Proteksi Kabel Saluran Bawah Tanah 150 pada Gardu Induk

Proteksi Kabel Saluran Bawah Tanah 150 Kv

 Dalam Pendistribusian Dari Sati Gardu Induk Ke Gardu Induk Lain




Nama : Roubin B. Pangaribuan
NIM : 5113331028
Mata Kuliah : Proteksi Sistem Tenaga Listrik
Jurusan : Pendidikan Teknik Elektro
Universitas Negeri Medan

Abstrak

            Kebutuhan tenaga listrik di perkotaan menuntut penyediaan tenaga listrik yang memadai baik dari segi kualitas dan kuantitas. Untuk memenuhi kuantitas daya yang dibutuhkan, usaha yang dilakukan adalah dengan dibangunnya Gardu Induk di dalam kota. Karena terbatasnya lahan untuk penyaluran daya antara Gardu aternative yang digunakan dengan pemakaian jenis kabel berisi minyak (oil filled cable) untuk saluran transmisi bawah tanah, karena kabel tersebut memiliki tanah lebih besar bila dibandingkan dengan biaya pembangunan saluran transmisi udara. Saluran transimis bawah tanah dipengaruhi oleh faktor-faktor lingkungan, seperti temperature tanah, hambatan thermal dari tanah dan kedalaman penanaman kabel. Kegagalan isolasi (break down) dapat terjadi karena terbentuknya kantong-kantong udara (voids) didalam bahan isolasi yang diakibatkan kenaikan suhu penghantar. Dengan semakin besarnya tekanan pada kantong-kantong udara tersebut akan menimbulkan pelepasan muatan yang menembus isolasi. Kegagalan isolasi atau gangguan yang terjadi dapat mengakibatkan kerugian yang besar.

I.         Pendahuluan

Seiring dengan perkembangan dan pertumbuhan penduduk di daerah perkotaan, maka permintaan penambahan beban dari konsumen listrik kepada PT. PLN (Persero) semakin meningkat.

Untuk mengantisipasi hal tersebut, dituntut adanya peningkatan pelayanan sistem kelistrikan yang handal dan keamanan yang memadai, tanpa mengesampingkan segi keindahan serta peningkatan kapasitas yang sudah ada selama ini, maka sistem jaringan transmisi bawah tanah merupakan solusi terbaik untuk melayani penambahan beban walaupun dari segi biaya lebih mahal dibandingkan dengan jaringan transmisi udara.

Bila dibandingkan transmisi udara, saluran bawah tanah sebenarnya mempunyai kelemahan yang lebih menonjol dari pada keunggulannya. Dari segi teknis, salah satu kelemahan yang menonjol pada saluran transmisi bawah tanah adalah kemampuan membawa arus akan lebih rendah bila dibandingkan dengan saluran transmisi udara,
sehingga pada saluran transmisi bawah tanah akan dibutuhkan media pendingin dan penampang penghantar yang dibutuhkan saluran transmisi udara untuk menyalurkan arus lebih besar. Diperlukan pula ketahanan dielktrik dan isolasi pada penghantar saluran transmisi bawah tanah yang jauh lebih besar, sedangkan pada saluran transmisi udara panas yang muncul pada penghantar dapat dengan efektif dinetralisir oleh udara disekitarnya.

Tabel 1. Klasifikasi Kabel & Tegangannya

Klasifikasi	Tegangan yang diterapkan	Catatan
Belt	Di bawah 10 kV	Minyak harus diganti bila kabel dipasang miring (slope)
H
SL
Butyl rubber		Sesuai untuk pasangan miring (slope)
Polyethylene
Tekanan gas rendah
Jenis pipa diisi gas	60 – 150 kV
Jenis pipa diisi gas dengan tekanan	60 – 200 kV	Lebih murah dari jenis yang diisi minyak
Jenis pipa diisi minyak	Diatas 60 kV	Sesuai untuk tegangan tinggi sekali (EHV)
OF	Diatas 20 kV

