## Prototipe Pendeteksi Titik Gangguan pada Jaringan 20 kV dengan Metode Arus Gangguan
Alwi Daffa` Rosydi 1 , Eka Prasetyono 2 , Novie Ayub Windarko 3
Program Studi Teknik Elektro Industri, Departemen Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya
1 alwidaffa@gmail.com, 2 eka@pens.ac.id, 3 ayub@pens.ac.id

## Ringkasan
PT. PLN (Persero) merupakan Badan Usaha Milik Negara (BUMN) yang bergerak dibidang pembangkitan dan pendistribusian tenaga listrik bagi seluruh masyarakat Indonesia. Pada proses distribusi sering terjadi gangguan hubungan singkat yang diakibatkan banyak faktor diantaranya faktor eksternal atau faktor alam yang berupa ranting pohon maupun hewan. Dari data pada sebuah wilayah Unit Pelaksana Pelayanan Pelanggan (UP3) dalam sebulan gangguan bisa terjadi hingga 70 kali dan memerlukan waktu penanganan 15 menit hingga 1 jam. Karena penanganan masih dengan cara mengukur impedansi sepanjang jaringan yang dimana  sebuah  penyulang  bisa  memiliki  panjang  hingga  50  kms.  Oleh  karena  itu dibutuhkan  alat  yang  dapat mendekteksi  titik  gangguan  serta  jenis  gangguan yang  terjadi pada  jaringan.  Untuk  merealisasikan  alat  tersebut  diperlukan prototype jaringan  tegangan menengah  yang  dapat  mensimulasikan  gangguan  hubung  singkat  satu  fasa  ke  tanah,  dan antar fasa. Prototype ini menggunakan mikrokontroler yang akan difungsikan sebagai relay over current dan  saat  ada  gangguan  hubung  singkat  mikrokontroler  juga  akan  langsung melakukan  perhitungan  lokasi  gangguan  dari  relay  yang trip berdasarkan  besar  arus gangguan  yang  dideteksi  oleh relay .  Pada  alat  ini  terdapat  LCD  yang  digunakan  untuk menampilkan besar arus gangguan serta jenis gangguan yang terjadi dan diharapkan dapat mempermudah  serta  mempercepat  petugas  untuk  melakukan  penormalan  kembali  pada jaringan yang mengalami gangguan.
Kata kunci: Deteksi lokasi gangguan, Gangguan fasa ke tanah, Gangguan fasa ke fasa

## 1. Pendahuluan
PT PLN (Persero) adalah perusahaan jasa yang bergerak dibidang penyediaan tenaga listrik untuk masyarakat Indonesia dan merupakan salah satu Badan Usaha Milik Negara (BUMN)  yang  dipercaya  menyelenggarakan  pelayanan  umum.  PT  PLN  (Persero) dituntut  untuk  memberikan  pelayanan  yang  memuaskan  bagi  seluruh  pelanggannya. Berdasarkan data, pada proses penyaluran tenaga listrik khususnya pada saluran udara tegangan  menengah  (SUTM)  sering  terjadi  gangguan  hubung  singkat.  Dan  hubung singkat yang paling sering terjadi ada hubung singkat fasa tanah yang diakibatkan oleh hewan dan ranting pohon  yang menyentuh jaringan.  Dalam sebulan gangguan  hubung singkat  yang  terjadi  pada  sebuah  wilayah  Unit  Pelaksana  Pelayanan  Pelanggan  (UP3) bisa mencapai lebih dari 70 kali gangguan[1].
Gangguan  ini  sangat  mengganggu  proses  distribusi  karena  sering  kali  memiliki waktu padam yang relatif lama yaitu 15 menit hingga 1 jam. Hal ini terjadi karena cara
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 2 Oktober 2019 Hal 127 - 135
penanganan  saat  ini  masih  dengan  cara  melakukan  pengukuran  sepanjang  penyulang dan cara ini kurang efektif karena di sebuah penyulang bisa memiliki  panjang hingga 50 Kms.  Serta  dari  data  seharusnya  PLN  bisa  menjual  kWh  hingga  130.000  kWh  namun karena  gangguan  kWh  sebesar  itu  tidak  terjual  dan  PLN  mengalami  kerugian. Diharapkan  alat  ini  akan  mempersempit  pencarian  lokasi  gangguan  dan  membuat petugas cepat mengatasi gangguan yang terjadi.

