analisis kinerja surge arrester terhadap …digilib.unila.ac.id/33753/3/skripsi tanpa...
TRANSCRIPT
ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER TERHADAP
KENAIKAN TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR
DI SALURAN OVERHEAD CONTACT SYSTEM (OCS)
KERETA REL LISTRIK 1500 VOLTDC
(Skripsi)
Oleh
FAHREZA ABI HAKIM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
ii
ABSTRACT
ANALYSIS OF SURGE ARESSTER PERFORMANCE AGAINST
OVERVOLTAGE DUE TO LIGHTNING STRIKE ON OVERHEAD
CONTACT SYSTEM (OCS) ELETRICAL RAILWAY 1500 VOLTDC
By
FAHREZA ABI HAKIM
Transient overvoltage in electrical railways installation can occur due to direct or
indirect stroke to overhead contact system (OCS) 1500 VDC. If the transient
overvoltage exceeds basic insulation level around 35 kV it can lead into isolation
failure.
This research analyzed the result of cut-off transient overvoltage when a direct
stroke happened. Also, calculating the amount transient overvoltage in electrical
railways due to surge current injection when a stroke occurs on a 1500 VDC line.
Moreover, the effect of distance of the lightning strike on the transient overvoltage
in electrical railways using alternative transient program (ATP) program tool. Is
analyzed as well.
The simulation results show the transient overvoltage of the electrical railways.
Without an installed protection system, with a lightning strike around 350 meters
and 50 meters from the electric railways that has exceeded the basic isolation level
limit of 10 kA, 15 kA and 20 kA impulse injection, it has been lead into isolation
failure which can cause the damage to electrical railways equipment. Therefore, a
protection system is needed to protect electrical railways equipment.
The protection system from transient overvoltage used the surge arrester.
Following of the protection system installation the simulation result show that
overvoltage transient is below the permitted base isolation level, so that the
electrical railways is protected from overvoltage transient and avoid damage.
Therefore, the installation of a protection system on the electrical railways is
highly recommended because the magnitude of the overvoltage transient is below
the basic isolation level and there is no isolation failure on the electrical railways.
Keywords: Transient overvoltage, electrical railways, basic insulation level,
protection system, surge aresster, lightning stroke.
iii
ABSTRAK
ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER TERHADAP KENAIKAN
TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR DI SALURAN OVERHEAD
CONTACT SYSTEM (OCS) KERETA REL LISTRIK 1500 VOLTDC
Oleh
FAHREZA ABI HAKIM
Tegangan lebih transient pada instalasi kereta rel listrik bisa terjadi akibat
sambaran langsung maupun sambaran tidak langsung pada saluran overhead
contact system (OCS) 1500 VDC. Apabila tegangan lebih transien melebihi batas
isolasi dasar kereta rel listrik sebesar 35 kV, dapat menyebabkan terjadinya
kegagalan isolasi.
Penelitian ini menganalisis hasil pemotongan tegangan lebih transient surge
arrester pada saat terjadi sambaran petir, menghitung besarnya tegangan lebih
pada KRL akibat injeksi arus surja saat terjadi sambaran pada saluran 1500 VDC
dan pengaruh jarak titik sambaran petir terhadap kenaikan tegangan pada KRL
dengan menggunakan software Alternative Transient Program (ATP).
Hasil simulasi menunjukan tegangan lebih transient kereta rel listrik tanpa
terpasangnya sistem proteksi dengan jarak sambaran petir 350 meter dan 50 meter
dari kereta rel listrik pada saat injeksi arus impuls 10 kA, 15 kA dan 20 kA telah
melewati batas isolasi dasar, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan
isolasi yang dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan kereta rel listrik. Oleh
karena itu diperlukan sistem proteksi yang dapat melindungi peralatan kereta rel
listrik pada saat terjadi tegangan lebih transien. Sistem proteksi tegangan lebih
transien yang digunakan adalah surge arester.
Setelah terpasangnya sistem proteksi pada KRL hasil simulasi menunjukan
Ptegangan lebih transien berada dibawah tingkat isolasi dasar yang diizinkan,
sehingga tidak terjadi kegagalan isolasi dan KRL terhindar dari kerusakan. Oleh
karena itu, pemasangan sistem proteksi pada KRL sangat direkomendasikan
karena besarnya tegangan lebih transien berada dibawah tingkat isolasi dasar dan
tidak terjadinya kegagalan isolasi pada kereta rel listrik.
Kata Kunci : tegangan lebih transient, kereta rel listrik, batas isolasi dasar, sistem
proteksi, surge arrester, sambaran petir
iv
ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER TERHADAP KENAIKAN
TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR DI SALURAN OVERHEAD
CONTACT SYSTEM (OCS) KERETA REL LISTRIK 1500 VOLTDC
Oleh
FAHREZA ABI HAKIM
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
viii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Terbanggi Besar, pada tanggal
22 September 1995, merupakan anak kedua dari dua
bersaudara, dari pasangan Fathoni dan Wintari.
Adapun riwayat pendidikan penulis yaitu : TK Aisayah
Bustanul Athfal (2000-2001), SD N 1 Yukum Jaya (2001-
2007), SMP IT Bustanul Ulum (2007-2010) dan MAN Poncowati (2010-2012).
Pada tahun 2012, Penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Lampung.
Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif dalam organisasi Himpunan Mahasiswa
Teknik Elektro (HIMATRO) sebagai anggota Divisi Pendidikan dan
Pengembangan diri pada tahun 2014-2015.
Penulis pernah melaksanakan Kerja Praktik di : PT. PLN P3B Sumatera
PelayananTransmisi Tanjung Karang yang ditempatkan di bagian Maintenance.
ix
PERSEMBAHAN
Dengan Ridho Allah SWT. teriring shalawat kepada Nabi Muhammad SAW.
Karya tulis ini kupersembahkan untuk:
Bapak dan Ibuku Tercinta
Fathoni & Wintari
Kakak Tersayang
Dhika Huzunah Abkim, A.Md.
Almamaterku
Universitas Lampung
Bangsa dan Negaraku
Republik Indonesia
Agamaku
ISLAM
Terima-kasih untuk semua yang telah diberikan kepadaku. Jazzakallah Khairan.
x
MOTTO
“Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman diantaramu dan orang-
orang yang diberi ilmu pengetahuan beberapa derajat”
( Al-Quran, Surat Al – Mujadalah, 58 : 11 )
“dan ALLAH mengeluarkan kamu dari perut ibumu dalam keadaan tidak
mengetahui sesuatu apapun, dan Dia memberi kamu pendengaran, penglihatan,
dan hati agar kamu bersyukur”
(Al-Quran, Surat An – Nahl, 55 : 78 )
“Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari
betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”
(Thomas Alva Edison)
xi
SANWACANA
Puji syukur kehadirat Allah SWT. yang telah melimpahkan rahmat dan
hidayahnya kepada penulis, sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini.
Shalawat serta salam disanjungkan kepada Nabi Muhammad Shalallahu Alaihi
Wassalam yang dinantikan syafaatnya di hari akhir kelak.
Tugas akhir ini berjudul “ANALISIS KINERJA SURGE ARRESTER
TERHADAP KENAIKAN TEGANGAN AKIBAT SAMBARAN PETIR DI
SALURAN OVERHEAD CONTACT SYSTEM (OCS) KERETA REL LISTRIK
1500 VOLTDC” digunakan sebagai salah satu syarat guna memperoleh gelar
sarjana di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung.
Dalam masa perkuliahan dan penelitian, penulis mendapat banyak hal baik berupa
dukungan, semangat, motivasi dan hal lainya. Untuk itu penulis mengucapkan
terimakasih kepada :
1. Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Lampung.
2. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc. Selaku kepala Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung.
3. Ibu Yetti Yuniati, S.T., M.T. Selaku Pembimbing akademik yang telah
memberikan saran & motivasi yang membangun.
4. Bapak Dr. Eng. Yul Martin, S.T., M.T. Selaku Dosen Pembimbing Utama.
Terimakasih atas kesedian waktunya untuk membimbing, pengalaman, dan
ilmu yang diberikan selama mengerjakan tugas akhir.
xii
5. Ibu Dr. Eng. Diah Permata, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing pendamping.
Terimakasih atas waktu, pengalaman, dan ilmu yang diberikan selama
mengerjakan tugas akhir .
