1
ANALISIS PENGARUH PEMASANGAN SISTEM PROTEKSI
LIGHTNING ARRESTER PADA SISTEM KERETA REL
LISTRIK(COMMUTER)AC 25 kV
(Skripsi)
Oleh
Satria Nugraha Haris
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
i
ABSTRACT
ANALYSIS OF THE EFFECT OF ARRESTER LIGHTNING
PROTECTION SYSTEM INSTALLATION ON AC 25KV COMMUTER
RAIL SYSTEM
by
Satria Nugraha Haris
The commuter Line is a transportation which is available in almost every country,
where the energy source of a commuter line is powered by either AC or DC
elctricity. The commuter line with AC type of electricity has an electrical system
of 15 kV and 25 kV, while the DC type has an electrical system of 700 V and 1.5
kV. When the commuter distribution process happens disturbance could occur,
distubances occur in the form of a voltage increase, one of which is caused by a
lightning strike. Lightning Arresters (LA) is a protection device against lightning
surges, where arrester works when there is anexcessive amount of voltage. In this
research, sequences of tests was conducted using the Simulink Matlab application
with variations in distances of 70 m, 350 m, 700 m, and 1050 m with impulse
currents of 12 kA, 16 kA, and 20 kA. The results of this research are with a
distance of 70 m and an impulse current of 12 kA produce an overvoltage of 1404
kV and voltage drop occurs to 82.34kV when an arrester protector system is
installed. While at impulse currents of 16 kA and 20 kA and a distance of 70 m
resulted to bigger voltage of 1864 kV and 2324 kV which after that has decreased
to 84.33 kV and 85.90 kV. Based on the results of trials and tests on variations in
stroke distance and impulse currents of the commuter line, it can be concluded
that using arresters as a protection system resulted in no voltage occurance beyond
the BIL transformer limit of 150 kV.
Key words : Arrester, Commuter, Impulse, Lightning, Matlab.
ii
ABSTRAK
ANALISIS PENGARUH PEMASANGAN SISTEM PROTEKSI
LIGHTNING ARRESTER PADA SISTEM KERETA REL
LISTRIK(COMMUTER)AC 25 kV
Oleh
Satria Nugraha Haris
Commuter line merupakan transportasi yang hampir ada di setiap negara, di mana
sumber dari commuter line dapat berupa listrik AC maupun listrik DC. Commuter
line jenis AC mempunyai sistem kelistrikan sebesar 15 kV dan 25 kV , sedangkan
DC mempunyai sistem kelistrikan 700 V dan 1,5 kV. Saat proses penyaluran
commuter dapat terjadi gangguan, gangguan tersebut berupa kenaikan tegangan
yang salah satunya disebabkan oleh sambaran petir. Lightning Arresters (LA)
merupakan alat proteksi terhadap surja petir, di mana arrester akan bekerja ketika
ada tegangan lebih. Pada skripsi ini dilakukan pengujian menggunakan aplikasi
Simulink Matlab dengan variasi jarak sejauh 70 m, 350 m, 700 m, dan 1050 m
dengan arus impuls sebesar 12 kA, 16 kA, dan 20 kA. Hasil uji penelitian ini
dengan jarak sambaran sejauh 70 m dan arus impuls sebesar 12 kA menghasilkan
tegangan lebih sebesar 1404 kV dan terjadi penurunan nilai tegangan ketika
dipasang sistem proteksi arrester menjadi 82,34 kV, sedangkan pada arus impuls
16 kA dan 20 kA dengan jarak 70 m menghasilkan tegangan lebih sebesar 1864
kV dan 2324 kV setelah dipotong tegangan mengalami penurunan menjadi 84,33
kV dan 85,90 kV. Berdasarkan hasil uji coba terhadap variasi jarak sambaran serta
arus impuls pada commuter line dapat disimpulkan bahwa dengan menggunakan
arrester sebagai sistem proteksi tidak ada tegangan yang melewati batas BIL trafo
yaitu sebesar150 kV.
Kata kunci : Arrester, Commuter, Impuls, Petir, Matlab.
iii
ANALISIS PENGARUH PEMASANGAN SISTEM PROTEKSI
LIGHTNING ARRESTER PADA SISTEM KERETA REL
LISTRIK(COMMUTER)AC 25 kV
Oleh
Satria Nugraha Haris
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
vii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bandar Lampung tanggal 12 Juni 1996,
dari pasangan Bapak Riswandi dan Ibu Hartina Alam. Penulis
merupakan anak kedua dari tiga bersaudara. Adapun riwayat
pendidikan penulis yaitu : Taman Kanak – Kanak (TK) di TK
Melati Puspa pada tahun (2000-2001), SDN 1 Tanjung Senang
pada tahun (2001-2007), SMPN 19 Bandar Lampung pada
tahun (2007-2010), dan SMAN 12 Bandar Lampung tahun 2013. Selama menjadi
mahasiswa, penulis aktif dalam organisasi Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro
(HIMATRO) sebagai anggota Divisi Pendidikan dan Pengkaderan pada tahun
2014-2015, dan Anggota Devisi Komunikasi dan Informasi pada tahun 2015-
2016. Penulis pernah melaksanakan Kerja Praktik di : PT.PINDAD (Persero)
Bandung yang ditempatkan di Divisi Alat Berat, dan Peneliti Pernah melakukan
kuliah kerja nyata (KKN) di desa Rama Murti, Kecamatan Seputih Raman,
Lampung Tengah.
viii
Dengan Mengharapkan Ridho Alloh SWT
Kupersembahkan Karya Ini Untuk :
Ayahanda dan Ibunda Tercinta
Riswandi & Alm. Hartina Alam
Kakak dan Adik ku Tersayang
Achmad Kurniawan Haris, dan Nadia Azzahra Haris
Teman-teman, Kakak dan Adik Tingkat
Jurusan Teknik Elektro
Seluruh Civitas Teknik
Jurusan Teknik Elektro
Almamaterku
Universitas Lampung
ix
MOTTO
“Setiap Masalah Pasti ada Jalan Keluarnya“
( Rizki Hermawan )
“ Hai orang-orang mukmin, jika kamu menolong (agama)
Alloh, niscaya dia akan menolongmu dan meneguhkan
kedudukanmu. ”
( Al-Qur’an, Surat Muhammad, 47 : 7 )
"If you are born poor, it's not your mistake but, if you die
poor, it's your mistake."
( Bill Gates )
Tolonglah kawanmu selagi kau mampu menolongnya”
(Suwanto, S.T.)
x
SANWACANA
Puji syukur kehadirat Allah SWT. yang telah melimpahkan rahmat dan
hidayahnya kepada penulis, sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini.
Shalawat serta salam disanjungkan kepada Nabi Muhammad Shalallahu Alaihi
Wassalam yang dinantikan syafaatnya di hari akhir kelak.
Tugas akhir ini berjudul “ANALISIS PENGARUH PEMASANGAN SISTEM
PROTEKSI LIGHTNING ARRESTER PADA SISTEM KERETA REL
LISTRIK(COMMUTER)AC 25 kV” digunakan sebagai salah satu syarat guna
memperoleh gelar sarjana di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Lampung.
Dalam masa perkuliahan dan penelitian, penulis mendapat banyak hal baik berupa
dukungan, semangat, motivasi dan hal lainya. Untuk itu penulis mengucapkan
terimakasih kepada :
1. Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Lampung.
2. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc. Selaku kepala Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung dan Pembimbing akademik
yang telah memberikan saran & motivasi yang membangun.
3. Bapak Dr. Eng. Yul Martin, S.T., M.T. Selaku Dosen Pembimbing Utama.
Terimakasih atas kesedian waktunya untuk membimbing, pengalaman, dan
ilmu yang diberikan selama mengerjakan tugas akhir.
xi
4. Bapak Dr. Henry B.H. Sitorus, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing
pendamping. Terimakasih atas waktu, pengalaman, dan ilmu yang diberikan
selama mengerjakan tugas akhir .
5. Bapak Dr. Herman Halomoan Sinaga, S.T., M.T. selaku Dosen penguji.
Terimakasih atas waktu, dan ilmu yang diberikan guna membuat tugas akhir ini
menjadi lebih baik.
6. Seluruh Dosen & Keluarga Besar Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Lampung. Terimakasih atas waktu dan ilmu yang telah diberikan selama
menuntut ilmu di Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.
7. Bapak dan Ibu, tiada kata yang dapat tertulis atas segala pengorbanan yang
kalian lakukan, aku sangat menyayangi kalian.
9. Manda Heri Ismansyah dan Binda Harmina Alam. Terimakasih yang tak terkira
atas segala hal yang telah kalian lakukan untukku.
10.Saudaraku Achmad Kurniawan Haris dan Nadia Azzahra Haris. Terimakasih
atas motivasi dan dukunganya untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini,
saya akan selalu berjuang demi kalian hingga akhir.
11.Sahabatku Suwanto, yang telah menemani dan memotivasi penulis agar selalu
memberikan yang terbaik dalam segala hal, dan jika tidak ada sahabat
sepertimu maka tidak akan terjadinya skripsi seindah ini.
12.Terimakasih kepada Mamen Brade, Marwansyah, Agum Prakasa, Pipit
Iriyanto, Danu Firmansyah, Deri Hidayatullah, Dimas Septiyan, Andi Irawan,
Moh Fasyin Abda, dan Ilham Ramadhani. Yang selalu menemani saat jenuh,
memberikan motivasi, dan semangat, terimakasih atas waktu kebersamaannya
selama ini.
xii
13.Terima kasih kekasih ku Othi Pratiwi yang telah memabantu serta
menyemangatiku dikala susah maupun senang
14.Terimakasih kepada teman-teman seperjuangan Elektro 13, atas semua
kenangan indah hingga menyelesaikan Tugas Akhir ini, semoga kita semua
menjadi orang yang sukses dan menjadi pribadi yang lebih baik. Semoga
kontribusi yang telah diberikan selama ini, mendapat balasan yang lebih baik
dari dari Allah SWT. Penulis meminta maaf atas segala kesalahan dan ketidak
sempurnaan dalam penulisan Tugas Akhir ini, kritik dan saran yang
membangun sangat diharapkan agar dapat dimanfaatkan dan dikembangkan
dimasa mendatang.
Bandar lampung,
Desember 2018 Penulis
Satria Nugraha Haris
xiii
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ................................................................................................. i
HALAMAN JUDUL ................................................................................. iii
HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................. iv
HALAMAN PENGESAHAN ................................................................... v
LEMBAR PERNYATAAN ..................................................................... vii
RIWAYAT HIDUP .................................................................................. viii
SANWACANA ......................................................................................... xi
DAFTAR ISI ............................................................................................. xiv
DAFTAR TABEL ..................................................................................... xvii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xviii
BAB I PENDAHULUAN .......................................................................... 1
1.1. Latar Belakang ................................................................................... 1
1.2. Tujuan Penelitian ............................................................................... 3
1.3. Manfaat Penelitian .............................................................................................. 3
1.4. Rumusan Masalah .............................................................................. 4
1.5. Batasan Masalah ................................................................................ 4
1.6. Sistematika Penulisan ...................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................... 6
2.1. Kereta Rel Listrik (commuter line) .................................................... 6
2.2. Sistem Kelistrikan Kereta Rel Listrik (commuter line) AC ............... 7
2.2.1. Cable Catenary / Listrik Aliran Atas (LAA) ............................... 8
2.2.2. Pantograph ................................................................................... 9
2.2.3. Loco Transformer ......................................................................... 9
2.2.4. Rectifier ........................................................................................ 10
xiv
2.2.5. Inverter ......................................................................................... 12
2.2.6. Gardu Hubung (sub-station) ......................................................... 14
2.3. Petir .................................................................................................... 14
2.3.1. Impuls Petir .................................................................................. 15
2.3.2. Sistemm Proteksi Petir ................................................................. 16
2.4. Kajian Pustaka ................................................................................... 17
2.5. Penelitian yang dilakukan ................................................................. 19
BAB III METODE PENELITIAN .......................................................... 20
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................ 20
3.1.1. Waktu penelitian ........................................................................... 20
3.1.2. Tempat Penelitian ........................................................................ 20
3.2. Alat dan Bahan Penelitian ................................................................. 20
3.2.1. Alat Penelitian .............................................................................. 20
3.2.2. Data Penelitian ............................................................................. 20
3,3. Tahapan Penelitian ............................................................................. 21
3.4. Pemodelan Rangkaian Simulasi ........................................................ 22
3.5. Skematik Diagram Kereta Rel Listrik ............................................... 30
3.6. Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 31
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................. 33
4.1. Perhitungan dan Pemodelan .............................................................. 33
4.1.1. Arrester ......................................................................................... 33
4.1.2. Catenary System ........................................................................... 35
4.1.3. Arus Impuls .................................................................................. 35
4.2. Parameter Rangkaian Simulasi .......................................................... 36
4.3. Rangkaian Simulasi ........................................................................... 37
4.3.1. Simulasi System Penyaluran Tegangan Menuju Commuter ........ 38
4.3.2. Simulasi Jarak Sambaran .............................................................. 40
4.4. Data Hasil Simulasi ........................................................................... 42
4.4.1. Simulasi Tanpa Arrester ............................................................... 42
4.4.2. Simulasi Menggunakan Arrester .................................................. 43
xv
4.5. Grafik dan Analisis ............................................................................ 44
4.5.1. Hasil Simulasi Sebelum dipasang Arrester impuls 12 kA ........... 45
4.5.2. Hasil Simulasi Setelah Dipasang Arrester impuls 12 kA ............. 47
4.5.3. Hasil Simulasi Sebelum dipasang Arrester impuls 16 kA ........... 50
4.5.4. Hasil Simulasi Setelah Dipasang Arrester impuls 16 kA ............. 53
4.5.5. Hasil Simulasi Sebelum dipasang Arrester impuls 20 kA ........... 55
4.5.6. Hasil Simulasi Setelah Dipasang Arrester impuls 20 kA ............. 58
4.6. Grafik Simulasi Sebelum dan Sesudah di Proteksi ............................ 61
4.6.1. Simulasi A.1 Injeksi 12 kA .......................................................... 61
4.6.2. Simulasi B.1 Injeksi 16 kA ........................................................... 65
4.6.1. Simulasi C.1 Injeksi 20 kA ........................................................... 69
4.7. Pembahasan ...................................................................................... 73
4.8. Tegangan Sisa (Residual Voltage) Hasil Pemotongan Arrester ........ 74
BAB V SIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 79
5.1. Kesimpulan ........................................................................................ 79
5.2. Saran .................................................................................................. 80
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xvi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 4.1 Parameter Rangkaian Simulasi .................................................................. 36
Tabel 4.2 Skenario Simulasi Sistem Proteksi Kereta Rel Listrik............................... 37
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Penyaluran di Commuter Line tanpa Arrester ................... 42
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Penyaluran di Commuter Line dengan Arrester ................ 43
xvii
DAFTAR GAMBAR
Gambar……………………………………………………………….Halaman
