## DAMPAK PEMBERIAN IMPULS ARUS TERHADAP TINGKAT PERLINDUNGAN ARRESTER TEGANGAN RENDAH
Diah  Suwarti Widyastuti, Sugiarto
Teknik Elektro Sekolah Tinggi  Teknologi Nasional Jalan Babarsari,  Caturtunggal, Depok,  Sleman,  Yogyakarta diah.w73@gmail.com

## Abstract
Arrester  is  a  device  used  to  protect  equipment  and  electrical  systems  against overvoltage  that  one  reason  is  the  surge  of  lightning.  Because  lightning  is  a  natural phenomenon that the process can not be predicted  about  time and magnitude of the impulse currents,  and  if  arrester  hit  by  lightning  impulse  with  high peak  current  value  and  than arrester is feared can not operate as it should. This research use  three  impulse current peak value  there  are  533.33A  (0.03 pu),  3866.6A  (0.3 pu)  and  6858.7A  (0.5 pu)  tested at  low voltage  arresters.  The  test results  shown  the  highest  value  of  leakage  current arrester  at a maximum  voltage  of  operation  (Uc)  after  buffeted  by  the  current  impulse  has  a  value  of leakage  current  0,32  mA,  0,33  mA  and  0,33  mA respectively, still  below  1  mA (corresponding  international  standard IEC  61643-1  Edition  2.0  03/2005).  Based  on  the value  of  leakage  current,  it  can  be  said that  the  arresters  in  good condition  and have  not changed the characteristics of volt-ampere  (current leaking still relatively the same) and still have  good  insulating properties  even  after  the  current  impulse  overwritten.  The  highest value  of residual voltage  arresters  at  the peak impulse  voltage  10  kV,  15 kV,  20  kV and 24 kV,  is  1124 Volt meaning that the  margin has  exceeded the  limit of endurance  voltage  VW1 class  (1000  Volts)  amounted to  112.4%,  and not  exceed the  VW2  (2000  Volt)  amounted to 43.5%,  according  to  ISO  standard  04-7021.21-2004,  arresters  can  be  used to protect  the electrical equipment with voltage endurance  on  VW2 class.
Keywords: low voltage arresters,  current impulse ,  the level of protection.

## Abstrak
Arester  adalah  peralatan yang digunakan untuk  memproteksi  peralatan  dan  sistem elektrik  terhadap  tegangan  lebih  yang  salah  satu  penyebabnya  adalah  surja  petir.  Karena petir merupakan proses gejala alam yang terjadinya  tidak bisa diprediksikan waktu dan besar impuls  arusnya,  dan jika  arrester  diterpa  impuls  petir  dengan  nilai  puncak  arus  yang  tinggi maka  arrester dikhawatirkan tidak dapat beroperasi  sebagaimana mestinya.  Dalam  penelitian ini tiga nilai  puncak arus impuls yaitu  533.33A (0.03  pu),  3866.6A (0.3  pu)  dan 6858.7A (0.5 pu)  diujikan pada arrester tegangan rendah  .Hasil  pengujian terlihat nilai  arus bocor tertinggi arester  pada  tegangan  maksimum  operasi  (Uc)  setelah  diterpa  impuls  arus  mempunyai  nilai arus  bocor masing-masing  0.32  mA,  0.33  mA  dan  0.33  mA  ,  masih  dibawah  1  mA  (sesuai Standar internasional  IEC  61643-1  Edition  2.0  03/2005).  Berdasarkan  nilai  arus bocor dapat dikatakan  bahwa  arrester  dalam  kondisi  baik  dan  belum  mengalami  perubahan  karakteristik
volt-ampere  (arus  bocornya  masih  relatif sama)  serta  masih  mempunyai  sifat  isolator  yang baik  walaupun  telah  diterpa  impuls  arus.  Nilai  tegangan  residu  tertinggi arrester pada tegangan  impuls  dengan  puncak  10  kV,  15  kV,  20  kV  dan  24  kV  yaitu  1124 Volt, artinya margin  sudah melebihi  batas ketahanan tegangan klas  VW1  (1000Volt) sebesar  112.4% dan belum  melebihi  klas  VW2  (2000 Volt) sebesar  43.5%,  menurut  standard  SNI  04-7021.21­ 2004, arrester dapat  digunakan  untuk  melindungi  peralatan  listrik  dengan  ketahanan tegangan pada klas VW2.
Kata kunci:  arester tegangan rendah,  impuls arus, tingkat perlindungan.

