2.Pembumian Netral Sistem

Masalah Pentanahan Netral Sistem TM 20 kV Dipasok oleh PLTD Skala Kecil Proteksi 24 Juli 03

Seminar

MASALAH PENTANAHAN NETRAL SISTEM TEGANGAN MENENGAH 20 20 kV DIPASOK DARI PLTD SKALA KECIL *) Pribadi Kadarisman PT PLN Persero) Kantor Pusat

Oleh Kartawan Muchtar PT PLN (Persero) (Persero) Jasdik

Wahyudi Sarimun.N PT PLN (Persero) (Persero) Jasdik

ABSTRAK

Pentanahan sistem pada Sistem Tenaga Listrik mulai dari Pusat Listrik sampai dengan gardu Distribusi , sangat diperlukan., Pentanahan pada sistem Tegangan Rendah digunakan untuk mengurangi tegangan sentuh kalau pada peralatan listrik pelanggan mengalami kebocoran listrik. Pentanahan pada sistem Tegangan Tinggi atau Tegangan Menengah digunakan untuk mengurangi arus hubung singkat jika terjadi gangguan satu fasa ketanah. Pemasangan pentanahan sistem dapat dipasang di Generator atau transformator tenaga dengan hubungan belitan wye (Y), untuk sistem kelistrikan kecil pentanahan ini tidak diperlukan (floating), tetapi untuk sistem yang besar perlu sekali sistem pentanahan seperti pentanahan mempergunakan Resistansi, Peteson coil dan solid. Pemilihan pentanahan yang akan dipasang perlu melihat pasokan daya dari Pusat Listrik ke beban dan besarnya arus gangguan fasa ketanah, misalnya yang sekarang banyak di anut oleh sistem kelistrikan di Indonesia mempergunakan tahanan 40 Ohm. Hal ini jika terjadi gangguan 1 φ - ketanah, pada sistem besar seperti di Jawa tidak berpengaruh pada mesin-mesin penggerak mulanya (prime-over), tetapi untuk sistem kecil yang dipasok dari PLTD beroperasi isolated tersebar di pulau-pulau kecil sangat berpengaruh sekali terhadap mesin penggerak mulanya.Hal i ni terjadi karena pada saat gangguan 1 fasa - ketanah menyebabkan terjadinya gaya lintang unbalance pada poros generator mesin yang menimbulkan moment lentur cukup besar, sehingga terjadi tegangan lentur berlebihan antara generator dan crankshaft, yang menyebabkan konsentrasi tegangan, pada bagian-bagian crankshaft dan bearing. Bagian-bagian inilah yang sering mengalami kerusakan. Kejadian seperti tersebut diatas sangat merugikan jika terjadi gangguan satu fasa ketanah yang dapat merusak mesin PLTD (prime over), sehingga pasokan daya dari Pusat listrik terhenti. Pada makalah ini, mencoba mempelajari terjadi terj adi gangguan 1φ - ketanah yang menyebabkan kerusakan pada mesin PLTD dan pada lampiran memberikan perbandingan sistem pentanahan (mengambang, pentanahan Resistans, pentanahan Peterson Coil, dan pentanahan pentanahan Solid).

Kata kunci: Pentanahan netral, Arus gangguan 1Φ - ketanah *)

I.

= Disampaikan pada Lokakarya forum Proteksi

PENDAHULUAN

Jaringan distribusi primer 20 kV di Indonesia ada yang mempergunakan saluran kabel bawah tanah dan Sebagian besar (70%) mempergunakan saluran udara Tegangan Menengah (SUTM) yang melintasi udara udara terbuka, terbuka, pada jaringan ini ini banyak gangguan-gangguan yang tak dapat dihindari seperti gangguan karena petir atau gangguan yang diakibatkan pepohonan dan binatang. Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya hubung singkat antar fasa (3 fasa atau 2 fasa) atau gangguan hubung singkat 1 fasa ke tanah, yang dapat bersifat Pribadi .K, Kartawan Muchtar & Wahyudi SN

Temporair (non persistant) atau permanent (persistant). Gangguan yang permanen misalnya hubung singkat dapat terjadi pada kabel, belitan trafo atau belitan generator karena tembusnya (break downnya) isolasi padat. Di sini pada titik gangguan memang terjadi kerusakan yang permanen. Peralatan yang terganggu tersebut baru bisa dioperasikan kembali setelah bagian yang rusak diperbaiki atau diganti. Pada gangguan yang temporer, tidak ada kerusakan yang permanen di titik gangguan. Gangguan ini misalnya berupa flashover antara penghantar fasa dan tanah (tiang, 1