2.1. Kereta Rel Listrik (Commuter Line) .............................................................. 7
2.2. Cable Catenary / Listrik Aliran Atas (LAA) ................................................. 8
2.3. Pantograph ..................................................................................................... 9
2.4. Loco Transformer .......................................................................................... 10
2.5. Rectifier .......................................................................................................... 10
2.6. Rangkaian Ekuivalen Rectifier ....................................................................... 11
2.7. Sinyal Keluaran Rectifier ............................................................................... 11
2.8. Inverter ........................................................................................................... 12
2.9. Rangkaian Ekuivalen Inverter........................................................................ 13
2.10. Sinyal Keluaran Inverter .............................................................................. 13
2.11. Gardu Hubung / Sub-Station ........................................................................ 14
2.12. Sambaran Petir dari Awan ke Bumi ............................................................. 15
2.13. Gelombang Tegangan Impuls 1,2*50 µs ...................................................... 16
2.14. Gelombang arus Impuls 8 * 20 µs ................................................................ 16
2.15. Lightning Arrester 3EB1370 ........................................................................ 17
3.1. Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi ................................................ 22
3.2. Rangkaian Transformer .................................................................................. 23
3.3. Rangkaian Ekuivalen Saluran Daya .............................................................. 24
xviii
3.4. Pole/Tiang ...................................................................................................... 25
3.5. Rangkaian Ekuivalen Arrester ...................................................................... 26
3.6. Loco Transformer ......................................................................................... 28
3.7. Rangkaian Rectifier ....................................................................................... 29
3.8. Rangkaian Ekuivalen Inverter........................................................................ 29
3.9. Skematik Sistem Penyaluran Kereta Rel Listrik ............................................ 30
3.10. Rangkaian system proteksi pada kereta rel listrik ....................................... 31
4.1. Pemodelan Arrester ........................................................................................ 34
4.2. Gelombang Arus impuls ................................................................................ 36
4.3. Rangkaian Simulasi Tanpa Arrester .............................................................. 38
4.4. Rangkaian Simulasi Dengan Arrester ............................................................ 39
4.5. Rangkaian Penempatan Sambaran Petir dengan Jarak 70 m ......................... 40
4.6. Rangkaian Penempatan Sambaran Petir dengan Jarak 350 m ....................... 40
4.7. Rangkaian Penempatan Sambaran Petir dengan Jarak 700 m ...................... 41
4.8. Rangkaian Penempatan Sambaran Petir dengan Jarak 1050 m ..................... 41
4.9. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 70 m Serta Impuls Sebesar 12 kA .................................................... 45
4.10. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 350 m Serta Impuls Sebesar 12 kA ................................................. 45
4.11. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 700 m Serta Impuls Sebesar 12 kA .................................................. 46
4.12. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 1050 m Serta Impuls Sebesar 12 kA ................................................ 46
xix
4.13. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 70 m Serta Impuls Sebesar 12 kA .................................................... 48
4.14. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 350 m Serta Impuls Sebesar 12 kA .................................................. 48
4.15. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 700 m Serta Impuls Sebesar 12 kA .................................................. 49
4.16. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 1050 m Serta Impuls Sebesar 12 kA ................................................ 49
4.17. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 70 m Serta Impuls Sebesar 16 kA .................................................... 50
4.18. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 350 m Serta Impuls Sebesar 16 kA ................................................. 51
4.19. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 700 m Serta Impuls Sebesar 16 kA .................................................. 51
4.20. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 1050 m Serta Impuls Sebesar 16 kA ................................................ 52
4.21. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 70 m Serta Impuls Sebesar 16 kA .................................................... 53
4.22. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 350 m Serta Impuls Sebesar 16 kA .................................................. 53
4.23. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 700 m Serta Impuls Sebesar 16 kA .................................................. 54
4.24. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 1050 m Serta Impuls Sebesar 16 kA ................................................ 54
xx
4.25. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 70 m Serta Impuls Sebesar 20 kA .................................................... 55
4.26. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 350 m Serta Impuls Sebesar 20 kA ................................................. 56
4.27. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 700 m Serta Impuls Sebesar 20 kA .................................................. 56
4.28. Grafik Tegangan Lebih sebelum dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 1050 m Serta Impuls Sebesar 20 kA ................................................ 57
4.29. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 70 m Serta Impuls Sebesar 20 kA .................................................... 58
4.30. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 350 m Serta Impuls Sebesar 20 kA .................................................. 58
4.31. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 700 m Serta Impuls Sebesar 20 kA .................................................. 59
4.32. Grafik Tegangan Lebih setelah dipasang Arrester dengan jarak sambaran
Sejauh 1050 m Serta Impuls Sebesar 20 kA ................................................ 60
4.33. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 70 m serta impuls sebesar 12 kA...................................... 61
4.34. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 350 m serta impuls sebesar 12 kA .................................... 62
4.35. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 700 m serta impuls sebesar 12 kA .................................... 63
4.36. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 1050 m serta impuls sebesar 12 kA .................................. 64
xxi
4.37. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 70 m serta impuls sebesar 16 kA...................................... 65
4.38. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 350 m serta impuls sebesar 16 kA .................................... 66
4.39. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 700 m serta impuls sebesar 16 kA .................................... 67
4.40. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 1050 m serta impuls sebesar 16 kA .................................. 68
4.41. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 70 m serta impuls sebesar 20 kA...................................... 69
4.42. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 350 m serta impuls sebesar 20 kA .................................... 70
4.43. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 700 m serta impuls sebesar 20 kA .................................... 71
4.44. Grafik Tegangan Lebih sebelum dan sesudah di proteksi dengan jarak
sambaran sejauh 1050 m serta impuls sebesar 20 kA .................................. 72
4.45. Gelombang tegangan impuls AC pada sisi primer trafo ............................. 74
4.68. Grafik tegangan sisa di sisi primer trafo dalam berbagai scenario simulasi 75
4.47. Grafik tegangan sisa sisi sekunder trafo dalam berbagai scenario simulasi 76
4.48. Grafik tegangan sisa rectifier dalam berbagai scenario simulasi ................. 77
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kereta rel listrik (commuter) adalah salah satu alat transportasi massal yang terdiri
dari beberapa kendaraan (gerbong) yang ditarik sepanjang jalur kereta. Commuter
bergerak dengan sistem propulsi motor listrik. Menurut Undang – Undang RI
Nomor 23 Tahun 2007 tentang Perkeretaapian pada Bab 1 pasal 2 menyebutkan
bahwa kereta adalah sarana transportasi dengan tenaga gerak, baik berjalan sendiri
maupun dirangkaikan dengan sarana perkeretaapian lainnya. Fungsi dari kereta
(commuter) yaitu untuk mengangkut barang atau penumpang. Peralatan penggerak
kereta (commuter) seperti tercantum dalam Peraturan Pemerintah Republik
Indonesia Nomor 56 Tahun 2009 tentang Penyelenggaraan Perkeretaapian Bab 3
Pasal 193 adalah berupa bahan bakar fosil, gas, atau listrik.
