PERANCANGAN INSTALASI LISTRIK PROYEK PEMINDAH BIJI-BIJIAN

DISUSUN OLEH :

AFFRIN H. P. SIMATUPANG

ANDERSON M.H SIANTURI

GVERIAN  SIMARE-MARE

KARDO  TAMBUNAN

RADEN A. K. SITANGGANG

silahkan klik anggota kelompok untuk melihat profilnya

ELEKTRO C

POLITEKNIK NEGERI MEDAN

DIAGRAM COVER

DIAGRAM DESKRIPSI

 DIAGRAM KONTROL

KONSTRUKSI RANCANGAN PANEL

ISI KONSTRUKSI RANCANGAN PANEL

untuk file asli dapat diperoleh di sini (word) (powerpoint) dan (Visio)

Memahami HVDC (transmisi daya arus searah)

Pemakaian High Voltage Direct Current transmission (HVDC) atau dalam istilah Bahasa Indonesia dikenal sebagai transmisi daya arus searah (TDAS) sebenarnya sudah dimulai sejak awal pertama kali listrik dikembangkan. Thomas Alva Edison berhasil membuat jaringan listrik berkapasitas 6 x 100kW untuk menyalakan 1200 bohlam lampu menggunakan arus searah pada tahun 1882. Walaupun pada perkembangannya, sistem dc yang dikembangkan Edison ternyata ‘kalah’ bersaing dengan sistem ac yang diusulkan oleh Westinghouse dan Tesla namun sistem dc ini telah menandai dimulainya era baru, era listrik. Lebih dari 70 tahun kemudian, sistem transmisi dc mulai dipakai kembali setelah ditemukannya tabungmercury-arc di akhir tahun 1920-an. Proyek HVDC komersil pertama kali berhasil dibangun tahun 1950 menggunakan kabel laut untuk menghubungkan Swedia dengan P. Gotland dengan kapasitas 20MW pada tegangan 100kV.

Pada tulisan ini akan dipaparkan secara ringkas teknologi, konfigurasi, dan aplikasi dari transmisi daya arus searah (HVDC).

***

HVDC mulai dipakai kembali karena teknologi tabung/mercury-arc sudah mulai mapan sehingga konverter daya ac/dc atau dc/ac bisa dibuat, suatu hal yang tidak bisa dilakukan pada tahun 1880-an yang mengakibatkan sistem arus searah Edison kalah dari sistem arus bolak-balik Westinghouse. Teknologi tabung mercury-arc sendiri hanya bertahan sekitar 20 tahun sampai ditemukannya thyristor pada sekitar tahun 1970. Thyristor ini yang menjadi dasar perkembangan pesat dari teknologi HVDC karena bisa dibuat untuk keperluan daya besar, dibandingkan transistor/IGBT yang dengan teknologi saat ini memiliki kapasitas daya lebih kecil daripada thyristor. Satu dekade terakhir, perkembangan teknologi IGBT memungkinkan konverter untuk HVDC dibuat dengan menggunakan IGBT (Gambar 1), walaupun kapasitas dayanya masih lebih kecil daripada sistem HVDC yang menggunakan konverter thyristor.

Gambar 1. Perkembangan saklar statis untuk HVDC [1

Dimulai dari 20MW di Swedia, sekarang ini sudah lebih dari 100 jalur transmisi HVDC yang aktif di dunia dengan total kapasitas mencapai lebih dari 80GW (Gambar 2) tersebar mulai dari Amerika Utara, Skandinavia, Jepang, China, India, Brazil, dsb. Dimulai dari tegangan 100 kV hingga sekarang mencapai 500kV, dan 800kV sedang dalam tahap pembangunan. Beberapa proyek HVDC yang cukup terkenal diantaranya Gotland HVDC di Swedia selain HVDC pertama juga merupakan HVDC yang menggunakan thyristor pertama kali; Itaipu HVDC di Brazil (2 x 3150MW, +/- 500kV, 800 km) yang merupakan sistem HVDC terbesar saat ini, Kii-Channel HVDC di Jepang (1400MV, +/- 250kV) yang menggunakan thyristor light-triggered 8kV - 3500A.