Kabel Bawah Tanah

Sistem kelistrikan dari saluran transmisi bawah tanah dengan kabel banyak ragamnya. Dahulu, sistemnya di Jepang adalah sistem tiga-fasa tiga kawat dengan netral yang tidak ditanahkan. Sekarang, sistem pembumiannya adalah dengan tahanan tinggi atau dengan reactor kompensasi, untuk mengkompensasikan arus pemuat pada kabel guna menjamin bekerjanya Rele serta guna membatasi besarnya tegangan lebih. Di Eropa sistem pembumian dengan reactor banyak dipakai sedang di Amerika sistem pembumian langsung atau sistem pembumian dengan tahanan yang kecil banyak digunakan. Dalam kelistrikan saluran transmisi merupakan rantai penghubung antara pusat-pusat pembangkit tenaga menuju pusat beban melalui gardu induk transmisi dan distribusi.

Berdasarkan cara pemasangannya saluran sistem transmisi dapat dibagi dalam 3 kelompok, yaitu :

·      Saluran udara (Overhead line)

·      Saluran kabel bawah laut (submariune cable)

·      Saluran kabel tanah

Saluran kabel bawah tanah ini dibuat untuk menghindari resiko bahaya yang terjadi pada pemukiman padat penduduk tanpa mengurangi keindahan lingkungan.

Klasifikasi Kabel Tenaga

     Untuk penyaluran tenaga listrik dibawah tanah digunakan kabel tenaga (power cable). Jenis kabel tenaga banyak sekali, namun demikian dapat diklasifikasikan menurut kelompok-kelompok berikut :

·      Menurut kulit pelindungnya (armor), misalnya :

-  Kabel bersarung timah hitam (lead sheahted)

-  Kabel berkulit pita baja (steel-tape armored)

·      Menurut konstruksinya, misalnya :

-  Plastik dan karet (jenis BN, EV, CV)

-  Kabel padat (jenis belt, H, SL, SA).

-  Kabel jenis datar (flat-type)

-  Kabel minyak (oil-filled)

·      Menurut penggunaan, misalnya :

-  Kabel saluran (duct draw-in)

-  Kabel taruh (direct-laying)

-  Kabel laut (submarine)

-  Kabel corong utama (main shalf)

-  Kabel udara (overhead)

Kabel (isolasi) kertas yang diresapi minyak (oil impregnated) biasanya digunakan untuk saluran transmisi bawah tanah, meskipun untuk tegangan dari 35 kV kabel plastik atau kabel butyl juga dipakai sebagai penghantar biasanya digunakan kawat tembaga berlilit (annealed stranded), meskipun kawat alumunium berlilit (karena ringan) juga dipakai untuk kabel udara. Sebagai pembungkus sering digunakan timah hitam, meskipun alumunium sekarang juga disukai, bukan saja untuk kabel udara, tetapi juga untuk kabel minyak. Sebagai kulit pelindung digunakan pita baja untuk kabel tiga-kawat yang ditaruh didasar laut. Kawat tembaga, kawat baja tahan karat dan kawat alumunium digunakan bila kabel satu-kawat dipasang dengan tarikan.

Kabel tanah tegangan tinggi yang dipasang dilingkungan PT. PLN (Persero), jika dilihat dari jumlah inti, penampang inti, jenis isolasi, dengan nilai tegangan nominal 30 kV, 70 kV, 150 kV terdapat beberapa jenis, yaitu :

·      Jumlah inti (core) kabel

       Kabel tanah berinti tunggal (single core cable) pada dasarnya kabel ini dapat dipakai untuk segala tegangan yang umumnya adalah tegangan tinggi. Kabel tanah berinti tiga (three core cable), kabel tanah ini terbatas pada tegangan 150 kV yang disebabkan oleh terbatasnya dimensi kabel, terutama sekali untuk keperluan transportasi dan pemasangan.