Rencana Induk Perkeretaapian Nasional (RIPNas) ditetapkan sebagai arahan
tentang rencana pengembangan angkutan perkeretaapian nasional hingga tahun
2030, dalam RIPNas dijelaskan bahwa penggunaan energi listrik sebagai
pengganti BBM pada teknologi perkeretaapian memberikan terobosan penting
dalam mengurangi polusi udara akibat transportasi dan dapat mengehemat energi,
2
hal ini sejalan dengan program pengembangan jaringan dan layanan
perkeretaapian perkotaan dengan adanya penggunaan kereta rel listrik.
Kereta rel listrik (Commuter) merupakan transportasi yang hampir ada disetiap
negara, dimana sumber dari commuter line dapat berupa listrik AC maupun listrik
DC. Commuter jenis AC mempunyai sistem kelistrikan sebesar 15 kV dan 25 kV ,
sedangkan commuter line jenis DC mempunyai sistem kelistrikan 750 V dan 1,5
kV.
Pada saat penyaluran, Commuter membutuhkan suplai tegangan terus menerus.
Saat proses penyaluran dapat terjadi gangguan, gangguan tersebut salah satunya
berupa kenaikan tegangan yang disebabkan oleh sambaran petir. Jenis gangguan
dari sambaran petir dibagi menjadi dua, yaitu sambaran langsung dan sambaran
tidak langsung (induksi). Saat terjadi sambaran petir di saluran commuter line,
maka akan terjadi kenaikan tegangan lebih transient yang mengakibatkan
kerusakan pada peralatan kereta. Dalam RIPNas Bab 3 tentang Strategi
Peningkatan Keamanan dan Keselamatan yang salah satu programnya berupa
pengembangan budaya safety first, di mana penyelenggaraannya diarahkan kepada
upaya mencegah terjadinya kecelakaan atau hal-hal yang dapat membahayakan
operasional kereta, sehingga perlu adanya sistem proteksi pada commuter yang
dapat melindungi peralatan dari kerusakan akibat dari sambaran petir. Lightning
Arresters (LA) adalah alat yang digunakan untuk proteksi surja petir, di mana
arrester akan bekerja ketika ada tegangan lebih. Arrester akan membatasi
tegangan lebih tersebut dengan cara mengalirkan arus gangguan menuju tanah
melalui sistem grounding.
3
Penelitian ini membahas proteksi petir di commuter line AC 25 kV menggunakan
Lightning arrester, di mana petir akan dibuat menyambar di saluran commuter
line dengan menginjeksikan arus sebesar 12 kA, 16 kA, dan 20 kA dan letak
sambaran petir divariasikan pada jarak70 m, 350 m, 700 m dan 1050 m. Pada
penelitian ini akan dianalisis pengaruh pemasangan lightning arrester pada saat
terjadi sambaran petir. Dalam penelitian ini trafo, saluran catenary, arrester,
rectifier, inverter, dan motor traksi dimodelkan dan disimulasikan di dalam
perangat lunak MATLAB/simulink.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Menganalisis besarnya tegangan lebih akibat sambaran petir pada sistem
listrik aliran atas tegangan AC 25 kV.
2. Menganalisis pengaruh pemasangan Lightning Arresters (LA) pada sistem
kereta rel listrik (commuter).
3. Menganalisis pengaruh jarak titik sambaran petir terhadap kenaikan tegangan
pada kereta rel listrik (commuter) AC 25 kV.
1.3 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari peneltian ini adalah :
1. Dengan mensimulasikan perancangan saluran sistem KRL dapat memberikan
informasi atau acuan sistem proteksi petir pada kereta rel listrik (commuter
line) AC 25 kV.
4
2. Mengetahui lightning performance arrester pada saluran udara kereta rel
listrik (commuter) AC 25 kV.
3. Menganalisis tegangan lebih yang terukur di commuter pada jarak sambaran
terdekat maupun terjauh.
1.4 Rumusan Masalah
Permasalahan yang dibahas pada penulisan skripsi ini antara lain:
1. Pengaruh sambaran petir secara langsung di saluran kereta rel listrik
(commuter).
2. Pemodelan sistem proteksi pada kereta rel listrik (commuter) AC.
3. Pembuatan rangkaian simulasi sistem proteksi tegangan lebih pada kereta rel
listrik menggunakan perangkat lunak MATLAB/Simulink.
1.5 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penulisan skripsi antara lain:
1. Gelombang impuls yang digunakan pada penelitian menggunakan standar
IEC yaitu gelombang petir dengan magnitude 8/20µs.
2. Pemodelan Lightning Arresters (LA) menggunakan model yang
direkomendasikan oleh IEEE C62.11
3. Besarnya gangguan arus ditentukan dan hanya mencapai batas maksimum
kinerja Lightning Arresters (LA).
4. Sistem kelistrikan commuter yang digunakan adalah sistem AC 25 kV.
5. Penelitian ini hanya memproteksi trafo di kereta rel listrik (commuter line)
5
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dalam penelitian tugas akhir ini terdiri dari beberapa
bagian, yaitu :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan, manfaat penulisan,
rumusan masalah, batasan masalah, dan sistematika penulisan.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini memuat landasan teori yang berisi teori-teori dasar yang berhubungan
dengan penelitian yang dilakuan.
BAB III. METODELOGI PENELITIAN
Bab ini memuat tentang langkah-langkah penelitian yang dilakukan, seperti
pemodelan sistem, diagram alir pengerjaan penelitian, penjelasan sistem dan
skenario simulasi sistem.
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi tentang hasil dari simulasi yang dilakukan dan pembahasan hasil
simulasi tersebut.
BAB V. SIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang intisari dari keseluruhan penelitian yang telah dilakukan.
Selain itu terdapat juga saran untuk penelitian yang telah dilakukan untuk
perbaikan di masa yang akan datang.
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kereta Rel Listrik (Commuter)
Kereta rel listrik (commuter) adalah transportasi massal yang terdiri dari beberapa
kendaraan (gerbong) yang ditarik sepanjang jalur kereta. Commuter bergerak
dengan sistem propulsi motor listrik. Fungsi commuter yaitu sebagai pengangkut
barang atau penumpang. Terdapat dua jenis penyaluran commuter yaitu,
penyaluran terpusat (locomotive-hauled) dan penyaluran terdistribusi (electric
multiple unit/EMU). Locomotive-hauled merupakan sistem penyaluran terpusat
dengan hanya menyalurkan tegangan menuju ke satu gerbong yang memiliki
sistem penggerak. Electric multiple unit/EMU merupakan sistem penyaluran
tegangan terdistribusi, di mana tegangan akan didistribusikan menuju ke setiap
gerbong yang memiliki sistem penggerak.
Kereta rel listrik (Commuter) merupakan alat transportasi yang dapat beroperasi
dengan listrik Alternating Current (AC) maupun listrik Direct Current (DC).
Commuter AC beroperasi dengan tegangan kerja 15 kV atau 25 kV, sedangkan
commuter line DC beroperasi di tegangan 750 V atau 1,5 kV.
