Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 11 No. 1 Tahun 2023
P-ISSN 2338-5391 | E-ISSN 2655-9862

## PEMODELAN PERLINDUNGAN SAMBARAN PETIR
PADA TRANSFORMATOR DAYA DI GARDU INDUK TEGANGAN TINGGI
Fauzi Bramantyo 1 , Rohana 1 , Surya Hardi 2
1 Program Magister Teknik Elektro Fakultas Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara Jl. Denai No.217 Medan, Sumatera Utara 20371 2Prodi Teknik Elektro Fakultas Teknik Jl. Almamater, Kampus USU, Padang Bulan, Medan, Sumatera Utara 20155
Universitas Sumatera Utara *e-mail: bramantyofauzi@yahoo.co.id

## ABSTRAK
Sambaran  petir  merupakan  gangguan  yang  sering  terjadi  pada  saluran  transmisi  yang  mana mengakibatkan tegangan lebih transient pada saluran transmisi dapat merambat sampai gardu induk. Pada gardu banyak terdapat peralatan-peralatan sensitif terhadap tegangan lebih transient diantaranya transformator. Untuk mencegah kerusakan akibat tegangan lebih dipasang Arester yang berfungsi untuk  memotong  gelombang  yang  masuk  ke  transformator.  Simulasi penelitian dilakukan  dengan menggunakan software  Alternative  Transient  Program (ATP) .  Arester  dimodelkan  sebagai  model IEEE . Arester dipasang dilokasi sebelum dan sesudah menara terakhir serta diterminal transformator. Arus  surja  petir  Standard  IEC  bervariasi  dari  20  kA  hingga  100  kA  dengan  kelipatan  20  kA diinjeksikan ke kawat tanah. Hasil diperoleh tegangan lebih maksimum pada sistem terjadi ketika diijeksikan  arus  surja  petir  100  kA  dengan  kondisi  sistem  belum  terpasang  Arester.  Magnitude tegangan puncak pada masing-masing fasa berturut-turut yaitu Fasa A, Fasa B dan Fasa C  adalah 3.649 kV, 2.837 KV, dan 3.473 kV . Tegangan minimum saat arus surja petir 20 kA diinjeksikan sesudah terpasang Arester setelah menara. Besarnya tegangan puncak pada  Fasa A, Fasa B dan Fasa C berturut–turut yaitu 191 kV, 175 kV dan 175 kV. Dengan demikiaan pemasangan Arester dapat menurunkan  tegangan  lebih  pada  setiap  fasanya.  Lokasi  pemasangan  Arester  yang  paling  efektif adalah setelah menara pada terminal transformator.
Kata kunci :  ATP draw, Arester model IEEE, Transformator, Tegangan Lebih

## ABSTRACT
Lightning strikes are disturbances that often occur on transmission lines which can result in transient overvoltage on the transmission line that propagates to the end of the network and finally reaches the substation.  In  the  substation  there  are  many  equipment  sensitive  to  overvoltage  including transformers. To prevent damage due to overvoltage, an arrester is installed. A lightning strike is simulated to the transmission tower ground wire. The arrester is installed at the location before and after the last tower close to the power transformer. The IEC standard lightning surge current in varies from 20 kA to 100 kA in steps of 20 kA. The result obtained is that the maximum overvoltage occurs when the system is injected with a lightning current of 100 kA with the condition that the system is not yet installed with magnitude for each phases Phase A, Phase B and Phase C are 3,649 kV, 2,837 kV and 3,473 kV. The minimum voltage that occurs when a lightning current of 20 kA is injected into the system is the arrester is installed, and the arrester is installed after the tower. The peak voltage values that arise in Phase A, Phase B and Phase C are 191 kV, 175 kV and 175 kV respectively. Installation of arresters can reduce the overvoltage on each phase and the most effective location for installing arresters is close to the power transformer.
Keywords: ATP draw, IEEE model Arrester, Transformator, Over voltage
Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 11 No. 1 Tahun 2023