6. Bapak Dr. Herman H Sinaga, S.T., M.T. selaku Dosen penguji. Terimakasih
atas waktu, dan ilmu yang diberikan guna membuat tugas akhir ini menjadi
lebih baik.
7. Seluruh Dosen & Keluarga Besar Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Lampung. Terimakasih atas waktu dan ilmu yang telah diberikan selama
menuntut ilmu di Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.
8. Bapak dan Ibu, tiada kata yang dapat tertulis atas segala pengorbanan dan doa
yang kalian lakukan.
9. Saudaraku Dhika Huzunah Abkim. Terimakasih atas motivasi dan
dukunganya untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini, saya akan selalu
berjuang demi kalian hingga akhir.
10. Terimakasih kepada Suwanto, Hanafi, Angga, Fiki, Aji I, Agung, Guntur,
Taufik, Vincent. Yang selalu menemani saat jenuh, memberikan motivasi,
dan semangat, terimakasih atas waktu kebersamaannya selama ini.
11. Teman-teman BOCAH KAMPUNG (Alfian, Amin, Riza, Siti dan Yosi)
terimakasih atas waktu, kebersamaan, serta hal-hal yang telah membuat
penulis semangat untuk mengerjakan Tugas Akhir ini.
12. Terimakasih kepada teman-teman seperjuangan ELANG 12, atas semua
kenangan indah hingga menyelesaikan Tugas Akhir ini, semoga kita semua
menjadi orang yang sukses dan menjadi pribadi yang lebih baik.
xiv
DAFTAR ISI
Halaman
COVER DEPAN ............................................................................................... i
ABSTRACT ....................................................................................................... ii
ABSTRAK ......................................................................................................... iii
LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................. iv
LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. v
SANWACANA .................................................................................................. xi
DAFTAR ISI ...................................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xvii
DAFTAR TABEL ............................................................................................. xx
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ................................................................................................ 1
1.2 Tujuan Penelitian .............................................................................................. 3
1.3 Manfaat Penelitian ............................................................................................ 3
1.4 Rumusan Masalah ............................................................................................. 3
1.5 Batasan Masalah................................................................................................ 4
1.6 Sistematika Penulisan ....................................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kereta Rel Listrik .............................................................................................. 6
xv
2.2 Gardu Traksi.................................................................................................... ..9
2.3 Fenomena Petir................................................................................................ 11
2.4 Bentuk Gelombang Petir ................................................................................. 12
2.5 Tegangan Lebih ............................................................................................... 13
2.6 Arester Surja.................................................................................................... 15
2.6.1 Karakteristik Lightning Arrester ...................................................... 16
2.7 Metal Oxide Arrester....................................................................................... 16
2.8 Basic Insulation Level (BIL) ........................................................................... 17
2.9 Penelitian Yang Pernah Di Lakukan ............................................................... 18
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian ........................................................................ 21
3.2 Alat Dan Bahan ............................................................................................... 21
3.3 Tahapan Penelitian .......................................................................................... 22
3.4 Pemodelan Rangkaian Simulasi ...................................................................... 24
3.5 Penempatan Arester Surja Pada KRL ............................................................. 31
3.6 Diagram Alir Penlitian .................................................................................... 34
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Penelitian ................................................................................................ 35
4.2 Perhitungan Parameter Rangkaian Simulasi ................................................... 37
4.3 Simulasi Atpdraw ............................................................................................ 41
4.3.1 Simulasi Rangkaian Kereta Rel Listrik Dalam Kondisi Normal ..... 42
4.3.2 Simulasi Rangkaian Impuls ............................................................. 44
4.3.3 Simulasi Rangkaian Tanpa Sistem Proteksi ..................................... 45
xvi
4.3.3.1 Simulasi A.1 Tanpa Sistem Proteksi ............................... 45
4.3.3.2 Simulasi A.2 Tanpa Sistem Proteksi ............................... 46
4.3.4 Simulasi Rangkaian Dengan Sistem Proteksi .................................. 46
4.3.4.1 Simulasi B.1 Dengan Sistem Proteksi ............................. 47
4.3.4.2 Simulasi B.2 Dengan Sistem Proteksi ............................. 47
4.4 Hasil Simulasi ................................................................................................. 48
4.4.1 Grafik Dan Data Pada Simulasi A.1 ................................................. 48
4.4.2 Grafik Dan Data Pada Simulasi A.2 ................................................. 50
4.4.3 Grafik Dan Data Pada Simulasi B.1 ................................................. 51
4.4.4 Grafik Dan Data Pada Simulasi B.2 ................................................. 49
4.5. Perbandingan Hasil Simulasi ........................................................................ 54
BAB V KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan ..................................................................................................... 57
5.2 Saran ................................................................................................................ 58
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 59
LAMPIRAN
xvii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
2.1 Skematik Sistem Distribusi Kereta Rel Listrik ................................... 7
2.2 Sistem Penggera Motor DC ................................................................. 8
2.3 Penyearah Gelombang Penuh .............................................................. 10
2.4 Sambaran Petir Dari Awan Ke Bumi ................................................... 11
2.5 Arus Impuls Petir Berdasarkan Standar IEC 8/20 Μs ......................... 12
2.6 Tegangan Surja Akibat Sambaran Petir ............................................... 14
2.7 Skematik Penempatan Surja Arester Kereta Rel Listrik ...................... 15
2.8 Model Rangkaian MOA IEEE ............................................................. 17
3.1 Blok Diagram Pemodelan RangkAian Simulasi .................................. 24
3.2 Menara Distribusi 1,5 Kvdc .................................................................. 25
3.3 Integrated Grounding Line (IGL) ......................................................... 26
3.4 Saluran Udara 1500 VDC ...................................................................... 26
3.5 Model Rangkaian Sisi Sekunder Trafonsformator ............................... 27
3.6 Pembangkitan Impuls Heidler Type 15 ............................................... 28
xviii
3.7 Model Kawat Tanah ............................................................................. 28
3.8 Arrester IEEE Models .......................................................................... 29
3.9 Sumber Tegangan DC .......................................................................... 30
3.10 Motor DC ............................................................................................. 30
3.11 Model Isolator ...................................................................................... 30
3.12 Sebelum Pemasangan Arester Surja..................................................... 31
3.13 Single Line Diagram Skenario I KRL Tanpa Sistem Proteksi ............. 31
3.14 Blok Diagram Pemodelan Rangkaian Simulasi
Tanpa Sistem Proteksi .......................................................................... 32
3.15 Sesudah Pemasangan Arester Surja ..................................................... 32
3.17 Single Line Diagram Scenario II KRL Dengan Sistem Proteksi ......... 33
3.18 Blok Diagram Pemodelan Rangkaian Simulasi
Dengan Sistem Proteksi ....................................................................... 34
3.17 Diagram Alir Penelitian ....................................................................... 33
4.1 Simulasi Kereta Rel Listrik Dalam Kondisi Normal ........................... 42
4.2 Hasil Running Program Dalam Kondisi Normal ................................. 43
4.3 Pembangkit Arus Impuls Heidler Type 15........................................... 44
4.4 Arus Impuls 10 kA ............................................................................... 44
4.5 Rangkaian Simulasi A.1 ....................................................................... 45
4.6 Rangkaian Simulasi A.2 ....................................................................... 46
4.7 Rangkaian Simulasi B.1 ....................................................................... 47
xix
4.8 Rangkaian Simulasi B.2 ....................................................................... 48
4.9 Grafik Kenaikan Tegangan Simulasi A.1 Saat Impuls 1 kA ............... 49
4.10 Grafik Kenaikan Tegangan Simulasi A.2 Saat Impuls 1 kA ............... 50
4.11 Grafik Pemotongan Tegangan Simulasi B.1 Saat Impuls 1 kA ........... 52
4.12 Grafik Pemotongan Tegangan Simulasi B.2 Saat Impuls 1 kA ........... 53
4.13 Grafik Pemotongan Arester Pada Transformator Saat
Impuls 1 kA .......................................................................................... 55
4.14 Grafik Pemotongan Arester Pada Kereta Rel Listrik Saat
Impuls 1 kA .......................................................................................... 56
xx
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
2.1 Tegangan Suplai Sistem Kereta Rel Listrik Tegangan DC .................. 8
2.1 BIL Transformator Dan Kereta Rel Listrik .......................................... 17
4.1 Parameter Rangkaian Simulasi ............................................................ 40
4.2 Skenario Simulasi Sistem Proteksi Kereta Rel Lsitrik ......................... 41
4.3 Tegangan Terukur Pada Voltmeter ...................................................... 43
4.4 Data Hasil Simulasi A.1 ....................................................................... 49
4.5 Data Hasil Simulasi A.2 ....................................................................... 51
4.6 Data Hasil Simulasi B.1 ....................................................................... 51
4.7 Data Hasil Simulasi B.2 ....................................................................... 53
4.8 Perbandingan Simulasi A.1 Dan B1..................................................... 54
4.9 Perbandingan Simulasi B.1 Dan B2 ..................................................... 54
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sarana transportasi yang sedang dikembangkan di Indonesia saat ini, salah
satunya kereta rel listrik yang memiliki peranan penting sebagai alat transportasi
massal. Kereta rel listrik menggunakan Overhead Contact System (OCS) sebagai
penyaluran daya listrik ke kereta. Sistem penyaluran daya listrik OCS pada kereta
rel listrik terdiri dari saluran penyulang (feeder) yang menerima pasokan tegangan
menengah 20 kV dari jaringan distribusi ke transformator penurun tegangan (step
down) 20 kV disisi primer menjadi 1500 V pada sisi sekunder. Sebelum kereta rel
listrik mengkonsumsi tegangan DC, terdapat komponen rectifier sebagai konverter
yang berfungsi mengubah tegangan 1500 VAC menjadi 1500 VDC. Tegangan 1500
VDC ini yang dibutuhkan sebagai suplai tegangan dialirkan melalui OCS, namun
pada saat operasional dapat terjadi gangguan yang menyebabkan
outage/kegagalan sehingga terganggunya pelayanan pada saat kereta rel listrik
beroperasi.