## 1. Pendahuluan
Surja  petir  dapat  menimbulkan  tegangan  lebih  dan  dapat  menyebabkan  kerusakan pada  jaringan  tegangan  rendah  dan  peralatan  listrik  tegangan  rendah  dengan  beberapa mekanisme.  Mekanisme  pertama  melalui  sambaran  petir  langsung  pada  jaringan  tegangan rendah.  Mekanisme  kedua  adalah  sambaran  petir  yang  tidak  langsung  mengenai  jaringan tegangan  rendah  tapi  petir  menyambar  pohon  ataupun  tanah  di  sekitar  jaringan  tegangan rendah.  Sambaran  tidak  langsung  ini  menyebabkan  kopling  elektromagnetik  antara jaringan dan sambaran petir sehingga mengakibatkan tegangan induksi pada jaringan (Zorro, 2009)
Mengingat  semakin besar jumlah kerusakan yang  ditimbulkan  oleh  surja petir karena semakin banyaknya pemakaian komponen elektronik oleh masyarakat luas  dan industri  maka diperlukan  sistem  proteksi  petir  yang mampu  melindungi  peralatan  tegangan  rendah. Arrester adalah  peralatan  yang  digunakan  untuk  memproteksi  peralatan  dan  sistem elektrik  terhadap  tegangan  lebih  yang  salah  satu  penyebabnya  adalah  surja  petir.  Arester tegangan rendah  pada umumnya terbuat dari  bahan ZnO  (Zorro, 2009).
Ketahanan  suatu  peralatan  memikul  tegangan  surja  petir,  jika  dipasang  pada  suatu sistem  bertegangan  tertentu  disebut  BIL (Basic  Impuls  Level). Untuk  setiap  peralatan  yang akan  dipasang  pada  sistem  tersebut  selisih  BIL  peralatan  yang  dilindungi  dengan  tingkat proteksi  arrester yang melindunginya disebut margin. Margin biasanya ditetapkan (20 -  30%) dari  BIL  peralatan  yang  dilindungi.  Penelitian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  tingkat perlindungan  arester terhadap  peralatan  yang  dilindungi  apabila  arester tersebut  diterpa  oleh beberapa buah cacah impuls.

## 2. Landasan  Teori

## 2.1 Petir
Petir merupakan  proses  alam  yang terjadi  di  atmosfer yang  mungkin  terjadi  sebelum dan  pada  saat terjadi  hujan (thunder strom). Muatan  akan terkonsentrasi  di  dalam  awan  atau bagian  dari  awan  dan  muatan  yang  yang  berlawanan  akan  timbul  pada  permukaan  tanah  di bawahnya.  Apabila  muatan  bertambah,  beda  potensial  antara  awan  dan  tanah  akan  naik sehingga  kuat  medan  di  udarapun  akan  naik.  Jika  kuat  medan  ini  melebihi  kuat  medan diantara  awan-awan  tersebut  maka  akan  terjadi  pelepasan  muatan.  Kuat  medan  yang diperlukan  untuk  memulai  aliran (streamer) adalah  EB  =  10  -   40  kV/m,  pada  awan  yang mempunyai  ketinggian  1  -  2  km  diatas  tanah  dapat menghasilkan tegangan  100  MV  (Sirait, 1987)

## 2.2 Proses terjadinya petir
Sambaran  diawali  oleh  kanal  muatan  negatif,  menuju  daerah  yang  terinduksi  positif dan  sambaran  yang  terjadi  umumnya  adalah  sambaran  muatan  negatifdari  awan  ke  tanah. Tahapan sambaran petir diperlihatkan pada Gambar  1.
VJAKTU
Gambar 1. Tahapan sambaran petir ke tanah dan arus impuls yang terjadi ( Sirait,  1987, Proteksi sistem tenaga)