## PENDAHULUAN

## Latar Belakang
Dua jenis sambaran petir pada sistem transmisi tenaga  listrik,  yang  pertama  adalah  sambaran langsung yaitu sambaran yang langsung mengenai kawat fasa dan yang kedua adalah sambaran tidak langsung  atau  pengaruh  induksi  elektromagnetik. Kedua  jenis  sambaran  ini  mempunyai  efek gelombang  berjalan  pada  saluran  yang  terhubung hingga mencapai suatu terminal tranformator daya pada gardu induk.
Penggunaan  Arester  umumnya  sebagai  salah satu  sistem  perlindungan    yang  sering  digunakan untuk melindungi dari bahaya gelombang berjalan akibat  sambaran  petir  pada  sistem  transmisi. Metoda  untuk  melindungi  kawat  fasa    dari sambaran  petir  langsung  pada  saluraan  transmisi diberikan  perlindungan  dengan  kawat  tanah ( ground  wire )  letaknya  di  atas  kawat  fasa.berupa kawat tanah tunggal atau ganda dan tergantung dari disain menaranya.
Pengaruh  karakteristik  sambaran  petir  pada tegangan back  flashover pada  saluran  transmisi tegangan ekstra tinggi 275 kV dipublikasi oleh (S. Hardi,  et  al  2021)  dalam  bentuk  simulasi  dengan perangkat  lunak  ATP.  Penelitian  sebelumnya dilakukan  oleh  Violeta  (Chris et  al. ,  2000), penelitian  menggunakan  perangkat  lunak ATP- EMTP dan PSCAD/  EMTDC pada  jaringan transmisi  150  kV.  Penelitian  yang  dilakukan membandingkan  kemampuan  ke  dua  perangkat lunak  tersebut  untuk  memodelkan  tegangan  lebih petir.      Parameter  yang diamati adalah tegangan pada puncak menara, tegangan pada lengan menara dan tegangan pada tahanan kaki menara. Pengaruh sambaran  petir  pada  penampilan  Arester  dari saluran  udara  transmisi  150  kV  disebabkan  oleh karakteristik yang berbeda telah diinvestigasi oleh (Fri Murdiya dkk , 2019). Arester dimodelkan dalam simulasi dua  model  yaitu Picenti  dan  Giat  Antoni dengan  mengunakan  ATP  draw.  Pemodelan  dan simulasi dari sebuah Arester.
Surja  kilat  metal  kksida  didiskusikan  oleh (Khan dan  Peshawar, 2020) untuk proteksi saluran transmisi  132  kV.  Arester  yang  digunakan  dalam simulasi adalah model Pinceti.
Penelitian  ini  mendiskusikan  pengaruh sambaran  petir  ke  kawat  tanah  menara  transmisi dalam simulasi mengunakan perangkat lunak ATP dengan menginjeksikan arus surja petir model IEC bervariasi  dari  20  kA  hingga  100  kA  dengan kelipatan  arus  20  kA.  Sistem  proteksi  petir menggunakan  Arester  dipasang  sebelum  menara, antara  menara  dan  transformator,  dan  di  terminal transformator.

## METODE PENELITIAN

## Alat dan Bahan
Alat  dan  bahan  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalahsSaluran  transmisi  150  kV Gardu Induk Binjai, dan Aplikasi ATP Draw v 5.6.
Penelitian  ini  dilaksanakan  pada    bulan  Juli sampai  dengan  September  2021  dan  lokasi penelitian adalah Gardu Induk Binjai 150 kV, yang berlokasi di Jl. Jati Karya, Kec. Binjai Utara, Kota Binjai, Sumatera Utara.