Indonesia merupakan negara yang menggunakan commuter sebagai alat
transportasi dengan sistem kelistrikan DC 1,5 kV, beroperasi di wilayah
7
JABODETABEK, dan di catu daya dari Perusahaan Listrik Negara (PLN).
Commuter line Indonesia menggunakan sistem locomotive-hauled dengan
penyaluran terpusat di satu gerbong.
Gambar 2.1 Kereta Rel Listrik (Commuter Line) [1].
2.2 Sistem Kelistrikan Kereta Rel Listrik (Commuter Line) AC
Sistem kelistrikan commuter digambarkan pada gambar Gambar 2.2 merupakan
sistem penyaluran tegangan menuju kereta, di mana tegangan AC 25 kV akan
disalurkan menggunakan catenary menuju ke piranti bernama pantograph dan
diteruskan menuju commuter line. Tegangan AC 25 kV yang disalurkan menuju
commuter line terlebih dulu harus diturunkan tegangannya menggunakan trafo
step down manjadi AC 2,15 kV. Tegangan yang sudah diturunkan menjadi AC
2,15 kV kemudian akan disearahkan menggunakan penyearah (rectifer) menjadi
DC 2,15 kV, lalu dikonversikan menggunakan inverter sehingga tegangan
menjadi tegangan AC 3 fasa 2,15 kV, dan diteruskan menuju sistem penggerak
dari kereta yaitu motor traksi [2].
8
Gambar 2.2 Sistem Penyaluran Kereta Rel Listrik (Commuter Line)
2.2.1 Cable Catenary / Listrik Aliran Atas (LAA)
Cable catenary merupakan sebuah kabel konduktor yang berfungsi menyalurkan
tegangan menuju commuter line. Cable catenary digambarkan pada Gambar 2.3
merupakan kabel berjenis all alumunium conductor (AAC) diameter 12,2 mm,
dengan tegangan yang disalurkan sebesar AC 25 kV[3].
Gambar 2.2 Catenary
2.2.2 Pantograph
Pantograph adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai penyalur tegangan yang
dikirimkan melalui catenary menuju commuter line. Pantograph digambarkan
9
pada Gambar 2.3. pantograph harus selalu terhubung dengan catenary, dan harus
mempunyai fleksibilitas yang tinggi karena dipakai pada kecepatan yang tinggi
Gambar 2.3 Pantograph
Pantograph memiliki bentuk tipe diamond-shaped dan single-arm, di mana kedua
pantograph ini mempunyai fungsi yang sama yaitu untuk mengalirkan tegangan
menuju commuter line [4]. Kereta rel listrik dengan tegangan AC 25 kV
menggunakan pantograph tipe single-arm seperti Gambar 2.3.
2.2.3 Loco Transformer
Loco transformer digambarkan pada Gambar 2.4 merupakan transformer penurun
tegangan yang berada di gerbong commuter. Loco transformer pada commuter
AC berfungsi menurunkan tegangan AC 25 kV menjadi AC 2,15 kV [5].
Gambar 2.4 Loco Transformer EN50239 [5].
10
2.2.4 Rectifier
Rectifier digambarkan pada Gambar 2.5 merupakan sebuah alat elektronika yang
digunakan untuk mengubah tegangan listrik AC menjadi listrik DC, dengan
komponen utama berupa dioda. Dioda merupakan komponen elektronika yang
berfungsi melewatkan arus hanya dari kutub positif menuju kutub negatif
(forward bias). Dioda tidak dapat melewatkan arus dari kutub negatif menuju
kutub postif (reverse bias)[6].
Gambar 2.5 Rectifier
Rangkaian ekuivalen rectifier digambarkan pada Gambar 2.6. merupakan rectifier
full bridge, yang terdiri dari empat buah dioda sebagai komponen utamanya.
Pinsip kerja rectifier digambarkan pada Gambar 2.7. di mana ketika dioda diberi
tegangan di sisi positif maka D1 (dioda 1),D2 (dioda 2) bersifat forward bias dan
D3 (dioda 3),D4 (dioda 4) bersifat reverse bias sehingga tegangan positif akan
mengalir dari D1 (dioda 1) menuju D2 (dioda 2). Saat dioda diberi tegangan di
sisi negatif maka D3 (dioda 3),D4 (dioda 4) akan bersifat forward bias dan D1
(dioda 1),D2 (dioda 2) akan bersifat reverse bias sehingga tegangan negatif akan
mengalir dari D3(dioda 3) menuju D4(dioda4).
11
2.6. Gambar Rangkaian Ekuivalen Rectfier
Gambar 2.7 Sinyal keluaran Rectifier
2.2.5 Inverter
Inverter yang digambarkan pada Gambar 2.8 merupakan sebuah alat elektronika
daya yang berfungsi mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC, sementara itu
inverter berfungsi untuk mengubah sistem kelistrikan satu fasa menjadi tiga fasa
dengan komponen utama berupa MOSFET. MOSFET merupakan semikonduktor
yang memiliki tiga buah kaki yaitu gate, drain, dan source di mana MOSFET
bekerja dengan mode pensaklaran / switching[7].
12
Gambar 2.8 Inverter [6]
Rangkaian ekuivalen inverter yang digambarkan pada Gambar 2.9. merupakan
pengubah sistem kelistrikan dari DC satu fasa menjadi AC tiga fasa. Komponen
utama dari inverter adalah MOSFET, di mana MOSFET akan bekerja apabila kaki
gate diberi pemicu dari PWM. Gambar 2.10. merupakan gambar sinyal keluaran
dari inverter, di mana prinsip kerja inverter yaitu bekerja seperti mode
pensaklaran. Pada fasa R arus akan mengalir dari M1 menuju M2, ketika
MOSFET M1 dalam keadaan ON dan MOSFET M2 OFF, maka sinyal yang
dihasilkan adalah positif, tetapi jika MOSFET M1 OFF, dan MOSFET M2 ON
maka sinyal yang akan dihasilkan adalah negatif begitupun seterusnya sehingga
akan dihasilkan bentuk sinyal sinusoidal. Fasa S dihasilkan dari operasi switching
yang terjadi pada MOSFET M3 dan M4, sedangkan fasa T dihasilkan dari operasi
switching pada MOSFET M5 dan M6, di mana setiap fasa berbeda sudut
penyalaannya sebesar 1200.
13
Gambar 2.9 Rangkaian Ekuivalen Inverter
Gambar 2.10 Sinyal Keluaran dari Inverter
2.2.6 Gardu Hubung (Sub-station)
Gambar 2.5 merupakan Gardu hubung (sub-station) penyuplai tegangan menuju
commuter line. Saat proses penyaluran menuju commuter line, listrik aliran atas
akan dialiri arus beberapa kilo ampere, karena arus yang dikirim besar maka
terdapat rugi rugi pada saat penyaluran. Rugi-rugi pada saluran dapat diatasi
dengan memasang gardu hubung (sub-station) setiap jarak 5 km[1].
14
Gambar 2.11 Gardu Hubung / sub-station
2.3 Petir
Petir merupakan gejala alam berupa kilatan cahaya putih yang menyilaukan.