## 2.3 Arester
Arester  merupakan  peralatan  yang  didesain  untuk  melindungi  peralatan  lain  dari tegangan  surja  (baik  surja  hubung  maupun  surja  petir)  dan  pengaruh  arus  susulan (follow curren). Sebuah  arester  harus  mampu  bertindak  sebagai  isolator,  mengalirkan  beberapa miliamper  arus  bocor  ke  tanah  pada  tegangan  sistem  dan  berubah  menjadi  konduktor  yang sangat baik,  mengalirkan ribuan amper arus surja ke tanah (PLN, 2010)

## 2.3.1  Arester tegangan Rendah MOV (Metal Oxide  Varistor)
Arester  surja jenis  MOV  didesain  tanpa  menggunakan  celah (gapless).  Arester jenis MOV  merupakan  arester  yang  banyak  diterapkan  pada  sistem  tegangan  rendah,  karena memiliki  rating  arus  pelepasan  sebesar  1  kA  hingga  15  kA.  Sebuah  arester  terbuat  dari beberapa buah keping varistor yang memiliki  nilai  kapasitans berkisar 0,2-10  nF.  Kecuali  itu biasanya varistor juga memiliki induktans  seperti terlihat pada Gambar 3.
L r '   .  .  I d e a l , ^ L e a k a g e F
Gambar 2. Model rangkaian ekivalen dari varistor (Cooray, 2010).
Berdasarkan  Standar internasional  IEC  61643-1  Edition 2.0  (03/2005) mendefinisikan karakteristik  dan  tes  untuk Surge  Protection Device pada  sistem  distribusi  tegangan  rendah seperti  diperlihatkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Karakteristik arus/ waktu dari sebuah SPD dengan varistor (Schneider, 2010)

## 2.3.2  Pembangkit arus  impuls berulang 8/20 ^detik
Pembangkit  arus  impuls  berulang  ini  dirancang  dengan  menggunakan  struktur koaksial.  Ketika  pembangkit  arus  impuls  ini  beroperasi,  Gambar  4,  arus  mengalir  dari kapasitor  melalui  sela  bola  menuju  ke  plat  kuningan  atas  lalu  menyebar  secara  sentrifugal menuju  ke jeruji-jeruji  batang  kuningan.  Di  jeruji-jeruji  kuningan  arus  mengalir  ke  bawah menuju ke plat kuningan bawah.  Kemudian arus ini mengalir melalui  syant arus,  dan kembali ke  atas  kembali  ke  kapasitor.  Arus  yang  mengalir melalui jeruji-jeruji  kuningan  mempunyai arah  yang  sama  dan  berlawanan  dengan  arah  arus  yang  melalui  bagian  tengah  struktur koaksial.  Akibatnya  medan  magnit  yang  disebabkan  oleh  struktur  koaksial  ini  akan  saling menghilangkan,  sehingga diperoleh fluks magnit yang nilainya nol,  atau bernilai  sangat kecil sekali.  Oleh  karena  itulah,  induktans  struktur  koaksial  pembangkit  arus  impuls  ini  rendah sekali.  Menurut hasil  ukur,  induktans  struktur koaksial  pembangkit  arus  impuls  ini  adalah  2 |iH.  Karena induktans  yang kecil  sekali,  maka gelombang  arus  impuls  yang  dihasilkan tidak mengandung  komponen  frekuensi  tinggi.  Dengan  demikian  dapat  dibangkitkan  lima  buah arus tinggi  impuls  dengan  selang waktu  diantaranya yang  dapat diatur dengan menggunakan program komputer (Haryono).

## 2.3.3  Margin
Ketahanan  suatu  peralatan  memikul  tegangan  surja  petir,  jika  dipasang  pada  suatu sistem  bertegangan  tertentu  disebut  BIL (Basic  Impuls  Level). Untuk  tegangan  sistem tertentu,  telah  ditetapkan BIL  dari  setiap  peralatan yang  akan  dipasang  pada  sistem  tersebut. Selisih  BIL  peralatan  yang  dilindungi  dengan  tingkat  proteksi  arrester  yang  melindunginya
:D » d a
Gambar  4. Alir arus impuls di pembangkit arus impuls
disebut margin.  Margin biasanya  ditetapkan  (20  -   30%)  dari  BIL  peralatan  yang  dilindungi (Tobing, 2003)