Gangguan yang sering terjadi di kereta rel listrik JABODETABEK terutama pada
OCS yaitu gangguan akibat sambaran petir, jumlah sambaran petir berkisar antara
10-15 sambaran/tahun. Sambaran petir diklasifikasikan menjadi 2 yaitu petir
menyambar secara langsung pada saluran dan secara tidak langsung.
2
Sambaran secara langsung petir dapat menyambar pada saluran udara atau
menyambar pada kawat tanah, sedangkan untuk sambaran secara tidak langsung
petir menyambar pada pohon atau tanah yang berada didekat kawasan peralatan
kereta listrik.
Adapun sambaran petir yang menyambar pada OCS kereta rel listrik adalah jenis
sambaran secara langsung dan secara tidak langsung, sambaran petir tersebut
dapat mengakibatkan kenaikan tegangan pada saluran. Apabila tidak terdapat
sistem proteksi yang melindungi kereta rel listrik maka dapat menyebabkan
kerusakan pada peralatan-peralatan. Sehingga diperlukan sistem proteksi pada saat
terjadinya tegangan lebih agar tegangan lebih yang terjadi tidak melewati tingkat
isolasi dasar atau BIL (Basic Insulatuion level) pada peralatan tersebut.
Salah satu usaha untuk mencegah petir menyambar langsung dikawat fasa dengan
memasang kawat tanah dengan memposisikannya diatas kawat fasa. Kegagalan
perisaian (shielding failure) merupakan kondisi ketika kawat tanah tidak dapat
menangkap sambaran petir dan mengenai langsung pada kawat fasa. Serta
menggunakan sistem proteksi yaitu arrester dalam melindungi kenaikan tegangan
yang merambat pada OCS dengan cara memotong kenaikan tegangan lebih
tersebut.
Penelitian ini menganalisis hasil pemotongan tegangan arester surja pada saat
terjadi sambaran petir secara langsung pada OCS, menghitung besarnya tegangan
lebih pada kereta rel listrik akibat injeksi arus surja saat terjadi sambaran pada
saluran 1500 VDC, dan pengaruh jarak titik sambaran petir terhadap kenaikan
tegangan pada kereta rel listrik. Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan
software Alternative Transient Program (ATP).
3
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Menghitung besarnya tegangan lebih akibat injeksi arus surja di listrik
aliran atas pada kereta rel listrik 1500 VDC.
2. Menganalisis pengaruh jarak titik sambaran petir terhadap kenaikan
tegangan pada Kereta Rel Listrik 1500 VDC.
3. Menganalisis hasil pemotongan tegangan arrester terhadap kenaikan
tegangan di listrik aliran atas pada Kereta Rel Listrik 1500 VDC.
1.3 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah :
1. Dengan adanya simulasi sistem aliran listrik KRL ini, dapat memberikan
informasi tentang kinerja saluran Kereta Rel listrik 1500 VDC pada saat
terjadi sambaran petir.
2. Mengetahui kinerja arrester dalam memotong kenaikan tegangan pada
kereta rel listrik 1500 VDC.
1.4 Rumusan Masalah
Permasalahan yang dibahas pada penulisan skripsi antara lain:
1. Pemodelan sistem proteksi pada sistem Kereta Rel Listrik.
2. Pembuatan rangkaian simulasi sistem proteksi tegangan lebih pada Kereta
Rel Listrik menggunakan software ATPDraw.
4
3. Menghitung kenaikan tegangan akibat surja petir.
4. Menganalisis kenaikan tegangan pada kereta rel listrik.
1.5 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penulisan skripsi antara lain:
1. Perhitungan tegangan lebih hanya dilakukan pada gardu traksi dan KRL.
2. Pemodelan yang dibuat pada software hanya sistem aliran listrik kereta rel
listrik.
3. Pemodelan pada arrester surja menggunakan pemodelan arrester IEEE
models.
4. Impuls arus surja yang digunakan sesuai standar yang direkomendasikan
oleh IEC 8/20μs dan tidak memvariasiakan waktu muka impuls.
5. Peralatan yang terdapat pada Kereta Rel Listrik hanya dimodelkan dengan
rangkaian ekuivalen motor DC.
6. Besarnya gangguan arus ditentukan sebesar 1 kA, 5 kA, 10 kA, 15 kA, dan
20 kA.
7. Variasi jarak sambaran petir yang digunakan 350 meter dan 50 meter dari
kereta rel listrik.
8. Pemodelan tiang yang dibuat hanya memodelkan 10 tiang dengan jarak
masing-masing tiang sejauh 50 meter
5
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dalam penelitian tugas akhir ini terdiri dari beberapa
bagian, yaitu :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan, manfaat penulisan,
rumusan masalah, batasan masalah, dan sistematika penulisan.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini memuat landasan teori yang berisi teori-teori dasar yang berhubungan
dengan penelitian yang dilakukan.
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini memuat tentang langkah-langkah penelitian yang dilakukan, yaitu
pemodelan sistem, diagram alir pengerjaan penelitian, penjelasan sistem dan
skenario simulasi sistem.
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi tentang hasil dari simulasi yang dilakukan dan pembahasan hasil
simulasi tersebut.
BAB V. SIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang intisari dari keseluruhan penelitian yang telah dilakukan.
Selain itu terdapat juga saran untuk penelitian yang telah dilakukan untuk
perbaikan di masa yang akan datang.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kereta Rel Listrik (KRL)
Perkembangan pertama kali kereta api yang ada di Indonesia menggunakan bahan
bakar batu bara atau kayu dalam pengoprasiannya sehingga pada saat berjalan
mengeluarkan kepulan asap dari cerobongnya namun pada saat ini kereta tersebut
tidak lagi menggunakan bahan bakar batu bara atau kayu sebagai penggantinya
sistem penggerak pada kereta api menggunakan diesel dengan menggunakan
bahan bakar solar. Seiring dengan perkembangan teknologi terbentuklah Kereta
Rel Listrik. Dalam dunia transportasi Kereta Rel Listrik (KRL) sudah marak
dipakai di negara-negara maju sebagai transpotasi utama.
Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan kereta yang menggunakan tenaga listrik
dalam menggerakkan motornya. Pada KRL terdapat dua macam sumber listrik
yang dapat digunakan yaitu sumber DC dan sumber AC. Sumber DC yang biasa
digunakan untuk KRL sebesar 600 V, 750 V, 1500 V dan 3000 V, sedangkan
untuk KRL sumber AC sebesar 15 kV, dan 25 kV. Sistem penyaluran aliran listrik
pada kereta rel listrik menggunakanan OCS yang berfungsi untuk menyalurkan
daya listrik dari sumber ke KRL[1].
7
Sistem penyaluran aliran listrik pada kereta rel listrik memiliki bagian-bagian
yang penting untuk pengoperasian kereta rel listrik yaitu saluran penyulang
(feeder) yang menerima pasokan sebesar 20 kVAC dari sumber ke transfrmator
penurun tegangan 20 kVAC menjadi 1500 VAC, rectifier sebagai konverter yang
berfungsi mengubah tegangan 1500 VAC menjadi 1500 VDC[2]. Gambaran
Skematik sistem distribusi kereta rel listrik dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Skematik sistem distribusi kereta rel listrik[2]
Tegangan operasional 1500 Vdc yang mengalir pada OCS terhubung oleh sebuah
piranti bernama pantograph. Tipe Pantograph yang digunakan adalah type single
arm dan Diamond shape shinkansen, pantograph tersebut berfungsi untuk
menyalurkan sumber listrik ke kereta kemudian akan diteruskan ke motor sehingga
KRL berjalan. Pantograf ini harus selalu terhubung dengan konduktor sumber
listrik, dan harus mempunyai fleksibilitas yang tinggi karena dipakai pada
kecepatan yang relative tinggi[3].
8
Gambar 2.2 Sistem Penggerak Motor DC
Tegangan 1500VDC sebagai tegangan operasional pada kereta rel listrik, converter
chopper DC-DC digunakan sebagai penyalur tegangan 1500 VDC dan juga
digunakan sebagai pengatur tegangan DC pada KRL yang menggunakan motor
DC, sehingga dalam pengaturannya tegangannya lebih mudah dan efisiensi yang
lebih baik. Chopper DC-DC digunakan juga sebagai drive control yaitu
penggerak dan pengendali putaran motor traksi, dengan mekanisme swithing
tegangan DC yang dapat menghasilkan tegangan output DC yang berubah-ubah
tegangannya sehingga berpengaruh dalam kecepatan motor yang dihasilkan[1].
Tabel 2.1 menunjukan standar DIN EN 50163 (VDE 0115 part 102)
dan IEC 60850 yang menjelaskan tentang suplai tegangan sistem traksi untuk
aplikasi kereta rel listrik tegangan DC[22].
Tabel 2.1 Tegangan suplai sistem kereta rel listrik tegangan DC
Nominal Voltage 750 V 1500 V 3000V
Maximum Continuous Voltage Umax1 (V) 900 1800 3600
Maximum Nonpermanent Voltage Umax2 (V) 1000 1950 3900
Highest Long-term Overvoltage Umax3 (V) 1270 2540 5073
Sumber : Standar DIN EN 50163 (VDE 0115 part 102) dan IEC 60850
9
2.2 Gardu Traksi
Gardu traksi adalah sebuah Gardu listrik yang digunakan untuk menyuplai daya
ke saluran udara atau catenary sebagai supply ke KRL. Supply utama Gardu
traksi ini berasal dari PLN sebagai salah satu perusahaan penyedia tenaga listrik di
Indonesia. Tegangan yang disalurkan dari sumber 20 kVAC yang kemudian di
konversi menjadi tegangan 1500 VDC pada keluaran gardu traksi tersebut mengalir
pada OCS yang kemudian digunakan dalam pengoprasian sistem KRL[4].
Adapun peralatan yang terdapat pada suatu gardu adalah sebagai berikut :
1. Transformator Daya
Transformator Daya adalah alat yang digunakan sebagai penurun atau
penaik tegangan. Trafo yang digunakan pada gardu ini adalah trafo penurun
tegangan 3 phasa dari tegangan 20 kV menjadi 1500 V.
2. Transformator Tegangan/Potential Transformer (PT)
trafo tegangan merupakan peralatan pada sistem tenaga listrik yang berupa
transformator 1 fasa step down yang mentransformasikan tegangan pada
jaringan tegangan tinggi ke suatu sistem tegangan rendah.
3. Transformator Arus/Potential Current (CT)
trafo arus adalah peralatan pada sistem tenaga listrik yang berupa
transformator yang digunakan untuk pengukuran arus yang besarnya hingga
ratusan ampere dan juga digunakan untuk mengubah arus listrik skala
besar ke skala yang lebih kecil.
4. Overhead Contact system (OCS)
Overhead Contact system atau yang sering disebut (OCS) adalah suatu
sistem yang terdiri dari gardu listrik dan jaringan listrik aliran atas. Pada
10
jaringan Overhead Contact system berupa saluran konduktor yang berfungsi
untuk menyalurkan atau mensuplai daya listrik ke kereta rel listrik dari
gardu traksi.
5. Converter
Penyearah (Rectifier) pada sistem Kereta Rel Litrik (KRL) ini digunakan
untuk menyearahkan sumber 1500 VAC menjadi sumber 1500 VDC.
Penyearah gelombang penuh dapat dibuat menggunakan 4 diode.
Gambar 2.3 Penyearah gelombang penuh
Prinsip kerja dari penyearah gelombang penuh dengan 4 diode pada
gambar 2.3 yaitu pada saat output tegangan transformator memberikan level
tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias dan D2, D3
pada posisi reverse bias sehingga level tegangan sisi puncak positif tersebut
akan di leawatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat output tegangan
transformator memberikan level tegangan sisi puncak negatif maka D2, D4
pada posisi forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan level
tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D4[5].
11
2.3 Fenomena Petir
Fenomena petir dapat terjadi karena terdapatnya awan bermuatan diatas bumi,
awan bermuatan ini disebabkan karena terdapatnya kelembapan udara dan
terdapatnya gerakan udara keatas (up draft). Kelembapan udara yang terpapar
sinar matahari akan menyebabkan penguapan kemudian penguapan tersebut akan
naik karena adanya gerakan up draft. Terjadinya proses up draft yang terus
menerus akan membentuk awan bermuatan dapat dilihat pada gambar 2.4 yang
merupakan ilustrasi sambaran petir[6].
Gambar 2.4 Sambaran Petir dari Awan ke Bumi[6]
Jenis-jenis sambaran petir adalah sebagai berikut[7]:
1. Sambaran langsung merupakan sambaran petir yang menyambar secara
langsung pada kawat fasa atau kawat pelindung (kawat tanah). Sambaran
langsung ini biasanya menyebabkan tegangan lebih (overvoltage) padasaluran
yang sangat tinggi.
2. Sambaran tidak langsung merupakan sambaran petir yang menyambar ke
objek di dekat saluran. Sambaran ini biasanya menyebabkan kenaikan
tegangan lebih secara induksi pada saluran.
12
Sambaran petir yang menyambar pada OCS kereta rel listrik adalah jenis
sambaran secara langsung dan secara tidak langsung, sambaran petir tersebut
dapat mengakibatkan kenaikan tegangan pada saluran. Apabila tidak terdapat
sistem proteksi yang melindungi kereta rel listrik maka dapat menyebabkan
kerusakan pada peralatan-peralatan. Sehingga diperlukan sistem proteksi pada saat
terjadinya tegangan lebih agar tegangan lebih yang terjadi tidak melewati tingkat
isolasi dasar atau BIL (Basic Insulatuion level) pada peralatan tersebut[8].
2.4 Bentuk Gelombang Petir
Lightning impuls dapat didefinisikan sebagai tegangan DC yang naik menuju
puncak dalam waktu yang singkat dan akan menurun perlahan menuju nol.
Berdasarkan standar IEC (International Electrotechnical Commission) standar ini
menetapkan bentuk gelombang arus impuls adalah 8/20μs[9].