travers atau kawat tanah pada SUTM) karena sambaran petir, atau flashover dengan pohon-pohon yang tertiup angin dan sebagainya. Pada gangguan ini yang tembus (breakdown) adalah isolasi udaranya, oleh karena itu tidak ada kerusakan yang permanen. Setelah arus gangguannya terputus, misalnya karena terbukanya circuit breaker oleh relay pengamannya, peralatan atau saluran yang terganggu tersebut siap dioperasikan kembali. Jika terjadi gangguan 2 fasa, arus hubung singkatnya biasanya lebih kecil daripada arus hubung singkat 3 fasa. Kalau tahanan gangguan diabaikan arus hubung singkat 2 fasa kira-kira : ½ √3 (=0,866) kali arus hubung singkat 3 fasa. Jika terjadi gangguan 1 fasa-tanah, Arus gangguan 1 fasa ke tanah hampir selalu lebih kecil daripada arus hubung singkat 3 fasa, karena di samping impedansi urutan nolnya pada umumnya lebih besar daripada impedansi urutan positifnya, gangguan tanah hampir selalu melalui tahanan gangguan, misalnya beberapa ohm yaitu tahanan pentanahan kaki tiang dalam hal flashover dengan tiang atau kawat tanah, atau beberapa puluh atau ratusan ohm dalam hal flashover dengan pohon. Di samping itu untuk sistem dengan pentanahan melalui tahanan yang terpasang pada generator atau transformator yang dihubungkan Y, tahanan pentanahan netral itu juga akan membatasi arus gangguan 1 fasa ke tanah. II. PENTANAHAN MEMPERGUNAKAN TAHANAN

Gangguan 3 fasa dan gangguan 2 fasa dapat yang terjadi pada jaringan distibusi 20 kV dapat di clear kan oleh Over Current Relay yang terpasang di outgoing feeder, tetapi gangguan 1 fasa ke tanah dapat di clearkan oleh Ground Fault Relay. Pada Sistem Tenaga Listrik yang dipasok dari Pusat listrik dan transformator dipasang bermacam-macam pentanahan, antara lain: Tanpa pentanahan (Floating), Pentanahan melalui Peterson coil, Pentanahan solid dan Pentanahan melalui Tahanan. Penjelasan tentang kerugian dan keuntungan dari bermacam-macam pentanahan da pat dilihat pada lampiran.

Pribadi .K, Kartawan Muchtar & Wahyudi SN

Seminar

Pada bab ini menjelaskan tentang pentanahan sistem tenaga Listrik yang terpasang pada sistem distribusi Primer 20 kV di Gardu Induk atau pada sistem isolated yang dipasok oleh PLTD skala kecil. Berdasarkan standar PLN no 2 tahun 1978, standar PLN no 12 tahun 1980, standar PLN no 26 tahun 1980 , bahwa pentanahan netral sistem Distribusi tegangan menengah (20 kV) ada bermacam-macam pentanahan seperti berlaku di PLN Distribusi Jawa Timur ditanahkan melalui tahanan tinggi (500 Ohm), di Jawa Tengah dengan sistem Distribusi 3 fasa 4 kawat mempergunakan pentanahan langsung sepanjang jaringan (pentanahan efektif) dan di PLN Distribusi Jaya dan Wilayah-wilayah PLN diluar Jawa sistem pentanahannya melalui tahanan 40 Ohm atau 12 Ohm Pemilihan nilai 40 Ohm ini pada awalnya berpegang kepada perlunya gangguan tanah diselesaikan dengan bekerjanya Relai Gangguan Tanah yang lebih pasti dan selektif. Namun demikian besarnya arus gangguan tanah perlu dibatasi agar tidak terlalu besar yaitu sebesar arus nominal Trafo daya terbesar pada waktu itu (tahun 70 an), sehingga didapatkan nilai 40 Ohm ini. Ternyata sesuai SPLN tersebut diatas pentanahan ini dianut pula oleh sistem Distribusi 20 kV yang dipasok dari Pusat Listrik Tenaga Diesel Skala kecil. Seperti telah diketahui secara umum, setiap kali kejadian gangguan satu fasa ketanah pada sistem pentanahan Netral melalui Tahanah (murni), sistem pembangkitannya pasti mendapat tambahan beban resistif (MW) yang mempunyai beban tak seimbang (unbalance), karena arus gangguan 1 fasa ketanah yang melewati tahanan pada generator yang dihubungkan ketanah. Jika kapasitas pembangkitan yang cukup besar seperti di sistem kelistrikan Jawa, sebagian di Sumatra, Sulawesi dan sebagian kecil di Kalimantan, tambahan beban unbalance ini tidak banyak berarti terhadap mesin-mesin penggerak mulanya. Tetapi untuk sistem kecil yang beroperasi isolated dan tersebar di pulau-pulai kecil di Indonesia yang dipasok oleh PLTD skala kecil dimana beban resistif tambahan yang terbentuk akibat gangguan 1 fasa ketanah di jaringan Distribusi tegangan menengah, besar kemungkinan nilai MW yang diserap lebih besar dari kapasitas pembangkit 3 fasanya. 2


Hal ini dapat dihitung mempergunakan persamaan berikut:

P (Watt) =

V p2h R

Seminar

dengan sebagai

disepanjang poros generator + Mesin (cranchshaft), yang dapat menimbulkan beban lendutan (defleksi). Pada poros terjadi tegangan lentur + puntir yang berlebih terutama pada bagian-bagian kritis yang mengalami konsentrasi tegangan, seperti pada bantalan crankshaft, bantalan connecting rod (dapat menyebabkan patah). Seperti terlihat pada gambar 2 dibawah.

