWat tanah

tidak ada kegagalanperisaiankarena tinggi salurandi atas tanah relatifrendaht l0 meter) dan juga karena sudut perisaianbiasanya tidak terlalu besar(di

bawah60").

Padapasal-pasal i bawah ini akan dibahassaluran anpa kawat tanah dan salur-an dengan kawat tanah. Pengaruh iang beton atau tiang kayu pada umlah

ganggunakan disingggung

uga.

&luran tanry kawat tanah

Parameter sambaran kilat yang berpengaruh jika terjadi sambaran kilat pada

saluran tanpa kawat tanah adalah arus puncaknya, sedangkanpengaruh ke-curamanarus dapat diabaikan. Padasaluran anpa kawat tanah, sebagianbesarsambaran kilat terjadi pada konduktor, sementara sambaran langsung pada

tiang arang terjadi. Pada saluran dengankawat tanah dapat dianggapsemua

sambaran erjadi padatiang atau dekat tiang.

Selama terjadi sambaran pada kawat, suatu impedansi yang sama dengansetengahdari impedansi surja kawat Zol2 drhubungkanpada tempat sambaran.Besararuskilat pada tempat sambaran gambar 5) adalah

I = Iozk

(32)

37

,n*?dengan

I = besararus kilat padatempat tersambar1o = arus kilat bila kilat menyambar sesuatu

resistanceground)= impedansisurja kanal kilat= impedansi urjakawat.

zkZ

p

objek dengan ahanan nol (zero



38 PROCEEDINGSTB Vol. 21, No. 1, 1988

zp

zp

Gambar Distribusirus ilakilatmenyambarawat

Sebagaipendekatan, umumnya diambil Zn = Zrl2 sehinggapersamaan 32)

meqjadi

I = ol2 (33)

Karena itu, pada tiap sisi dari titik sambaran,besarnyaarus adalah nl4 dan

besarnya eganganyang timbul padakawat adalah

',=T',

lo

4

(341

Untuk menentukan probabilitas ompatan api, tegangan ada persamaan34)

dibandingkan dengankekuatan isolasi dari semua alan yang mungkin dari lom-

patan api isolasisaluran,

I-P- z 2v.n . (35)4 p " " ' "

Probabiltas arussamaatau melebihi10, atau probabilitas erjadinya ompatan

api,

_ / o^ 3 4

f F L = e

-Jv'-8 . 5= e P

Jumlah sambaran ilat padasalurandiberikanpadapersamaan5), yaitu

ly ' , = o,o15 IKL (b + 4 h\ 'oe) (5)

samba.raner100km per tahun



PROCEEDINGSTB Vol.21. No. I. 1988

Jumlah lompatan api adalah umlah sambarandikalikan probabilitas arus.yang

samadenganatau melebihi arus1o yang dapat menimbulkan lompatan api,o''*"

- t- - - l

NFL = 0.015 KL (b + 4 hr 'oe; es5 zp

'

Selanjutnya, bila probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api(power

arc ataupower follow) 4, maka umlah gangguan dalah

N r = N r L X r l = N r P p y e

atau

- ,vso%

-8 . 5 2

N, =0 , o l5 I KL ( b+4h r , oe ) e P X 4

Pada saluranudara dengan konfigurasi horisontal hampir semua sambaran er-

jadi pada kawat yang paling pinggir, sedangpada konfigurasi vertikal pada

kawat palingatas.

Pengaruh iang beton menambahtingkat ketahanan solasibeberapapuluhkV,

dan ini dapat ditambahkan kepada V5sv" dari isolator saluran. Tegangan em-busbeton basah iambil20 kVlcm.

Pada sistem yang netralnya tidak diketanahkan atau pada sistem yang dike-

tanahkan dengan kumparan Petersen dengan derajat tala sempurna, bahkan

pada saluranyang menggunakan iang kayu lompatan api pada satu fasa tidak

dapat mengakibatkangangguan aluran.Jadi, probabilitas gangguan ang terjadi

adalahgangguan asake fasaatau gangguan iga fasa.