## Desain Penelitian dan Data
Diagram  Alir  penelitian  dapat  dilihat  pada Gambar 1.
Gambar 1 Diagram Alir Penelitan
ISSN 2338-5391 (Media Cetak) | ISSN 2655-9862 (Media Online)

## Data Pendukung Penelitian :
1. Data Menara Transmisi Penelitian ini menggunakan menara sirkit ganda seperti yang ditunjukan pada Gambar
2.

## Gambar 2 Kontruksi Menara Transmisi
2. Penghantar Kawat Fasa dan Kawat Tanah Kawat  fasa  mengunakan  jenis  kon  duktor ACSR,  diameter  28,89  cm  dengan  resistansi 0,0642 Ω/km. Kawat tanah  menara transmisi menggunakan  jenis  konduktor  Galvanized Steel,  diameter  1,22  cm  dengan  resistansi 0,364 Ω/km.
3. Isolator Isolator  menara  transmisi  yang  digunakan merupakan    isolator  gantung  berjumlah  11 buah dan panjang total 1,606 m.
4. Transformator Daya Tranformator Daya 3 fasa, 150 kV/20 kV, 50 Hz,  impedansi  hubung  singkat  12,69  %, tingkat isoalsi dasar disisi tegangan tinggi 650
kV.
5. Arus Surja Petir Arus  surja  petir  mengunakan  bentuk gelombang  model  standard  IEC-62305, dengan waktu muka (Tf) 1,2  s dan waktu ekot (Tt) 50  s dengan magnitude bervariasi secara bertahap  dari  20  kA sampai  dengan  100  kA, dengan kenaikan 20 kA.
6. Arester
Arester  yang  digunakan  pada  penelitian  ini memiliki  tegangan  maksimum  170  kV, Panjang 1,61 m, dan tegangan operasi 106 kV.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Sambaran  Petir  ke  Kawat  Tanah  Menara Transmisi Tanpa Arester
Rangkaian pemodelan dan simulasi sambaran petir  ke  kawat  tanah  tanpa  Arester  dapat  dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Rangkaian Simulasi Sambaran Petir Ke Kawat  Tanah  Menara  Transmisi  Tanpa Arester
Tegangan yang dihasilkan pada Fasa A, Fasa B dan Fasa C adalah  3.649 kV, 2.836 kV, dan 3.473 kV.  Bentuk  Gelombang  yang  dihasilkan  oleh sambaran  arus  petir  100  kA  pada  kawat  tanah menara  dapat  dilihat  pada  Gambar  4.  Gambar  ini menginformasikan bahwa tegangan fasa A adalah yang tertinggi hal ini dikarenakan pengaruh induksi dari kawat tanah. Kawat fasa A terletak pada bagian paling  atas  sehingga  dekat  dengan  kawat  tanah yang terkena sambaran petir. Sedangkan dua kawat fasa yang lain yaitu Fasa B dan Fasa C mempunyai nilai yang sama besar.
Gambar 4  Gelombang Simulasi Sambaran Petir Ke Kawat tanah Tanpa Arester (f ile I333_Sebelum_Menara.pl4; x-v ar t) v :TRAFOA v :TRAFOB v :TRAFOC 0 10 20 30 40 50 *10 -6 -700 -500 -300 -100 100 300 500 *10 3
ISSN 2338-5391 (Media Cetak) | ISSN 2655-9862 (Media Online)
B. Sambaran  Ke  Kawat  Tanah  Menara Transmisi,  Arester  Dipasang  Sebelum Menara
Rangkaian  simulasi  untuk  sambaran  petir  ke kawat tanah dan Arester dipasang diposisi sebelum menara dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5 Rangkaian Simulasi Sambaran Petir Ke
Kawat Tanah Arester Dipasang Sebelum Menara