Gambar 2. Total kapasitas HVDC [2]

Teknologi HVDC

Terdapat 2 jenis teknologi konverter ac/dc/ac yang digunakan pada sistem HVDC saat ini. HVDC yang menggunakan Current source converter (CSC) komutasi jala-jala menggunakan thyristor dan HVDC yang menggunakan Voltage source converter (VSC) yang menggunakan IGBT.

Teknologi CSC-HVDC sudah sangat mapan untuk konverter berdaya sangat besar. Untuk keperluan diatas 1000MW teknologi ini menjadi satu-satunya pilihan saat ini. Itaipu HVDC adalah sistem HVDC terbesar saat ini yang beroperasi secara komersil menggunakan CSC-HVDC. Proyek CSC-HVDC terbesar yang sedang dibangun saat ini adalah Xiangjiaba – Shanghai HVDC yang mentransmisikan daya 6400MW pada 800kV sejauh 2071 km.

Komutasi jala-jala merupakan salah satu kelemahan yang ada pada CSC-HVDC, akibatnya pada HVDC yang menggunakan CSC diperlukan jaringan arus bolak-balik yang kuat di sisi kirim maupun sisi terima. Gambar 3 menunjukkan HVDC yang menggunakan CSC.

“]

Gambar 3. CSC-HVDC [3

VSC-HVDC merupakan perkembangan terbaru dari teknologi HVDC. Hampir sejak satu dekade terakhir, beberapa proyek VSC-HVDC berhasil dibangun dan mencapai tahap komersil. Keunggulan VSC-HVDC dibanding CSC-HVDC adalah kemampuannya untuk komutasi tanpa bergantung kondisi jala-jala, pengaturan daya aktif dan reaktif yang independen, serta kemampuan untuk black-start. Keunggulan tersebut membuat VSC-HVDC menarik untuk aplikasi penyaluran daya ke beban berjarak jauh yang tidak memiliki sumber jala-jala lokal, seperti pada anjungan lepas pantai, dsb.

Kelemahan VSC-HVDC adalah teknologi IGBT sekarang belum mampu untuk melayani transmisi daya berkapasitas besar seperti halnya CSC-HVDC. Proyek VSC-HVDC terbesar saat ini adalah Ciprivi Line HVDC di Namibia yang berkapasitas 300MW pada 350kV sejauh 970 km. Gambar 4 menunjukkan HVDC yang menggunakan VSC.

“]

Gambar 4. VSC-HVDC [3

Konfigurasi HVDC

Pemilihan konfigurasi sangat bergantung pada kondisi lokal, tujuan, dan faktor ekonomi. Baik VSC ataupun CSC-HVDC dapat menggunakan konfigurasi yang sama, modifikasi dapat dilakukan bergantung kondisi lokal masing-masing.

Back-to-back

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 5. Pada konfigurasi ini gardu induk konverter berada pada lokasi yang sama dan tidak menggunakan saluran arus searah jarak jauh. Umumnya konfigurasi ini berfungsi sebagai interkoneksi frekuensi antara dua sistem arus bolak-balik yang berdekatan, walaupun konfigurasi ini juga bisa dipakai pada interkoneksi dua sistem arus bolak-balik yang memiliki frekuensi yang sama.

“]

Gambar 5. Konfigurasi HVDC back-to-back [3

Monopolar

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 6. Pada konfigurasi ini dua gardu induk konverter dipisahkan menggunakan satu saluran arus searah berjarak jauh, berbeda dengan konfigurasi back-to-back yang hanya membutuhkan satu lokasi saja. Saluran arus searah yang dipakai hanya memiliki 1 kutub tegangan, bisa positif saja atau negatif saja, sehingga tanah diperlukan sebagai saluran balik arus.