Gambar 2.5 Arus impuls petir berdasarkan standar IEC 8/20 μs[9]
Muka gelombang (wafe front) merupakan bagian dari gelombang yang dimulai
dari titik nol sampai menuju pada titik puncak. Waktu muka (Tf) adalah waktu
13
yang diperlukan dari mulai titik nol sampai pada titik puncak gelombang. Ekor
gelombang (wave tail) merupakan bagian pada gelombang dari titik puncak
gelombang sampai pada akhir gelombang. Waktu ekor (Tt) adalah waktu yang
diperlukan dari mulai titik nol sampai sampai pada setengah puncak pada ekor
gelombang.
Waktu muka dan waktu ekor yang dihasilkan tidak selalu tepat seperti yang
diharapkan. Oleh karena itu untuk tegangan impuls petir berdasarkan standar IEC
penyimpangan waktu muka (Tf) yang ditolerir sebesar ±30% untuk penyimpangan
waktu ekor (Tt) sebesar ±20%. Sedangkan untuk arus impuls penyimpangan
waktu muka (Tf) yang ditolerir sebesar ±20% untuk penyimpangan waktu ekor
(Tt) sebesar ±20%.
2.5 Tegangan Lebih
Tegangan lebih dapat didefinisikan sebagai tegangan yang telah melewati tingkat
isolasi dasar atau BIL (Basic Insulation level) peralatan serta hanya dapat ditahan
oleh sistem tenaga listrik pada waktu yang sangat singkat. Tegangan lebih yang
disebabkan karena petir biasa dikenal sebagai natural overvoltage karena petir
merupakan peristiwa alamiah yang tidak dapat diprediksi pada saat menyambar
dan tidak dapat kendalikan oleh manusia.
Sambaran petir yang menyambar pada saluran maka gelombang petir tersebut
akan merambat pada dua sisi yaitu menuju gardu traksi dan menuju peralatan
(beban) sehingga dapat menyebabkan kenaikan tegangan pada gardu traksi dan
kenaikan tegangan pada peralatan (beban). Seperti ilustrasi yang ditunjukan pada
gambar 2.9 [5].
14
Pada saat gardu induk dan peralatan (beban) mengalami kenaikan tegangan yang
disebabkan oleh sambaran petir tanpa terpasangnya sistem proteksi, maka sistem
isolasi yang berada pada gardu induk dan peralatan (beban) akan mengalami
kerusakan karena kenaikan tegangan lebih telah melewati tingkat isolasi dasar
atau BIL (Basic Insulation level) yang telah ditetapkan. Sehingga pada saat
terjadinya tegangan lebih diperlukan sistem proteksi agar kenaikan tegangan yang
sampai pada gardu induk dan peralatan (beban) tidak melewati tingkat isolasi
dasar atau BIL (Basic Insulation level) pada peralatan gardu tersebut[5].
Gambar 2.6 Tegangan Surja akibat sambaran petir[5]
Salah satu usaha untuk mencegah petir menyambar langsung dikawat fasa dengan
dipasangnya kawat tanah dengan memposisikannya diatas kawat fasa. Ketika
kawat tanah tidak dapat menangkap sambaran petir dan mengenai langsung kawat
fasa dalam kasus ini biasa disebut kegagalan perisaian (shielding failure). Serta
digunakannya sistem proteksi yaitu arester dalam melindungi kenaikan tegangan
yang merambat dengan cara memotong kenaikan tegangan lebih tersebut[10].
15
2.6 Arester Surja
Arester surja adalah alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap
tegangan lebih baik yang disebabkan oleh surja petir maupun surja hubung.
Arester berfungsi jalan pintas (by pass) sekitar isolasi dengan membentuk jalan
yang mudah dilalui oleh arus sambaran petir sehingga tidak timbul tegangan lebih
yang tinggi pada peralatan[9]. Pada saat keadaan tegangan normal, arester
berfungsi sebagai isolasi, namun pada saat terjadi surja petir yang mengakibatkan
tegangan lebih maka arester akan bekerja atau berfungsi sebagai konduktor yang
akan mengalirkan arus yang tinggi ke tanah[11]. Pada sistem kereta rel listrik
penempatan surja arester diletakan pada gardu traksi dan pada pantograph.
Gambar 2.7. menunjukkan skematik dalam lokasi penempatan surja arester yang
akan digunakan.
Gambar 2.7 Skematik penempatan Surja Arester kereta rel listrik[9]
16
2.6.1 Karakteristik Lightning Arester
Karakteristik standar yang dimiliki Lightning Arester antara lain[12]:
1. Arester memiliki karakteristik yang dibatasi tegangan (voltage limiting) yang
merupakan harga pada terminal yang mampu ditahan oleh arester pada saat
dilalui arus petir.
2. Arester memiliki batasan termis yaitu memiliki kemampuan untuk melewatkan
arus surja dalam durasi yang lama dan berulang-ulang.
3. Karakteristik arester yang memiliki tahanan yang tidak linier, sehingga arester
akan bekerja berdasarkan tahanan tidak linier tersebut. Ketika arester bekerja
tahanan tersebut akan mengalami penurunan nilai tahanan sehingga arester
berubah menjadi konduktor, namun pada saat tidak bekerja tahanan arester
bernilai besar sehingga arester bersifat isolator.
4. Arester harus memiliki kemampuan untuk melepaskan tegangan lebih dengan
mengalirkan arus surja ketanah tanpa merusak arester itu sendiri.
5. Arester juga harus mampu dalam memutuskan arus surja apabila terjadi arus
susulan.
2.7 Metal Oxide Arrester
MOA - Metal Oxide Varistor atau arester arester seng oksida merupakan jenis
arester yang banyak dipakai sebagai elemen proteksi surja yang mimiliki sifat
non-linear dimana nilai resistansinya dikontrol berdasarkan nilai tegangan.
Prinsip kerja MOA pada saat petir menyambar yang menyebabkan kenaikan
tegangan maka tahanan yang terdapat pada MOA akan mengalami penurunan
17
sehingga menjadi konduktor dan mengalirkan surja ke bumi. Namun, pada saat
arus petir mengalami penurunan maka tahanan pada arreter akan kembali naik
sehingga arester akan bersifat sebagai isolator[13].
Gambar 2.8 Model rangkaian MOA IEEE [14]
Model dari MOA yang digunakan berdasarkan model surja arester yang
dikembangkan oleh IEEE. A0 dan A1 merupakan dua resistansi nonlinear yang
dipisahkan oleh RL filter[14].
2.8 Basic Insulation Level (BIL)
Basic Insulation Level (BIL) atau Tingkat Isolasi Dasar (TID) merupakan daya
tahan terhadap kenaikan tegangan impuls standar yang masih dapat ditahan
isolasi. BIL dapat juga didefinisikan sebagai tingkat-tingkat patokan (reference
level) dinyatakan dalam tegangan puncak impuls dengan gelombang impuls
standar. BIL pada trafo 1,2 kV dan pada kereta rel listrik 1,5 kV dapat dilihat pada
tabel 2.2 [23].
Tabel 2.2 BIL Transformator dan kereta rel listrik
Peralatan Tegangan (kV) BIL (Basic Insulation Level) (kV)
Transformator 1,2 45
Kereta Rel Listrik 1,5 35
18
2.9 Penelitian Yang Pernah di Lakukan
1. G.B. Gharehpetian dan Farhad Shahnia, dalam “Lightning And Switching
Transien Overvoltage In Power Distribution System Feeding DC
Electrified Railways” membahas tentang mengendalikan dan pengurangan
besarnya tegangan transien pada distribusi daya pada kereta listrik
merupakan salah satu masalah yang sangat penting. Oleh karena itu perlu
untuk dipelajari bagaimana dan mengapa tegangan transien harus di
kurangi pada sistem tenaga. Pada penelitian ini tegangan lebih transien
pada kereta rel listrik DC diselidiki untuk dapat menentukan pemilihan
surja arreter yang berkualitas dan yang terbaik untuk dihubungkan pada
sistem tenaga listrik.
2. Tomasz Chmielewski dan Andrzej Dziadkowiec dalam penelitian
“Simulation Of Fast Transients In A Typical 25 kV a.c. Railways Power
Supply System” membahas tentang kabel listrik pada railways yang
merupakan konduktor overhead yang selalu berkontak secara langsung
pada samabaran petir. Tegangan yang dihasilkan oleh lonjakan petir ini
dapat sangat mengurangi kehandalan sistem tenaga listrik secara
keseluruhan. Oleh karena itu sangat penting dalam mendesain proteksi
petir, untuk simulasi lonjakan petir pada penelitian ini menggunakan
PSCAD.
3. Violeta Chis et all, mengenai “Simulation Of Lightning Overvoltages With
ATP-EMTP And PSCAD?EMTDC” pada penelitian ini membahas tentang
suatu pemodelan tegangan lebih dengan menggunakan 2 program yaitu
19
ATP-EMTP And PSCAD?EMTDC. Simulasi dilakukan untuk saluran
transmisi 220 kV dengan tinggi menera setinggi 40 meter yang jarak nya
280 meter dengan nilai tahanan kaki sebesar 30 ohm. Simulasi untuk
tegangan lebih petir dilakukan dengan menggunakan software ATP dan
PSCAD dalam memperoleh hasil tegangan diatas dan dibawah menara saat
terjadi sambaran petir.
4. Agung Setiawan dalam “Karakteristik Unjuk Kerja Arester ZnO Tegangan
Rendah 220 Volt” membahas tentang karakteristik arester ZnO 220 volt
dalam mengatasi impuls yang digunakan sebagai sistem proteksi saluran
tegangan rendah dengan melaukukan simulasi menggunakan program
EMTP. Pada simulasi yang dilakukan ini menggunakan 3 model ZnO yaitu
model IEEE, Pincetti dan Saha. Dari hasil penelitian yang dilakukan
diperoleh bahwa arester ZnO mempunyai tegangan potong dan tegangan
residu yang nilainya masih berada dibawah batas BIL. Namun untuk
pemodelan arester IEEE memiliki nilai presentasi tegangan residu yang
terkecil dari pada pemodelan yang lainnya sehingga arester model IEEE
bisa diterapkan pada tegangan rendah 220 volt sebagai arester untuk gardu
induk dalam simulasi ini tegangan impul petir diletakkan pada saluran
transmisi.
5. M.yonggi puriza dan Reynaldo zoro dalam “Lightning Over Voltage
Evaluation On DC 1.5 kV Overhead Contact System (OCS) For Electrified
Railways In Indonesia”. IEEE Conference on Power Engineering and
Renewable Energy ICPERE 2014. Gardu induk pada kereta listrik dan
saluran udara sudah dibangun dalam kurun waktu yang lama namun tidak
20
terdapatnya kesesuaian dengan sistem proteksi. Ketidaksesuaian antara
desain dan sistem proteksi membuat saluran udara sangat rentan terhadap
kerusakan yang disebabkan oleh sambaran petir secara langsung maupun
sambaran petir secara induksi. Pada penelitian yang dilakukan sebelumnya
ini hanya meneliti sistem proteksi pada saluran udara kereta listrik dengan
menggunakan grounding wire dan memvariasikan penempatan grounding
wire. Pada penelitian ini Arester tidak terpasang pada kereta listrik sehinga
dapat mengakibatkan kerusakan peralatan pada saat terjadi gangguan.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
3.1.1 Waktu
Pengerjaan tugas akhir ini dilaksanakan pada bulan Mei 2017 hingga
Maret 2018
3.1.2 Tempat
Penelitian tugas akhir ini dilakukan di Laboratorium Terpadu Jurusan
Teknik Elektro Universitas Lampung.
3.2 Alat dan Bahan
3.2.1 Alat Penelitian
Adapun peralatan yang dibutuhkan pada penelitian ini antara lain :
1. Perangkat Laptop
2. Perangkat lunak ATPDraw.
3. Data-data one line diagram sistem kereta rel ristrik 1500 VDC.
3.2.1 Pemodelan Penelitian
Adapun pemodelan peralatan yang dibutuhkan pada penelitian ini adalah
sebagai berikut :
1. Sumber tegangan
2. Transformator
22
3. Kawat tanah dan Isolator
4. Arester
5. Menara saluran
6. Saluran Udara dan Isolator
7. Pentanahan
3.3 Tahapan Penelitian
Pada penyelesaian tugas akhir ini akan dilakukan melalui tahapan sebagai
berikut:
a. Studi Literatur
Dalam studi literatur ini dimaksudkan untuk mempelajari dan mencari
informasi dari jurnal, buku dan artikel-artikel dari perpustakaan yang
digunakan sebagai referensi yang berhubungan dalam penyusunan tugas
akhir ini diantaranya.
b. Studi Bimbingan
Dalam tahapan ini dengan melakukan pendalaman materi dan melakukan
diskusi dengan pembimbing mengenai penelitian tugas akhir yang
dilakukan, yang berguna dalam mencari solusi dari permasalahan yang ada
dalam melakukan penelitian ini.
c. Pengumpulan data
Dalam tahapan melakukan pengumpulan data yang dibutuhkan dalam
proses penelitian, data tersebut meliputi spesifikasi peralatan yang
digunakan dalam penelitian yang bersumber dari PT. KAI Commuter
Jabodetabek agar dapat memenuhi dalam pembuatan simulasi pada
software yang digunakan.
23
d. Pemodelan
Komponen yang akan dimodelkan dalam simulasi rangkaian antara lain:
Sumber teganga DC, saluran Distribusi, sisi sekunder pada transformator,
tiang, pentanahan, Impuls petir dan Surge Arester.
e. Simulasi Rangkaian
Simulasi dilakukan dengan memvariasikan besarnya arus yang disebabkan
oleh surja petir.
f. Membuat Analisis dari Hasil Simulasi
Setelah perancangan single line diagram dan simulasi selesai dijalankan
maka didapatkan data hasil simulasi dari program ATPDraw. Hasil yang
didapatkan berupa data nilai tegangan transien pada saat sebelum
menggunakan arester surja dan setelah menggunakan arester surja.
g. Penulisan Laporan
Dalam tahapan ini yang dilakukan adalah penulisan laporan hasil dari
penelitian yang sesuai dengan data yang didapat, penulisan laporan ini
tulis secara lengkap dari latar belakang, tinjauan pustaka hingga proses
simulasi pada program ATPDraw kemudian mengalisanya serta
kesimpulan dan tidak luput dari saran demi melangkai penulisan laporan.
24
3.4 Pemodelan Rangkaian Simulasi
Pemodelan rangkaian simulasi digambarkan dalam blok diagram pada gambar 3.1
Gambar 3.1 Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi
Tahapan dalam simulasi dan pemodelan dimulai dengan melakukan simulasi yang
dilakukan menggunakan program ATPDraw yang didalamnya terdapat fasilitas
untuk membuat pemodelan dengan menggunakan komponen-komponen yang
terdapat dari menu-menu yang tersedia pada program yang pemodelannya
disesuai dengan single line diagram.
PemodelanSumber
tegangan DC
Pemodelan
Transformator
Pemodelan Isolator dan
overhead contact system
Pemodelan
Tiang
Pemodelan
Kawat tanah
dan Isolator
Pemodelan
Sambaran petir
Pemodelan Kereta rel
listrik (KRL)
Pemodelan
Arester Rangkaian
Simulasi
25
a. Model Menara/Tiang
Model menara yang digunakan yang digunakan pada saluran distibusi
pada kerata rel listrik ini menggunakan menara “pole concrete” jarak antar
menara 50 meter dapat dilihat pada gambar 3.2. Model menara ini yang
umum digunakan pada jaringan saluran distribusi pada kereta rel listrik.
Gambar 3.2 Menara distribusi 1,5 kVDC[15]
Besarnya nilai impedansi pada menara type pole concrete ini dapat di
representasikan dengan nilai :
(
) (
)
Dimana
H = Tinggi tiang (m)
r = Jarak antar tiang (m)
b. Sistem Pentanahan
Pemodelan sistem pentanahan dalam sistem kereta rel listrik menggunakan
pemodelan Integrated Grounding Line (IGL) dapat dilihat pada gambar
3.3 yang terhubung secara langsung pada pemodelan tiang, dengan nilai
grounding resistivity sebesar ρ = 20 Ωm.
26
Gambar 3.3 Integrated Grounding Line (IGL) [15]
Dalam kasus single rod nilai dari resistansi grounding dapat di rumuskan
dengan :
[ (
) ]
Dimana :
ρ = resistivitas tanah
l = panjang elektroda (m)
r = diameter elektroda (m)
c. Saluran Udara
Saluran udara yang biasa digunakan pada kereta rel listrik menggunakan
single phase overhead dapat dilihat pada gambar 3.4 dimana tegangan
akan mengalir sebesar 1500 VDC, pemodelan yang digunakan pada saluran
udara ini menggunakan LCC Line/Cable dengan PI-Model.
Gambar 3.4 Saluran Udara 1500 VDC[16]
L
R C
27
Nilai impedansi saluran udara pada pemodelan rel kereta ini dapat
dihitung melalui rumus :
Parameter konduktor Fasa
⁄
Dimana nilai :
r = jari-jari konduktor (m)
π = pi (3,14)
C = Kapasitansi (Farad/F)
L = Induktansi (Henry/H)
(ɛ0) = 8,8542 ∙ 10−9
F/km (permitivitas udara)
d). Gardu Traksi
Model peralatan pada gardu traksi dimodelkan menggunakan rangkaian
ekuivalen yang hanya memodelkan sisi sekunder pada trafo dapat dilihat
pada gambar 3.5, sumber tegangan yang digunakan menggunakan sumber
DC sebesar 1500 VDC sesuai dengan tegangan operasi pada listrik aliran
atas pada kereta.
Gambar 3.5 Model rangkaian sisi sekunder trafonsforrmator[17]
L
R
C
28
e) Impuls surge
Pemodelan yang digunakan untuk menginjeksikan besarnya arus impuls
pada rangkaian simulasi dapat dimodelkan dengan rangkaian
pembangkitan impuls Heidler type 15 dapat dilihat pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Pembangkitan impuls Heidler type 15[18]
f) Kawat tanah
Kawat tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah kawat tanah
tunggal dapat dilihat pada gambar 3.7. Sehingga perhitungan impedansi
surja kawat tanah adalah:
(
)
Dimana :
Zs = impedansi surja kawat tanah
Ht = tinggi rata – rata kawat tanah
r = radius kawat tanah
Gambar 3.7 Model kawat tanah[19]
29
f). Arester
Pemodelan yang digunakan pada program ATPDraw menggunakan
pemodelan arrester IEEE models yang dimodelkan dengan menggunakan
kompenen MOV-type 92 dapat dilihat pada gambar 3.8 [20].
Gambar 3.8 Arrester IEEE models
Dimana :
d = Tinggi Arester (m)
n = Jumlah Paraller dari MOA
g) Sumber Tegangan
Pemodelan sumber tegangan yang digunakan pada program ATPDraw
menggunakan pemodelan sumber tegangan DC.
L
R
L
R C
30
Pemodelan sumber tegangan dapat dilihat pada gambar 3.9.
Gambar 3.9 Sumber tegangan DC[8]
h) Motor DC
Pemodelan motor DC yang digunakan pada program ATPDraw menggunakan
rangkaian ekuivalen motor DC yang dimodelkan dengan rangkaian R dan L.
Pemodelan motor DC dapat dilihat pada gambar 3.10.
Gambar 3.10 Motor DC[21]
i) Isolator
Pemodelan Isolator yang digunakan pada program ATPDraw menggunakan
rangkaian ekuivalen yang dimodelkan dengan rangkaian impedansi R . Pemodelan
Isolator DC dapat dilihat pada gambar 3.11.
Gambar 3.11 Model Isolator
R
L
31
3.5 Penempatan Arester surja Pada KRL
Gambar 3.12 Sebelum Pemasangan arester surja
Gambar 3.12 menunjukkan tentang skematik kereta rel listrik pada gambar
tersebut dapat dilihat bahwa pada kereta rel listrik belum terpasangnya sistem
proteksi. Kondisi ini yang digunakan dalam simulasi software ATPDraw untuk
melihat kenaikan tegangan pada saat terjadi gangguan sambaran petir.
Gambar 3.13 single line diagram skenario I KRL tanpa sistem proteksi
Gambar 3.13 merupakan single line diagram kereta rel listrik pada saat belum
terpasangnya arester surja. Kondisi ini yang digunakan dalam simulasi dalam
software ATPDraw dalam melihat kenaikan tegangan pada transformator dan
kereta rel listrik saat terjadi gangguan sambaran petir. Terdapat dua variasi letak
32
sambaran petir yang pertama berjarak 350 meter dari kereta rel listrik dan yang
kedua berjarak 50 meter dari kereta rel listrik. Pemodelan rangkaian pada simulasi
tanpa sistem proteksi digambarkan dalam blok diagram pada gambar 3.13.
Gambar 3.14 Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi tanpa sistem proteksi
Gambar 3.15 Sesudah Pemasangan arester surja
Gambar 3.15 menunjukkan tentang skematik kereta rel listrik pada gambar
tersebut dapat dilihat bahwa pada kereta rel listrik setelah terpasangnya sistem
proteksi. Kondisi ini lah yang akan digunakan dalam simulasi software ATPDraw
untuk melihat kenaikan tegangan pada saat terjadi gangguan sambaran petir.
Sumber tegangan DC Transformator
Isolator dan overhead
contact system
Tiang Kawat tanah
dan Isolator
Sambaran petir Kereta rel listrik (KRL)
33
Gambar 3.16 Single line diagram skenario II KRL dengan sistem proteksi
Gambar 3.16 merupakan single line diagram kereta rel listrik pada saat setelah
terpasangnya arester surja. Kondisi ini lah yang akan digunakan dalam simulasi
dalam software ATPDraw dalam melihat kenaikan tegangan pada transformator
dan kereta rel listrik saat terjadi gangguan sambaran petir. Terdapat dua variasi
letak sambaran petir yang pertama berjarak 350 meter dari kereta rel listrik dan
yang kedua berjarak 50 meter dari kereta rel listrik. Pemodelan rangkaian simulasi
tanpa sistem proteksi digambarkan dalam blok diagram pada gambar 3.17.
Gambar 3.17 Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi dengan sistem proteksi.
Sumber tegangan DC Transformator
Isolator dan overhead
contact system
Tiang Kawat tanah
dan Isolator
Sambaran petir Kereta rel listrik (KRL)
Arester
Arester
34
3.6 Diagram Alir Penelitian
YA
TIDAK
YA
Gambar 3.18 Diagram Alir Penelitian
Urutan proses penelitian dapat di gambarkan dalam flowchart diagram alir
penelitian tugas akhir yang ditunjukan pada gambar 3.18 yang dapat di
representasikan sesuai berdasarkan tahapan penelitian yang dimulai dari
studi literatur, studi bimbingan, pengumpulan data, pemodelan rangkaian,
simulasi rangkaian, analisis hasil simulasi dan tahap terakhir adalah
penulisan laporan.
MULAI
Studi literature dan
pengumpulan Data
Komponen
Pemodelan sistem pada program
ATP
Memasukkan parameter pada setiap
komponen yang digunakan
Simulasi pada program ATP
Hasil keluaran pada program
ATP
Memasukkan besarnya impuls petir
Analisis dan Pembahasan
Pengujian
simulasi
Kesimpulan
SELESAI
A
A
BAB V
SIMPULAN DAN SARAN
2.10 Simpulan
Berdasarkan hasil simulasi proteksi tegangan lebih yang telah dilakukan,
diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1) Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin besar arus impuls yang diinjeksi
akan mengakibatkan kenaikan tegangan yang semakin besar.
2) Kenaikan tegangan telah melewati batas isolasi dasar dapat mengakibatkan
kerusakan pada peralatan , hasil dari simulasi A.1 dan simulasi A.2 kenaikan
tegangan pada transformator yang telah melewati tingkat isolasi dasar ≥ 45
kV pada saat arus impuls 15 kA, dan 20 kA, sedangkan kenaikan tegangan
pada kereta rel listrik yang telah melewati tingkat isolasi dasar ≥ 35 kV pada
saat arus impuls 10 kA, 15 kA dan 20 kA.
3) Semakin dekat letak titik sambaran petir dari objek yang tersambar maka
kenaikan tegangan yang dihasilkan akan semakin besar, begitupun sebaliknya
Semakin jauh letak titik sambaran petir dari objek yang tersambar maka
kenaikan tegangan yang dihasilkan akan semakin kecil.
4) Kenaikan tegangan yang telah melewati tingkat isolasi dasar diperlukan
pemasangan sistem proteksi agar tidak mengakibatkan kerusakan pada
peralatan, hasil simulasi B.1 dan B.2 dengan terpasangnya sistem proteksi
pada transformator dan kereta rel listrik kenaikan tegangan yang terjadi
58
berada dibawah tingat isolasi dasar yang diizinkan ≤45 kV dan 35 kV, sistem
proteksi yang terpasang dianggap mampu dalam melindungi kedua peralatan
tersebut dari dari kerusakan.
2.11 Saran
Sebagai masukan untuk menyempurnakan penelitian yang akan dilakukan
selanjutnya, pada penelitian ini peneliti menggunakan frekuensi steady state
pada saat kondisi transien, sehingga efek reaktansi kapasitif terabaikan. Pada
penelitian selanjutnya diharapkan tidak menggunakan frekuensi steady state
pada saat kondisi transien, sehingga efek reaktansi kapasitif yang dipengaruhi
oleh frekuensi tinggi tidak terabaikan.
59
DAFTAR PUSTAKA
[1] Reza Fauzan, Muhammad. Martin, Yul. 2015 “Analisa Harmonisa akibat
pengaruh penggunaan converter pada kereta rel listrik 1x25 kV
Jogjakarta-solo”. Electrician- Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro.
Teknik elektro, Universitas Lampung, Lampung, Indonesia.
[2] Oura, yasu. Mochinaga, Yoshifumi. Nagasawa, Hiroki. (1998, June 16)
“Railway Electric Power Feeding Systems”[online]. Available :
http://www.ejrcf.or.jp/jrtr/jrtr16/pdf/f48_technology.pdf.
[3] Nugroho, Setiyo. 2013. “ Sistem Propulsion Dan Auxiliary Pada Kereta
Rel Listrik (Krl) Di Pt. Inka (Persero) Madiun”. Dept. electrical
engeering, Universitas Diponegoro, Semarang. Indonesia.
[4] Ek Bien, liem. Kasim, Ishak. Hartanto, Henry. 2006. “Sistem Kendali
Kereta Otomatis Pada Kereta Rel Listrik VVVF”. JETri vol. 5, no. 2, pp.
ISSN 1412-0372.
[5] Palupi, Dyah Retno. 2014. “Perancangan dan Analisis Rangkaian
Rectifier Pada Rectenna Menggunakan Antena Televisi”. Jurnal
Mahasiswa TEUB, vol. 2, No. 6, pp. 320-115-1-PB.
[6] Sintianingrum, Ayu. Martin, Yul. 2014. “Simulasi tegangan lebih akibat
sambaran petir terhadap penentuan jarak masimum untuk perlindungan
peralatan pada gardu induk”. Electrician- Jurnal Rekayasa dan Teknologi
Elektro. Teknik Elektro, Universitas Lampung, Indonesia.
60
[7] Syakur, Abdul. 2014. “Kinerja Arrester Akibat Induksi Sambaran Petir
Pada Jaringan Tegangan Menengah 20 kV” Transmisi, Jurnal Teknik
Elektro, Jilid 11, vol. 09-14, No. 1, pp. 307-8030-1-PB.
[8] Puriza, M. Yonggi. Zoro, Reynaldo. 2014. “Lightning Over Voltage
Evaluation On DC 1.5 kV Overhead Contact System (OCS) For Electrified
Railways In Indonesia”. IEEE Conference on Power Engineering and
Renewable Energy, vol. 267-272, No. 11B1-4, pp. 978-1-4799-6402-1,
Desember, 2014.
[9] Mathin Mustika, Halomoan. Wijono. Suryono, Hadi. Dhofir, Moch. 2013.
“Rancang Bangun Generator Arus Impuls Tipe 8/20μs”, Jurnal EECCIS,
No. 2. Vol. 7, pp. 216-427-1-PB.
[10] Chyntya Ayuning, Palupi. 2013. “Analisis arus kegagalan periasaian
terhadap konfigurasi kawat tanah dan fasa pada saluran transmisi
tegangan ekstra tinggi ”, Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh
November (ITS), Surabaya, Indonesia.
[11] Avryansyah Akbar, Airlangga. 2013. “Pemeliharaan Lightning Arrester
(LA) Pada Gardu Induk Krapyak 150 Kv Pt. Pln (Persero) P3b Jawa –
Bali App Semarang”[online]. Available: https://anzdoc.com/pemeliharaan-
lightning-arrester-la-pada-gardu-induk-krapyak-.html.
[12] Wahyudian Kartiko, Bangkit. 2013. ”Study Karakteristik Transien
Lightning Arrester Pada Tegangan Menengah Berbasis Pengujian
Simulasi”, Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh November (ITS),
Surabaya, Indonesia.
61
[13] Bayadi, A. Harid, N. Zehar, K. Belkhiat,S. 2013. “Simulation Of Metal
Oxide Surge Arrester Dynamic Behavior Under Fast Transien”. The
International Conference on Power System Transien (IPST), New Orlean,
USA.
[14] Unahalekhaka, Pramuk. 2014. “Simplified Modeling of Metal Oxide Surge
Arresters”, Eco-Energy and Materials Science and Engeneering (EMSES).
Energy Procedia, No. 2. Vol. 56, pp. 56 (2014) 92 -101.
[15] Phayomhom, A. Sirisumrannakul, S. 2010. “Computation of Total
Flashover Rate in MEA’s Overhead Transmission Circuit Due to
Shielding Failure”.GMSARN International Journal, No. 3. Vol. 3, pp. 4
(2014) 121 -130.
[16] Filipovic Grcic, Bozidar. Uglesic, Ivo. Filipovic Grcic, Dalibor. 2011.
”Analysis of Transien Recovery Voltage in 400 kV SF6 Circuit Breaker
Due to Transmission Line Fault”, International Review of Electrical
Engineering (IREE), vol. 6, no.5. pp. 2652-2658.
[17] Rakotomala, A. Auriol, Ph. 1994. “Lightning Distribution Through
Earthing System”.IEEE. pp. 0-7803-1398-4.
[18] Mahadi. 2015. “Simulation of Haddad Surge Arrester Model on A 132 kV
Overhead Transmission Line For Back Flashover Analysis Using
Alternative Transient Program (ATP)” Dept. Electrical and Electronics
Engineering, Universitas Tun Hussein Onn, Malaysia.
62
[19] Wirahadi, Afriando. 2010. “Analysis Back-Flashover Model Menara
Costant-Parameter Distributed Line (CPDL) Pada Saluran Transmisi 150
kV (GI. Bukit Kemuning – GI Batu Raja)”, Teknik elektro, Universitas
Lampung, Lampung, Indonesia.
[20] Abdulwadood, Shehab. 2013. “Design of lightning Arrester For Electrical
Power System Protection”, Power Engineering and Electrical Engineering
vol. 11, no. 6, pp. 10.15598/aeee.v11i6.661.
[21] Melckzedek Minja, Kelvin, Victor Chombo. 2017. “Characteristics and
Behavior of Transient Current during Multiple Lightning on a Train
Thailand by using ATPDraw”, Proc. International Conference on
Industrial Application Engineering (IIAE), Thailand.
[22] A. suarez, Mario. 2010. “Transient Overvoltage in a Railways System
during Braking”. IEEE/PES Transmission and Distribution Conference
and Exposition, pp. 978-1-4577-0488-8, Latin America.
[23] Chief Engineer Rail, 2014. “Standar Rail Traction System-Insulation”.
Lead Electrical Engineer, Asset Standard Authority.