Bentuk penampang inti pada konduktor, yaitu:

1)   Pejal (untuk ukuran kecil yang digunakan pada tegangan menengah dan tegangan rendah)

Bentuk penampang pejal ada dua macam, yaitu pejal bulat dan pejal segitiga.

2)   Pilin (Stranded) : Untuk ukuran konduktor besar.

3)   Berongga : terutama untuk tempat minyak pendingin dan dipakai pada kapasitas penyaluran yang besar. Ada yang berongga satu dan ada yang berongga banyak.

Isolasi Kabel Tanah

     Isolasi kabel tanah tagangan tinggi tidak saja berfungsi sebagai penyekat (isolator) atau pengaman, tetapi juga berfungsi sebagai pelengkap atau pendukung kerja transmisi tenaga listrik pada saluran tanah itu sendiri. Isolasi kabel tanah umumnya terdiri dari jenis isolasi kertas, karena meresap minyak dan campuran biasanya digunakan pada kabel minyak isolasi sintetis dan isolasi mineral.

Isolasi Kertas

     Kabel tanah berisolasi kertas dapat digunakan untuk tegangan tinggi sampai 400 kV, baik untuk kabel minyak bertekanan rendah (10 W pressure oilfiled-LPDF) yang terpadu dalam satu kabel (self contained) dan kabel berisolasi kertas yang dimasukkan ke dalam pipa lalu diisi dengan minyak bertekanan tinggi (high pressure oil filed-LPDF).

     Kertas sebagai isolasi dapat berupa kertas kering maupun kertas yang diresapi minyak. Peresapan kertas dengan minyak pada kabel tegangan tinggi (diatas 30 kV), dimaksudkan untuk menghindari agar serat-serat kertas tidak pecah karena terbentuknya kantong-kantong udara (cold) atau gas dalam kertas isolasi yang dapat berkembang dan mengkerut menjadi bagian-bagian yang tidak sama, dengan bertambahnya panas pada siklus beban. Tekanan pada kantong udara ini adalah tinggi, sehingga terjadi pelepasan muatan (discharge) yang menimbulkan panas dan dapat menghanguskan kertas. Dengan kata lain kertas sebagai isolasi mengalami “partial discharge” yang mengakibatkan kegagalan isolasi (break down insulation).

Isolasi Campuran dan Diresapi Minyak

     Pada hakekatnya kabel dengan jenis isolasi campuran dan diresapi minyak adalah kabel yang berisolasi kertas yang diresapi minyak pada saat dibuah (oil impregnated paper), dimana kabel tersebut dialiri dengan minyak yang bertekanan minyak. Dalam hal ini yaitu berfungiu sebagai : isolasi listrik yang memperkuat dielektrik pada kertas isolasi, media pendingin kabel.

Bahan Isolasi

     Sifat-sifat dielektris yang penting untuk isolasi adalah :

     - Tahanan dielektris yang tinggi

-  Sifat mekanis yang baik

-  Tidak bereaksi terhadap asam dan lembab

Minyak Kabel & Kompon

     Mutu yang diinginkan adalah :

-       Koefisien yang rendah

-       Kekentalan yang rendah pada suhu pencelupan (impregnasi)

-       Kekentalan yang tinggi pada suhu kerja (hanya kabel padat)

-       Titik beku dibawah suhu pelayanan

-       Agak bersifat melumasi

-       Koefisien suhu rendah dan ketahananan tinggi

-       Kekuatan dielektris tinggi

-       Mantap secara kimia dan bebas dari kandungan gas

Penyebab utama yang berkaitan dengan suhu atas kerusakan kabel adalah :

Kemunduran isolasi kertas akibat suhu, ketidakstabilan Termal Dielektris, pembentukan kehampaan dan ionisasi, kegagalan kebelahan dan sarung timbal.

