KOORDINASI ISOLASI

      A.   Pendahuluan

Persoalan isolasi adalah salah satu dari beberapa persoalan yang terpenting dalam teknik tenaga listrik pada umumnya dan teknik tegangan tinggi pada khususnya, oleh karena ia menyangkut persoalan pokok bidang teknik dan ekonomi.

Koordinasi isolasi dapat didefenisikan sebagai korelasi antara daya isolasi alat-alat dan sirkuit listrik di satu pihak dan karakteristik alat-alat pelindungnya di lain pihak, sehingga isolasi tersebut terlindung dari bahaya-bahaya tegangan lebih secara ekonomis. Koordinasi isolasi dinyatakan dalam bentuk langkah-langkah yang diambil untuk menghindarkan kerusakan terhadap alat-alat listrik karena tegangan lebih dan membatasi lompatan sehingga tak menimbulkan kerusakan terhadap alat-alat listrik dan karakteristik alat-alat pelindung terhadap tegangan lebih, yang masing-masing ditentukan oleh tingkat ketahanan impuls dan tingkat perlindungan impulsnya.

      

      Koordinasi isolasi mempunyai dua tujuan :

      1.      Perlindungan terhadap peralatan

      2.      Penghematan (ekonomi)

Oleh karena perlindungan bertujuan ekonomi pula, maka kedua tujuan tersebut disatukan menjadi satu tujuan : ekonomi, hal ini berlaku untuk semua masalah dalam bidang perlindungan. Dalam hal koordinasi isolasi, yang dituju ialah sebuah sistem tenaga listrik yang bagian-bagiannya, masing-masing dan satu sama lain, mempunyai daya isolasi yang diatur sedemikian rupa, sehingga dalam setiap kondisi operasi, kwalitas pelayanan (penyediaan) dicapai dengan biaya seminimum mungkin. Biaya peralatan yang dimaksud terdiri dari biaya pertama peralatan (first cost), biaya kerusakan, biaya pelayanan berhenti (outages),biaya penurunan dan penaikan kwalitas pelayanan.

     

      KARAKTERISTIK KOORDINASI

·        Dalam hal kemampuan isolasi untuk menghadapi surja hubung dan surja petir maka yang berperan adalah kemampuan isolasi terhadap kenaikan tegangan yang dikenakan padanya.

·        Dalam pengoperasian normal isolasi peralatan sistem tenaga ditentukan sesuai dengan tegangan kerja (kelas tegangan) dimana peralatan itu beroperasi.

·        Pengaman petir dan dan surja hubung memerlukan penetapan dari level tegangan yang disebut level tegangan shunt, yaitu perangkat pengaman seperti arrester.

·        Batas ketahanan impuls petir yang disebut sebagai Basic Impulse Level(BIL) adalah ketentuan untuk setiap sistem tegangan nominal dari berbagai peralatan.

·        Semua peralatan dan komponen-komponennya harus mempunyai BIL di atas level sistem proteksi, sesuai margin. Nilai batas ini biasanya ditentukan berdasarkan isolasi udara dengan metoda statistik.

·        Untuk peralatan yang bukan isolasi seperti trafo isolasi, batas margin batas margin ditetapkan berdasarkan metoda konvensional.

          B.   SEJARAH PERKEMBANGAN

      

    Sebelum perang dunia ke-1 koordinasi isolasi mendapat perhatian sedikit sekali dan sukar dapat dilaksanakan karena tidak adanya data pokok yang diperlukan. Sedikit sekali diketahui mengenai karakteristik petir dan saluran transmisi dan pengaruhnya pada peralatan tenaga. Lebih kurang lagi pengetahuan para insinyur mengenai daya isolasi peralatan itu sendiri terhadap petir, dan karakteristik alat-alat pelindung (terutama arrester petir) serta penerapannya belum benar-benar dimengerti. Akibatnya ialah bahwa cara mengisolasi adalah cara mencoba-coba (rule-of-thumb) belaka, sehingga ada bagian-bagian yang isolasinya kurang, sedangkan ada bagian-bagian yang isolasinya berkelebihan. Di Amerika Serikat tendensinya pada waktu itu adalah menaikkan isolasi pada jala-jala transmisi dan mengurangi isolasi peralatan di gardu. Hal ini tentu mengakibatkan banyaknya lompatan api terjadi pada peralatan tersebut.