## 2. Dasar Teori

## 2.1.   Gangguan Hubung Singkat
Dalam operasi sistem tenaga listrik sering terjadi gangguan  – gangguan yang dapat mengakibatkan terganggunya penyaluran tenaga listrik ke konsumen. Gangguan adalah penghalang  dari  suatu  sistem  yang  sedang  beroperasi  atau  suatu  keadaan  dari  sistem penyaluran  tenaga  listrik  yang  menyimpang  dari  kondisi  normal.  Sesuai  dengan  SPLN No  2:1978  Pasal  9  bahwa  dalam  sistem  distribusi  listrik  tiga  fasa  tiga  kawat menggunakan pentanahan dengan tahanan sebagai suatu sistem distribusi yang berlaku untuk  wilayah  kerja  PLN  di  seluruh  Indonesia  [2].  Dalam  Pasal  10  dijelaskan  bahwa untuk sistem Jawa  Timur  yang  menggunakan pentanahan dengan tahanan tinggi maka nilai  tahanan  yang  digunakan  adalah  500  Ohm  dengan  arus  gangguan  hubung  singkat satu  fasa  ke  tanah  maksimal  25  A  jika  mengunakan  saluran  udara  [3].  Pada  sistem  ini pula  arus  hubung  singkat  2  fasa  biasanya  lebih  kecil  dari  pada  arus  hubung  singkat  3 fasa.  Sedang  arus  gangguan  1  fasa  ketanah  hampir  selalu  lebih  kecil  daripada  arus hubung singkat 3 fasa karena [4]:
1.  Umumnya  impedansi  urutan  nolnya  lebih  besar  dari  pada  impedansi  urutan positif/ negatif.
2.  Gangguan tanah melalui tahanan gangguan.
3.  Untuk  pentanahan  yang  menggunakan  tahanan,  tahanan  netralnya  akan membatasi arus gangguan 1 fasa ke tanah.
Kondisi  sebaliknya  terjadi  (gangguan  1  fasa  ke  tanah  lebih  besar  dari  pada  arus hubung singkat 3 fasa) apabila lokasi gangguan berada di pusat pembangkit atau dekat pusat pembangkit pada sistem dengan pentanahan langsung (solid grounded).

## 2.2.   Penyebab Gangguan Hubung Singkat
Gangguan  biasanya  diakibatkan  oleh  kegagalan  isolasi  di  antara  penghantar  fasa atau  antara  penghantar  fasa  dangan  tanah[5][6].  Secara  nyata  kegagalan  isolasi  dapat menghasilkan  efek  pada  sistem  yakni  menghasilkan  arus  yang  cukup  besar.  Ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya gangguan, antara lain sebagai berikut :

## Faktor Manusia
Faktor  ini  terutama  menyangkut  kesalahan  atau  kelalaian  dalam  memberikan perlakuan  pada  sistem.  Misalnya  salah  menyambungkan  rangkaian,  salah  dalam mengkalibrasi suatu piranti pengaman, dan sebagainya.

## Faktor Internal
Faktor  ini  menyangkut  gangguan  –  gangguan  yang  berasal  dari  sistem  itu  sendiri. Misalnya usia pakai, keausan, dan sebagainya. Hal ini bisa mengurangi sensitivitas relai pengaman, juga mengurangi daya isolasi peralatan listrik lainnya.
Alwi Daffa` Rosydi, Eka Prasetyono, Novie Ayub Windarko

## Faktor Eksternal
Faktor  ini  meliputi  gangguan  –  gangguan  yang  berasal  dari  lingkungan  di  sekitar sistem  misalnya  cuaca,  gempa  bumi,  banjir,  dan  sambaran  petir.  Disamping  itu  ada kemungkinan gangguan dari binatang.
Gangguan-gangguan tersebut menyebabkan terjadinya:
1.  Interupsi  kontinuitas  pelayanan  daya  kepada  para  konsumen  apabila  gangguan itu  sampai  menyebabkan  terputusnya  suatu  rangkaian  ( circuit )  atau menyebabkan keluarnya satu unit pembangkit.
2.  Penurunan tegangan yang cukup besar menyebabkan rendahnya kualitas tenaga listrik dan merintangi kerja normal pada peralatan konsumen.