3. Proteksi

     Saluran tenaga listrik adalah bagian sistem tenaga listrik yang sering mengalami gangguan. Gangguan yang terjadi dapat berupa hubung singkat, tenaga lebih, beban lebih, hubung buka (penghantar putus), suara petir, topan, cuaca buruk, dll.

     Tujuan dari sistem proteksi adalah :

1.    Mengamankan peralatan terhadap kerusakan akibat gangguan

2.    Menetralisir sehingga pemadaman bagi konsumen diusahakan minimal dan sesingkat mungkin.

3.    Mencegah runtuhnya sistem, sehingga pemadaman total (black-out) dapat dihindari.

Proteksi Saluran

     Peralatan proteksi biasanya terdiri dari perangkat keras rele, pemutus beban (CB), trafo arus (CT), kabel kontrol atau kabel pilot dan catu daya.

Perangkat Keras Rele

     Perangkat keras rele dari bahan solid-state yang dipakai pada proteksi kabel saluran transmisi bawah tanah GI Jajar-GIS Mangkunegaran dibuat oleh GEC ALSTHOM T & D Protection & Control Limited : Stafford sebagai pengaman utama adalah MBCI 01 (Differensial feeder protection), sedangkan pengaman cadangan terdiri dari beberapa rele yaitu :

·      MRTP 03 Supervision Relays for AC Pilot Circuits.

·      MCR1 01 Overcurrent check/start relay

·      MVTW 01 Intertripping and DestaGilising Relays.

Rele Differensial tipe MCC 01

Prinsip kerja Rele differensial pertama kali diperkenalkan oleh Mers dan Price yang bekerja pada “keseimbangan” arus, memperbandingkan arus yang masuk dengan arus yang keluar pada suatu daerah perlindungan. Rele differensial hanya akan bekerja apabila terjadi gangguan di dalam daerah perlindungan saja.

Keistimewaan dari rele differensial tipe MBCI 01 adalah :

a)    Memiliki kestabilan yang tinggi untuk gangguan eksternal (through fauls)

b)   Kecepatan operasi yang tinggi untuk gangguan internal (in-zone fauls).

c)    Sesuai untuk pemakaian pada kabel pilot hingga 1 kΩ hingga 2.5 kΩ dengan trafo isolator pilot.

d)   Mempunyai 4 buah kontak yang terpisah

e)    Dapat digunakan oleh Rele arus lebih definite time ketika kabel pilot gagal (untuk melakukan pengubahan karakteristik Rele ini).

Rele Pengawas Rangkaian Pilot AC tipe MRTP 03.

       Keistimewaan dari rele pengawasan MRTP ini adalah :

a.    Menyediakan alarm sebagai indikasi dari kondisi rangkaian pilot yang terhubung buka, singkat maupun  terhubung bersilangan.

b.    Menyediakan alarm dan indikasi untuk kegagalan penyediaan daya.

c.    Menyediakan alarm yang berbeda dan terpisah untuk kondisi pilot yang terhubung buka dan terhubung singkat.

Rele Intertripping & Destabilising MVTW 01

       Ketika daerah yang dilindungi (saluran transmisi) dihubungkan dengan sebuah busbar, sebuah gangguan terjadi pada busbar akan dihilangkan oleh proteksi busbar dengan membuka pemutus beban (CB). Karena busbar berhubungan dengan saluran transmisi, maka gangguan tersebut akan terlihat pada proteksi saluran (Relay differensial), namun gangguan ini dipandang Rele differensial sebagai gangguan eksternal sehingga rele differensial tidak bekerja atau tetap stabil.

       Oleh sebab itu agar CB – CB di kedua ujung saluran transmisi dapat dibuka oleh rele differensial, maka arus dimasukkan ke dalam kabel pilot agar rele bekerja, dengan kata lain rele dibuat tidak stabil.

       Keistimewaan dari relay tipe MVTW 01 ini adalah :

1)   Membuat proteksi saluran tidak stabil (destabilizes), sehingga dapat bekerja terhadap gangguan eksternal.

2)   Memutuskan aliran arus (intertip) dengan mmasukkan arus ac agar pemutus terjdi pada ujung yang jauh dari gangguan.

Pemutus Beban (Circuit Breaker)

       Sebuah pemutus bebsan harus bertindak sebagai sebuah isolator dan menghantarkan arus beban sepanjang umur pemakaiannya dapat membawa dan menimbulkan arus hubung singkat.

berikut adalah gambar sebuah Circiut breaker.

 

Pemutus beban yang digunakan pada proteksi saluran kabel bawah tanah GI Jajar-GIS Mangkunegaran adalah tipe SIEMENS (dipasang di jajar) dan HOLECH (dipasang di Mangkunegaran) dengan media isolasi gas SF6, dengan data teknis pada tabel 2. Dari data pemutus beban, untuk operasi sirklus pemutusan (switching cycle) pada saat terjadi hubung singkat waktu bekerja tahap pertama dari buka ke tutup memerlukan waktu sekitar 3 detik, sedangkan waktu untuk bekerja pada tahap kedua dari buka ke tutup memerlukan waktu 3 menit untuk normal kembali.

Tabel 2. Data pemutus beban media isolasi gas SF₆

Spesifikasi	Ukuran
Rated breaking current	40 W
First pole to clear faktor	1.5
Breaking current in phase opposition	10 kV
Peak making current	100 kV
Switching cycle	0-0.3 sec,Co-3 min,-Co
Making time	± 65 mg
Breaking time (whiout archingtime)	± 30 mg
Rabed curent capacity	1250 A
Driving mechanism	Hidraulic
Voltage pump motor	230/400V AC
Operating voltage	110 V DC

Trafo Arus

       Trafo arus (CT) diperlukan untuk mengisolasi rangkaian sekunder dari rangkaian (daya) primer dan menyediakan besaran sisi sekunder trafo yang sebanding dengan besaran sisi primernya. 

       Rating sisi primer trafo arus biasanya dipilih sama dengan atau lebih sama besar dari arus normal beban penuh dari rangkaian yang dilindungi. Data teknis dari arus trafo yang digunakan pada Rele proteksi bawah tanah adalah : trafo arus 500/I A, buatan pabrik ABB Swithger, yang merupakan tipe pasangan luar, bneban 60 vA, ketelitian 1.0/5P2O, kesalahan arus 1%. Efek bisa dengan menambahkan elemen penahan ini akan dapat membuat rele differensial bekerja hanya pada keadaan gangguan internal saja, dan untuk gangguan eksternal rele tetap stabil.

Kabel Pilot

       Panjang dan tipe kabel pilot akan mempengaruhi karakteristik bias dan kestabilan proteksi kapasitans kabel pilot yang besar yang menyebabkan perbedaan arus dan pada beda sudut fase antara ujung terminal kabel pilot (Rp) dapat mempengaruhi besar kecilnya sinyal dan membatasi tegangan terhadap kabel pilot .

       Kabel pilot harus dilindungi terhadap tegangan induksi yang besar, yang ditimbulkan oleh kopling bersama dengan kabel daya. Tegangan induksi ini menjadi semakin besar apabila kabel pilot berupa saluran yang panjang dan terletak dengan kabel daya. Dengan berubahnya letak hubung singkat itu, untuk saluran-saluran yang lebih penting lebih baik dipakai relay pilot untuk memungkinkan pembukaan pemutus beban dengan cepat dan agar letak hubung singkat lebih mudah dilihat.

Kesimpulan

·         Sebuah  sistem tenaga listrik yang bertujuan untuk membangkitkan dan menyediakan energi listrik bagi para pelanggan memenuhi syarat keandalan yang tinggi.

·         Rele proteksi akan bekerja meminimalkan kerusakan akibat ganguan.

·         Kondisi gangguan memerlukan paling sedikit 2 rele, yaitu rele utama menghilangkan gangguan, dan rele back-up akan bekerja jika rele utama gagal.