## 2.3.4  Ketahanan Peralatan Listrik terhadap  Surja
Ketahanan  peralatan  listrik  terhadap  tegangan  residu  arester  berbeda-beda  yang didasarkan  oleh  Standar Nasional  Indonesia  (SNI)  04-7021.2.1-2004,  tentang Peralatan  dan Sistem  Telekontrol,  yang  dispesifikasikan  oleh  IEC  60  dan  IEC  664-1.  Syarat  minimum tegangan tahanan  isolasi  untuk peralatan  dengan uji  ketahanan  frekuensi  daya  50  Hz  dan uji impuls ditentukn oleh  Tabel  1  dengan beberapa ketentuan:
1.  Uji  tegangan  dilakukan  pada  terminal  masukan  jalur  daya,  jalur  komunikasi  dan jalur kendali yang terisolasi dan jalur sinyal  semua terminal yang tidak diuji harus dibumikan.
2.  Rangkaian yang tidak diuji isolasinya harus dispesifikasikan oleh pembuatnya.
Tabel  1. Klas ketahanan tegangan Klas Ketahanan tegangan frekuensi daya (kV rms-60s) 1,2/50 ^s tegangan impulse (kV puncak) VW1 0,5 1 VW2 1 2 VW3 2,5 5 VWx Khusus Khusus
Catatan:
1.  KlasVW1  dan  VW2  adalah  untuk  peralatan  yang  beroperasi  pada  tegangan  DC dibawah 60 V. Klas VW2 dan VW3  adalah untuk pasokan tegangan sampai  dengan 250 V.
2.  Nilai  di  atas disesuaikan dengan kondisi  atmosfer standar.  Faktor koreksi  yang tepat mengacu pada IEC 60 yang diperoleh dari hasil pengujian pada kondisi yang berbeda-beda. Pada terminal  yang  dilindungi  oleh  kapasitor yang  dibumikan,  uji  catu  daya  frekuensi  dapat diganti  dengan  DC  pada  tegangan  yang  sama  dengan  tegangan  puncak  dari  tegangan  AC (Haryono).

## 3. M etodologi Penelitian
Metode  Penelitian  dilakukan  dengan  melakukan  pengujian  pada Arester tegangan rendah merek Shihlin, type BHP40 dengan memberikan impuls arus dengan nilai puncak arus impuls  sebesar 533.33A (0.03  pu),  3866.6A (0.3  pu) dan  6858.7A (0.5  pu) untuk mengetahui dampak  pemberian  Impuls  Arus  terhadap  tingkat  perlindungan arrester tegangan  rendah dalam  upaya  melindungi  peralatan  listrik  tegangan  rendah.  Penelitian  ini  menggunakan metode  perbandingan,  yaitu  membandingkan  arus  bocor  arrester  sebelum  maupun  setelah diterpa  impuls  dengan  nilai  yang  ada  pada  Standar  Internasional  IEC  61643-1  Edition  2.0 (03/2005).  Selanjutnya  dengan  memberikan  tegangan  impuls  dengan  puncak  impuls  10kV, 15kV,  20kV  dan  24kV  akan  didapatkan  tegangan  residu arrester dan  dapat  memberikan informasi margin/ tingkat ketahanan arrester yang diuji.

## 4. Hasil Penelitian  dan  Pembahasan

## 4.1 Hasil Analisis Arus Bocor arester
Nilai  arus  bocor pada tegangan  operasi  maksimum Uc setelah arester diterpa impuls arus dengan puncak arus  533.33A (0.03  pu),  3866.6A (0.3  pu) dan 6858.7A (0.5  pu) berturut-
turut  adalah  0.32  mA,  0.33  mA  dan  0.33  mA  diperlihatkan  pada  Gambar  5.  Gambar  6  dan Gambar 7,  menunjukkan bahwa  setelah  diterpa impuls  arus arester masih belum mengalami degradasi  dan  masih  bersifat  sebagai  isolator  yang  baik.  Hal  ini  dikarenakan  arus  bocor arester masih dibawah nilai bakunya (<  1mA).