Bila pelepasankilat terjadi pada kawat dekat tiang, arus kilat penuh sebesar

yang diperoleh padaobjek yang diketanahkan secara empurna,atau tahanan

R = 0, mulai mengalir melalui tahanan kontak tiang R dan badan tiang mem-

peroleh teganganhampir sama dengan,fsR. Kawat yang disambarkilat juga

mengalami tegangansama dengan16R, dan tegangan nduksi pada kawat dise-

belahnyamenjadi

K I o R

dengan'K = faktor gandengantarakawat luar dan kawat di tengah.

Dalam keadaan ni teganganyang bekedapada solasikawat kedua adalah

(36)

1oR( l - r ( )

lompatan apipada solasitu akan erjadibila

10R (1 - K)2 Vson

atau

(37\



40

V, nr^Io> p 11ft1

Jadi, umlah gangguan asake fasa,

-,vsvo

,

{= o , o l s I K L ( b + 4 h r , o e ) e

R ( r - K ) 3 4 '

PROCEEDINGSTB Vol.2l,No. I,1988

(38)

x r l (3e)

(40)

&luran dengan kawat tanah

Seperti diketahui, pemasangan awat tanah bertujuan untuk melindungikawatfasadari sambaran angsung ilat.

Seperti telah disebutkan, di sini dianggap semua sambaranmengenaikawattanah pada atau dekat tiang, baik tiang yang diketanahkanmaupun tiang yangtidak diketanahkan. Jumlah sambaranpada tiang yang diketanahkan diambilsamadenganumlah sambaranpada tiang yang tidak diketanahkan.

Juga telah disebutkan bahwa tiang yang diketanahkanmempunyai tahanankontak rata-rata 20 ohm, tiang besi yang tidak diketanahkanmempunyaitahanan ontak 100

ohm, dan iangbetonyang idak diketanahkan00 ohm.untuk sambaran ada tiang, kilat seolah-olahmenenrui mpedansisurjakawattanah dan impedansisurja tiang yang erhubungparalel.Setelah ilat menyam-bar tiang,gelombangmerambatke dasar iang.PadadaszLriang terjadipantulandan gelornbang antulan ni merarnbat e puncak tiang, empat a dipantulkankembali.Jadi,pada iangterjadi pantulanulang.

Sudah elas perhitungan tersebut sangat banyak dan memakan waktu yangsangat ama (Hutauruk, 1965). Karena tu, dan karena umlah gangguan adasurM akibat kilat tinggi dan juga tidak dibutuhkan perhitunganyang sangatteliti, maka rumus yang diLrstrlkan leh Razevig 19'19) di bawah ini sertlahcukup memadai.

v-^_' ) U-/o' o

R + 6/ , t

dengan

I0 = arus kilat minimum yang mengakibatkan ompatan api,kAVso% = kekuatan solasiminimum, kuR = tahanan kontak tiang,ohmy = koefisien yang ditentukan padadasarperbandingandenganhasil-t- -i l

Perhitunganmenurut rumus yang lebih teliti= 0.3 untuk satukawat tanah= 0,15 untuk duakawat anah



PROCEEDINGSTB Vot.21, No. t, 1988

h. = tinggi kawat tanah di atas anah, meter.

Dengan mengetahui besar arus minimum yang dapat menimbulkan lompatanapi balik (back flashover), dapat dicari probabilitas terjadinya lompatan api,yaitu,

_'r*o

E + 6ht) 34

4 l

P F L = €

Jadi' umlah gangguan kibat sambaran ilat langsungpadakawat tanah.

4= N , p p r e

_vsvo

= 0 , 0 1s I K L ( b + 4 h r , 0 s ) ,, * + 6 h t ) 3 4

X 1 7 ( 4 1 )dengan4 probabilitas peralihan dari lompatan api menjadi busur api yang me_nyebabkan angguan.