Fenomena petir dapat dilihat pada Gambar 2.12 di mana petir terjadi karena
terdapatnya awan bermuatan yang disebabkan karena kelembaban udara dan
gerakan udara ke atas (up draft). Kelembaban udara yang terpapar sinar matahari
akan menyebabkan penguapan, penguapan tersebut akan naik karena adanya
gerakan up draft. Terjadinya proses up draft yang terus menerus akan membentuk
awan bermuatan sehingga menimbulkan fenomena alam berupa petir.
Gambar 2.12 Sambaran Petir dari Awan ke Bumi
15
Sambaran Petir terbagi menjadi dua, yaitu sambaran langsung dan secara induksi.
Sambaran petir mengakibatkan tegangan lebih transient dan gelombang berjalan
(travelling wave)[8].
2.3.1 Impuls Petir
Impuls petir adalah suatu fenomena alam yang terjadi akibat sambaran petir yang
mengakibatkan lonjakan tegangan sesaat dalam jumlah yang besar dan akan turun
secara perlahan. Secara matematis dapat ditulis:
𝑉 = 𝑉0 𝑒−𝑎𝑡 − 𝑒−𝑏𝑡
Berdasarkan standar IEC gelombang tegangan impuls petir nilai waktu muka dan
waktu ekor sebesar 1,2/50 µs, sedangkan untuk gelombang arus impuls petir
sebesar 8/20 µs untuk waktu muka dan waktu ekor, di mana terdapat toleransi
waktu muka ±30% dan waktu ekor ±20% [7].
Gambar 2.13 Gelombang Tegangan Impuls 1,2 x 50 μs
16
Gambar 2.14 Gelombang arus impuls 8 x 20 μs
Waktu muka (Tf) adalah waktu yang diperlukan dari mulai titik nol sampai pada
titik puncak gelombang. Waktu ekor (Tt) adalah waktu yang diperlukan dari mulai
titik nol sampai sampai pada setengah puncak pada ekor gelombang[9].
2.3.2 Sistem Proteksi Petir
Lightning arresters (LA) merupakan alat yang digunakan untuk memproteksi surja
petir. Lightning arrester bekerja ketika ada sambaran petir dengan cara memotong
tegangan lebih dan mengalirkan arus gangguan menuju tanah melalui sistem
grounding.
Gambar 2.15 Lightning Arrester 3EB1 370 [10].
17
Pada saat keadaan normal lightning arrester akan bersifat sebagai isolator yang
artinya tidak dapat menghantarkan arus, dan pada saat bertegangan lebih lightning
arrester akan bersifat sebagai konduktor di mana arus gangguan akan dialirkan
menuju ke tanah[10].
2.4 Kajian Pustaka
1. G.B. Gharehpetian dan Farhad Shahnia, dalam peneltian yang berjudul
“Lightning And Switching Transient Overvoltage In Power Distribution
System Feeding DC Electrified Railways”. Penelitian ini membahas tentang
kenaikan tegangan lebih trasient yang terjadi pada saluran kereta rel listrik
800 VDC akibat dari sambaran petir, dan membandingkan besarnya tegangan
lebih transient pada saat sebelum diproteksi sebesar 70 kV dan sesudah
diproteksi menjadi 30 kV. Penelitian ini menggunakan sistem proteksi berupa
lightning arrester yang dipasang di pantograph yang disimulasikan
menggunakan perangkat lunak PSCAD/EMTDC. Peneliti merekomendasikan
penggunaan arrester sebagai sistem proteksi pada kereta rel listrik DC jika
terjadi sambaran petir pada saluran yang mengakibatkan tegangan lebih [11].
2. Shi Dan, Wu Mingli, Zhang Honghe, Li Teng, Wang Hui, Song Kejian,
dalam penelitian yang berjudul “Measurement and simulation of the
electromagnetic transients of lifting pantograph for an electric multiple units
train”. Penelitian ini membahas mengenai cara memproteksi kenaikan
tegangan lebih transient akibat percikan yang terjadi antara pantograph
terhadap listrik aliran atas (LAA) di kereta rel listrik (commuter line)
menggunakan vacum circuit breaker (VCB) di mana VCB dipasang di antara
18
pantograph dan listrik aliran atas. Penelitian ini menggunakan simulasi
perangkat lunak berupa PSCAD / EMTDC. Peneliti menyarankan agar
dipasang filter berupa berupa kapasitor dan induktor untuk mengurangi
besarnya tegangan lebih transient [12].
3. M.Yonggi Puriza dan Reynaldo Zoro, dalam penelitian yang berjudul
“Lightning Over Voltage Evaluation On DC 1.5 kV Overhead Contact System
(OCS) For Electrified Railways In Indonesia”. Penelitian ini membahas
tentang kenaikan tegangan lebih transient akibat sambaran petir yang terjadi
pada saluran kereta rel listrik 1500 VDC. Penelitian ini dilakukan dengan
perangkat lunak ATP dan mengambil kasus di kereta rel listrik
JABODETABEK. Peneliti menyarankan bahwa perlu adanya kawat tanah
(ground wire) yang langsung terhubung ke tanah dan tidak perlunya spark
gap pada kabel kawat tanah, serta perlu adanya sistem proteksi berupa
arrester yang dipasang di bawah pantograph kereta rel listrik. Peneliti
menyimpulkan bahwa untuk mengurangi tegangan dan arus gangguan dapat
dilakukan dengan cara semua tiang/pole ditanahkan serta semua kabel
grounding saling terhubung satu sama lain[13].
2.5 Penelitian yang dilakukan
Penelitian ini akan membahas cara memproteksi tegangan lebih transient di kereta
rel listrik (commuter line) AC akibat adanya sambaran petir di saluran udara.
Proteksi yang digunakan pada penelitian ini adalah lightning arrester 3EB1 370,
di mana arrester akan dipasang di bawah pantograph. Pada penelitian ini petir
akan disimulasikan menyambar ke saluran kereta rel listrik, sehingga sistem
19
proteksi pada commuter line yaitu arrester akan bekerja memotong tegangan lebih
transient dengan cara mengalirkan arus gangguan menuju sistem pentanahan.
Penelitian ini juga akan membandingkan tegangan lebih transient saat terjadi
sambaran petir dan sebelum terjadinya sambaran petir serta akan memvariasikan
jarak sambaran petir sejauh 70 m, 350 m, 700 m, dan 1050 m serta injeksi arus
sebesar 12 kA, 16 kA, dan 20 kA. Simulasi yang akan dilakukan commuter line
berupa sisi sekunder trafo, catenary system, pole / tiang, impuls petir, lightning
arresters, loco trafo, rectifier, inverter, dan motor traksi. Simulasi ini dilakukan
dengan cara membuat rangkaian simulasi dalam perangkat lunak
MATLAB/simulink.
20
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
3.1.1 Waktu Penelitian
Penelitian tugas akhir ini dilakukan pada bulan September 2017 hingga Juli 2018.
3.1.2 Tempat Penelitian
Penelitian tugas akhir ini dilakukan di Laboratorium terpadu JURUSAN TEKNIK
ELEKTRO, UNIVERSITAS LAMPUNG.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian
3.2.1 Alat Penelitian
Penelitian ini menggunakan alat sebagai berikut :
a. Perangkat komputer/ Laptop
b. Perangkat lunak MATLAB/Simulink
3.2.2 Data Penelitian
Data penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah berupa data
kelistrikan kereta rel listrik (commuter line) 25 kV AC yang meliputi data: Sisi
Sekunder Trafo, Catenary, Pole/Tiang, Impuls Petir, Lightning Arrester, Loco
Trafo, Rectifier, Inverter, dan Motor Traksi.