“]

Gambar 6. Konfigurasi HVDC monopolar [3

Bipolar

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 7. Pada konfigurasi ini dua gardu induk konverter dipisahkan menggunakan dua saluran arus bolak-balik yang berbeda kutub tegangan, satu positif dan satu lagi negatif. Relatif terhadap tanah, konfigurasi bipolar merupakan dua buah konfigurasi monopolar yang berbeda kutub tegangan, sehingga masing-masing monopolar dapat dioperasikan secara independen. Pada keadaan normal arus yang mengalir melalui tanah akan bernilai nol akibat dua kutub monopolar yang berbeda. Keunggulan konfigurasi ini adalah salah satu kutub tegangan tetap dapat beroperasi ketika kutub tegangan yang lainnya tidak beroperasi akibat gangguan atau alasan lain. Reliabilitas konfigurasi ini lebih baik daripada konfigurasi monopolar.

“]

Gambar 7. Konfigurasi HVDC bipolar [3

Multiterminal

Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 8. Konfigurasi ini adalah perluasan dari konfigurasi bipolar dengan menempatkan gardu konverter baru di tengah-tengah saluran bipolar. Jumlah saluran masuk di tengah-tengah konfigurasi bipolar tidak dibatasi hanya satu, melainkan bisa banyak sesuai dengan keperluan.

“]

Gambar 8. Konfigurasi HVDC multiterminal [3

Pemanfaatan HVDC

Penggunaan sistem transmisi arus bolak-balik yang sudah menyeluruh memang memberikan keuntungan harga yang lebih kompetitif karena pasar dan produsen sudah sama-sama mapan, dibandingkan dengan transmisi HVDC yang masih relatif lebih sedikit pemakainya. Namun sistem HVDC akan dipandang lebih menguntungkan dibandingkan sistem ac pada beberapa aplikasi tertentu.

Transmisi jarak jauh

Pada transmisi daya besar dengan jarak yang jauh, HVDC memberikan alternatif yang kompetitif secara ekonomi terhadap sistem transmisi arus bolak-balik Terlepas dari adanya tambahan rugi-rugi akibat penggunaan konverter dibandingkan pada sistem arus bolak-balik, rugi-rugi saluran pada transmisi HVDC bisa lebih kecil 30%-50% dari ekuivalen saluran arus bolak-balik pada jarak yang sama. Pada jarak yang sangat jauh, sistem transmisi arus bolak-balik membutuhkan gardu induk di tengah saluran dan juga kompensasi reaktif. Dibandingkan dengan transmisi arus searah yang tidak memerlukan gardu induk intermediet. Jarak tipikal yang dianggap pemakaian sistem HVDC akan menguntungkan secara ekonomis daripada transmisi arus searah adalah sekitar 500 km keatas.

Penggunaan kabel

Pada kasus jika penggunaan kabel diperlukan, seperti pada transmisi yang melewati laut, atau transmisi yang dirancang bawah tanah, penggunaan HVDC memberikan keuntungan lebih secara ekonomis daripada penggunaan kabel arus bolak-balik. Permasalahan lain pada penggunaan kabel dengan sistem arus bolak-balik adalah penurunan kapasitas daya kabel karena jarak yang jauh akibat daya reaktif yang cukup tinggi. Ini dikarenakan karakteristik kabel yang memiliki kapasitansi yang lebih besar dan induktansi yang lebih kecil daripada ekuivalen konduktor udara.

Interkoneksi frekuensi

Interkoneksi antara 2 area yang berbeda frekuensi hanya bisa dilakukan dengan menggunakan HVDC untuk menjamin kelangsungan operasi yang handal. Contohnya adalah gardu induk Shin-Shinano 600 MW yang menghubungkan Jepang bagian barat yang berfrekuensi 60 Hz dengan Jepang bagian timur yang berfrekuensi 50 Hz. Tidak hanya pada kasus seperti Shin-Shinano yang beda frekuensi operasi diantara dua terminalnya, beberapa kasus lain menggunakan konverter frekuensi HVDC untuk menghubungkan antara dua perusahaan listrik yang berbeda. Selain untuk pengaturan aliran daya, hal ini dimaksudkan untuk melindungi area perusahaan satu dari fluktuasi frekuensi di perusahaan tetangga disamping juga untuk mencegah menjalarnya gangguan akibat dari perusahaan tetangga.