Watt

Dimana: P = Daya yang diserap oleh mesin (Watt) V = Tegangan fasa – netral (Volt) R = Tahanan pentanahan yang terpasang di trafo hubungan Y (Ohm)

Connecting rod

P

Jika mesin dengan daya 3 MW pentanahan 40 Ohm maka daya yang diserap (selain beban) sebesar:

P=

(20 / 3 ) 2 40

= 3,33 MW

Bantalan

Selanjutnya gangguan 1 fasa tanah dapat merusak mesin (prime over). Gejala kerusakan pada mesin adalah:  Terjadinya gangguan satu fasa ketanah  Mesin tidak mengalami “overload” atau “underspeed” mesin tidak trip  Mesin baru trip setelah mengalami kerusakan pada bagian yang terhubung dengan crankshaft Kemungkinan penyebab kerusakan pada mesin (prime over). Fasa R

P

Pg1 Fasa T PX2 PX1

Pg2

Fasa S

Gambar 1 : Potongan rotor dan stator

Dari gambar 1 diatas bahwa 1. gaya Pg1 dan Pg 2 saling menghilangkan , dan beban gaya PX1 + P X2 << P 2. Gaya lateral P (gaya lintang) yang besar menyebabkan momen lentur Pribadi .K, Kartawan Muchtar & Wahyudi SN

Moment lentur

Gen

Gambar 2: potongan cranckshaft dan generator

Pada Gambar 2 diatas bahwa Generator terkena gaya tekan P yang cukup besar dan “unbalance” yang mengakibatkan beban lendutan sepanjang poros mesin + generator, jika terjadi konsentrasi tegangan berlebihan pada bagian cranckshaft dan connecting rod, maka akan mengalami kerusakan. Pada umumnya Kondisi ini mulai dikeluhkan oleh PLN unit yang mengelola PLTD skala kecil, khususnya oleh PLN Unit pembangkit dibawah PT PLN (Persero) Wilayah Maluku. Dari data statistik gangguan mesin penggerak Diesel skala kecil yang dikumpulkan dan dimonitor oleh PLN Wilayah Maluku menunjukkan bahwa kerusakan disisi piston mesin (bearing ataupun rod pistonnya) terjadi pada pembangkit berkaitan dengan kejadian gangguan 1 fasa ketanah di jaringan Distribusi 20 kV nya. Untuk mengatasi hal tersebut diatas perlu memperbesar tahanan pentanahan sebesar 500 Ohm yang terpasang di Generator atau Transformator dengan Wye (Y). Jika terjadi gangguan 1 fasa ke tanah sesuai persamaan diatas untuk mesin yang mempunyai daya 3 MW daya yang diserap mesin sebesar:

P=

(20000/ 3 ) 2 500

= 0,266 MW

3


Seminar

(kW)

Nilai daya yang diserap oleh Mesin akibat gangguan 1 fasa ketanah sebesar 0,266 MW, masih dibawah daya mesin sebesar 3 MW hal ini tidak menghentikan generator dan GFR yang terpasang dapat bekerja dengan baik Dengan uraian tersebut diatas bahwa pemakaian tahanan pentanahan 500 Ohm yang terpasang pada mesin PLTD skala kecil sangat baik dibandingkan tahanan pentanahan 40 Ohm III. Contoh: Pengaruh gangguan satu fasa ke tanah yang dipasok dari PLTD dengan daya 1,5 MVA tegangan 6,3 kV dengan pentanahan mempergunakan tahanan 500 Ohm, gangguan ada dilokasi C A

B

C

Data-data 1. PLTD: A : 1,5 MVA, 6,3 kV, Xd’ = 2,5%, NGR = 500 Ohm B : 1,5 MVA, 6,3 kV, Xd = 2,5%, NGR = 500 Ohm 2. Impedansi jaringan: a. Jaringan AC & Jaringan BC Z1 = Z2 = 2,811 + j 4,297 Ohm Zo = 4,720 + j 21,034 Ohm b. Z1 = Z2 = 5,621 + j 8,596 Ohm Zo = 9,4406 + j 42,068 Ohm 1. Pentanahan mempergunakan tahanan 500 Ohm Tabel 1 Kap kVA Gen- A 1500 Gen- B 1000

Kap/ fasa

Power Power (R) (S)

Power (T)

Power Ter serap kVA (kWatt) (kWatt) (kWatt) (kW) 500

283,38

8,922

6,454

298,75

333,3 223,03 -6,454 -8,922 207,65 506,40 0,000

0,000

506,40

2. Tahanan mempergunakan tahanan 40 Ohm Tabel 2 Kap

Kap/ fasa

Power (R)

Power (S)