## 2.3. Menghitung Impedansi Ekivalen Penyulang
Perhitungan  yang  akan  dilakukan  adalah  perhitungan  besarnya  nilai  impedansi ekivalen dari nilai positif ( Z 1 eq ), negatif ( Z 2 eq ) dan nol ( Z 0 eq ) dari titik gangguan sampai ke sumber[7][8].Karena dari sumber ke titik gangguan impedansi yang terbentuk adalah seri,  maka  perhitungan  Z1 eq dan  Z2 eq dapat  dilakukan  dengan  cara  langsung menjumlahkan  impedansi-impedansi  tersebut,  sedangkan  untuk  perhitungan  Z0 eq dimulai dari titik gangguan sampai ke trafo tenaga yang netralnya ditanahkan.
Untuk perhitugan Z1 eq dan Z2 eq dilakukan dengan persamaan sebagai berikut :
𝑍 1 𝑒𝑞 = 𝑍 2 𝑒𝑞 = 𝑍𝑠 1+ 𝑍𝑡 1+ 𝑍 1 𝑝𝑒𝑛𝑦𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔 = 𝑗 0,8+ 𝑗 4,0+ 𝑍 1 𝑝𝑒𝑛𝑦𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔 (1)
Untuk  menghitung  Impedansi  Z0 eq ,  maka  diumpamakan  trafo  tenaga  yang terpasang  mempunyai  hubungan wye-delta ,  dimana  mempunyai  nilai  sebesar  12  Ohm, dan nilai tahanan pentahanan 120 Ohm.
Untuk perhitungan nilai Z0 eq dilakukan dengan persamaan berikut :
𝑍 0 𝑒𝑞 = 𝑍𝑡 0+3 𝑅𝑛 + 𝑍 0 𝑝𝑒𝑛𝑦𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔 = 𝑗 12+120+ 𝑍 0 𝑝𝑒𝑛𝑦𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔 (2)

## 2.4. Penulisan Persamaan Matematis
Persamaan dasar yang digunakan pada perhitungan arus gangguan hubung singkat 2 fasa ini adalah [7][8]:
𝐼 = 𝑉𝑝 ℎ − 𝑝 ℎ 𝑍 (3)
di mana : I = Arus gangguan hubung singkat Vph-ph = Tegangan fasa-fasa sistem 20 kV Z = Impedansi
Sehingga  dari  persamaan  diatas  dapat  diketahui  bahwa  arus  hubung  singkat  dapat dihitung dengan persamaan:
𝐼 = 𝑉𝑝 ℎ − 𝑝 ℎ 2 × 𝑍 1 𝑒𝑞 (4)

## 2.5. Menghitung Arus Gangguan Fasa ke Fasa
Persamaan dasar yang digunakan pada perhitungan arus gangguan hubung singkat fasa ke tanah ini adalah persamaan berikut [7][8].
𝐼 = 𝑉𝑝 ℎ − 𝑛𝑍 (5)
di mana :
I = Arus gangguan hubung singkat Vph-n = Tegangan fasa-netral sistem 20 kV Z = Impedansi
Sehingga  dari  persamaan  diatas  dapat  diketahui  bahwa  arus  hubung  singkat  dapat dihitung dengan persamaan dibawah:
𝐼 = 𝑉𝑝 ℎ− 𝑛 2 × 𝑍 1 𝑒𝑞 + 𝑍 0 𝑒𝑞 (6)

## 3. Perancangan Sistem
Perencanaan  dan  pembuatan  perangkat  berdasarkan  blok  diagram  sistem ditunjukkan pada Gambar 1  berikut :
Gambar 1. Blok diagram sistem
Tulisan  ini  secara  umum  berupa  prototipe  yang  berfungsi  untuk  mensimulasikan gangguan short  circuit dan  memprediksi  lokasi  gangguan  berdasarkan  arus  gangguan. Mekanisme  alat  ini  yaitu  dengan  pemodelan  jaringan  20kV  menjadi  20V.  Setelah  itu dilakukan  gangguan short  circuit pada  jarak  tertentu.  Setelah  besar  arus  gangguan didapat, kemudian mencari menentukan jenis gangguan dan lokasi gangguan dari besar arus serta tegangan yang didapat dan ditampilkan pada LCD. Untuk mendapatkan hasil seperti yang di harapkan diperlukan beberapa perancangan seperti perancangan modul gangguan, perancangan modul NGR, dan perancangan sensor tegangan.