Kesimpulan

Pada tulisan ini telah dipaparkan teknologi, konfigurasi, dan aplikasi dari transmisi daya arus searah (HVDC). Pada aplikasi tertentu transmisi HVDC memiliki keuntungan dibandingkan transmisi arus bolak-balik.

Overhead Groundwire, Perlindungan Transmisi Tenaga Listrik dari Sambaran Petir

Petir merupakan kejadian alam di mana terjadi loncatan muatan listrik antara awan dengan bumi. Loncatan muatan listrik tersebut diawali dengan mengumpulnya uap air di dalam awan. Ketinggian antara permukaan atas dan permukaan bawah pada awan dapat mencapai jarak sekitar 8 km dengan temperatur bagian bawah sekitar 60^oF dan temperatur bagian atas sekitar - 60 ^oF. Akibatnya, di dalam awan tersebut akan terjadi kristal-kristal es. Karena di dalam awan terdapat angin ke segala arah, maka kristal-kristal es tersebut akan saling bertumbukan dan bergesekan sehingga terpisahkan antara muatan positif dan muatan negatif.

Pemisahan muatan inilah yang menjadi sebab utama terjadinya sambaran petir. Pelepasan muatan listrik dapat terjadi di dalam awan, antara awan dengan awan, dan antara awan dengan bumi tergantung dari kemampuan udara dalam menahan beda potensial yang terjadi.

Petir yang kita kenal sekarang ini terjadi akibat awan dengan muatan tertentu menginduksi muatan yang ada di bumi. Bila muatan di dalam awan bertambah besar, maka muatan induksi pun makin besar pula sehingga beda potensial antara awan dengan bumi juga makin besar. Kejadian ini diikuti pelopor menurun dari awan dan diikuti pula dengan adanya pelopor menaik dari bumi yang mendekati pelopor menurun. Pada saat itulah terjadi apa yang dinamakan petir.

Panjang kanal petir bisa mencapai beberapa kilometer, dengan rata-rata 5 km. Kecepatan pelopor menurun dari awan bisa mencapai 3 % dari kecepatan cahaya. Sedangkan kecepatan pelepasan muatan balik mencapai 10 % dari kecepatan cahaya.

Sistem Perlindungan Petir

Mengingat kerusakan akibat sambaran petir yang cukup berbahaya, maka muncullah usaha-usaha untuk mengatasi sambaran petir. Teknik penangkal petir pertama kali ditemukan oleh Benyamin Franklin dengan menggunakan interseptor (terminal udara) yang dihubungkan dengan konduktor metal ke tanah. Teknik ini selanjutnya terus dikembangkan untuk mendapatkan hasil yang efektif.

Sekilas mengenai teknik penangkal petir, dikenal 2 macam sistem, yaitu :

1. Sistem Penangkal Petir. Sistem ini menggunakan ujung metal yang runcing sebagai pengumpul muatan dan diletakkan pada tempat yang tinggi sehingga petir diharapkan menyambar ujung metal tersebut terlebih dahulu. Sistem ini memiliki kelemahan di mana apabila sistem penyaluran arus petir ke tanah tidak berfungsi baik, maka ada kemungkinan timbul kerusakan pada peralatan elektronik yang sangat peka terhadap medan transien. 
2. Dissipation Array System (DAS). Sistem ini menggunakan banyak ujung runcing (point discharge) di mana tiap bagian benda yang runcing akan memindahkan muatan listrik dari benda itu sendiri ke molekul udara di sekitarnya. Sistem ini mengakibatkan turunnya beda potensial antara awan dengan bumi sehingga mengurangi kemampuan awan untuk melepaskan muatan listrik.