        Dalam masa tiga puluh tahun sesudah itu dilakukan penyelidikan dan riset yang menghasilkan :

1. Penemuan sifat petir pada transmisi dan karakteristiknya pada waktu mendekati gardu.
2. Penentuan daya isolasi peralatan, bukan saja peralatan yang berisolasikan udara, misalnya isolator dan bushing, tetapi juga peralatan yang lebih sulit dan mahal, seperti trafo, bushing istimewa,dll.
3. Penemuan tegangan impuls standard dan cara pengujian trafo untuk menentukan daya impulsnya.
4. Karakteristik alat-alat pelindung terutama arrester dari hasil-hasil pengujian di lapangan surja arus petir (besar dan kecepatannya naik) ditetapkan, tingkat perlindungan arrester ditentukan dan dipakai dalam koordinasi isolasi.
5. Dengan ditetapkannya gelombang impuls standar dan dengan diketemukannya osilograp maka didapatkan data lain yang diperlukan guna memecahkan persoalan koordinasi isolasi, misalnya karakteristik volt-waktu dari isolasi dan peralatan, tingkat perlindungan dari arrester untuk bentuk gelombang yang beraneka ragam, karakteristik impuls dari udara (isolator, bushing, dsb)

f.        Penentuan tingkat isolasi impuls dasar (Basic Impulse Insulation Level, disingkat BIL) yang didefenisikan sebagai “tingkat-tingkat patokan (reference levels) dinyatakan dalam tegangan puncak impuls dengan gelombang standar.

     C.   PRINSIP DAN PENGERTIAN DASAR

            Rasionalisasi dari pada daya isolasi suatu sistem dan implementasi dari pada koordinasi isolasi menyangkut prinsip-prinsip tertentu yang di dalam prakteknya berupa aturan-aturan sebagai berikut :

      1.      Arrester petir  (lightning arrester) dipakai sebagai alat pelindung pokok.

      2.      Tegangan sistem mempunyai tiga harga :

a)      Tegangan nominal, b) Tegangan dasar (rated), dan c) Tegangan maksimum.

      3.      Ada dua macam sistem : yang netralnya diisolasikan (isolated neutral system) dan yang dibumikan secara efektif (effectively grounded system). Pada kedua sistem ini tegangan-transmisi maksimumnya dapat mencapai 105% dari tegangan dasar.

      4.      Tegangan dasar (rating) yang dipakai pada arrester adalah tegangan maksimum frekuensi rendah (50 c/s) di mana arrester tersebut bekerja dengan baik. Pada sistem terisolasi, arrester harus mempunyai tegangan dasar maksimum tidak melebihi tegangan dasar penuh atau arrester 100%. Pada sistem yang dibumikan, tegangan dasar maksimum dari pada arrester dapat diturunkan menjadi 80% dari tegangan sistem maksimum. Cara dan aplikasi khusus memungkinkan pemakaian arrester 75-80%.

      5.      Dalam penentuan isolasi trafo, dipakai isolasi yang dikurangi (reduced insulation), yaitu tingkat isolasi yang lebih rendah dari pada apa yang telah ditetapkan dalam standar seperti yang terdapat pada Tabel 

      

      6.     Dua unsur utama koordinasi isolasi yang penting ialah karakteristik volt waktu dari isolasi yang harus dilindungi dan karakteristik pelindung dari arrester. Pada tegangan tinggi sekali (EHV, UHV) ada dua pasang karakteristik yang perlu diperkatikan, satu untuk surja petir dan satu lagi untuk surja bubung.     

Kelas Referensi	BIL	80% BIL
(kV)	(kV)	(kV)
1.2	30	24
8.7	75	60
12	95	76
23	150	120
34.5	200	160
66	250	200
49	350	280
92	450	360
115	550	440
138	650	520
161	150	600
180	825	660
196	900	720
230	1050	840
260	1175	940
287	1300	1040
345	1550	1240

 Tabel Tingkat BIL Berdasrkan Tegangan Sistem

Dengan karakteristik isolasi dan karakteristik arrester dapat disusun suatu sistem pengaman yang terkoordinasi. Tegangan operasi proteksi harus lebih kecil dari tegangan tembus isolasi. Koordinasi antara kemampuan isolasi dan pengaman sistem ditentukan dengan Basic Insulation Level (BIL).

     D.   KARAKTERISTIK ALAT PELINDUNG

            Alat pelindung berfungsi melindungi peralatan tenaga listrik dengan cara membatasi surja (surge) tegangan lebih yang datang dan mengalirkannya ke tanah. Berhubungan dengan fungsinya itu ia harus dapat menahan tegangan sistem 50 c/s untuk waktu yang tak terbatas, dan harus dapat melakukan surja arus dengan tak merusaknya. Kecuali itu sebuah alat pelindung yang baik mempunyai ”protekctive-ratio” yang tinggi, yaitu  perbandingan antara tegangan surja maksimum yang diperbolehkan pada waktu pelepasan dan tegangan sistem 50 c/s maksimum yang dapat ditahan sesudah pelepasan (discharge) terjadi.

Gelombang surja merupakan suatu gelombang impuls tegangan yang melonjak dan merambat dari titik sumbernya berarah radial sepanjang penghantar.

Titik A merupakan besar amplitude gelombang surja yang dapat ditahan oleh isolator dan titik B untuk tanduk busur apinya. Fungsi dari tanduk busur api adalah melindungi isolator dari tegangan tembus yang disebabkan oleh gelombang surja.

Bila amplitude tegangan telah mencapai titik B, maka terjadi pelepasan muatan listrik (discharge) dari tanduk yang terhubung ke penghantar ke tanduk yang terhubunga ke bumi (grounding) yang menimbulkan loncatan api.

