BAB II

SISTEM JARINGAN DISTRIBUSI

2.1 Petir atau Halilintar

Petir atau halilintar adalah gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan di mana

di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan biasanya disebut kilat yang beberapa

saat kemudian disusul dengan suara menggelegar sering disebut Guruh. Perbedaan waktu

kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan kecepatan cahaya.

Gambar 2.1 Petir

Petir merupakan gejala alam yang bisa kita analogikan dengan sebuah kapasitor raksasa,

dimana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng

kedua adalah bumi (dianggap netral). Seperti yang sudah diketahui kapasitor adalah sebuah

komponen pasif pada rangkaian listrik yang bisa menyimpan energi sesaat (energy storage).

Petir juga dapat terjadi dari awan ke awan (intercloud), dimana salah satu awan bermuatan

negatif dan awan lainnya bermuatan positif.

Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi atau dengan awan

lainnya. Proses terjadinya muatan pada awan karena dia bergerak terus menerus secara teratur,

dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif

akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul

pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan

terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk

mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron

adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi

ledakan suara.

Petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada keadaan tersebut udara

mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah

mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif, maka petir juga bisa

terjadi antar awan yang berbeda muatan.

2.1.1 Proses terjadinya Petir

Gambar 2.2 Proses Terjadinya Petir

Teori yang secara luas dapat diterima tentang petir yaitu bahwa awan terdiri dari daerah

bermuatan positif dan negatif. Pusat-pusat muatan ini menginduksikan muatan berpolaritas

berlawanan ke awan terdekat atau ke bumi. Gradien potensial di udara antara pusat-pusat

muatan di awan atau antara awan dan bumi tidak seragam tapi gradient tersebut timbul pada

bagian konsentrasi muatan tinggi. Ketika gradient tegangan tinggi pada titik konsentrasi muatan

dari awan melebihi harga tembus udara yang terionisasi, maka udara di daerah konsentrasi

tekanan tinggi mengionisasi atau tembus (breakdown).

Muatan dari pusat muatan mengalir ke dalam kanal terionisasi, mempertahankan gradient

tegangan tinggi pada ujung kanal dan melanjutkan proses tembus listrik. Sambaran petir ke bumi

mulai ketika suatu muatan sepanjang pinggir awan menginduksikan suatu muatan lawan ke

bumi.

Kemudian akan timbul lidah petir arah bawah menyebar dari awan ke bumi. Begitu lidah

petir mendekati bumi, sambaran kearah atas terbentuk, biasanya dari titik tertinggi disekitarnya.

Bila lidah petir kearah atas dan kearah bawah bertemu, suatu hubungan awan ke bumi terbentuk

dan energi muatan awan dilepaskan ke dalam tanah.

Terdapat beberapa definisi dari petir, antara lain:

a) Fenomena alam yang merupakan Pelepasan muatan elektrostatis yang berasal dari badai

Guntur.

b) Pelepasan muatan ini disertai dengan pancaran cahaya dan radiasi elektromagnetik

lainnya.

c) Arus listrik yang melewati saluran pelepasan muatan tadi dengan cepat memanaskan

udara dan berkembang sebagai plasma yang menimbulkan gelombang bunyi yang

bergetar ( guntur ) di atmosfir

2.1.2 Pelepasan Muatan Elektrostatis

Arus listrik yang mengalir tiba-tiba dan sangat cepat karena adanya kelebihan muatan

listrik yang tersimpan pada sebuah benda yang isolator ke benda yang berbeda potensial ,

misalnya tanah.

Badai Guntur disebut juga badai listrik, merupakan suatu karakter cuaca dimana terjadi

petir dan guntur, biasanya disertai dengan hujan lebat, hujan es.

Plasma adalah istilah ilmu fisika, Gas yang terionisasi sehingga fase materinya berbeda

dengan gas itu sendiri.

Guntur adalah bunyi dari getaran gelombang yang disebabkan oleh petir yang

memanaskan udara sampai 30.000oC. Udara yang sangat panas itu mengembang dengan cepat

dan mengerut ketika dingin. Proses ini menimbulkan gelombang bunyi.

Awan, pada umumnya kurang lebih mengandung listrik. Secara mekanik,

thermodinamika, energi kimia diubah menjadi energi listrik dengan kutub yang terpisah.

Kebanyakan petir memiliki fase waktu, antara lain:

1) Fase Waktu Pertumbuhan, sekitar 10 - 20 menit

2) Fase Waktu Puncak, sekitar 15 - 30 menit

3) Fase Waktu Menghilang, sekitar 30 menit

Dalam kondisi cuaca yang normal, perbedaan potensial antara permukaan bumi dengan

ionosphere adalah sekitar 200.000 sampai 500.000 Volts, dengan arus sekitar 2x10-12

Amperes/m2 . Perbedaan potensial ini diyakini memberikan kontribusi dalam distribusi badai

petir (Thunderstorm) di seluruh dunia.

Pada lapisan atmosphere bertebaran gumpalan-gumpalan awan yang diantaranya terdapat

awan yang bermuatan listrik. Awan bermuatan listrik tersebut terbentuk pada suatu daerah

dengan persyaratan:

a. Kondisi udara yang lembab (konsentrasi air yang banyak)

b. Gerakan angin ke atas

c. Terdapat inti Higroskopis

Kelembaban terjadi karena adanya pengaruh sinar matahari yang menyebabkan

terjadinya penguapan air di atas permukaan tanah (daerah laut, danau). Sedangkan pergerakan

udara ke atas disebabkan oleh adanya perbedaan tekanan akibat daerah yang terkena panas

matahari bertekanan lebih tinggi atau karena pengaruh angin. Di samping itu terdapat Inti

Higroskopis sebagai inti butir-butir air di awan akibat proses kondensasi. Ketiga unsure inilah

yang diperlukan untuk menghasilkan awan guruh/awan Commulonimbus yang bermuatan

negative yang karakteristiknya berbeda-beda sesuai dengan kondisi tempatnya. Muatan awan

bawah yang negative akan menginduksi permukaan tanah menjadi positif maka terbentuklah

medan listrik antara awan dan tanah (permukaan bumi). Semakin besar muatan yang terdapat di

awan, semakin besar pula medan listrik yang terjadi dan bila kuat medan tersebut telah melebihi

kuat medan tembus udara ke tanah, maka akan terjadi pelepasan muatan listrik sesuai dengan

hokum kelistrikan, peristiwa inilah yang disebut petir.