## 4.2 Hasil analisis Tegangan Pemotongan Arester
Nilai  tertinggi  tegangan  pemotongan arester ketika diterpa tegangan  impuls  dengan puncak  tegangan  10  kV,  15  kV,  20  kV  dan  24  kV,  setelah  diterpa  impuls  arus  mempunyai tegangan  pemotongan  arrester/  tegangan  residu  tertinggi  1124.5  volt.  Nilai  tegangan pemotongan  arester  tersebut  sudah  melebihi  batas  ketahanan  tegangan  klas  VW1  d  belum melebihi  batas  ketahanan tegangan  klas  VW2  pada  standar  SNI  04-7021.21-2004.  Artinya tegangan  pemotongan  arester  masih  di  bawah  standar  klas  VW2  namun  sudah  melebihi standar  klas  VW2.  Artinya tegangan  pemotongan  arester  dalam  batas  aman  untuk  peralatan listrik  yang  beroperasi  di  bawah  250  volt  pada  klas  ketahanan  VW2.  Grafik  tegangan pemotongan diperlihatkan pada Gambar 8.
Grafik Arus  Bocor Setelah diterpa Im puls Arus  0.03pu
0 1 2 3 4 5 6 Arus bocor arrester (m A )
Gambar 5. Grafik Arus bocor Arrester setelah dikenai impuls arus dengan puncak 003pu
G ra fik   A r u s   B o c o r S e te la h   d ite rp a   Im p u ls  A r u s   0 ,3 p u
Gambar 6. Grafik Arus bocor Arrester setelah dikenai impuls arus dengan puncak 0,3pu
600 550 500 1.450 i ” “ 350 | 3 0 0 '  250 200 150 G ra ft A n is  B o cor Setelah  diterpa Impuls A ru s  0,5pu ...........
........... .......... ...........
............
...... ......... ........ ......... ....... ........ ......... ........... ........... ........... ........... I ...........
2 3 4 A rus b oco r arrester (m A)
Gambar.7 Grafik Arus bocor Arrester setelah dikenai impuls arus dengan puncak 0,5pu
Grafik Tegangan Residu
3 0 0 0
____ ___ __ ___ ________________ !.......................... 5 0 0 0 Tegangan Impuls (\dt)
Gambar 8. Grafik tegangan residu arester

## 4.3 Hasil Analisis  Tingkat Ketahanan /Margin Arester
Selisih BIL peralatan yang dilindungi dengan tingkat proteksi  arester yang melindungi (Margin) biasanya ditetapkan (20 -30  dari  BIL peralatan yang dilindungi.

## 4.3.1  Untuk batas  ketahanan tegangan klas VW1  (1000 volt)
Selisih  BIL  peralatan  yang  dilindungi  dengan  tingkat  proteksi arester yang melindungi  adalah  :  1000 volt -  1124 volt =  -124 volt. Dapat  dikatakan  bahwa  -124 volt adalah  112,4%  dari  BIL  peralatan  yang  dilindungi,  hal  ini  berarti margin  arester untuk peralatan yang beroperasi  pada tegangan DC  di  bawah  60 volt dapat dikatakan melebihi  BIL peralatan  yang  dilindungi  sebesar  12,4%.  Artinya Vpemotongan >  BIL  peralatan  sehingga Margin perlindungan  peralatan  melebihi  yang  ditentukan  (20%  sampai  dengan  30%  BIL peralatan).

## 4.3.2  Untuk  batas  ketahanan tegangan klas VW2 (2000 volt)
Selisih  BIL  peralatan  yang  dilindungi  dengan  tingkat  proteksi  arrester  yang melindungi  adalah 2000 volt -   1124 volt =  876 volt. Margin  arrester untuk  peralatan listrik yang beroperasi  di bawah 250 volt misalkan computer,  arrester,  stereo dan sebagainya  adalah 43,8%  dari  BIL  peralatan  yang  dilindungi,  hal  ini  berartimargin  pada arrester besar.  Grafik margin perlindungan tegangan residu arrester diperlihatkan pada Gambar 9.

