Perhitungan Teknis Untuk Menentukan Spesifikasi Minimum Arrester Tegangan Tinggi

Bila pada postingan sebelumnya kita membahas tentang urgensi pemasangan Transmission Line Arrester (TLA) serta di fasa mana saja TLA perlu dipasang. Pada postingan ini kita akan melanjutkan pembahasan tentang arrester tegangan tinggi yang meliputi pemilihan spesifikasi teknis dari Lightning Arrester (LA) serta TLA dengan mempertimbangkan kebutuhan sistem.

Pemilihan spesifikasi LA/TLA harus dilakukan secara cermat dan detail agar LA/TLA dapat beroperasi dengan baik saat kondisi kritikal sehingga sistem kelistrikan tegangan tinggi (TT) dan tegangan ekstra tinggi (TET) tetap handal. Kalkulasi dalam penentuan spesifikasi minimum LA/TLA atau secara umum kita sebut saja arrester dimaksudkan agar arrester yang digunakan tepat guna baik secara spesifikasi teknis baik itu elektrikal maupun mekanikal, juga efisien secara ekonomi. Karena rawan sekali pemilihan peralatan dimana spesifikasi yang dipasang terlalu tinggi karena dalam memilih cendrung mempertimbangkan rasa takut sehingga safety faktornya kelewat tinggi atau bahkan spesifikasi peralatan yang dipasang kurang memadai kebutuhan sistem karena dana yang terbatas tapi mau tidak mau harus dipasang. Oleh karena itu perhitungan yang cermat harus dilakukan.

Perhitungan yang akan kita lakukan pada postingan kali ini meliputi penentuan rated voltage arrester, tegangan continuous, pemilihan line discharge class, spesifikasi housing dan yang terakhir adalah memastika apakah tipe arrester yang kita pilih dalam hal ini kita menggunakan contoh kasus pemilihan arrester dari Siemens, sesuai dengan kebutuhan sistem kita atau tidak.

Membaca datasheet

Saat kita ingin memilih tipe arrester dan membuka katalog atau datasheet, maka akan ada beberapa informasi yang tersaji seperti yang ditampilkan pada tabel dibawah ini.

Tentu kalau melihat datasheet dari manufaktur lain akan ada beberapa perbedaan baik dari istilah atau nolai standard pabrikan. Tapi secara umum, data teknis arrester akan sama. Nah, dari informasi di atas, poin apa saja yang harus dipertimbangkan dalam memilih arrester. Kita lanjut ke pembahasan dibawah.

Studi kasus

Supaya lebih menarik, kita coba studi kasus untuk pemilihan spesifikasi minimum untuk arrester yang akan dipasang di tower atau kita sebut TLA. Sebagai catatan, studi kasus ini juga bisa diaplikasikan untuk pemilihan LA di gardu induk TT/TET.

Pada suatu jaringan transmisi 150 KV akan dipasang TLA dengan titik pemasangan yang sudah ditentukan. TLA yang akan dipasang nati bergungsi untuk melindungi insulator polimer yang memiliki BIL sebesar 850 KV dan power frequency flashover 400 KV. Pertanyaannya, TLA dari manufaktur Siemens dengan tipe yang mana yang cocok untuk dipasang pada sistem kita seperti yang disampaikan di atas?

Langsung saja kita bahas.

Review standard lightning impulse withstand voltage insulator

BIL dari insulator polimer yang akan dilindungi adalah 850 KV. Menurut panduan dari IEC 60071-2 tentang koordinasi insulasi, nilai tegangan tertinggi saat kondisi non self-restoring saat insulator beroperasi akbiat surja tenganan tidak lebih dari faktor 1.15. Sehingga penentuan BIL dalam perhitungan akan dikaslikan dengan faktor 1.15 sehingga.

Dengan batas maksimum setelah dikalikan faktor 1.15 menjadi 740 KV. Maka target batas Lightning Impuls Protective Level (LIPL) TLA harus kurang dari 740 KV. Hal ini bertujuan agar TLA bekerja lebih dulu sebelum insulator mengalami flashover, BFO atau terjadi arcing pada arcing horm sehingga sistem merasakan gangguan.

LIPL adalah nilai yang mewakili tenganan (tegangan residu) pada 2 terminal di arrester yang disebabkan oleh arus surja yang mengalir melalui arrester. Tegangan ini muncul karena saat arus surja melewati arrester, maka akan muncul tegangan residu dengan nilai batas yang ditunjukan pada datasheet.

Untuk menentukan nilai LIPL, apabila jarak pemasangan natara arrester dengan peralatan yang dilindungi tidak melewati jarak minimum ruang lindung, maka nilai LIPL adalah BIL dibagi faktor 1.4

Pemilihan maximum contiouous operating voltage (MCOV / Uc) dan rated voltage (Ur)

MCOV merupakan tegangan pada frekuensi nominal (50 Hz) dimana arrester dapat beroperasi tanpa adanya hambatan. Nilai dari MCOV harus lebih tinggi dari nilai tegangan fasa-ground pada sistem dengan penambahan faktor 5% minimal sesuai standard IEC 60099-5 dengan pertimbangan kehadiran gelombang harmonisa pada tegangan sistem.

Berdasarkan penjelasan tersebut dapat kita hitung nilai Uc sebagai berikut.

Selanjutnya adalah menentukan rated voltage (Ur) arrester. Karakteristik ini bukan rated voltage pada sistem ya. Melainkan rateing tegangan pada metal-oxide yang berarti rating kemamampuan arrester untuk menghadapi tegangan lebih sesaat pada sistem dalam period 10 detik. Manufaktur lain mungkin memiliki batasan yang berbeda.