Tegangan yang dihasilkan pada Fasa A, Fasa B dan Fasa C berturut-berturut 4.087 kV, 3.074 kV, dan  3.188  kV . Hasil  simulasi  menunjukkan tegangan yang timbul pada tiap–tiap fasanya relatif besar dan berpotensi mengancam peralatan sistem transmisi. Hal ini berarti posisi pemasangan Arester pada lokasi sebelum menara terakhir belum dapat mengurangi  gelombang  tegangan  yang  terjadi. Tegangan fasa A sedikit lebih tinggi dari pada yang lainnnya,  karena  Fasa  A  berada  di  bawah  kawat tanah.  Ke  tiga  gelombang  tegangan  memberikan bentuk  gelombang  yang  hampir  sama.  Bentuk gelombang dihasilkan seperti pada Gambar 6.
Gambar  6  Gelombang  Sambaran  Petir  Ketika Arester Dipasang Sebelum Menara
C. Sambaran  Pada  Kawat  Tanah  Menara Transmisi,  Arester  dipasang  Setelah Menara  Transmisi  dan  Dekat  Dengan Transformator
Rangkaian  Simulasi  Sambaran  petir  pada kawat tanah menara transmisi dan Arester dipasang pada  lokasi  setelah  menara  terakhir  dan  dekat dengan  transformator  daya  dapat  dilihat  pada Gambar 7.
Gambar 7  Rangkaian Simulasi Sambaran Petir Ke Kawat Tanah Arester Dipasang Setelah Menara  Terakhir  dan  Dekat  Dengan Transformator Daya
Tegangan yang dihasilkan pada Fasa A, Fasa B dan Fasa C adalah 250 kV, 176 kV, dan 176 kV. Gelombang  yang dihasilkan akibat sambaran arus petir  pada  kawat  tanah  menara  transmisi  dengan kondisi  Arester  dipasang  antara  menara    dengan transformator daya dapat dilihat pada Gambar 8. Gambar  8  Gelombang  Sambaran  Petir  Ketika
Arester  Terpasang  Dekat  Dengan Transformaor Terlihat  tegangan  yang  timbul  pada  terminal transformator  menjadi  berkurang  dibandingkan ketika  sistem  belum  terpasang  arester,  hal  ini disebabkan  karena  ketika  arester  sudah  terpasang kedalam  sistem  tegangan  lebih  petir  dialirkan lansung  ke  tanah  melalui  arester,  sehingga  tidak terlalu mengganggu kinerja sistem.
(f ile I333_Sebelum_Menara.pl4; x-v ar t) v :TRAFOA v :TRAFOB v :TRAFOC 0 10 20 30 40 50 *10 -6 -7.0 -4.8 -2.6 -0.4 1.8 4.0 *10 6 (f ile I333.pl4; x-v ar t) v :TRAFOA v :TRAFOB v :TRAFOC 0 10 20 30 40 50 *10 -6 -200 -100 0 100 200 300 *10 3
ISSN 2338-5391 (Media Cetak) | ISSN 2655-9862 (Media Online)
D. Perbandingan Nilai Puncak Tegangan Pada
Berbagai Lokasi Pemasangan Arester.
Pada  Tabel  1  terlihat  bahwa  lokasi pemasangan  Arester  yang  paling  sesuai  untuk pengamanan  peralatan  dari  gangguan  tegangan lebih yang terjadi adalah dengan memasang arester diposisi setelah menara terakhir dan dekat dengan transformator daya, agar arus petir yang mengalir disepanjang  penghantar  dapat  segera  dialirkan  ke tanah.
Tabel  1.  Perbandingan  Tegangan  Fasa  dengan pemasangan Arester berbeda Nilai Injeksi (kA) Kondisi Pemasangan Arester (kV) Belum Terpasang Sebelum Menara Dekat Transformator 20 A 848 941 191 B 493 498 175 C 624 515 852 40 A 1.548 1.704 206 B 1.079 1.125 176 C 1.336 1.126 176 60 A 2.249 2.469 220 B 1.664 1.752 176 C 2.049 1.736 176 80 A 2.949 3.234 234 B 2.251 2.280 176 C 2.761 2.360 176 100 A 3.649 4.000 250 B 2.837 3.007 176 C 3.473 2.987 176