Power (T)

kVA

kVA (kWatt) (kWatt) (kWatt) serap

Gen- A 1500 Gen- B 1000

500

584,87 -31,76 84,930 638,042

333,3 472,017 31,76 84,930 418,835 1056,9 0,000

0,000 1056,87

Hasil perhitungan tersebut diatas, terlihat bahwa terjadi pergeseran besar dan vektor tegangan fasa yang terganggu satu fasa ketanah Pada tabel 1 pentanahan yang mempergunakan tahanan 500 Ohm daya yang terserap oleh tahanan pentanahan dengan daya dua mesin sebesar 2500 kW sebesar 506,40 kW, hal ini generator tidak overload. Bila dilihat nilai Power (kW) satu fasa yang diserap dari generator akibat gangguan satu fasa ketanah ini tidaklah sampai melampaui kapasitas generator perfasa Jadi penguatan yang terdapat di rotor tidak terbebani terlalu besar akibat gangguan 1 fasa ke tanah di fasa S, tetapi sebaliknya dengan mempergunakan pentanahan 40 Ohm seperti terlihat pada tabel 2 mesin akan terbebani sebesar 1056,9 kW. Hal ini penguatan rotor mengeluarkan daya aktif terlalu besar yang dapat merusak gulungan dan pada saat terjadi gangguan rotor dapat berhenti, tetapi mesin penggerak mula (PLTD) tetap berjalan, hal inilah mesin diesel dapat patah pistonnya atau bearingnya terbawa keatas, selanjutnya dapat merusak mesin tersebut.

IV. KESIMPULAN 1.

Pentanahan yang mempergunakan tahanan 40 Ohm, tidak cocok dipergunakan untuk Pembangkitan yang mempunyai daya kecil, tetapi baik untuk pasokan daya yang mempunyai daya besar. 2. Pentanahan yang mempergunakan tahanan 500 Ohm, baik untuk Pembangkitan yang mempunyai daya kecil, jika terjadi gangguan 1 fasa – ketanah daya terserap masih lebih kecil daya generator. Hal ini tidak merusak generator dan GFR dapat merespon adanya gangguan. 3. SPLN No 2 tahun 1978 dan SPLN no 12 tahun 1980 perlu dikaji ulang, supaya Unit-unit PLN yang mempunyai PLTD kecil mempunyai pegangan untuk tahanan pentanahan netral.

Power Ter


4


BUKU PUSTAKA

1. Standar PLN No 88 tahun 1991 SPLN No 2 tahun 1978 dan SPLN no 12 tahun 1980


Seminar

2. Alstom; Protective Relays Application Guide 1995 3. John j. Grainger, Wiiliam D. Stevenson JR; Power system Analysis 1994 4. Ir. H. Komari dan Pribadi Kadarisman makalah: Kegagalan Proteksi sistem Distribusi 1998 5. Pribadi Kadarisman dan Wahyudi Sarimun.N makalah: keandalan sistem distribusi primer 20 KV dengan cara penyetelan OCR dan GFR pada incoming dan Outgoing feeder mempergunakan program sederhana excel, 2003

5


Seminar

LAMPIRAN

TINJAUAN KOMPONEN ARUS, TEGANGAN PADA BERBAGAI MACAM PENTANAHAN SEWAKTU GANGGUAN SATU FASA KETANAH.

Gangguan satu fasa ketanah secara statistik diketahui yang paling banyak terjadi pada jaringan dengan konduktor terbuka yang digelar di alam bebas. Penyebab gangguan itu bisa karena sambaran petir yang diiukuti dengan power follow current, tersentuh dahan pohon, binatang dan lain-lain. Pengamanan terhadap gangguan satu fasa ketanah tentunya menjadi perhatian bagi Perusahaan Listrik, mengingat kemungkinan kejadiannya menjadi yang terbesar. Besar arus gangguan tanah menjadi tergantung dari sistem pentanahan netralnya. Tegangan fasa yang sehat perlu pula menjadi tinjauan untuk diperhitungkan terhadap kekuatan isolasi peralatan instalasi penyaluran maupun peralatan instalasi konsumen. Disamping itu perlu pula diperhatikan pengaruh besar arus gangguan satu fasa ketanah terhadap mesin kecil-kecil yang memasok jaringan Distribusi TM untuk masing-masing sistem pentanahan netralnya. Penjelasan macam-macam pentanahan yang terpasang pada sistem Tenaga Listrik dapat dilihat dibawah ini:

1.

KOMPONEN ARUS, TEGANGAN DAN POWER PADA NETRAL MENGAMBANG (FLOATING) SEWAKTU GANGGUAN SATU FASA KETANAH

Pada suatu sistem kelistrikan dengan Netral mengambang, arus gangguan satu fasa ketanah di titik gangguan mengalir arus kapasitif fasa yang sehat dari jaringan untuk kembali ke sumbernya. Arus kapasitif ini tidak hanya dari kapasitansi penyulang yang terganggu tetapi juga dari kapasitansi penyulang yang sehat, dan besarnya tidak tergantung dari lokasi gangguan. Karenanya, arus kapasitif ini tidak bisa dipakai untuk mengerjakan Relai gangguan tanah secara selektif memisahkan penyulang yang terganggu dari sistem yang masih sehat, sehingga gangguan tanah dicari dengan cara coba-coba. Untuk 1, 2 sampai 3 penyulang, dimana masing-masing penyulang mempunyai nilai kapasitansi yang kecil saja, akan menghasilkan arus kapasitif di titik gangguan tanah juga kecil saja yang akan clear dengan sendirinya bila terjadi gangguan tanah yang sifatnya temporer. Dalam hal mencari penyulang yang terganggu satu fasa ketanah permanen di jaringan dengan membuka PMT satu persatu penyulang masih tidak menjadi masalah. Tetapi kalau sudah banyak penyulang yang tersambung pada satu bus, mungkin akan sebanyak jumlah penyulang yang ada terpaksa dipadamkan hanya untuk mengetahui penyulang mana yang terganggu. Uraian vektor arus kapasitf jaringan sewaktu gangguan satu fasa ketanah dapat dilihat pada gambar dibawah ini : C

B VBN

N

C

B N

VCN

VBG

VCG VNG

VAN ICC ICT A Pribadi .K, Kartawan Muchtar & Wahyudi SN

Gambar 1: Vektor tegangan sistem kondisi normal

A,G ICB

Gambar 2: Vektor tegangan dan arus saat gangguan tanah

6


Seminar

Dalam keadaan normal, dan dengan menganggap kapasitansi tiap fasa dari jaringan sama besar, maka besar tegangan tiap fasanya ketanah sama dengan besar tegangan tiap fasa ke Netral, dan vektor tegangan sistem VAN, VBN, VCN dapat dilihat seperti pada gambar 1. Dalam keadaan gangguan satu fasa ketanah (misalnya fasa A), maka potensial fasa A akan berimpit dengan tanah (G) sekaligus kapasitansi jaringan fasa A terhubung singkat ketanah oleh gangguan tersebut, sehingga tegangan N (netral), fasa B dan fasa C terhadap tanah akan naik seperti digam barkan sebagai V NG, VBG, VCG di gambar 2. pada kondisi ini terlihat bahwa tegangan fasa yang sehat (fasa B dan fasa C) naik sebesar √3 kali tegangan Eph. Hal inilah yang mengharuskan kelas isolasi dari peralatan instalasi berpegang kepada tegangan fasa-fasa. Belum lagi akibat arus kapasitif yang mengalir di titik gangguan, jumlah penyulang yang banyak dan panjang akan menghasilkan arus kapasitif total cukup besar, gangguan satu fasa ketanah yang ter-putus-putus (arc), sementara tegangan fasa sehat yang masih bertahan sebesar √3 terhadap tanah, maka sewaktu sinusoidal arus kapasitif yang mengalir di fasa A sedang berada pada level nol, se-olah-olah fasa A terlepas hubungannya dari tanah, pada saat yang singkat itu tegangan fasa A seperti terlempar berputar dengan garis sumbu yang menyinggung titik tegangan fasa B dan fasa C. Naiknya tegangan fasa A dengan cara demikian, membuat fasa A di titik gangguan terpukul arc kembali (restricking) dan kejadian ini berulang pada setiap siklus sinusoidal arus gangguan kapasitif di fasa A. Peristiwa ini biasa disebut dengan arcing ground dimana tegangan fasa yang terganggu ke tanah sesaat dan berulang kali bisa naik sampai 3xEph yang membahayakan isolasi peralatan instalasi. A

VAG

N C

B

Sumbu putar

N VBG

VCG VNG

ICC ICT

A,G ICB

Gambar 3: Vektor tegangan saat sinusoidal arus kapasitif melalui nol pada kejadian arcing ground

Kalau panjang jaringan distribusi TM tidak terlalu panjang, arus gangguan kapasitif sewaktu gangguan satu fasa ketanah temporer tidak terlalu besar (beberapa amper saja), maka gangguan tanah tersebut dapat clear sendiri tanpa harus ada pemutusan penyulang, sedangkan untuk gangguan satu fasa ketanah yang permanen, maka sistem penyaluran distribusi masih dapat berjalan selama gangguan satu fasa ketanah terjadi sementara konsumen tidak merasakan adanya gangguan tanah tersebut. Kalau gangguan tanah itu terjadi akibat kawat fasa putus jatuh ketanah, maka selama Pribadi .K, Kartawan Muchtar & Wahyudi SN

7


Seminar

kawat fasa itu tidak diangkat oleh manusia, tidak menjadi masalah, tetapi bila kawat fasa tersebut diangkat oleh manusia sehingga terlepas hubungannya dengan tanah, maka kawat fasa itu akan kembali bertegangan yang membahayakan manusia. Penyelesaian masalah diatas adalah dengan memasang Relai Tegangan Lebih gangguan tanah di Bus TM yang mentripkan semua Penyulang (untuk jumlah penyulang yang tidak terlalu banyak), kemudian gangguan tanah dicari pada satu persatu penyulang. Gangguan tanah yang terjadi tidak menyerap Power dari Generator, karena arus gangguannya adalah arus kapasitif.

2.

KOMPONEN ARUS, TEGANGAN PADA SISTEM PENTANAHAN NETRAL MELALUI TAHANAN SEWAKTU GANGGUAN SATU FASA KETANAH.