Dengan letak geografis yang dilalui garis khatulistiwa, Indonesia beriklim tropis. Hal ini

mengakibatkan Indonesia memiliki hari guruh rata-rata per tahun yang sangat tinggi.

2.2 Sistem Tenaga Listrik

Pada sistem tenaga listrik yang besar, atau bilamana Pembangkit Tenaga Listrik terletak

jauh dari pemakai, maka tenaga listrik itu perlu diangkut melalui saluran transmisi, dan

tegangannya harus dinaikkan menjadi tegangan tinggi (TT). Pada jarak yang sangat jauh malah

diperlukan tegangan ekstra tinggi (TET). Menaikkan tegangan itu dilakukan di gardu induk (GI)

dengan mempergunakan transformator penaik tegangan (step-up transformer).

Gambar 2.3 Step Up Transformer

Mendekati pusat pemakaian tenaga listrik, yang dapat merupakan suatu industri atau kota,

tegangan tinggi diturunkan menjadi tegangan menengah (TM). Hal ini juga dilakukan pada suatu

GI dengan mempergunakan transformator penurun tegangan (step down transformer).

Gambar 2.4 Step Down Transformer ( GI BSB Semarang )

Di Indonesia tegangan menengah adalah 20 kV. Saluran 20 kV ini menelusuri jalan-jalan

di seluruh kota, dan merupakan sistem distribusi primer.

Sistem distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik secara keseluruhan, sistem

distribusi ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya besar (Bulk Power

Source) sampai ke konsumen.

Pada umumnya sistem distribusi tenaga listrik di Indonesia terdiri atas beberapa bagian,

sebagai berikut :

• Gardu Induk (GI)

• Saluran Tegangan Menengah (TM)/ Distribusi Primer

• Gardu Distribusi (GD)

• Saluran Tegangan Rendah (TR)

Gardu induk akan menerima daya dari saluran transmisi kemudian menyalurkannya

melalui saluran distribusi primer menuju gardu distribusi. Sistem jaringan distribusi terdiri dari

dua buah bagian yaitu jaringan distribusi primer dan jaringan distribusi sekunder.

Gardu Induk adalah suatu instalasi, terdiri dari peralatan listrik yang berfungsi untuk :

1. Transformasi tenaga listrik tegangan tinggi yang satu ke tegangan tinggi yang lainnya

atau ke tegangan menengah.

2. Pengukuran, pengawasan operasi serta pengaturan pengamanan dari sistem tenaga listrik.

3. Pengaturan daya ke gardu-gardu induk lain melalui tegangan tinggi dan gardu-gardu

distribusi melalui feeder tegangan menengah.

Gambar 2.5 Sistem Tenaga Listrik

Tenaga listrik disalurkan ke masyarakat melalui jaringan distribusi. Oleh sebab itu

jaringan distribusi merupakan bagian jaringan listrik yang paling dekat dengan masyarakat.

Tegangan distribusi primer yang dipakai PLN adalah 20 kV, 12 kV, 6 kV.

Pada saat ini, tegangan distribusi primer yang cenderung dikembangkan oleh PLN adalah

20 kV. Tegangan pada jaringan distribusi primer, diturunkan oleh gardu distribusi menjadi

tegangan rendah yang besarnya adalah 380/220 V, dan disalurkan kembali melalui jaringan

tegangan rendah kepada konsumen. Dalam operasi sistem tenaga listrik sering terjadi gangguan –

gangguan yang dapat mengakibatkan terganggunya penyaluran tenaga listrik ke konsumen.

2.3 Sistem Distribusi Saluran Udara Tegangan Menengah

Bermacam - macam bentuk konfugurasi jaringan yang berbeda diambil untuk bermacam -

macam jaringan transmisi, subtransmisi dan distribusi, yang menunjukkan jumlah kebutuhan

daya dan keamanan jaringan. Misalnya, jaringan transmisi utama membawa daya yang besar

untuk banyak konsumen ini lebih penting daripada jaringan distribusi tegangan rendah di jalan

karena bila jaringan utama mengalami gangguan konsumen yang menderita lebih banyak.

Karenanya biasanya dipakai jaringan loop untuk rangkaian ini.

Jaringan ini memberikan kapasitas siap yang lebih besar dari yang biasanya dipakai untuk

distribusi tegangan rendah untuk mencatu rumah tangga. Sebagai tambahan terhadap aspek

keandalan konsumen yang banyak dan tentunya banyak titik catu pada jaringan tegangan rendah

ini berarti untuk memenuhi catu tegangan untuk tiap konsumen terakhir terhambat karena mahal.

Untuk saluran catu yang panjang di pedesaan keandalannya sering kali dapat diperbaiki

dengan menggunakan titik dalam bentuk rangkaian pemutus arus yang akan memutus satu bagian

dari saluran dan mencegah seluruh - saluran catu terputus dari sumber daya.

Sistem distribusi akan lebih efektif bila digunakan bentuk atau tipe sistem distribusi yang

berbeda – beda mengingat disesuaikan dengan keadaan beban maupun dengan hal - hal yang

mempengaruhi sistem dan di dalam pemilihan tipe sistem distribusi tidak terlepas dari

persyaratan - persyaratan yang harus dipenuhi sebagai berikut :

� Kontinuitas pelayanan yang baik tidak sering terjadi pemutusan.

� Keandalan yang tinggi antara lain meliputi :

- Kapasitas daya yang memenuhi.

- Tegangan yang selalu konstan dan nominal.

- Frekwensi yang selalu konstan.

� Penyebaran daerah beban yang seimbang.