## E. Margin Proteksi
Langkah – langkah dalam menentukan faktor perlindungan:
1. Menentukan Tegangan Pengenal (U C ) Arester Tegangan Sistem Maks  = 170 kV Tegangan  (Uc) = Vnominal x Koef x 1,1 = 132 kV
2. Tegangan Terminal (U A ) Arester.
Rating  yang  mendekati  nilai  perhitungan  135  kV adalah Arester dengan rating 138 kV, dan tegangan kinerjanya adalah 460 kV.
3. Tingkat Perlindungan (TP) Arester.
(TP) Arester = U A + 10%
= 460 kV + 46 kV = 506 KV
4. Faktor Perlindungan
= 𝑥 100% = ( ) x 100% = 22,15 %  (Aman)

## KESIMPULAN
Dari  hasil  simulasi  memberi  kesimpulan sebagai berikut:
1. Tanpa  Arester  tegangan  maksimum  pada terminal  transformator  ketika  nilai  injeksi  100 kA,  pada  masing–masing  fasa  adalah  Fasa  A, Fasa B dan Fasa C berturut-turut  sebesar 3.649 kV, 2.836 KV, dan 3.473 kV
2. Setelah  adanya  pemasangan  Arester  terjadi penurunan  puncak  tegangan  pada  masing- masing fasa.
3. Pemodelan Arester IEEE memberikan perlindungan  dengan  tegangan  puncak  yang tidak jauh berbeda.
4. Model  Pemasangan    Arester  yang  paling  tepat dipasang  untuk  perlindungan  sistem  dari sambaran  Petir  adalah  setelah  Menara  terakhir dan dekat dengan transformator daya.

## DAFTAR PUSTAKA
Hardi, S. F Mirza , Ferry R A Bukit, Rohana (2021)
Influence  Of  Lightning  Characteristics  On Back  Flashover  In  Extra  High  Voltage Transmission Line: A Case Study Journal of Physics: Conference Series,
Alba, B. (2015). Ob3-05 Behavior Of Metal Oxide Surge Arrester For Fast . August 2013 .
Chris,  V.,  Bala,  C.,  &  Cragiun,  M.-D.  (2000). Simulation  Of  Lightning  Overvoltages  With Atp-Emtp  And  PSCAD/EMTDC. ACTA UNIVERSITATIS APULENSIS , 453–460.
Hara, T., & Yamamoto, O. (1996). Modelling Of A Transmission  Tower  For  Lightning-Surge Analysis. IEE  Proceedings:  Generation, Transmission and Distribution , 143 (3), 283– 289. https://doi.org/10.1049/ip-gtd:19960289
Khan, A. U., & Peshawar, E. S. (2020). Modeling and  Simulation  of  a  Metal  Oxide  Lightning Surge  Arrester  for  132kV  Overhead Transmission Lines . 22 (4), 389–394.
Mitra,  R.,  &  De,  S.  (2019).  Comparison  study  of lightning effect on high voltage towers. 2018
International  Conference  on  Computing,
Power  and  Communication  Technologies, GUCON 2018 , 337–340.
https://doi.org/10.1109/GUCON.2018.86750
80
Murdiya,  F.,  Stevany,  C.,  &  Sano,  H.  A.  (2019). Journal of Mechatronics , Electrical Power , The effect of lightning impulse characteristics and  line  arrester  to  the  lightning  protection performance on 150 kV overhead lines : ATP-
EMTP computational approach . 10 , 49–59.
Prikler, L., & Høidalen, H. K. (2009). for Windows 9x / NT / 2000 / XP / Vista Users ’ Manual . 1 .
Sitar, V., & Veleba, J. (2020). Modelling of  Metal Oxide Surge Arresters in Simulation Software
DYNAST. Transactions  on  Electrical
Engineering , 6 (1), 21–27.
https://doi.org/10.14311/tee.2017.1.021