Besarnyaprobabilitas lompatan api barik pada sambaranke tiang yang diketa-nahkan tergantung padatahanankontak tiang. pada tiang yang tidak diketanah-kan, karena tahanan kontak tiang besar,maka hampir semua sambarankilat

pada iang yang tidak diketanahkan tu akan menyebabkan ompatan api balik.

5 Gangguankilat total pada saluran teganganmenengah

setelah membicarakan sambaran nduksi dan sambaran angsung pada kawatfasaatau kawat tanah padapasal-pasalang lalu, sekarang ita telah siapuntukmenghitung jumlah gangguanpada saluran udara teganlan menengahakibatsambaran ilat,

tro = Ni +N,(l )

dengan

No = jumlah gangguan ilatN1 = jumlah gangguanakibat sambarannduksi

{= jumlah ganggun akibat sambaranangsung.

Gangguankilat akibat sambaran nduksi diberikan oleh persamaan 30) dan(3 I ), berturut-turut untuk saruran anpa kawat tanahdan dengankawat tanah,

yangditulis kembali di bawah ni:i) Tanpakawat anah:

- ,vsobo

,,0,095 1 0" )

x 1 1, = 30,6 KL.h 9Ysvo (30)



42

ii ) Dengansatukawat tanah:

- ,!t&-_, o,o,,,l/, = 30,6 IKL.Fp.t e

sloFPt,---*-a;_

P,:l.rpersamaan30) dan 31),

IKL = jumlahhari guruhper tahun!

= tinggiawatluruiui"rlrr"n, metert = tinggi kawat

!, = "na;;;fi,:T'1.:,,"ilT"litti;metern

=probabilitas peraliha, fornp"r-"" api menjadi

Gangguankilat akiLdan (41), yaitu:

tat sambaranangsungdiberikan

i) Saluran anpakawat tanah:

{ =o,os KL b+4 ht,os)"- + x r7

yattu untuk gangguansatuasake tanah.Untuk gangguan

-'r*o

{= 0,015 KL (b + q 1, r ,0e1" * ( r - r l : i -

X 11ii) Salurandengansatukawat tanah b = 0).

rr/, 0,01 KL 4hrr,or), ;tr,xn

PROCEEDINGSITB Vot.2r,No. t, tgila

( 31 ;

busurapi atau gangguan.

olehpersamaan(36), (39).

(36)

fasa e fasa,

(3e)

( 41 \

Contoh perhitungangangguankilatDi sini akan dihiturvajtu suTM ,""o" lu.].:T'.un

tunt*uun kilat Rada iga macan

Jill.ix'i:tiil*'{*#,H*f;#,,'';3.d*#ftT:fr.fuhllun kontak iangadalah:R = 20ohrnuntuk iing besi taubetonyangdiketanahkan. = 100 hm ntuk

liune.rivunJiii'* o*.ra'ahkan. = 500ohmuntuk ong o.ton;;;fr* diketanahkan.



43PROCEEDINGSTB VoL2I,No. 1, 1988

| 0,85 | 0,85 I

Gambar Konf gurasiiangbetonSUTM anpakawat anah.




Gambar KonfigurasiiangbetonSUTMdengan awatnetral.



kawat tanah

PROCEEDINGS TB Vol. 21, No. I , 1988 45

Gambar8 Konfigurasiiang beton SUTMdengn kawat anah.



46 PROCEEDINGS TB VoL 21, No. I, 1988

Tabel3 Hasilperhitungan angguanilat untuk igamacam onfigurasiiang lKL = 100)

Jumlahgangguanuntuk konfigunsi tiang

Macam

tiang

Macam

gangguan

Keterangan

Tiang

Gbr.6

Tiang

Gbr.7

Tiang

GbrS

383270

323466

623597

N i

Nt

No

T iang

bes i

N i

Nt

No

Tiang

beton

39

3473

1 9

3352

22

3254

Catatan:

N, =lumlahgan(BU:rnki lat akibat sambaran rduksi per 100km-tahun.

Na = iumlah garEguan kilat akibat sambaran angsurg per 1OOkm-tahun.