� Fleksibel dalam pengembangan dan perluasan tidak hanya bertitik tolak pada kebutuhan

beban sesaat tetapi kemungkinan pengembangan beban yang harus dilayani.

� Tegangan jatuh yang sekecil mungkin.

Pertimbangan ekonomis menyangkut perhitungan untung rugi baik secara komersial

maupun dalam rangka penghematan anggaran yang tersedia.

Saluran udara digunakan pada pemasangan di luar bangunan, direnggangkan pada

isolator-isolator di antara tiang-tiang sepanjang beban yang dilalui suplai tenaga listrik,mulai

gardu induk sampai ke pusat beban ujung akhir.

Gambar 2.6 Saluran Udara Tegangan Menengah

Jaringan udara direncanakan untuk kawasan dengan kepadatan beban rendah atau sangat

rendah, misalnya pinggiran kota, kampung/kota kota kecil dan tempat tempat - tempat yang jauh

serta luas dengan beban tersebar. Seringkali digunakan untuk melayani daerah yang sedang

berkembang sebagai tahapan sementara. Kota kota besar dengan mayoritas perumahan

kebanyakan menggunakan jaringan udara.

2.3.1 Jenis Penghantar

Bahan yang banyak dipakai untuk kawat penghantar adalah tembaga dan alumunium.

Secara teknis, tembaga lebih baik daripada aluminium karena memiliki daya hantar arus yang

lebih tinggi. Namun karena harga tembaga yang tinggi, lagipula memiliki kecenderungan untuk

senantiasa naik, kian lama pemakaian kawat alumunium lebih banyak dipakai. Apalagi kawat

tembaga sering menjadi sasaran pencurian karena dapat diolah untuk pembuatan barang barang

lain yang laku di pasaran.

Karenanya kawat alumunium berinti baja (ASCR atau Alumunium Cable Steel

Reinforced ) banyak dipakai untuk saluran udara tegangan tinggi maupun tegangan menengah.

Sedangkan untuk saluran tegangan rendah banyak dipakai kawat alumunium telanjang ( AAC

atau All Alumunium Cable). Kini untuk saluran udara banyak juga dipakai kawat udara

alumunium punter berisolasi.

Penghantar pada sistem jaringan distribusi berfungsi untuk menghantarkan arus listrik dari

suatu bagian ke instalasi atau bagian yang lain.

Penghantar ini harus memiliki sifat-sifat sebagai berikut :

a. Memiliki daya hantar yang tinggi

b. Memilki kekuatan tarik yang tinggi

c. Memiliki berat jenis yang rendah

d. Memiliki fleksibilitas yang tinggi

e. Tidak cepat rapuh

f. Memiliki harga yang murah

Jenis-jenis bahan penghantar, antara lain :

• Kawat logam biasa, contohnya AAC ( All Alumunium Conductor )

• Kawat logam campuran,contohnya AAAC (All Alumunium Alloy Conductor)

Gambar 2.7 Penghantar AAAC

Beberapa pertimbangan untuk saluran udara dapat disebut seperti berikut :

a) Keuntungan atau kelebihan berupa :

� Investasi atau biaya untuk membangun saluran udara jauh lebih rendah dibanding

dengan kabel tanah yaitu berbanding sekitar 1: 5,6 bahkan lebih tinggi untuk

tegangan yang lebih tinggi.

� Kawat untuk daerah - daerah yang lahannya merupakan batu,lebih mudah

membuat lubang untuk tiang listrik daripada membuat jalur lubang bagi kabel

tanah .

� Terutama untuk tegangan extra tinggi, masing - masing fase dapat diletakkan

cukup jauh terpisah.

� Pemeliharaan lebih mudah dan mencari tempat saluran terganggu juga jauh lebih

mudah .

b) Kerugian atau kekurangan pada saluran udara berupa:

� Lebih mudah terganggu karena angin ribut, hujan, petir, maupun anak - anak yang

main layang - layang.

� Mengganggu pemandangan dan bahkan dianggap mengganggu lingkungan.

� Bilamana terjadi kawat putus dapat membahayakan manusia.

� Khusus untuk tegangan tinggi,medan elektromagnetik yang berasal dari saluran

udara sering dianggap berbahaya untuk keselamatan manusia.

2.3.2 Kontruksi Jaringan SUTM 20 kV

Peralatan yang utama dalam jaringan adalah tiang listrik, konduktor dan isolator. Untuk

konstruksi lama tiang listrik ini dibuat dari besi baja sedangkan konstruksi baru dibuat dari

beton.

2.3.2.1 Kontruksi CC1-A

Kontruksi ini untuk keadaan lurus atau membelok dengan sudut lebih kecil dari 15o.

Dipakai pada tempat-tempat yang lurus dimana isolator hanya berfungsi sebagai penyangga

konduktor. Gaya tarik horizontal hampir tidak ada.

Gambar 2.8 Kontruksi CC1-A

Material :

• Line post insulator

• Center braket

• Bolt machine

• Washer, square

• Steel crossarm

• Steel braceBolt single upset, insulatedSpol insulator ansi

• Tie wire

• Locknuts

2.3.2.2 Kontruksi CC2-A

Kontruksi ini untuk keadaan lurus atau membelok pada tempat-tempat yang menyudut

dengan sudut lebih besar dari 15o dan lebih kecil dari 60

o dengan double crossarm.

Gambar 2.9 Kontruksi CC2-A

Material :

• Line post insulator

• Center braket

• Bolt machine

• Washer, square

• Steel crossarm

• Steel braceBolt single upset, insulated Spol insulator ansi

• Tie wire

• Locknuts

2.3.2.3 Kontruksi CC-7

Dipakai pada tempat-tempat ujung akhir dari saluran udara tegangan menengah (SUTM)

menggunakan single crossarm atau menggunakan double crossarm.

Gambar 2.10 Kontruksi CC-7

Material :

• Insulator suspension

• Bolt double arming 5/8’’

• Washer, square

• Steel brace

• Insulator ansi, clevis sec

• Crossarm

• Dead end clamp primary

2.3.2.4 Kontruksi CC8

Dipakai pada tempat yang membelok dengan sudut lebih besar dari 60o.

menggunakan single crossarm atau menggunakan double crossarm.

Gambar 2.11 Kontruksi CC8

Material :

• Insulator suspension

• Line post insulator

• Center braket

• Bolt machine

• Bolt double arming 5/8’’

• Washer, square

• Steel brace

• Insulator ansi, clevis sec

• Crossarm

• Dead end clamp primary

2.3.2.5 Kontruksi CC9

Kontruksi ini untuk keadaan lurus atau membelok dengan sudut lebih kecil dari 15o

dengan alley arm.

Gambar 2.12 Kontruksi CC9

Material :

• Line post insulator

• Center braket

• Bolt machine

• Washer, square

• Steel crossarm

• Steel braceBolt single upset, insulatedSpol insulator ansi

• Tie wire

• Steel alley arm brace

• Locknuts

2.3.3 Rele dan Proteksi

Kebutuhan energi listrik sangat diperlukan, karena itu diperlukan suatu sistim yang

handal untuk dapat meminimalkan segala bentuk gangguan yang terjadi pada jaringan sistim

tenaga listrik. Untuk meningkatkan kehandalannya perlu dipasang sistim proteksi untuk setiap

gangguan yang berbeda, salah satunya adalah dipasanganya relay proteksi untuk melindungi

peralatan jaringan sistim tenaga listrik pada gardu induk. Dimana gangguan-gangguan tersebut

diantaranya disebabkan karena adanya arus hubung singkat dan sambaran petir sehingga arus

yang mengalir keperalatan tidak sesuai dengan nilai nominalnya atau lebih besar dari

kapasitasnya. Dengan adanya peranan relay pengaman ini pada jaringan sistim tenaga listrik

tersebut sehingga akan meminimalkan kerusakan peralatan jaringan terutama pada jaringannya.

2.3.3.1 Pemutus Tenaga (PMT)

Pemutus Tenaga (PMT) adalah alat pemutus otomatis yang mampu memutus/menutup

rangkaian pada semua kondisi, yaitu pada kondisi normal

ataupun gangguan. Secara singkat tugas pokok pemutus tenaga adalah :

a. Keadaan normal, membuka / menutup rangkaianlistrik.

b. Keadaan tidak normal, dengan bantuan relay, PMT dapat membuka sehingga gangguan

dapat dihilangkan.

2.3.3.2 Relay Arus Lebih (OCR)

Pada dasarnya relay arus lebih adalah suatu alat yang mendeteksi besaran arus yang

melalui suatu jaringan dengan bantuan trafo arus. Harga atau besaran yang boleh melewatinya

disebut dengan setting.

Macam-macam karakteristik relay arus lebih :

a. Relay Waktu Seketika (Instantaneous relay)

Relay yang bekerja seketika (tanpa waktu tunda) ketika arus yang mengalir

melebihi nilai settingnya, relay akan bekerja dalam waktu beberapa mili detik (10 –20

ms).

b. Relay arus lebih waktu tertentu (deafinite time relay)

Relay ini akan memberikan perintah pada PMT pada saat terjadi gangguan

hubung singkat dan besarnya arus gangguan melampaui settingnya (Is), dan jangka waktu

kerja relay mulai pick up sampai kerja relay diperpanjang dengan waktu tertentu tidak

tergantung besarnya arus yang mengerjakan relay.

2.3.3.3 Pemutus Balik Otomatis (Recloser)

Pemutus balik otomatis (Automatic circuit recloser = Recloser) ini secara fisik

mempunyai kemampuan seperti pemutus beban, yang dapat bekerja secara otomatis untuk

mengamankan sistem dari arus lebih yang diakibatkan adanya gangguan hubung singkat.

2.3.3.4 Pelebur ( fuse cut out )

Adalah suatu alat pemutus, dimana dengan meleburnya bagian dari komponen yang telah

dirancang khusus dan disesuaiakan ukurannya untuk membuka rangkaian dimana pelebur

tersebut dipasang dan memutuskan arus bila arus tersebut melebihi suatu nilai dalam waktu

tertentu. Oleh karena pelebur ditujukan untuk menghilangkan gangguan permanen, maka pelebur

dirancang meleleh pada waktu tertentu pada nilai arus gangguan tertentu.

Gambar 2.13 Fuse Cut Out

2.3.3.5 Lightning Arrester (LA)

Suatu alat pelindung dari tegangan lebih yang disebabkan oleh surja petir maupun surja

hubung. Arrester beroperasi melindungi peralatan sistem tenaga listrik dengan cara membatasi

surja tegangan lebih yang datang dan mengalirkannya ke tanah.

2.4 Teori Perhitungan Sambaran Petir

Pada saluran udara tegangan menengah (SUTM) gangguan kilat akibat sambaran tidak

langsung atau sambaran induksi tidak boleh diabaikan. Justru gangguan kilat akibat sambaran

induksi ini lebih banyak dibandingkan dengan gangguan kilat akibat sambaran langsung.

Hal tersebut disebabkan oleh dua hal :

a. Karena tingkat ketahanan impuls isolasi V50% dari isolator SUTM relative rendah.

Misalnya isolator 20 kV mempunyai ketahanan impuls isolasi V50% = 160 kV dan ini

rendah.

b. Karena luasnya daerah sambaran induksi, jadi jumlah sambaran kilat induksi juga jauh

lebih banyak dibanding dengan jumlah sambaran langsung.

Bila besar surja tegangan yang timbul menyamai atau melebihi ketahanan impuls isolasi

isolator, V50% , maka diasumsikan terjadi lompatan api pada isolator, dan selanjutnya tergantung

dari besar probabilitas peralihan dari lompatan api menjadi busur api diperoleh jumlah gangguan

saluran.

Gangguan kilat pada saluran udara tegangan menengah dibedakan menjadi dua macam

gangguan menurut cara terjadinya sambaran yaitu :

� Sambaran kilat langsung

� Sambaran tidak langsung ( induksi )

Sebagaimana diketahui panjang gawang saluran udara tegangan menengah berkisar antara

40 sampai 80 meter, tetapi pengetahanan tiang dilakukan 3 sampai 4 gawang, yaitu untuk saluran

dengan kawat tanah atau kawat netral. Jadi sambaran langsung dianggap semua pada tiang, baik

pada tiang yang diketanahkan maupun pada tiang yang tidak diketanahkan dengan jumlah

sambaran dianggap sama.

Jadi jumlah gangguan pada tegangan menengah dapat dituliskan sebagai :

No = Ni + Nt

di mana, :

No = jumlah gangguan kilat

Ni = jumlah gangguan akibat sambaran induksi,

Nt = jumlah gangguan akibat sambaran langsung.

2.4.1 Gangguan Kilat dan Angka Keluar

Satuan gangguan adalah “ angka keluar “ akibat sambaran kilat diberikan dalam jumlah

ganguan per 100 km per tahun. Gangguan ini biasanya di bagi dalam dua kelompok :

1. Gangguan akibat sambaran langsung, yang terdiri dari :

a. Gangguan kilat pada kawat tanah,

b. Gangguan kilat pada kawat fasa atau gangguan perisai.

2. Gangguan kilat akibat sambaran tidak langsung atau sambaran induksi.

Untuk saluran distribusi tegangan menengah, justru sambaran induksi ini yang

mengakibatkan lebih banyak gangguan.

Jumlah sambaran kilat ke bumi adalah sebanding dengan jumlah hari guruh per tahun

atau “ Iso Keraunik Level “ ( IKL ) ditempat itu. Banyak para penyelidik yang telah memberikan

perhatian kearah ini dan mengemukakan rumus – rumus yang berlainan. Untuk Indonesia di

usulkan menggunakan,

N = 0,015 IKL (2.1)

dimana,

N = Jumlah sambaran per km2 per tahun

IKL = Jumlah hari guruh per tahun

Jadi jumlah sambaran pada saluran sepanjang 100 km adalah :

N L � 0,015 IKL � b 4 h1,09 � (2.2)

Sambaran per 100 km per tahun

Rumus – rumus tersebut diberikan dalam tebel berikut :

Tabel 2.1 Relasi empiris antara kerapatan sambar dan hari guruh tahunan.

No Lokasi Kerapatan Sambaran

Petir N (per km

kwadrat per tahun)

( ! )

Penyelidik

1 India 0,10 IKL Aiya ( 1968 )

2 Rhodesia 0,14 IKL Anderson dan Jenner

(1954 )

3 Afrika Selatan 0,023 (IKL) 1 ; 3 Anderson – Eriksson

(1954)

4 Swedia 0,004 (IKL) 2 Muller – Hillebrand

(1964)

5 Inggris ( UK ) a (IKL) b

a=2,6 ± 0,2x10 -3

b=1,9 ± 0,1

Stringfellow (1974 )

6 USA ( bag. Utara ) 0,11 IKL Horn dan Ramsey

(1951)

7 USA ( bag. Selatan) 0,17 IKL Horn dan Ramsey

(1951)

8 USA 0,1 IKL Anderson (1968)

9 USA 0,15 IKL Brown dan Whitehead

(1969)

10 Rusia 0,036 (IKL) 1,3 Kolokolov dan

Pavlova (1972)

11 Dunia (iklim sedang) 0,19 IKL Brooks (1950)

12 Dunia (iklim sedang) 0,15 IKL Golde (1966)

13 Dunia (iklim tropis) 0,13 IKL Brooks (1950)

Untuk daerah katulistiwa dengan iklim tropis seperti di Indonesia dengan IKL berkisar antara 60 sampai 150

menggunakan N = 0,15 IKL

Besar tegangan yang timbul pada isolator tergantung pada kedua parameter kilat, yaitu

puncak dan kecuraman muka gelombang.

Tidak semua sambaran kilat dapat mengakiatkan lompatan api (flashover) pada isolator

saluran. Demikian juga tidak semua lompatan api yang timbul dapat beralih menjadi busur api (

power arc ) yang mengakibatkan gangguan saluran (line outage).

Apakah akan terjadi lompatan api bila saluran disambar kilat tergantung dari besar

tegangan yang timbul dan melebihi kekuatan impuls V50% isolator.

Demikian juga apakah akan tarjadi peralihan dari lompatan api menjadi busur api yang

mengakibatkan gangguan saluran tergantung dari sejumlah factor seperti dijelaskan berikut ini.

Waktu beraksi rele biasanya tidak kurang dari setengah putaran (cycle) atau 0,01 detik (

untuk frekuensi sistem 50Hz ), sedang eksistensi gelombang kilat tidak lebih dari 100

mikrodetik. Jadi lompatan api impuls itu tidak mungkin mengakibatkan pemutusan saluran.

Pemutusan saluran itu hanya akan terjadi bila:

Probabilitas beralihnya lompatan api impuls menjadi busur api tergantung dari sejumlah

factor termasuk daya sumber. Tetapi yang paling berpengaruh adalah intensitas medan yang

ditimbulkan oleh tegangan keja dalam kanal pelepasan impuls ( impulse discharge). Makin

tinggi intensitas medan makin baik konduktivitas kanal pelepas impuls dan makin tinggi

probabilitas beralihnya lompatan api menjadi busur api, dan yang terakhir ini akan selalu

mengakibatkan gangguan saluran ( line outage ).

Bila gradient tegangan kerja sepanjang jalan lompatan api tidak cukup besar busur api

tidak akan terbentuk dan karenanya gangguan saluran juga tidak terjadi.

Menurut penelitian yang dilakukan di Rusia probabilitas beralihnya lompatan api menjadi

busur api pada isolator dihubungkan dengan intensitas medan karena tegangan kerja dan ini kira

– kira sama dengan hasil bagi tegangan netral (rms) dengan panjang rentangan isolator.

Pada saluran – saluran yang diketanahkan dengan kumparan Petersen, pada gangguan

satu fasa ke tanah arus kapasitif sudah di kompensir oleh aus kumparan Petersen, jadi probabiitas

peralihan lompatan api menjadi busur api adalah nol, jadi gangguan yang mungkin adalah

gangguan fasa ke fasa.

Jadi, penjelasan – penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa jumlah gangguan pada

saluran tergantung dari :

a. Jumlah sambaran pada saluran, NL

b. Probabilitas terjadinya lompatan api, PFL

c. Probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api, Dengan demikian besar terjadinya probabilitas terjadinya gangguan dapat ditulis sebagai :

No = 0,015 IKL ( b + 4h 1,09 ). PFL (2.3)

Untuk mengurangi probabilitas terjadinya lompatan api biasanya dilakukan dengan

memasang kawat tanah pada saluran. Jadi bila kilat menyambar kawat tanah hanya untuk arus-

arus kilat yang besar dapat terjadi lompatan api.

Untuk mengurangi probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api dapat dilakukan

dengan memperpanjang jalan lompatan api, menggunakan tiang kayu.

2.4.2 Sambaran langsung

Yang dimaksud dengan sambaran langsung adalah apabila kilat menyambar langsung

pada kawat (untuk saluran tanpa kawat tanah) atau pada kawat tanah ( untuk saluran dengan

kawat tanah ).

Pada saluran udara tegangan menengah diasumsikan bahwa pada saluran dengan kawat

tanah tidak ada kegagalan perisaian. Asumsi ini dapat di benarkan karena tinggi kawat di atas

tanah relative rendah ( 10 sampai 13 meter ) dan juga karena dengan sudut perisaian yang

biasanya lebih kecil 60 derajat sudut dapat dianggapsambaran kilat mengenai kawat tanah, jadi

tidak ada kegagalan perisaian.

Pada waktu kilat menyambar kawat tanah atau kaat fasa akan timbul arus besar dan

sepasang gelombang berjalan yang merambat pada kawat. Arus yang besar ini dapat

membahayakan peralatan-peralatan yang ada pada saluran. Besarnya arus atau tegangan akibat

sambaran ini tergantung pada besar arus kilat, waktu muka dan jenis tiang saluran. Oleh karena

saluran saluran tegangan menengah tidak begitu tinggi di atas tanah, maka jumlah sambaran

langsung pun rendah. Makin tinggi tegangan sistim makin tinggi tiangnya, dan makin besar

jumlah sambaran ke saluran itu.

Tegangan lebih akibat sambaran kilat selain tergantung pada parameter kilat ( arus

puncak dan waktu muka ) juga dipengaruhi oleh jenis saluran dan tiang penopang. Jenis saluran

adalah saluran tanpa kawat tanah dan saluran dengan kawat tanah dan jenis tiang penopang

adalah : tiang besi, tiang kayu dan tiang beton. Tiang kayu atau beton, demikian juga lengan (

cross arm ) kayu mempengaruhi besar tingkat ketahanan impuls isolasi saluran.

Perhitungan-perhitungan dilakukan berdasarkan tiang dan lengan besi. Pengaruh

penambahan tingkat ketahanan isolasi dari kayu atau beton dapat ditambahkan pada tingkat

ketahanan impuls isolasi dari isolator.

Tahanan kontak tiang pada tiang-tiang yang di ketanahkan mempengaruhi juga tegangan

yang timbul pada isolator saluran. Besar tahanan kontak ini berkisar antara 5 ohm sampai 50

ohm. Dalam perhitungan–perhitungan dianjurkan menggunakan 20 ohm.

Pada sambaran ke kawat fasa untuk saluran tanpa kawat tanah hanya ditinjau arus

puncak kilat, sedang pada sambaran ke kawat tanah pada saluran dengan kawat tanah, kedua

parameter kilat, arus puncak dan waktu muka gelombang, diperhitungkan.

2.4.2.1 Tegangan Lebih Akibat Sambaran Langsung

Tegangan petir akibat sambaran petir dapat terjadi karena sambaran langsung ke kawat

fasa ( untuk saluran tanpa kawat tanah ) atau sambaran ke kawat tanah ( untuk saluran dengan

kawat tanah ). Di sini dimisalkan bahwa pada saluran dengan kawat tanah tidak ada kegagalan

perisaian karena tinggi saluran di atas tanah relatif rendah ( kurang dari 10 meter ) dan juga

karena sudut perisaian biasanya tidak terlalu basar ( dibawah 600 ).

2.4.2.2 Saluran Tanpa Kawat Tanah

Pada saluran tanpa kawat tanah, hampir semua sambaran kilat menganai kawat dan

sangat jarang mengenai tiang. Jadi di sini dimisalkan semua sambaran mengenai kawat.

Parameter sambaran petir yang berpengaruh jika terjadi sambaran kilat pada saluran

tanpa kawat tanah adalah arus puncaknya, sedangkan pengaruh dari kecuraman arus dapat di

abaikan. Selama terjadi sambaran pada kawat, suatu impedansi yang sama dengan setengah dari

impedansi surja kawat Zp/2 di hubungkan pada tempat sambaran.

Probabilitas arus sama atau melabihi I0 , atau probabilitas terjadinya lompatan api adalah :

� � �50%8,5 �� �

PFL = e (2.4)

V50% = I0 = besar arus kilat menyambar sesuatu obyek dengan

tahanan nol ( zero resistance ground )

V50% = tahanan impuls isolator ( untuk isolator TM = 160 kV)

ZP = impedansi surja kawat

IKL = jumlah hari guruh per tahun ( di Indonesia 100 )

h = tinggi kawat fasa di atas tanah

= probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api / gangguan b = jarak antar fasa

Jumlah sambaran petir adalah :

N L = 0,015 IKL ( b + 4 h1,09 ) (2.5)

Sambaran per 100 km per tahun

Jumlah gangguan sambaran kilat langsung tanpa kawat tanah adalah :

N t = NFL x η = N L PFL η (2.6)

Dalam hal tiang kayu, lompatan api yang terjadi lebih mungkin dari fasa yang di sambar

kilat ke fasa yang di dekatnya atau di sebut lompatan api samping ( side flasover ).

Pengaruh tiang beton menambah tingkat ketahanan isolasi beberapa puluh kV, dan ini

dapat di tambahkan pada V50% isolator saluran. Dari hasil – hasil penguji diperoleh tegangan

tembus beton kira – kira 23kV/cm untuk beton kering dan 20 kV/cm untuk beton basah. Dalam

perhitungan – perhitungan diambil tegangan tembus beton 20kV/cm.

Pada sistem – sistem yang tidak diketanahkan atau pada sistem – sistem yang

diketanahkan dengan kumparan Petersen dengan derajat tala sempurna, maka dalam hal ini

lompatan api pada satu fasa tidak dapat mengakibatkan gangguan saluran. Hal tersebut

disebabkan kumparan patarsen itu telah memadamkan bunga api arus kapasitif. Jadi probabilitas

peralihan lompatan api menjadi busur api dapat dianggap nol. Gangguan yang terjadi adalah

gangguan fasa ke fasa atau gangguan tiga fasa.

Pada saluran dengan konfigurasi horizontal sambaran hamper seluruhnya terjadi pada

kawat yang paling pinggir, sedang pada konfigurasi vertical pada kawat yang paling atas.

Sambaran pada kawat yang mengakibatkan lompatan api pada isolatornya, arus kilat

mulai mengalir ke tanah melalui dasar tiang / menara dan tahanan pengetanahan R.

Bila terjadi pelepasan kilat pada kawat dekat tiang, arus kilat penuh sebesar yang

diperoleh pada obyek yang diketanahkan secara sempurna, atau tahanan R = 0, mulai mengalir

melalui tahanan pengetanahan R dan tiang memperoleh tegangan hamper sama dengan IO R.

Tegangan kawat yang disambar kilat juga mengalami tegangan sama dengan IO R.

2.4.2.3 Saluran Dengan Kawat Tanah

Seperti diketahui pemasangan kawat tanah bertujuan untuk melindungi kawat fasa dari

sambaran langsung kilat. Dengan adanya kawat tanah yang letaknya di atas kawat fasa dan

tinggi kawat di atas tanah relatif rendah, dianggap semua sambaran mengenai kawat tanah, jadi

tidak ada yang menyambar kawat fasa.

Pada saluran udara tegangan menengah tidak semua tiang di ketanahkan, tetapi selang 3

sampai 4 gawang. Panjang gawang relatif kecil ( 40 sampai 80 meter ), jadi di sini dianggap

semua sambaran mengenai tiang, baik tiang yang ketanahkan maupun tiang yang tidak di

ketanahkan. Jumlah sambaran pada tiang yang di ketanahkan di ambil sama dengan jumlah

sambaran pada tiang yang tidak di ketanahkan.

Gambar 2.14 Jaringan Tegangan Menengah 20 kV Dengan Kawat Netral

Tiang yang di ketanahkan mempunyai tahanan kontak 20 ohm dan tiang yang tidak

diketanahkan tinggi, beberapa ratus sampai ribuan ohm, tergantung dari jenis pondasi ( batu kali

dengan pasir / tamah atau di cor beton ) dan keadaan tanah ( basah, kering atau tanah berpasir ).

Jadi sambaran ke kawat tanah dibagi dalam dua golongan, sambaran pada tiang yang

diketanahkan (50%) dan sambaran pada tiang yang tidak diketanahkan (50 %).

Untuk sambaran pada tiang, kilat seolah – olah menemui impedansi surja kawat tanah

dan impedansi surja tiang yang tersambung paralel.

Setelah kilat menyambar tiang, gelombang merambat pada tiang ke dasar tiang. Pada

dasar tiang terjadi pantulan, dan gelombang pantulan ini merambat ke puncak tiang dimana ia

mengalami pantulan kembali. Jadi pada tiang mengalami pantulan kembali.

Besar tahanan kontak tiang yang di ketanahkan diambil 20 ohm dan tahanan kontak tiang

yang tidak di ketanahkan sangat besar, beberapa ratus sampai ribuan ohm. Sebagai harga rata –

rata di sarankan menggunakan 100 ohm untuk tiang besi dan 500 ohm untuk tiang beton.

Dengan mengetahui besar arus minimum yang dapat menimbulkan lompatan api balik ( back

flashover ), kemudian dapat dicari probabilitas terjadinya lompatan api.

� � ���%� �� !" �.$% &

P FL = e (2.7)

Jumlah gangguan dengan kawat tanah adalah :

Nt = NL PFL � � ���%

� �� !" �.$% & Nt = 0.015 IKL ( b + 4 h

1,09 ) e x η (2.8)

2.4.3 Sambaran Tidak Langsung atau Sambaran Induksi

Bila terjadi sambaran kilat ke tanah di dekat saluran maka terjadi fenomena trensien yang

diakibatkaan oleh medan elektromagnetis dari kanal kilat. Fenomena kilat ini terjadi pada kawat

penghantar. Akibat dari kejadian ini timbul tegangan lebih dan gelombang berjalan yang

merambat pada kedua sisi kawat di tempat sambaran berlangsung.

Fenomena trensien pada kawat berlangsung hanya di bawah pengaruh gaya yang

memaksa muatan-muatan bergerak sepanjang hantaran. Atau dengan perkataan lain trensien

dapat terjadi dibawah pengaruh komponen vektor kuat medan yang berarah sejajar dengan arah

penghantar. Jadi bila komponen vector dari kuat medan berarah vertikal, dia tidak akan

mempengaruhi atau menimbulkan fenomena trensien pada penghantar.

Lebar bayang-bayang listrik dibawah saluran atau disebut daerah perisaian dan khususnya

untuk saluran tegangan menengah. Persamaan lebar bayang-bayang listrik :

W = ( b + 4h 1,09 ) meter

dimana :

W = lebar bayang – bayang

b = jarak antar fasa

h = tinggi kawat fasa tertinggi

Di luar daerah perisaian ini kilat di anggap menyambar langsung ke tanah atau sambaran

induksi.

Telah banyak dilakukan perhitungan-perhitungan teoritis maupun percobaan-percobaan

dalam hubungan dengan tegangan induksi akibat sambaran kilat tidak langsung atau sambaran

induksi. Pada tahun 1908 K.W. Wegner merupakan orang pertama melakukan penyelidikan

teoritis mengenai tegangan induksi kilat pada saluran transmisi. Ia mendapatkan bahwa tegangan

induksi pada saluran diberikan oleh perkalian antara tinggi kawat diatas tanah dengan kuat

medan listrik penginduksi sebelum terjadinya pepelasan muatan kilat. Pada teorinya itu Wegner

menganggap bila muatan awal hilang secara tiba–tiba maka muatan induksi akan bebas bergerak

pada saluran sebagai gelombang berjalan.

Bewly (1929) menyempurnakan teori Wegner diatas dengan memperhitungkan

kenyataan bahwa medan penginduksi tidak dapat hilang secara tiba – tiba akar gelombang

berjalan menjadi lebih panjang pada waktu yang sama ketika amplitudonya semakin berkurang.

Suatu sumbangan yang menarik diberikan untuk pertama kalinya oleh Aigen pada tahun 1935,

dimana diperhitungkan pengaruh induksi dari jalan kilat vertical dari sambaran kilat ke tanah.

Pada tahun 1942, Wegner dan Mc Cann menerbitkan masalah yang mendasar dari

konsepsi modern dari sifat tegangan lebih induksi akibat sambaran tidak langsung. Dalam

makalah tersebut di kemukakan pengaruh muatan dan arus dalam kanal kilat selama sambaran

balik ( return stroke ) dan bahwa madan dari jalan kilat lebih barpengaruh. Ditekankanya bahwa

hanya selama sambaran balik akan terjadi tagangan induksi yang tinggi. Pada tahun 1948 Szpor

menghitung tegangan induksi yang di akibatkan oleh sambaran vertical dengan

memperhitungkan induksi elektromagnetis dan elektrostatis, akan tetapi dia memecahkan

problema ini sebagai kuasi-stasioner dan hasilnya hanya berlaku didekat sambaran kilat. Hasil

perhitungan tegangan induksi yang diperolehnya mempunyai harga yang sama dengan yang di

peroleh Wegner dan Mc Cann.

2.4.3.1 Tegangan Induksi Akibat Sambaran Induksi

Untuk daapat menghitung tegangan lebih pada saluran akibat sambaran induksi terlabih

dahulu harus diketahui medan elektromagnetis dari sambaran kilat. Arus kilat pada tanah

mempunyai waktu muka yang kecil dan ekor yang panjang. Selama proses pelompatan kepala (

stepped leader ) suatu muatan q0 telah terdistribusi secara merata sepanjang kanal kilat (

lightning channel ). Kemudian sambaran balik yang berupa surja arus dengan bentuk fungsi

langkah ( stepped function ) akan bergerak ke atas dengan kecepatan sama dengan kecepatan

sinar dan menetralkan muatan yang ada pada kanal kilat. Bila waktu muka dari arus kilat tidak

diperhatikan pendekatan ini dapat digunakan untuk bagian bawah dari kanal kilat, dimana

variasi muatan dan kecepatan pada ketinggian diatas permukaan tanah dapat diabaikan.

2.4.3.2 Pengaruh Kawat Tanah Terhadap Tegangan Induksi

Dalam menghitung pengaruh kawat tanah terhadap tegangan induksi diperkanalkan

Faktor Perisaian ( FP ) yang didefinisikan sebagai hasil bagi tegangan induksi dengan kawat

tanah dan tegangan induksi tanpa kawat tanah.

Kawat tanah ideal adalah kawat tanah yang mempunyai titik pengetanahan pada setiap

titik sepanjang kawat tanah, sehingga potensialnya sepanjang kawat tanah adalah nol. Pada

kenyataanya tidak ada kawat ideal, jadi kawat tanah itu mempunyai beda tegangan tertentu

terhadap tanah.

Pada saluran tiga fasa dengan empat kawat yaitu tiga kawat fasa dan satu kawat netral,

dan tidak ada kawat tanah, maka pengaruh kawat netral itu terhadap tegangan induksi pada

kawat fasa sama seperti pengaruh kawat tanah pada tegangan induksi pada kawat fasa. Dalam

hal ini tinggi kawat netral di atas tanah lebih rendah dari tinggi kawat fasa, jadi besar factor

perisaian lebih besar dibanding dengan factor perisaian dari saluran dengan kawat tanah.

Ada kalanya kawat netral itu di pasang di atas kawat fasa, sama seperti kedudukan kawat

tanah. Dalam hal ini factor perisaian akan lebih kecil, jadi lebih baik. Tetapi dengan memasang

kawat netral di atas kawat fasa akan mempertinggi tiang dan dengan demikian akan

memperbesar jumlah sambaran langsung.

2.4.3.3 Perhitungan Gangguan Sambaran Induksi

Sebagaimana di jelaskan tidak semua lompatan api dapat beralih menjadi busur api atau

gangguan dan besarnya gangguan itu tergantung dari besar probabilitas . Dengan demikian jumlah gangguan karena sambaran induksi adalah :

( a ) Tanpa Kawat Tanah

Ni = 30,6 IKL h ' ( � ) *+% *,+ -. /+,+0�

� ��% x η (2.9)

Gangguan per 100 km per tahun

V50% = tahanan impuls isolator

IKL = jumlah hari guruh per tahun

FP = factor perisaian

h = tinggi kawat fasa di atas tanah

= probabilitas peralihan lompatan api menjadi busur api / gangguan

( b ) Dengan Kawat Tanah

Ni = 30,6 IKL FP h ' ( � ) *+% *,+ /+,+0 �

� ��% x η (2.10)