## 3.1. Perancangan Modul Jaringan
Besar impedansi konduktor AAAC dengan luas penampang 150mm2 sebesar 0,2162 +j0,3305 [10].Menentukan nilai tahanan pengganti[8][9].
(7)

## 3.2. Perancangan Modul NGR
Batas arus gangguan fasa tanah maksimal pada jaringan 20kV dengan NGR 500 Ohm adalah sebesar 25 A [8][9][11]. Menentukan nilai tahanan NGR
Alwi Daffa` Rosydi, Eka Prasetyono, Novie Ayub Windarko

## 3.3. Perancangan Sensor Tegangan
Perhitungan tegangan output penyearah [11]
(9)

## Perhitungan tegangan output degan filter C
(10)

## Perhitungan besar resistor pembagi tegangan
(11)

## 4. Pengujian Sistem

## 4.1. Modul Gangguan
Modul Gangguan ini terdiri dari transformator 3 fasa, resistor pengganti konduktor AAAC,  dan  juga  3  buah  lampu  yang  digunakan  sebagai  beban.  Pengujian  dilakukan dengan  cara  memberikan  tegangan  sesuai  rating  yaitu  tegangan  fasa-fasa  sebesar  20  V. Dan data hasil pengujian yang didapat seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengujian modul gangguan No Fasa Arus (A) V P-N (V) V P-P (V) V Beban (V) 1 R 0,76 11,69 - 10,14 2 S 0,75 11,45 - 9,92 3 T 0,76 11,56 - 10 4 R – S - - 20,10 17,10 5 R – T - - 20,22 17,19 6 S – T - - 19,81 16,96

## 4.2. Arus Hubung Singkat
Pada  pengujian  ini  dilakukan Short  Circuit pada  modul  gangguan  yang  berfungsi untuk  mengetahui  besar  arus  gangguan Short  Circuit yang  terjadi  pada  tiap  titik  pada modul  gangguan.  Dan  dengan  hasil  pengujian Short  Circuit fasa  tanah  terbesar  terjadi pada jarak 1,5 km dengan arus 6,03 A dan arus terkecil pada 6 km  sebesar 3,34 A seperti pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil pengujian arus hubung singkat fasa tanah No Jarak FASA Rata- Rata (A) R (A) S (A) T (A) 1 1,5 KM 6.04 5.87 6.17 6.03 2 2 KM 5.5 5.47 5.5 5.49 3 3 KM 4.76 4.7 4.85 4.77 4 3,5 KM 4.33 4.3 4.49 4.37 5 4,5 KM 3.88 3.86 3.97 3.90 6 5 KM 3.66 3.65 3.76 3.69 7 6 KM 3.27 3.37 3.38 3.34
Sedangkan  hasil  pengujian Short  Circuit fasa  fasa  terbesar  terjadi  pada  jarak  3  km dengan arus 5,52 A dan arus terkecil pada 6 km  sebesar  3,35 A seperti pada Tabel 3.
Tabel 3. Hasil pengujian arus hubung singkat fasa tanah
No Jarak R-S ST RT Rata- Rata (A) R (A) S (A) S (A) T (A) R (A) T (A) 1 3 KM 5.45 5.43 5.48 5.67 5.67 5.43 5.52 2 3,5 KM 4.2 4.24 4.23 4.29 4.39 4.34 4.28 3 4,5 KM 3.94 3.97 3.95 4.04 4.08 4.01 4.00 4 6 KM 3.48 3.51 3.51 3.58 3.65 3.55 3.55