21
3.3 Tahapan Penelitian
Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian tugas akhir ini adalah sebagai
berikut :
a. Studi Literatur
Dalam tahap ini proses yang dilakukan adalah mengumpulkan informasi dari
berbagai literatur baik yang bersumber dari karya tulis ilmiah, buku, jurnal
penelitian, maupun artikel di internet.
b. Studi Bimbingan
Dalam studi bimbingan meliputi pendalaman materi terhadap topik/masalah dan
melakukan diskusi bersama pembimbing, serta mencari solusi dari permasalahan
mengenai topik penelitian yang akan dilakukan.
c. Pengumpulan data
Pada tahap ini penulis menghimpun data yang dibutuhkan dalam penelitian, data
tersebut meliputi spesifikasi dari peralatan yang bersumber dari kelistrikan kereta
rel listrik AC, agar dapat memenuhi pembuatan simulasi yang akan digunakan di
matlab/simulink
d. Pemodelan
Komponen yang akan dimodelkan dalam simulasi rangkaian sistem proteksi
terdiri dari; Sisi Sekunder Trafo, Catenary, Pole / Tiang, Impuls Petir, Lightning
Arrester, Loco Trafo, Rectifier, Inverter, dan Motor Traksi.
e. Simulasi Rangkaian
Simulasi dilakukan dengan memodelkan komponen dari sistem kelistriakan
commuter line. Di mana jarak sambaran akan di variasikan sejauh 70 m, 350 m,
22
700 m dan 1050 m, dan besarnya arus impuls yang diinjeksikan sebesar 12 kA, 16
kA, dan 20 kA.
f. Analisis
Dari hasil simulasi rangkaian akan dianalisis kenaikan tegangan di commuter line
dengan variasi jarak sambaran sejauh 70 m, 350 m, 700 m dan 1050 m, serta akan
dianalisis tegangan sisa (residual voltage) setelah dipotong menggunakan arrester
di mana arus impuls yang diinjeksikan sebesar 12 kA, 16 kA, dan 20 kA.
3.4 Pemodelan Rangkaian Simulasi
Tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah membuat simulasi sistem proteksi
tegangan lebih pada kereta rel listrik dengan pemasangan arrester guna
mengurangi besarnya tegangan lebih akibat sambaran petir yang akan
disimulasikan pada Perangkat Lunak MATLAB/Simulink.
Gambar 3.1 Blok diagram pemodelan rangkaian simulasi
23
Gambar 3.1 menjelaskan blok diagram pemodelan rangkaian simulasi di kereta rel
listrik, tahapan pemodelan dimodelkan dengan Trafo Sisi Sekunder, Catenary
System, Tiang / Pole, Surja Petir, Lightning Arrester, Loco Transformer, Rectifer,
Inverter, dan Motor Traksi yang disimulasikan di MATLAB/simulink
a. Transformator
Transformator dimodelkan menggunakan rangkaian ekuivalen yang dimodelkan
di sisi sekunder trafo, dengan nilai R : 0,1Ω, L : 0,1µH, C : 1nF [13]
Gambar 3.2 Rangkaian Trafansformator [14]
b. Catenary System
Catenary system merupakan penyalur tegangan menuju kereta rel listrik,
dimodelkan berdasarkan nilai parameter saluran seperti; resistansi saluran,
induktansi saluran, dan kapasitansi saluran dengan dihitung dan dimodelkan
dengan rangkaian ekuivalen berdasarkan persamaan 3.1 sampai 3.4 [15].
24
Gambar 3.3 Rangkaian Ekuivalen Saluran Daya [15]
Resistansi penghantar dirumuskan dengan:
(3.1)
Induktansi kawat penghantar, dirumuskan sebagai berikut :
(3.2)
Nilai GMR dapat dihitung dengan persamaan berikut:
(3.3)
Kapasitansi konduktor persatuan panjang (C) dirumuskan sebagai berikut:
(3.4)
25
Dimana,
A :Luas penampang penghantar (m)
: Resistivitas penghantar (Ωm)
l : Panjang penghantar (m)
r : Jari-jari konduktor (meter)
h : Ketinggian konduktor dari tanah (meter)
µ0 : permebilitas udara (4π.10−4 H/km)
ɛ0 : permetivitas udara (8.8542.10−9 F/km )
c. Pole /Tiang
Pole / tiang merupakan penyangga dari catenary system, yang dimodelkan dengan
nilai impedasi (Z) tiang sebesar 220 MΩ [16] dan impedasi isolator, di mana
impedasi isolator tiang dapat dihitung dengan persamaan 3.5 [17].
Gambar 3.4 Pole / Tiang
R=V/I (3.5)
Di mana:
V : 25 kV I :103,3 µA
26
d. Model Surja Petir
Surja petir dimodelkan berdasarkan standar IEC, dengan waktu muka 8 µs, dan
waktu ekor 20 µs, di mana gelombang impuls dimodelkan dengan persamaan
double eksponensial seperti pesamaan 3.6 [18]:
I ( t ) = A I p t k exp (- t / τ) (3.6)
Di mana :
A = 0,01405 µs
k = 2,93
τ = 3,977µs
e. Arrester
Arrester merupakan alat proteksi terhadap surja petir. Arrester menggunakan
pemodelan yang di rekomendasikan oleh IEEE seperti pada Gambar 3.7,
untuk mendapatkan nilai R, L, C, dan derajat non linier didapat dari
persamaan(3.7 sampai 3.14) [10].
Gambar 3.5 Rangkaian ekuivalen Arrester [10]
Nilai R, L, dan C didapat dari perhitungan sebagai berikut, di mana d merupakan
tinggi dari arrester serta n merupakan keping dari arrester (3.7)
27
R0 = 100 (3.7)
R1 = 65 (3.8)
L0 = 0.2 (3.9)
L1 = 15 (3.10)
C = 100 (3.11)
Karakteristik arrester dirumuskan dalam persamaan 3.7 sampai persamaan 3.9:
(3.12)
K merupakan sebuah konstanta, dan α merupakan derajat non-linear arrester yang
ditentukan dari kurva karakteristik V-I atau dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan :
(3.13)
Untuk I2/I1 =1 maka nilai α adalah:
(3.14)
f. Loco Transformator
Loco Transformator merupakan sebuah penurun tegangan yang berada di dalam
kereta rel listrik, dan dimodelkan menggunakan trafo linier yang berada di
MATLAB/simulink[5].
28
Gambar. 3.6 Loco Transformator
g. Rectifier
Rectifier merupakan sebuah peralatan elektronika yang berfungsi untuk
mengubah tegangan listrik dari AC menjadi DC. Pada kereta rel listrik (commuter
line) menggunakan rectifer full bridge yang dimodelkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangkaian rectifier[6]
h. Inverter
Inverter adalah rangkaian elektronika daya yang digunakan untuk
mengkonversikan tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC). Pada
kereta rel listrik (commuter line) inverter yang digunakan adalah inverter full
29
bridge dengan komponen utamanya berupa enam buah MOSFET. Pemodelan
inverter pada kereta rel listrik dimodelkan menggunakan rangkaian ekuivalen
pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Rangkaian Ekuivalen Inverter[7]
3.5 Skematik Diagram Kereta Rel Listrik
Gambar 3.9 menggambarkan single line diagram pada kereta rel listrik AC 25 kV.