Sistem Perlindungan Petir Pada Transmisi Tenaga Listrik

Petir akan menyambar semua benda yang dekat dengan awan. Atau dengan kata lain benda yang tinggi akan mempunyai peluang yang besar tersambar petir. Transmisi tenaga listrik di darat dianggap lebih efektif menggunakan saluran udara dengan mempertimbangkan faktor teknis dan ekonomisnya. Tentu saja saluran udara ini akan menjadi sasaran sambaran petir langsung. Apalagi saluran udara yang melewati perbukitan sehingga memiliki jarak yang lebih dekat dengan awan dan mempunyai peluang yang lebih besar untuk disambar petir.

Selama terjadinya pelepasan petir, muatan positif awan akan menginduksi muatan negatif pada saluran tenaga listrik. Muatan negatif tambahan ini akan mengalir dalam 2 arah yang berlawanan sepanjang saluran. Surja ini mungkin akan merusak isolasi saluran atau hanya terjadi pelepasan di antara saluran-saluran tersebut.

Desain isolasi untuk tegangan tinggi (HV) dan tegangan ekstra tinggi (EHV) cenderung untuk melindungi saluran dari adanya tegangan lebih akibat surja hubung dan surja petir. Untuk tegangan ultra tinggi (UHV), desain isolasi lebih cenderung kepada proteksi terhadap surja hubung. Adanya tegangan lebih ini akan mengakibatkan naiknya tegangan operasi yang tentunya dapat merusak peralatan-peralatan listrik.

Dalam hal melindungi saluran tenaga listrik tersebut, ada beberapa cara yang dapat diterapkan. Salah satu cara yang paling mudah adalah dengan menggunakan kawat tanah (overhead groundwire) pada saluran. Prinsip dari pemakaian kawat tanah ini adalah bahwa kawat tanah akan menjadi sasaran sambaran petir sehingga melindungi kawat phasa dengan daerah/zona tertentu.

Overhead groundwire yang digunakan untuk melindungi saluran tenaga listrik, diletakkan pada ujung teratas saluran dan terbentang sejajar dengan kawat phasa.Groundwire ini dapat ditanahkan secara langsung atau secara tidak langsung dengan menggunakan sela yang pendek.

Dalam melindungi kawat phasa tersebut, daerah proteksi groundwire dapat digambarkan seperti pada Gambar 1. 

Gambar 1. Daerah Proteksi dengan menggunakan 1 Groundwire

Dari gambar di atas, misalkan groundwire diletakkan setinggi h meter dari tanah. Dengan menggunakan nilai-nilai yang terdapat pada gambar tersebut, titik b dapat ditentukan sebesar 2/3 h. Sedangkan zona proteksi groundwire terletak di dalam daerah yang diarsir. Di dalam zona tersebut, diharapkan tidak terjadi sambaran petir langsung sehingga di daerah tersebut pula kawat phasa dibentangkan.

Apabila h_x merupakan tinggi kawat phasa yang harus dilindungi, maka lebar b_x dapat ditentukan dalam 2 kondisi, yaitu :

• Untuk h_x > 2/3 h , b_x = 0,6 h (1 – h_x/h) 
• Untuk h_x < 2/3 h , b_x = 1,2 h (1 – h_x/0,8h)

Dalam beberapa kasus, sebuah groundwire dirasa belum cukup untuk memproteksi kawat phasa sepenuhnya. Untuk meningkatkan performa dalam perlindungan terhadap sambaran petir langsung, lebih dari satu groundwire digunakan.

Bila digunakan 2 buah groundwire dengan tinggi h dari tanah dan terpisah sejauh s, perhitungan untuk menetapkan zona proteksi petir dilakukan seperti halnya menggunakan 1 buah groundwire. Gambar 2 menunjukkan zona perlindungan dari penggunaan 2 buah groundwire.