## 4.3. Simulasi Gangguan Fasa-Fasa
Terdapat  2  simulasi  yang  dilakukan  pada  sistem  ini  yaitu  simulasi  gangguan short circuit fasa-fasa  dan  simulasi  gangguan short  circuit fasa-tanah.  Gangguan short  circuit fasa-fasa dilakukan pada 2 titik yaitu pada titik 3 Km dan titik 6 Km seperti pada skema pengujian  pada  Gambar  2.  Dengan  data  hasil  pengujian  pada  titik  3  Km  seperti  yang terlihat pada Tabel 4.
Gambar 2. Skema Pengujian Fasa-Fasa
Tabel 4. Hasil Pengujian Gangguan S Dan T No Arus (A) Jarak (Km) Error (%) Jenis 1 5.8 3.13 4.33 Gangguan S dan T 2 5.85 3.11 3.67 Gangguan S dan T 3 5.83 3.12 4.00 Gangguan S dan T 4 5.84 3.11 3.67 Gangguan S dan T 5 5.86 3.1 3.33 Gangguan S dan T Rata-rata 5.84 3.11 3.67 Gangguan S dan T
Dari  data  diatas  terlihat  sistem  telah  dapat  mensimulasikan  gangguan  hubung singkat  pada  titik  3  km  dengan  arus  rata-rata  5.84  Ampere  dan  jarak  hasil  perhitungan sejauh  3.11  km  serta  jenis  gangguan  yang  terdeteksi  adalah  gangguan  pada  fasa  S  dan fasa  T.  Sedangkan  pada  titik  6  Km  hasil  arus  gangguan  yang  terdeteksi  adalah  3.67 Ampere dan jarak hasil perhitungan sejauh 6.05 km serta jenis gangguan pada fasa R dan fasa S. seperti pada Tabel 5.
Alwi Daffa` Rosydi, Eka Prasetyono, Novie Ayub Windarko
Tabel 5. Hasil Pengujian Gangguan R Dan S No Arus (A) Jarak (Km) Error (%) Jenis 1 3.64 6.11 1.83 Gangguan R dan S 2 3.7 6.01 0.17 Gangguan R dan S 3 3.68 6.04 0.67 Gangguan R dan S 4 3.66 6.07 1.17 Gangguan R dan S 5 3.67 6.06 1.00 Gangguan R dan S Rata-rata 3.67 6.05 0.83 Gangguan R dan S

## 4.4. Simulasi Gangguan Fasa-Fasa
Dan untuk simulasi gangguan short circuit fasa-netral. Dilakukan pada titik 2 km dan 5 km Dengan skema pengujian seperti pada Gambar  3. Dengan data pada 2 km seperti pada Tabel 6.
Gambar 3. Skema Pengujian Fasa-Tanah
Tabel 6. Hasil Pengujian Gangguan R Dan N
No Arus (A) Jarak (Km) Error (%) Jenis 1 6.02 2.32 16.00 Gangguan R dan N 2 6 2.33 16.50 Gangguan R dan N 3 6 2.33 16.50 Gangguan R dan N 4 5.97 2.35 17.50 Gangguan R dan N 5 5.98 2.34 17.00 Gangguan R dan N Rata-rata 5.99 2.33 16.50 Gangguan R dan N
Dari  data  diatas  terlihat  sistem  telah  dapat  mensimulasikan  gangguan  hubung singkat  pada  titik  2  km  dengan  arus  rata-rata  5.99  Ampere  dan  jarak  hasil  perhitungan sejauh  2.33  km  serta  jenis  gangguan  yang  terdeteksi  adalah  gangguan  pada  fasa  R  dan fasa  N.  Sedangkan  pada  titik  5  Km  hasil  arus  gangguan  yang  terdeteksi  adalah  3.95 Ampere dan jarak hasil perhitungan sejauh 5.3 km serta jenis gangguan pada fasa T dan fasa N. seperti pada Tabel 7.