Dalam usaha mengurangi kemungkinan terjadinya cross country fault pada sistem dengan netral mengambang atau pentanahan netral melalui Peterson Coil, gangguan tanah yang pertama kali terjadi didalam sistem perlu di clear kan oleh Relai Gangguan Tanah. Untuk jaringan distribusi yang sudah luas dan terdiri dari banyak penyulang, Relai pengamannya harus bekerja selektif, selain pemisahan bagian yang terganggu ketanah di clear kan dengan cepat. Untuk itu diperlukan Relai pengaman yang mampu mendeteksi dan menseleksi arus gangguan tanah yang mengalir ke bagian yang terganggu saja. Kebutuhan ini dipenuhi, diantaranya dengan arus yang dihasilkan oleh sistem pentanahan Netral melalui Tahanan. Dalam Standar PLN No 88. th 1991, mengenai pentanahan Netral pada sistem Distribusi 20 kV, telah diatur besar nilai Tahanan yang digunakan. Yaitu dengan nilai 40 Ohm dan 500 Ohm untuk jaringan SUTM, dan 12 Ohm untuk jaringan SKTM. Dalam operasinya, nilai Tahanan yang banyak digunakan / dianut oleh PLN Unit di Jakarta, Jawa Barat sampai ke PLN Unit diluar Jawa adalah nilai Tahanan Pentanahan Netral sebesar 40 Ohm. Pada awal mula ditetapkannya angka 40 Ohm (tahun 70 an) berdasarkan pembatasan besar arus gangguan tanah yang tidak lebih besar atau paling besar sama dengan arus nominal Trafo Daya di Gardu Induk yang memasok jaringan Distribusi, yaitu untuk kapasitas Trafo Daya sebesar 10 MVA (rating rata-rata Trafo Daya terpasang di Instalasi PLN Jawa pada waktu itu), dimana relai gangguan tanah yang digunakan cukup dengan Relai Arus Lebih biasa dan karena besar arus gangguan tanah hampir sama besar untuk gangguan tanah disepanjang jaringan, karakteristik Relai Gangguan tanah ini dipilih dari jenis Definite time. Sedang nilai Pentanahan Netral melalui 500 Ohm dengan Relai Gangguan Tanah dari jenis Directonal Ground Relay boleh dikatakan sepenuhnya mengadopt dari pentanahan dan pengamanan sistem distribusi Jepang; dan Pentanahan Netral melalui 12 Ohm dimaksudkan agar arus resistif gangguan tanah lebih besar dari arus gangguan tanah kapasitif pada jaringan kabel. Uraian arus dan tegangan saat gangguan tanah yang akan ditinjau pada kesempatan ini adalah untuk sistem dengan pentanahan Netral 20 kV melalui Tahanan 40 Ohm yang banyak diterapkan pada sebagian besar sistem distribusi di PLN, baik di Jawa maupun di luar Jawa, walaupun kapasitas pembangkitannya lebih kecil dari 10 MVA (nilai daya yang dipakai sebagai dasar penetapan nilai tahanan pentanahan 40 Ohm) Untuk sistem Distribusi di Jawa dan beberapa wilayah yang sumbernya sudah besar, uraian vektor tegangan dalam keadaan normal dapat dilihat pada gambar 6 dan uraian vektor tegangan dan arus saat gangguan tanah dapat dilihat pada gambar 7. Besar daya unbalance (komponen watt) yang diserap dari sumber pembangkit tidak terlalu berarti bagi mesin yang memang sudah besar tadi. C

B VBN

N

C

B N

VCN VBG

VCG VNA

Pribadi .K, Kartawan Muchtar & Wahyudi SN VAN ICC

8


Seminar

Kondisi normal, bentuk vektor tegangan masih seimbang seperti terlihat pada gambar 6. Pada kondisi gangguan satu fasa ketanah, segitiga tegangan menjadi sedikit tergeser. Arus gangguan satu fasa ketanah tidak murni resistif, komponen reaktif jaringan yang membuat pergeseran ini. Tegangan Netral terhadap tanah (V NG) dibentuk oleh tegangan drop di Tahanan pentanahan, sementara tegangan antara terminal fasa A dan tanah dibentuk akibat arus balik yang membuat drop tegangan pada reaktansi jaringan (yang dinilai dominan reaktansi dari pada resistansi), sehingga vektor tegangan ini dapat digambarkan seperti pada gambar 7. Pergeseran segitiga tegangan ini, diperkirakan tidak terasa disisi konsumen, begitu juga kedip tegangan akibat terjadinya gangguan tanah di jaringan distribusi 20 kV. Tetapi pergeseran segitiga tegangan ini akan berbeda bila terjadi pada jaringan yang dipasok oleh sistem dengan pembangkit-pembangkit skala kecil dimana reaktansi jaringan termasuk reaktansi Trafo daya mempunyai nilai yang tidak bisa diabaikan terhadap nilai tahanan pentanahan. C

B VBG

N

VCG

ICC ICT

VNA G ICB

A

Gambar 8: Vektor tegangan dan arus saat gangguan tanah pada sistem dengan pasokan mesin/generator kecil

Gangguan tanah di suatu titik di jaringan dapat menggeser segitiga tegangan menjadi tidak simetris lagi, terutama dirasakan pada sisi hilir jaringan yang kira-kira seperti gambar 8. Kalau kondisi demikian itu terjadi maka dapat dilihat bahwa tegangan salah satu fasa (yang leading terhadap fasa terganggu, dalam hal ini E CG) akan naik lebih besar dari √3 kali Eph dan akan membuat : 1. Stress over voltage pada seluruh isolator di fasa tersebut di sepanjang jaringan 2. Arus gangguan tanah yang mengalir di Tahanan pentanahan (NGR) menarik unbalance power (watt) dari Generator yang kemungkinan lebih besar dari kapasitas per fasanya. Pada pemahaman awal dalam pemilihan sistem pentanahan Tahanan, akibat nomor 1 masih dapat ditahan selama Relai Gangguan Tanah bekerja cepat, sehingga stress voltage pada isolator segera hilang, tetapi dalam operasi penerapan s istem pentanahan ini, akibat nomor 2 sudah menjadi keluhan bagi unit-unit PLN yang hanya mempunyai pembangkit skala kecil (PLTD). Kejutan sesaat arus