Tegangan 25 kV AC yang dikirim oleh PLN akan disalurkan melalui catenary
menuju commuter line dan diterima oleh piranti bernama pantograph. Tegangan
yang telah diterima oleh pantogprah akan diturunkan menggunakan loco trafo
menjadi AC 2,15 kV dan disearahkan menggunakan penyearah (rectifier) menjadi
tegangan DC 2,15 kV, kemudian akan dikonversikan menggunakan inverter
menjadi AC 3 fasa 2,15 kV, dan diteruskan menuju motor traksi.
30
Gambar 3.9 Skematik Sistem Penyaluran Kereta Rel Listrik[12]
Gambar 3.10 merupakan gambar rangkaian sistem proteksi pada kereta rel listrik,
di mana dalam penelitian ini petir diasumsikan akan menyambar di saluran
catenary sehingga akan mengakibatkan terjadinya kenaikan tegangan lebih
transient di kereta rel listrik, untuk memproteksi peralatan listrik yang ada di
commuter line maka dipasang lightning arrester sebagai sistem proteksi terhadap
surja petir.
Gambar 3.10 Rangkaian Sistem Proteksi pada Kereta Rel Listrik
31
3.6 Diagram Alir Penelitian
Tahapan penelitian dimulai dari studi literatur, studi bimbingan, pengumpulan
data (saluran catenary, trafo, loco trafo, rectifier, inverter, dan motor traksi ),
pemodelan rangkaian (single line diagram, spesifikasi peralatan, dan rangkaian
ekuivalen), simulasi rangkaian (Matlab/simulink), menjalankan simulasi, analisa
hasil simulasi dan tahap terakhir adalah penulisan laporan, yang digambarkan
pada Gambar diagram alir 3.11
32
Gambar 3.11 Diagram Alir Penelitian
Studi Literatur
Studi Bimbingan
Pengumpulan Data
Saluran
catenary
Trafo
Rectifier
Inverter
Motor traksi
Arrester
Pemodelan sistem kelistrikan
kereta api listrik
Single line diagram
Spesifikasi peralatan
Rangkaian ekuivalen
Menjalankan
Simulasi Analisis Data Hasil
Simulasi
Selesai
Mulai
Rangkaian Simulasi
Matlab / simulink
79
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi proteksi tegangan lebih pada commuter line, diperoleh
kesimpulan sebagai berikut:
1. Tegangan lebih yang paling besar dihasilkan sebelum dipasang arrester yaitu,
dengan injeksi arus sebesar 20 kA serta jarak sambaran 350 m dihasilkan
tegangan lebih 222,7 kV dan yang paling rendah yaitu pada injeksi arus 12 kA
serta jarak sambaran 1050 m dihasilkan tegangan lebih 120,7 kV
2. Tegangan sisa hasil pemotongan arrester yang paling besar yaitu, dengan
injeksi arus sebesar 20 kA serta jarak sambaran 1050 m dihasilkan tegangan
sisa 72,41 kV dan yang paling rendah yaitu pada injeksi arus 12 kA serta jarak
sambaran 1050 m dihasilkan tegangan lebih 62,27 kV.
3. Pada simulasi dengan injeksi arus 20 kA dengan jarak sambaran 350 m
dihasilkan tegangan lebih sebesar 222,7 kV, setelah diproteksi tegangan
residual sebesar 70,44 kV. Nilai tersebut masih dibawah BIL trafo sebesar 150
kV.
80
5.2 Saran
Sebagai saran dan masukan untuk menyempurnakan penelitian yang akan
dilakukan selanjutnya, penelitian ini hanya meneliti sambaran secara langsung
sehingga dapat dilakukan penelitian lanjutan yaitu sambaran secara induksi, dan
untuk selanjutnya dapat dilakukan analisa ketidak seimbangan fasa pada motor
traksi.
81
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Ranko Pešič Boris Grmovšek. 2011. Application of Lightning Protection
and Surge Arrestres in Railway Facilities. Slovenia : International
Conferance on Power Systems Transients
[2]. Priya Mahajan and Rachana Garg.2014. Design and Simulation of H-
Bridge Fed Direct Torque Controlled electric Traction Drive. IEEE.
[3]. Marco Brizzi, dan Bernhard Richter. 2005. New Concept For the
Protection Against Lightning Overvoltages and Touch Voltages.
International Conference on Electricity Distribution
[4]. Kelvin Melckzedeck Minja, Pius Victor Chombo, Narupon Promvichai,
and Boonruang Marungsri. 2017. Transient Current Behaviour during
Multiple Lightning strokes on multiple Unit Trains. Electronics, and
Communications Vol.15, NO.02
[5]. Toshiba. 2012. Traction and Auxilary System (Product Catalog & design
Guide). China.
[6]. Secheron. 2016. Traction rectifier (Product Catalog & design Guide).
Canada.
82
[7]. ABSOPULSE. 2016. Compact 3-Phase Railway Quality DC-AC Sine
Wave Inverter CTP-300R-F7 Series (Product Catalog & design Guide).
Canada.
[8]. Cooray, Vernon. 2010. Lightning Protection ( IET Power and Energy
Series 58). London : The Institution Of Engineering and Technology.
[9]. IEC 60060-1. 1989. High Voltage Test Techniuqes, part 1 : General
Definitions and Test Requirements.
[10]. Siemens. 2014. Surge Arrester for Railway Applications (Product Catalog
& design Guide). Germany.
[11]. G. B. Gharehpetian and Farhad Shahnia. 2010. Lightning and Switching
Transient Overvoltages In Power Distribution System Feeding DC
Electrified Railway. Amirkabir University of Technology, Iran.
[12]. Shi Dan, Wu Mingli, Zhang Honghe, Li Teng, Wang Hui, and Song
Kejian. 2013. Measurement and Simulation of the Electromagnetic
Transients of Lifting Pantograph For An Electric Multiple Units Train.
International Conference on Power Systems Transients Canada.
[13]. M. Yonggi Puriza and Reynaldo Zoro. 2014. Lightning Over Voltage
Evaluation On DC 1.5 kV Overhead Contact System (OCS) For Electrified
Railway in Indonesia. Institute Teknologi Bandung, Bandung.
[14]. Rakotomalala, A. Auriol, Ph. And Rousseau, A. 1994. Lightning
distribution through earthing system. IEEE.
[15]. Dommel, H. 1969. Digital Computer Solution of Electromagnetic
Transient in Single and Multiple Networks. IEEE Transacations on Power
Apparatus and Systems. No.4, Vol. 88.
83
[16]. Tomasz Chmielewski and Andrzej Dziadkowiec. 2013. Simulations of
Fast Transients in a Typical 25 kV AC Railway Power Supply System.
Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN 235 -
1290.
[17]. L.H. Meyer, C.R.P. Oliboni, G.C. Graziano, T.I.A.H. Mustafa, H.A.D.
Almaguer, F.H. Molina, and G.Cassel. 2011. A study of the correlation of
leakage current,humidity and temperature of 25 kV insulatorsin urban and
rural areas. IEEE Transactions on Power Delivery vol 6.
[18]. Ronald B. Standler. 1988. Equations for Some Transient Overvoltage Test
Waveforms. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol.30,
No. I
Top Related