NO =lumlah gangguan i lat padasaluranper 1OO m-tahun.

lmpedansisurjasendirikawat netralataukawat tanahdiambll 7" )=

500 ohm.Impedansisurja bersamaantara kawat fasadan kawat netral (eambarJ), Ztz =

216 ohm, dan impedansisuqjaantarakawat fasadan kawat tanah (gambar8),Zr2 = 150ohm. Ketahanan mpuls solasi solatorVsyvo= l60kV, tegangantembus beton = 20 kV/cm, dan tebal beton pada utup atasdan tutup bawahdiambil masing-masine ,5 cm. Perhitunsandilakukan untuk tians besi dantiang beton. Probabilitas eralihan ompatanapi menjadibusurapi,4 = 0,5.

Hasil perhitLngangangguan ilat untuk ketiga macamkonfigurasi iangdiberi-kan

dalam abel3.

Kesimpulan dan saran

Dari pembahasan an contoh perhitungan ang elah dilakukandapatlahditarikkes impulan i bawa h n i :

I Metodeperhitungan untuk menentukan umlah gangguan ilat padasaluranudara eganganmenengah elah dibahas. vletode ersebutsangat ederhana

dan hasilnya iharaokan ukup memadaiuntuk saluran eganganmenen th.2 Jumlahgangguan kilat induksi lebih banyak dari gangguan ilat langsu, ,

padasaluran anpakawat netralatau saluran anpakawat tanah.

3 Kawat netralatau kawat tanah menguraeisansguan ilat induksi sampaikira-

ktra 5O%.



PROCEEDINGSTB Vol.2l. No. I. 1988

Kawat netral atau kawat tanah praktis tidak dapat meneurangigangguan

kilat langsung.

Untuk memperoleh asil yang lehih teliti perhrditeliti tahanan ontak tiane

yang tidak diketanahkan.

RUJUKAN

Anderson,J.G., Transmission ine ReferenceBook,345 kV and Above, Elec-

tric PowerResearchnstitute, 2nd. ed., Chapter 12, 1982.

Auer, G. G. dkk., Investigation nd Evaluationof LightningProtectiveMethods

for Distribution Circuits, Part I: Model Study and Analysis, EEE, Yol.

PAS88, No. 8, August 1969,pp.1232_-38.

Ibid, Part I I : Appl icat ionand Evaluat ion,EEE, Vol . PAS -88, No.8,August

1969,pp. 1239-47

Bewly, L.Y., Traveling Waveson TransmissionSystems2nd. ed., John Wiley,

New York , 1951.

Eriksson,A.J., M.F, Stringfellow and D.V, Meal Lightning Induced Overvolta-geson Overhead ines, EEE, Vol . PAS- l0l , No.4, Apri l 1982,pp.960-

67 .

Hutauruk, T.S., Metode untuk MenghitungGangguanKilat padaKawat Trans-

misi Tegangan inggi,hoceedings TB,Yol.3, No. 3, 1965.

Popolansky, F., Measurementof Lightning Currents in Czechoslovakia nd the

Application of Obtanied Parameters n the Prediction of Lightning Outages

of EHV Transmission ines,Paris,CIGRE, 1970,Report 33-03, Yol.2.

Razevig,D.Y., High VoltageEngineering,Kahnna PublisersDelhi, 1979.

Rusck, S., Induced Lightning Overvoltageson Power Transmission Lines with

SpecialReference o the Over voltageProtection of Low Voltage Networks,

Trans.of ChalmersUniversityof TechnologyStockholm,Swedia,1958.

Uehara,Ken and Genichi Ohwa, Investigationof Lightning Damages n Distri-but ion Lines, EEE, Vol . PAS 87, No. 4, Apri l 1968,pp. l0l8-25.

Whitehead,E.R., hotection of Transmission inesLightning,Yol.2 Edited by

R.H. Golde,AcademicPress,New York, 1977.

47

kawat tanah sib

Documents

Transcript of kawat tanah sib