Karakteristik Alat Pelindung Sederhana

            Sela batang adalah alat pelindung yang paling sederhana. Sela ini diadakan oleh dua buah batang logam yang mempunyai penampang tertentu (biasanya persegi), yang satu dihubungkan dengan kawat transmisi, satunya dihubungkan dengan tanah. Keuntungan dari sela batang ialah bentuknya yang sederhana, mudah dibuat dan kuat (rugged). Cacadnya ialah bahwa sekali terjadi percikan karena tegangan lebih, api timbul terus meskipun tegangan lebihnya sudah tidak ada. Oleh sebab itu sirkuit harus diputus terlebih dahulu untuk menghentikan percikan api tersebut. Kecuali itu tegangan gagalnya naik lebih tinggi dari pada isolasi yang dilindunginya untuk gelombang yang curam

Oleh karena itu sela batang dapat dipakai sebagai perlindungan cadangan (back-up protection) atau dalam kombinasi dengan CB (circuit breaker) yang mempunyai kecepatan menutup kembali (sesudah dibuka) yang tinggi (high-speed recluse operation). Sekarang sela batang masih dipakai terutama guna melindungi CB dalam keadaan terbuka terhadap pukulan petir.

     E.   KARAKTERISTIK ISOLASI

Dengan bertambahnya waktu maka kemampuan menahan tegangan dari isolasi semakin menurun. Agar tidak terjadi kerusakan atau tegangan tembus pada isolasi, maka tegangan lebih dijaga lebih kecil dari tegangan tembus (breakdown) isolasi.

Bila VS(t) adalah amplitude tegangan gelombang surja dan Vi(t) kemampuan menahan tegangan isolasi, dengan visualisasi Gambar 2, titik D adalah amplitude gelombang surja yang telah mencapai tegangan tembus isolasi pada waktu tD (VS(t) = Vi(t)).  

      F.    PENERAPAN ARRESTER

            Gangguan surja petir merupakan salah satu gangguan alamiah yang akan dialami sistem tenaga listrik, dan salah satu metode untuk mengatasinya yaitu dengan menggunakan peralatan proteksi arrester.

Arrester ini bekerja dengan mengimplementasikan resistor nonlinier yang mempunyai nilai yang besar untuk peralatan listrik dari tegangan yang berlebihan dari petir. Pada saat sparkover maka tegangan akan turun dan tegangan residu arus discharge. Besarnya nilai sparkover dan tegangan residu arusnya tergantung dari karakteristik arrester yang digunakan.

            Agar pemakaian arrester dalam koordinasi isolasi dapat memberikan hasil yang maksimal perlu diikuti azas-azas berikut :

a)      Sebagai disinggung dimuka tegangan dasar 50c/s daripada arrester dipilih sedemikian rupa sehingga nilainya tidak dilampaui pada waktu dipakai, baik dalam keadaan normal maupun hubung singkat.

b)      Arrester ini akan memberikan perlindungan bila ada selisih (margin) yang cukup antara tingkat arrester dan peralatan.

c)      Arrester harus dipasang sedekat mungkin kepada peralatan utama dan tahanan tanahnya rendah.

d)      Kapasitas termis arrester harus dapat meneruskan arus besar yang berasal dari simpanan tenaga yang terdapat dalam saluran yang panjang.

e)      Jatuh tegangan maksimum dari arrester dipakai sebagai tingkat perlindungan arrester (bukan jatuh tegangan rata-rata)

f)        Sebuah harga tegangan pelepasan arus petir harus ditetapkan untuk menentukan tingkat perlindungan arrester yang harus dikoordinasikan dengan BIL sekarang dipakai 2 macam arus : 5000 A dan 10000 A

g)      Pengaruh dari sejumlah kawat (multiple-lines) dalam melindungi kegawatan petir pada gardu perlu diperhatikan pada penerapan arrester.

h)      Bila ada keragu-raguan mengenai kemampuan 50 c/s dari arrester, maka sejumlah persentase ditambahkan pada harga yang dihitung atau ditetapkan untuk arrester. Sekarang masih dipakai 10%.

Selisih antara BIL isolasi yang harus dilindungi dan tegangan maksimum yang terjadi pada arrester adalah persoalan yang banyak dibicarakan, karena banyak faktor yang perlu diperhatikan antara lain :

a.       Tegangan gagal  ditentukan oleh kecepatan naiknya tegangan.

b.      Tegangan pelepasan ditentukan oleh kecepatan naiknya arus surja dan besarnya arus surja tersebut.

c.       Jarak antara arrester dan isolasi yang harus dilindungi mempengaruhi besarnya tegangan yang sampai pada isolasi tersebut.

Kegawatan surja tergantung baik buruknya perlindungan terhadap gardu, tingkat isolasi dardu dan isolasi kawat transmisi yang masuk ke gardu.

Untuk mendownload versi word klik di sinii,,,,
Untuk mendownload versi power point klik di sinii,,,