## Tabel 7. Hasil Pengujian Gangguan T Dan N

## 5. Kesimpulan
Dari  perancangan  dan  pembuatan  prototipe  yang  kemudian  dilakukan  pengujian parsial  pada  tiap  komponen  dan  dilanjutkan  pengujian  integrasi  pada  sistem  didapat kesimpulan sebagai berikut :
1.  Penggunaan  penyearah  dan  pembagi  tegangan  sebagai  sensor  tegangan  cukup sesuai  karena  tegangan  yang  di  sensor  merupakan  tegangan  AC  yang  memiliki rating  cukup  kecil.  Dan  dari  hasil  pengujian  sensor  juga  memiliki error yang relatif kecil.
2.  Modul  gangguan  telah  bila  melakukan  simulasi  gangguan short circuit fasa-fasa dengan arus 5,67A - 3,48A dan short circuit fasa-tanah dengan arus 6,17A – 3.27A .
3.  Sistem  sudah  bekerja  cukup  sesuai  dengan  perencanaan  yaitu  dapat  trip  dan mengetahui  besar  arus  gangguan  yang  terjadi  serta  jenis  gangguan short  circuit yang terjadi dan juga telah dapat melakukan perhitungan titik lokasi gangguan.
4.  Dari  pengujian  yang  sudah  dilakukan  terlihat  sistem  sudah  bisa  memprediksi lokasi  gangguan  dengan  selisih  lokasi  tebesar  360  meter  atau  0,35  Km.  Dan dengan error dalam persen terbesar 6,6%.

## Daftar Pustaka
[1]  Sandy,  Gora.  2019.  “Gangguan  pada  Penyulang  20kV  dan  Penanganan  pada  Setiap Gangguan”. Sidoarjo.
[2]  PT.  Perusahaan  Listrik  Negara  (Persero).  1978.  Standar  Perusahaan  Listrik  Negara Nomor 2 Pasal 9 tentang pentanahan sistem distribusi listrik tiga fasa tiga kawat.
[3]  Wahyudi, S. N, “Proteksi Sistem Distribusi Tenaga Listrik”, Garamond, Depok, 2012.
[4]  Amrie,Ulil  “Rancang  Bangun  Over  Current  Relay  Berbasis  Arduino  pada  miniature jaringan 20kV” Jurnal Ilmiah, Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.
[5]  Burke,  J.J.  and  Lawrence,  D.  J.,  “Characteristics  of  Fault  Currents  on  Distribution Systems,” IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,  vol. PAS-103, no. 1, pp. 1-6, January 1984.
[6]  Suswanto, D., “Sistem Distribusi Tenaga Listrik”, Teknik Elektro Ubiversitas Negeri Padang,2009.
[7] J. Lewis Blackburn, “Protective Relaying Principles and Applications”,Second Edition.
[8]  Sadawe,  Krisna  dan  Kutsuro,  Iqbal  Asad  “Desain  dan  Prototipe  Sistem  Deteksi Gangguan Impedansi Tinggi pada SUTM 20 kV dengan Sistem Pelaporan Gangguan Menggunakan  Komunikasi  Data  Modul  GSM”  Tugas  Akhir,  Departemen  Teknik Elektro Otomasi ITS,Surabaya, 2017.
No Arus (A) Jarak (Km) Error (%) Jenis 1 3.93 5.33 6.60 Gangguan T dan N 2 3.95 5.29 5.80 Gangguan T dan N 3 3.97 5.26 5.20 Gangguan T dan N 4 3.94 5.31 6.20 Gangguan T dan N 5 3.94 5.31 6.20 Gangguan T dan N Rata-rata 3.95 5.3 6.00 Gangguan T dan N
Alwi Daffa` Rosydi, Eka Prasetyono, Novie Ayub Windarko
[9]  Murtadho,  Moch.  Yogi,  “Prototipe  Sistem  Pelaporan  Gangguan  Beserta  Posisi Gangguan Pada Jaringan Distribusi”, Tugas Akhir, Program  D3 Teknik Elektro FTI- ITS, Surabaya, 2016.
[10]  PT.  Perusahaan  Listrik  Negara  (Persero).  1995.  Standar  Perusahaan  Listrik  Negara Nomor 64 tentang impedansi kawat penghantar.
[11] Heru  Dibyo  Laksono,  M.  Nasir  Sonni  “Perancangan  dan  Implementasi  Relay  Arus Lebih Sesaat Berbasis Microcontroller”. Jurusan Teknik Elektro, Univeristas Andalas Padang Sumatera Barat. 2007.