9


Seminar

komponen Watt yang unbalance diperkirakan menghasilkan kejutan unbalance pula di poros mesin. Selanjutnya dilaporkan terjadi kerusakan disekitar poros mesin (crank shaft atau bearing). Dari keluhan ini, perlu kiranya meninjau kembali ketetapan/SPLN yang mengatur pentanahan Netral sitem 20 kV (Distribusi TM) khususnya untuk sistem yang dipasok oleh pembangkit skala kecil, untuk menghindari kerusakan mesin akibat gangguan satu fasa ketanah di jaringan.

3.

KOMPONEN ARUS, TEGANGAN PADA SISTEM PENTANAHAN NETRAL MELALUI PETERSON COIL SEWAKTU GANGGUAN SATU FASA KETANAH.

Permasalahan arcing ground pada sistem Netral mengambang akibat arus kapasitif yang cukup besar ditanggulangi dengan mengkompensir arus gangguan kapasitif tersebut dengan arus induktif yang besarnya diatur hampir sebesar arus kapasitif. Hasilnya adalah bahwa resultante arus gangguan tanah di titik gangguan kembali menjadi kecil sehingga bila terjadi gangguan tanah temporer di mana saja di jaringan dapat clear dengan sendirinya tanpa ada pemutusan aliran daya ke konsumen. Konsumen di sisi Tegangan rendah tidak merasakan adanya gangguan yang terjadi di jaringan TM (hubungan tafo Distribusi adalah ∆Y, sehingga tegangan kedip tidak dirasakan oleh konsumen. Arus induktif yang dipakai untuk mengkompensir arus gangguan kapasitif itu diperoleh dengan memasang induktor antara titik Netral dan tanah, sehingga terbentuklah pentanahan Netral melalui reaktor dengan nilai reaktansi tertentu yang dapat di tune mendekati nilai reaktansi kapasitif jaringan, reaktor tersebut biasa disebut Peterson Coil. Uraian Vektor Arus dan Tegangan sistem dalam keadaan normal dan kondisi terjadi gangguan satu fasa ketanah dapat dilihat pada gambar 4 dan 5 berikut dibawah ini. C

B VBN

N

C

B N

VCN VBG

VAN

VCG VNG

ICC A

I

ICT

LL

A,G ICB

Gambar 4: Vektor tegangan sistem kondisi normal

Gambar 5: Vektor tegangan dan arus saat gangguan tanah

Seperti halnya uraian vektor tegangan dan arus pada sistem Netral mengambang, pada kondisi normal tagangan sistem tiap fasanya seimbang (selama nilai kapasitansi jaringan ketanah seimbang pada tiap fasanya) dan vektor tegangan ini ditunjukkan pada gambar 4. P ada kondisi gangguan satu fasa (A) ketanah, arus kapasitif pada uraian vektor arus pada sistem Netral mengambang dikompensir oleh arus induktif I L sehingga di titik gangguan tanah arus kapasitif jaringan dan arus induktif dari sistem pentanahan netral saling menjumlahkan. Karena vektor arus kapasitif dan arus induktif berbeda fasa 180 , maka besar arus gangguan tanah di ti tik gangguan tanah menjadi saling mengurangi dan menjadi kecil. Mengingat resonansi pada frekwensi dasar antara Induktansi kumparan Peterson dan kapasitansi jaringan jangan sampai terjadi, yang maksudnya untuk menghindari impedansi maksimum yang bisa menyebabkan terjadinya tegangan lebih, maka nilai induktansi L di set agak sedikit bersifat kompensasi lebih atau kompensasi kurang. Untuk tetap menjaga agar arus gangguan tanah selalu kecil sehingga tidak terjadi Arcing Ground, pe-ngembangan jaringan distribusi akibat bertambah luasnya daerah pelayanan yang memberi konsekwensi bertambah besarnya arus kapasitif sewaktu gangguan satu fasa ketanah, maka setelan nilai reaktansi Peterson Coil perlu selalu diperiksa apakah masih sesuai dengan nilai reaktansi


10


Seminar

kapasitif jaringan. Jadi diperlukan personil (engineer) yang selalu mengikuti perkembangan jaringan agar keandalan sistem penyaluran distribusi tetap terjaga dengan baik. Bila gangguan tanah yang terjadi adalah gangguan tanah permanen, maka sistem dapat berjalan terus tanpa pemutusan bagian yang terganggu itu. Pada kondisi ini konduktor fasa yang terganggu ketanah tetap berpotensial nol terhadap tanah, sementara naiknya tegangan dua fasa yang sehat terhadap tanah sebesar √3 kali Eph (sebesar Eph-ph) tetap bertahan selama gangguan tanah pertama tadi belum di clearkan. Stress tegangan lebih yang bertahan dalam waktu lama dapat membahayakan isolator di sepanjang jaringan. Pada kondisi terakhir ini, kemungkinan isolator terlemah didalam jaringan dapat tembus tegangan dan membentuk gangguan tanah baru, sehingga terjadilah gangguan dua fasa ketanah yang terdiri dari dua gangguan tanah ditempat yang berbeda. Kejadian ini biasa disebut cross country fault. Bila kejadian cross country fault didalam sistem cukup besar kemungkinannya, maka gangguan tanah yang pertama harus dapat segera di clear kan, agar tidak terjadi gangguan tanah kedua. 4.