Gambar 2. Zona Perlindungan dengan menggunakan 2 Ground wire

Dari gambar tersebut, apabila h_o menyatakan tinggi titik dari tanah di tengah-tengah 2groundwire yang terlindungi dari sambaran petir, maka h_o dapat ditentukan : h_o = h - s/4 

Sedangkan daerah antara 2 groundwire dibatasi oleh busur lingkaran dengan jari-jari 5/4 s dengan titik pusat terletak pada sumbu di tengah-tengah 2 groundwire.

Seperti disebutkan sebelumnya bahwa hadirnya groundwire dimaksudkan sebagai tempat sambaran petir langsung dan dapat melindungi kawat phasa. Zona perlindungangroundwire dapat dinyatakan dengan parameter sudut perlindungan, yaitu sudut antara garis vertikal groundwire dengan garis hubung antara groundwire dan kawat phasa. Jika sudut perlindungan tersebut dinyatakan dalam a dan tinggi groundwire adalah h, maka probabilitas sambaran petir pada groundwire (p) dapat ditentukan sebagai berikut :

log p = (aVh/90)- 4

Dari persamaan tersebut, terlihat bahwa makin tinggi groundwire dan sudut perlindungan yang besar, akan mengakibatkan probabilitas tersebut meningkat. Untuk itu diperlukan pemilihan tinggi groundwire dan sudut perlindungan yang tepat untuk mendapatkan performa perlindungan yang baik dari sambaran petir. 

Gambar 3 menunjukkan kurva antara ketinggian rata-rata groundwire vs sudut perlindungan rata-rata. Dari gambar tersebut terlihat daerah berwarna hitam merupakan daerah kemungkinan gagal dalam perlindungan. Sedangkan gambar 4 menunjukkan probabilitas kegagalan perlindungan dari sambaran petir ke saluran sebagai fungsi dari ketinggian groundwire dan sudut perlindungan. 

Dengan demikian, kurva pada gambar 3 menunjukkan probabilitas kegagalan dalam perlindungan kurang dari 1 % (berdasar kurva gambar 4). Probabilitas ini berarti lebih kecil dari satu kali kegagalan dalam setiap 100 sambaran petir pada groundwire. 

Untuk meningkatkan keandalan sistem ini, diperlukan pentanahan yang baik pada setiap menara listrik. Jika petir menyambar pada groundwire di dekat menara listrik, maka arus petir akan terbagi menjadi dua bagian. Sebagian besar arus tersebut mengalir ke tanah melalui pentanahan pada menara tersebut. Sedangkan sebagian kecil mengalir melalui groundwire dan akhirnya menuju ke tanah melalui pentanahan pada menara listrik berikutnya. Lain halnya jika petir menyambar pada tengah-tengah groundwireantara 2 menara listrik. Gelombang petir ini akan mengalir ke menara-menara listrik yang dekat dengan tempat sambaran tersebut. 

Usaha Untuk Meningkatkan Performa Perlindungan

Usaha yang paling mudah untuk meningkatkan performa perlindungan adalah dengan menggunakan lebih dari satu groundwire. Dengan cara ini diharapkan petir akan selalu menyambar pada groundwire sehingga memperkecil probabilitas kegagalan perlindungan. Cara ini dapat disertai dengan menggunakan counterpoise, yaitu konduktor yang ditempatkan di bawah saluran (lebih sering dibenamkan dalam tanah) dan dihubungkan dengan sistem pentanahan dari menara listrik. Hasilnya, impedansi surja akan lebih kecil. 

Usaha-usaha lainnya di antaranya :

1. Memasang couplingwire di bawah kawat phasa (konduktor yang disertakan di bawah saluran transmisi dan dihubungkan dengan sistem pentanahan menara listrik). 
2. Mengurangi resistansi pentanahan menara listrik dengan menggunakan elektroda pentanahan yang sesuai. 
3. Menggunakan arester.

Cara yang terakhir ini boleh dikatakan sebagai alat pelindung yang paling baik terhadap gelombang surja. Arester inilah yang terus dikembangkan oleh para ahli untuk mendapatkan performa perlindungan yang makin baik.