## Grafik  Margin A rrester
60 40 20 0 Margin (%) " 2 0 -40 -5 0 -80 -100 -120
Arester Shihlin Im puls Tegangan (kV) Gambar 9 Grafik margin perlindungan tegangan residu 82Arrester
Berdasarkan  Gambar  9  dapat  dikatakan  bahwa  semakin  besar  cacah  impuls  yang diterpakan  pada  arester  maka  selisih  antara Basic  Insulated  Level (BIL)  peralatan  yang dilindungi  dengan  tingkat  proteksi arester yang  melindunginya (Margin) menjadi  semakin kecil.  Artinya  semakin  kecil  nilai  margin  (<  20%)  dari  BIL  peralatan  yang  dilindungi, semakin  membahayakan  peralatan  yang  dilindungi  (watak  kerja  arester  sudah  mulai menurun).  Hal  ini  juga  dapat  dikatakan  bahwa  alat  yang  diuji dapat  digunakan  untuk peralatan listrik  yang mempunyai  klas ketahanan tegangan 2000 volt. Untuk peralatan listrik yang  mempunyai klas  ketahanan  tegangan  1000 volt memerlukan  pertimbangan  untuk memakai  alat  ini.  Hal  ini  dikarenakan  tegangan  pemotongan  sudah  melebihi  standar  yang ditetapkan oleh SNI sehingga dapat membahayakan bagi peralatan listrik yang dilindunginya.

## 5. Kesim pulan
Berdasarkan  hasil  penelitian  dan  pembahasan  yang  telah  dilakukan  maka  dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1.  Nilai  tegangan  residu  tertinggi arrester  Sihlin  pada  tegangan  impuls  dengan puncak  10 kV s.d 24 kV  yaitu  1124 Volt yaitu  1124 volt, sudah melebihi  batas ketahanan tegangan klas  VW1  dan  belum  melebihi klas VW2 menurut standard SNI 04-7021.21-2004. Menurut  SNI  BIL  peralatan  listrik  tegangan  rendah  adalah  1000 volt untuk  klas  VW1  dan 2000 volt untuk klas VW2.
2.  Nilai  arus  bocor  tertinggi arester pada  tegangan  maksimum  operasi  (Uc)  setelah diterpa impuls arus dengan puncak  0.03pu,  0.3  pu dan 0.5  pu masing-masing  0.32 mA,  0.33 mA  dan  0.33  mA  ,  masih  dibawah  1  mA  (sesuai  Standar internasional  IEC  61643-1 Edition 2.0  03/2005).  Dalam  hal  ini  arester  masih  dikatakan  dalam  kondisi  baik  dan  belum mengalami  perubahan  karakteristik  volt-ampere  (arus  bocornya  masih  relatif  sama)  serta masih mempunyai  sifat isolator yang baik walaupun telah diterpa impuls arus.
3. Arester yang  diuji  pada  penelitian  ini  cocok  digunakan  pada  peralatan  listrik dengan BIL peralatan  2000 volt. Penggunaan  arrester dengan  BIL  peralatan  1000 volt tidak disarankan  karena  tegangan  residu  masih  sudah  diatas  1000 volt sehingga margin yang dihasilkan >20%  sehingga dapat membahayakan peralatan yang dilindungi.

## Daftar Pustaka
__________ , 2004, Peralatan dan  Sistem  Telekontrol,  Standart Nasional Indonesia (SNI)
__________ ,2010,  Overvoltage  protection, Chapter  J,  Schneider  Electric  -  Electrical installation guide 2010
Cooray V.,  2010,  Lightning Protection,  Institution of Engineering and  Technology,  London,
United Kingdom
Haryono T., Karya Unggulan Pembangkit Arus Tinggi PLN,  2010, Petunjuk Operasi & Pemeliharaan  Lightning Arester,  Operation Manual, PLN. Sirait & Zorro.,  1987, Proteksi Terhadap Tegangan Lebih, Jurusan Teknik Elektro FTI ITB. Tobing L.B.,  2003, Peralatan Tegangan Tinggi, PT Gramedia  Pustaka Utama. Zoro  R.,  2009, Induksi  dan  Konduksi  Gelombang  Elektromagnetik  akibat  sambaran petir pada Jaringan  Tegangan Rendah, Makara Teknologi  Vol.  13  No.  1,  April  2009:  25­ 32.