KOMPONEN ARUS, TEGANGAN PADA SISTEM PENTANAHAN NETRAL LANGSUNG (SOLID) SEWAKTU GANGGUAN SATU FASA KETANAH.

Usaha lain yang dapat membuat Relai Gangguan Tanah bekerja pasti adalah dengan menerapkan pentanahan Netral langsung (solidly grounded). Dari logikanya, jelas mudah dipahami bahwa arus gangguan satu fasa ketanah akan sangat besar sekali, mungkin sama besar dengan arus gangguan tiga fasa, bahkan bisa lebih besar pada lokasi gangguan tanah tertentu, arus gangguan tanah yang besar inilah yang memberikan kepastian pada kerja Relai Gangguan Tanah. Walaupun demikian arus gangguan tanah ini hanya mempunyai komponen Watt yang kecil saja, selebihnya yang besar adalah komponen VAR. Sehingga tidak banyak berpengaruh terhadap daya di poros mesin, tetapi besar pengaruhnya terhadap peralatan pengatur tegangan otomatis (AVR) pada penguat medan di Generator. Pentanahan Netral langsung ini banyak diterapkan di sistem Distribusi TM di Amerika, sementara di Indonesia, yang menganut sistem pentanahan seperti ini adalah di sistem Distribusi TM di Jawa Tengah yang memang meng adopt pentanahan Netral TM sistem di Amerika. Hal ini disebabkan oleh karena PLN menyerahkan sepenuhnya kepada standar yang digunakan konsultan dari Amerika pada awal pembangunannya dulu. Pentanahan ini kemudian ditetapkan dalam SPLN No 88 tahun 1991. Dalam operasinya, ternyata sistem pentanahan netral langsung tidak dikembangkan kedaerah lain. Dengan sistem pentanahan netral langsung memungkinkan jaringan dibebani dengan Trafo Distribusi satu fasa, dari hal ini diketahui bahwa ketidak seimbangan beban akan besar kemungkinannya terjadi, kawat netral menjadi teraliri arus dan selanjutnya bisa mengakibatkan pergeseran tegangan kawat netral setelah arus beban mengalir sampai jarak tertentu. Untuk menghindari hal ini, maka pada jaringan kawat netral perlu untuk ditanahkan lagi dibanyak titik dengan nilai tahanan pentanahan yang rendah. Tambahan persyaratan ini sering tidak bisa dipenuhi PLN, dan dianggap menyulitkan baik sewaktu pembangunan jaringan baru atau menjaga/memelihara sistem pentanahan kawat netral yang sudah ada. Karena sulitnya, sampai data kondisi pentanahan kawat netral jaringan boleh dikatakan tidak ada. Sehingga mutu tegangan pelayanan ke konsumen menjadi sulit untuk dinyatakan persentase pergeseran tiap fasa terhadap nilai nominalnya. Tinjauan diatas adalah untuk jaringan distribusi dalam kondisi tidak ada gangguan hubung singkat. Pada kondisi gangguan satu fasa ketanah (jenis gangguan yang cukup sering frekwensinya) akan jelas diketahui bahwa tegangan fasa yang terganggu akan mengalami kedip sampai tinggal beberapa persen saja dari nilai nominalnya. Hal ini juga sudah menjadi keluhan konsumen apalagi dengan frekwensi gangguan yang cukup tinggi. Dengan alasan inilah, kemungkinan PLN tidak lagi mengembangkan sistem pentanahan Netral langsung di tempat lain, jadi hanya di PLN Distribusi Jawa Tengah. C

B VBN

N

VCN

C

B N,G

VB’G IFG

VC’G

VA’G

VAN Pribadi .K, Kartawan Muchtar & Wahyudi SN

11

A

VAG


Seminar

Untuk melihat berapa besar pengaruh pergeseran vektor tegangan dan arus pada sistem pentanahan netral langsung sewaktu gangguan satu fasa ketanah (sebelum ditripkan oleh Relai gangguan tanah), berikut dapat dilihat kemungkinan pergeseran tersebut. Karena netral sistem ditanahkan langsung ke tanah, dan bila terjadi gangguan satu fasa ketanah (misalnya di fasa A) dengan tahanan gangguan sebesar 0 Ω, maka potensial titik gangguan tanah akan berimpit dengan netral sistem. Arus gangguan tentunya akan membentuk sudut terhadap tegangan fasa terganggu (A) sebesar sudut line (antara 70 ° s/d 80 °), sehingga posisi tegangan terminal fasa terganggu disisi sumber akan bergeser sedikit dari titik netral, artinya tidak berimpit dengan titik netral sistem akibat adanya nilai reaktansi sumber dan impedansi line.


12

2.Pembumian Netral Sistem

Recommend Documents