Nilai rating dan contiuous pperating voltage pada arrester saling berhubungan satu sama lain. Secara umum, nilai tersebut memiliki rasio 1.25 kecuali manufaktur menentukan nilai lain.

Sehingga nilai rated voltage adalah.

Ddidapat nilai Ur sebesar 114 KV

Pemilihan line discharge class

Line discharge class merupakan penentu dari karakteristik arrester tegangan tinggi karena berkaitan dengan energy handling capability suatu arrester sesuai IEC 60099-4. Untuk pemilihan line discharge class berdasarkan rekomendasi IEC 60099-5 adalah sebagai berikut.

Namun pada prakteknya, pemilihan class dipilih satu tingkat lebih tinggi dari tabel yang berarti untuk sistem 150 KV, line discharge yang dipilih adalah class 2.

Penentuan line discharge class ini selain untuk menetukan kemampuan energy absorption juga untuk menilai kapabilitas arrester dalam meredam residual voltage pada saat proses discharge arus 10 KA 8/20 us.

Pemilihan spesifikasi elektris untuk housing

Langkah selanjutnya adalah memilih housing yang tepat baik dari segi dimensi, material insulasi maupun electrical properties. Yang pertama kita review adalah electrical properties yaitu BIL housing. Penentuan nilai BIL adalah sebagai berikut.

Sehingga kita dapat nilai minumum untuk BIL housing sebesar 686 KV.

Sampai sini seharusnya kita sudah bisa menentukan tipe TLA seperti apa yang bisa kita gunakan. Jadi setelah kita cek datasheet arrester, TLA yang dipilih adalah dengan tipe 3EL1-138-1LH22-8ZA2-Z dengan spesifikasi lengkap seperti pada tabel dibawah (yang di kotak merah)

Dengan karakteristik mekanik seperti pada tabel di bawah.

Validasi spesifikasi TLA

Setelah menentukan tipe apa yang akan digunakan. Langkah selanjutnya adalah memastikan kalau spesifikasi TLA tersebut sesuai dengan kebutuhan minimum sistem.

Pertama kita pastikan kalau arrester mampu menahan residual voltage untuk line discharge class 2 dengan perhitungan berikut.

Nilai 352 KV didapat dari nilai residual voltage saat arrester dialiri arus 10 KV 8/20 us. Karena rasionya kurang dari 2.3 maka kemampuan arrester menahan tegangan residu sudah sesuai untuk arus nominal 10 KA pada class 2.

Selanjutnya adalah memastikan apakah BIL pada housing cukup untuk sistem yang kita rancang atau tidak dengan perhitungan yang sudah kita lakukan dimana hasil minimumnnya adalah 686 KV. Jika kita melihat datasheet, TLA kita memiliki BIL sebesar 731 KV sehingga cukup utuk kebutuhan sistem.

Kemudian memastikan TLA memiliki batas power frequency withstand voltage selama 1 menit pada kondisi basah dengan perhitungan.

Bila kita cocokkan dengan datasheet TLA yaitu sebesar 340 KV makan TLA kita masih mampu mengatasi power frequency voltage pada kondisi basah dengan nilai minimum 203 KV sesuai perhitungan di atas.

Karena TLA kita memiliki tinggi 1245 mm, maka tidak perlu dipasang grading ring karena tinggi minimum untuk arrester yang memerlukan grading ring adalah 1.5 tingga 2 meter, sesuai kebutuhan.

Direct grounding pada TLA

Muncul pertanyaan, bagaimana jika TLA menggunakan grounding terpisah dari body tower dengan menarik kabel ground dari terminal ground TLA?

Hal ini harus dihindari karena bukannya TLA dapat berkerja maksimal dengan asumsi langsung ditarik kabel ground dari atas tower ke tanah, justru akan membuat TLA serta insulasi base akan overload dan terjadi flash over. Kenapa?

Karena kabel ground yang dialiri arus surja 10 KA dengan bentuk gelombang 1/2 us akan menghasilkan drop tegangan atau tegangan induktif yang dibangkitkan sebesar.

Udrop = L * di/dt = 1uH/m * 10 KA/1 us = 10 KV/m

Artinya, setiap meter kabel ground akan membangkitkan tegangan induktif / drop tegangan sebesar 10 KV. Sedangkan nilai tegangan BIL dari insulator base pada TLA adalah sebesar 20 KV. Nah, jika kita tarik kabel grounding dari atas ke tanah, anggap saja menghasilkan panjang kabel sebesar 30 meter, makan nilai tegangan induktid pada terminalk ground dari TLA sebesar 300 KV!!!. Sangat berpotensi menyebabkan TLA overload.

Demikian kalkulasi dasar yang diperlukan dalam memilih spesifikasi arrester baik LA atau TLA. Untuk perhitungan lebih detail mungkin akan kami posting di postingan berikutnya.

Sekian. Kalau pembaca sekalian ada yang kurang puas dengan penjelasan di postingan ini jangan sungkan untuk komentar di bawah ya. Semoga bermanfaat.

Referensi

Volker Hinrichsen. Metal-Oxide Surge Arresters in High-Voltage Power System Fundamental. Siemens AG. 2011

High-Voltage Surge Arresters Product Guide. Siemens.

K. Steinfeld, et all. Rating and Design of Metal-Oxide Surge Arresters for High Voltage AC System. IEEE. 2002

IEC 60071-2: Insulation co-ordination

IEC 60099-5: Surge arresters, Part 5: Selection and application recommendations

IEC 60099-4: Surge arresters, Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems