## ANALISIS  PERBANDINGAN  METAL-OXIDE  ARESTER TERHADAP VARIASI ARUS SURJA
Setyo Adi Nugroho 1* , Yuli Siyamto 2 , Joko Triyanto 3
1,2,3 ITS PKU Muhammadiyah Surakarta; Surakarta
Riwayat artikel: Received: 18 Juli 2023 Accepted: 10 Agustus 2023 Published: 11 September 2023

## Keywords:
Lightning Surge; Switching Surge; Arrester; Metal-Oxide
Corespondent Email: setyo0623@gmail.com
Abstrak. Sistem  tenaga  listrik  adalah  satu  kesatuan  yang  berfungsi  untuk menyuplai tenaga listrik ke konsumen secara kontinyu. Dalam menjalankan fungsinya, pada sistem tenaga listrik dapat terjadi gangguan seperti tegangan lebih  akibat  arus  surja  petir  maupun  surja  switching.  Sehingga  dapat mengganggu suplai tenaga listrik ke konsumen. Untuk mencegah hal tersebut maka diperlukan alat yang dapat mencegah gangguan arus surja. Arester jenis metal-oxide  adalah  peralatan  proteksi  yang  dapat  mencegah  terjadinya tegangan lebih akibat arus surja dengan cara mengalirkannya ke tanah. Pada penelitian  ini  dibandingkan  dua  jenis  varistor  yaitu  E32NR602S  dan E41NR302E  menggunakan  simulasi  ATPDraw.  Hasil  simulasi  menunjukan varistor E32NR602S memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan varistor E41NR302E.
Abstract. The electric power system is a unit that functions to serve electricity to  consumers  continuously.  In  carrying  out  its  functions,  disturbances  may occur in the electric power system such as overvoltage due to lightning surge currents or switching surges. So that it can disrupt the supply of electricity to consumers. To prevent this, we need a tool that can prevent interference surge currents. The metal-oxide type arrester is a protective device that can prevent overvoltage due to surge currents by draining them to the ground. In this study two types of varistors, namely E32NR602S and E41NR302E, were compared using ATPDraw simulations. The simulation results show that the E32NR602S varistor gives better results than the E41NR302E varistor.

## 1. PENDAHULUAN
Sistem  tenaga  listrik  adalah  kumpulan beberapa komponen seperti pembangkit, sistem transmisi, jaringan distribusi dan beban. Untuk melayani konsumen dengan tingkat kehandalan tinggi, sistem tenaga listrik ini diharapkan tidak mengalami  gangguan  baik  yang  bersifat temporer  maupun  permanen.  Salah  satu  jenis gangguan  pada  sistem  tenaga  listrik  yaitu tegangan  lebih  impuls  yang  disebabkan  oleh
proses switching dan sambaran petir baik secara langsung  maupun  secara  tidak  langsung sehingga dapat menyebabkan gangguan kehandalan sistem tenaga listrik dan kerusakan peralatan  pada  saluran  transmisi  maupun jaringan  distribusi  karena  melebihi  nilai  BIL ( Basic  Insulation  Level )  [1].  Oleh  karena  itu, untuk  mengurangi  dan  mencegah  dampak  dan kerusakan  pada  saluran  transmisi  dan  jaringan distribusi  tersebut,  maka  dapat  dilakukan
dengan  cara  yang  paling  umum  digunakan adalah memasang peralatan proteksi arester [2].
Arester  adalah  peralatan  proteksi  sistem tenaga listrik yang berfungsi untuk meminimalisir  tegangan  lebih  akibat  proses switching maupun sambaran petir dengan cara menyalurkan tegangan lebih tersebut ke tanah. Pemasangan arester dapat meningkatkan kehandalan  serta  kontinuitas  sistem  tenaga listrik, akan tetapi dalam menjalankan fungsinya  ada  resiko  kerusakan  arester  yang disebabkan  oleh  arus  impuls  petir  dengan magnitudo  yang  tinggi  serta  dengan  bentuk gelombang  yang  curam  sehingga  melebihi tingkat  kemampuan  arester    tersebut  atau  BIL (Basic  Insulation  Level)  [3].  Dalam  beberapa kurun  waktu  terakhir  dapat  diketahui  bahwa kegagalan  peralatan  arester  sebagian  besar disebabkan  karena  arus  impuls  petir,  dengan tingkat  kegagalan  mencapai  85%  [4].  Analisis kegagalan rata-rata pada arester yang disebabkan  karena  impuls  petir  penting  untuk dilakukan guna mengetahui tingkat kehandalan arester berdasarkan energi yang diserap.
Untuk  menganalisis  energi  yang  diserap oleh  peralatan  arester  dapat  dilakukan  dengan menggunakan  pemodelan  arester  [5].  Model arester yang umum digunakan untuk merepresentasikan  arester  jenis  metal-oxide adalah  model  IEEE  yang  terdiri  dari  dua varistor  dipisahkan  oleh  filter  R-L  yang diparalel. Pada penelitian ini, arus impuls petir dengan  bentuk  gelombang  8/20  s,  arus switching  30/60  s  dan  arus  impuls  dengan kecuraman 1  s diterapkan pada model arester IEEE. Selain menganalisis model arester IEEE, model resistansi non-linier juga di analisis.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1.  Arester
Arester adalah peralatan pada sistem tenaga listrik  yang  memiliki fungsi  untuk  melindungi peralatan  dari  gangguan  tegangan  lebih  yang disebabkan  oleh  surja  petir  maupun  surja switching . Arester mengalirkan tegangan lebih dengah sistem by pass ke tanah, namun ketika tidak  terjadi  gangguan  maka  arester  bekerja layaknya sebuah isolator [6].
3. METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan mengumpulkan beberapa data yang dibutuhkan untuk analisis seperti tegangan sistem transmisi, spesifikasi  dari  arester  jenis metal-oxide . Kemudian  dari  data  tersebut  kemudian diihitung menggunakan persamaan dan kemudian  dilakukan  simulasi  menggunakan perangkat  lunak  ATPDraw  untuk  mengetahui kinerja  dari  arester  jenis metal-oxide terhadap arus surja petir dan switching .

## 3.1. Model Resistor Non-Linier
Karakteristik V-I suatu peralatan arester jenis metal-oxide yang terususun dari beberapa segmen dapat diketahui menggunakan model resistor non-linier [7]-[8]. Dimana setiap segmen tersebut dapat dinyatakan pada persamaan berikut ini.
𝑖  =  𝑝 ( 𝑣 𝑉𝑟𝑒𝑓 ) 𝑞 (1)
Dimana q adalah fungsi eksponensial, p adalah pengali dari setiap segmen resistor non- linier, dan Vref adalah tegangan referensi resistor non-linier.

## 3.2. Model Arester IEEE
IEEE mengusulkan suatu pemodelan arester yang  disusun  dari  komponen  resistansi  non- linier  A0  dan  A1  yang  dipisahkan  filter  R-L secara paralel [9]. Model arester IEEE ini dapat diterapakan  pada  arus  surja  dengan  frekuensi rendah dengan nilai impedansi R-L yang kecil. Sedangkan  untuk  arus  surja  dengan  frekuensi tinggi, nilai impedansi R-L nya besar dan arus melalui A0.
Gambar 1. Model Arester IEEE
Resistansi  R1  dan  induktansi  L1  sebagai filter antara dua resistansi non-linier, sedangkan induktansi  L0  adalah  medan  magnet  disekitar arester.  R0  berfungsi untuk  menstabilkan  nilai integrasi numerik dan nilai C merepresentasikan  kapasitansi  antar  terminal arester.  Karakteristik  non-linier  pada  A0  dan A1  dapat  diketahui  melalui  kurva  V-I spesifikasi  arester  [10].  Untuk  mencari  nilai dari  setiap  komponen  pada  pemodelan  arester IEEE,  dapat  diketahui  dengan  persamaan berikut ini.
𝐿 1 =   (15𝑑)/𝑛  𝜇𝐻 (2)
𝑅 1 =   (65𝑑)/𝑛  Ω (3)
𝐿 0 =   (0.2𝑑)/𝑛  𝜇𝐻 (4)
𝑅 0 =   (100𝑑)/𝑛  Ω (5)
𝐶  =   (100𝑛)/𝑑  𝑝𝐹 (6)
Dimana  nilai  d  adalah  panjang  arester  dalam meter  dan  nilai  n  adalah  jumlah  kolom lempengan metal-oxide .

## 3.3. Tegangan Lebih Impuls
Tegangan  lebih  impuls  yang  disebabkan oleh fenomena sambaran petir adalah penyebab terjadinya suatu gelombang berjalan. Sehingga tegangan  pada  kawat  saluran  udara  dapat  naik secara  tiba-tiba  melebihi  kapasitasnya  dengan kecepatan merambatnya dapat mencapai 360.000  m/detik  dan  dipengaruhi  pula  oleh konstanta kawat salurannya [11].

## Gambar 2. Gelombang Tegangan Lebih Impuls
Tegangan impuls petir yang ditunjukan pada gambar  1  adalah  tegangan  lebih  tanpa terjadinya osilasi, naik menuju nilai maksimumnya  dengan  sangat  cepat  dan  turun pada titik minimumnya dengan lebih cepat atau lebih  lambat.  Titik  puncak  maksimum  yang
diperbolehkan  menurut  standar  IEC  adalah sebesar 3% [12].

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi untuk menguji model resistor non- linier dan model arester IEEE dilakukan dengan menerapkan  arus  surja  petir  dan switching . Jenis  varistor  pada  penelitian  ini  adalah E32NR602S dan E41NR302E.
Tabel 1. Data Teknis Varistor Tipe E32NR602S E41NR302E Ketebalan/mm 40 20 Rating Tegangan (Ur)/kV 6 3 Arus Nominal Discharge (In)/kA 5 10 Tegangan Residu (Ures)/kV 15.05 7.35
Data  teknis  dari  setiap  tipe  varistor  pada Tabel  1  selanjutnya  dihitung  menggunakan persamaan  pada  model  arester  IEEE,  sehingga diperoleh hasil sebagai berikut.
Tabel 2. Parameter Model Arester IEEE
Tipe E32NR602S E41NR302E R0/  4 2 L0/  H 0.008 0.004 R1/  2.6 1.3 L1/  H 0.6 0.3 C/pF 2500 5000
Menggunakan  perangkat  lunak  ATPDraw, data  yang  telah  diperoleh  digunakan  untuk simulasi pemodelan arester IEEE.

## Gambar 3. Rangkaian Model Arester IEEE
Sumber gelombang surja pada perangkat lunak/sotware simulasi ATPDraw ini direpresentasikan  menggunakan  komponen Heidler.

## Gambar 4. Model Sumber Gelombang Surja
Berikut ini adalah grafik hasil pengujian simulasi  dari  setiap  bentuk  gelombang impuls  yang  diterapkan  pada  resistor  non- linier dan model arester IEEE menggunakan perangkat lunak ATPDraw.
(a) E32NR602S
(b) E41NR302E
Gambar 4. Tegangan Sisa Pada 2 Varistor Saat Gelombang Arus Impuls 8/20  s
Dapat dilihat pada gambar 4 saat gelombang impuls  sebesar  8/20  s,  berdasarkan  hasil simulasi kedua varistor yaitu E32NR602S dan E41NR302E  serta  dengan model  arester  IEEE memberikan kinerja yang sama dalam melindungi  peralatan  dari  arus  impuls  petir. Sehingga dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa kedua jenis varistor tersebut baik dalam melindungi peralatan dari sambaran petir.
(a) E32NR602S
(b) E41NR302E
Gambar  5.  Tegangan  Sisa  Pada  2  Varistor  Saat Gelombang Arus Impuls 30/60  s
Dari  gambar  5  terlihat  bahwa  saat diterapkan  arus  impuls  sebesar  30/60  s hasil  grafik  simulasi  menunjukan  varistor jenis  E41NR302E  memiliki  kinerja  yang lebih  baik  dalam  melindungi  peralatan  dari arus  impuls  dibandingkan  dengan  varistor jenis E32NR602S.
(a) E32NR602S
(file EDU.pl4; x-var t) v:X0072A v:X0132A 0 3 6 9 12 15 [ms] -600 -380 -160 60 280 500 [kV] (file EDU.pl4; x-var t) v:X0072A v:X0132A 0 3 6 9 12 15 [ms] -600 -380 -160 60 280 500 [kV] (file EDU.pl4; x-var t) v:X0072A v:X0132A 0 3 6 9 12 15 [ms] -600 -380 -160 60 280 500 [kV] (file EDU.pl4; x-var t) v:X0072A v:X0132A 0 2 4 6 8 10 12 14 16 [ms] -600 -380 -160 60 280 500 [kV] (file EDU.pl4; x-var t) v:X0072A v:X0132A 0 3 6 9 12 15 [ms] -600 -400 -200 0 200 400 [kV]
(b) E41NR302E
Gambar  6.  Tegangan  Sisa  Pada  2  Varistor  Saat Gelombang Arus Impuls 1  s
Gambar 6 menunjukan hasil grafik simulasi pada saat gelombang impuls 1  s, jenis varistor E32NR602S  memiliki  kinerja  yang  lebih  baik dibandingkan dengan jenis varistor E41NR302E.
Dari  beberapa  grafik  simulasi,  dapat diketahui  bahwa  kedua  varistor  jenis metal- oxide E32NR602S  dan  E41NR302E  memiliki kinerja  yang  sangat  baik  dalam  melindungi peralatan  dari  berbagai  bentuk  gelombang impuls.  Model  arester  IEEE  memiliki  hasil tegangan  sisa  yang  lebih  kecil  dibandingkan dengan model resistor non-linier.

## KESIMPULAN
Pada penelitian ini, arus impuls petir 8/20  s,  arus  impuls  switching  30/60  s  dan  arus dengan  kecuraman  1  s  digunakan  untuk menguji varistor E32NR602S dan E41NR302E dengan disimulasikan menggunakan perangkat lunak ATPDraw. Model arester IEEE memberikan  hasil  kinerja  yang  lebih  baik dibandingkan dengan model resistor non-linier, yang terlihat dari grafik tegangan sisa.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]    IEEE  Draft  Guide  for  the  Application  of Insulation Coordination. (2022). IEEE PC62.82.2/D8,  August  2022  ,  vol.,  no.,  pp.1- 85.
[2]      W.  Yanan,  J.  Dehan,  G.  Lina  and  M.  Yiling. (2022).  Analysis  on  Abnormality  of  220kV Metal  Oxide  Lightning  Arrester.  IEEE  5th International Electrical and Energy Conference  (CIEEC),  Nangjing,  China.  pp. 314-317.
[3]  X.  Zhou  et  al.  (2021).  Analysis  of  Lightning
Performance  of  220kV  and  above  Overhead Transmission Lines with Surge Arresters. IEEE 3rd  International  Conference  on  Circuits  and Systems (ICCS), Chengdu, China, 2021, pp. 231- 234.
[4]  M.  E.  P.  Ardakani,  S.  Soltani,  A.  A.  S.  Akmal and  M.  Mazidi.  (2022).  Mitigation  Lightning- Induced Overvoltages Transmitted Over Distribution Transformer by The Multi-Chamber Arresters.  IEEE  International  Conference  on Environment  and  Electrical  Engineering  and 2022  IEEE  Industrial  and  Commercial  Power Systems  Europe  (EEEIC  /  I&CPS  Europe), Prague, Czech Republic, 2022, pp. 1-5.
[5]  D.  Stanchev.  (2020).  Modeling  approaches  for externally  gapped  line  arrester  through  ATP- EMTP model study. 12th Electrical Engineering Faculty  Conference  (BulEF),  Varna,  Bulgaria, pp. 1-4.
[6]  Sultan,  A.  (2018).  Comparative  Study  between Porcelain  and  Silicone  Polymer  Lightning Arresters  under  Direct  Lightning  Strokes  for  A 400KV Substation Protection. In Libyan International Conference on Electrical Engineering and Technology (LICEET
2018) (Vol. 1, pp. 60-65).
[7] Sultan, A. S. (2021). Study and Investigation of The  Effects  of  Shielding  Failure  and  Lightning Arrester  Position  in  A  220kV  Substation  on Lightning Strokes.
[8] A. F. Andrade, V. S. Brito, E. G. Costa, G. R. S. Lira and e. M. J. A. Maia. (2018). Comparative study of ZnO surge arrester models by means of lightning  overvoltage  simulation.  Simposio Brasileiro de Sistemas Eletricos (SBSE), Niteroi, Brazil, pp. 1-6.
[9] F. P. Albuquerque, L. F. N. Lourenço, E. C. M. Costa and S. Kurokawa. (2017). Surge arresters modeling  for  electromagnetic  transient  analysis in power systems," 2017 International Symposium  on  Lightning  Protection  (XIV SIPDA), Natal, Brazil, 2017, pp. 92-96.
[10] Ranjbar, B., Darvishi, A., Dashti, R., & Shaker, H.  R.  (2022).  A  survey  of  diagnostic  and condition  monitoring  of  metal  oxide  surge arrester in the power distribution network. Energies , 15 (21), 8091.
[11] Gautam, M., & Mishra, A. Effect of Grounding Resistance  and  Lightning  Arrester  Non-linear Characteristics  in  Electrical  Distribution System.
[12] S. Ai, C. He, B. Wang and B. Jia. (2018). The research  on  power  distribution  transformer lightning  strike  simulation  and  lightning protection  measures.  China  International Conference on Electricity Distribution (CICED), Tianjin, China, pp. 1187-1192.
(file EDU.pl4; x-var t) v:X0072A v:X0132A 0 2 4 6 8 10 12 14 16 [ms] -600 -380 -160 60 280 500 [kV]