Text ABSTRAK pdf

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

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.

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.

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

RIWAYAT HIDUP

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

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 )

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.

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.

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

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

2.2.5. 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

4.5. 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

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

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

3.4. 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

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.

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.

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 :

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).

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 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.

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

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

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].

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

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

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

Gambar 2.9 Rangkaian Ekuivalen Inverter

Gambar 2.10 Sinyal Keluaran dari Inverter

2.2.6 Gardu Hubung (Sub-station)

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.

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 2.14 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.

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

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

proteksi pada commuter line yaitu arrester akan bekerja memotong tegangan lebih transient dengan cara mengalirkan arus gangguan menuju sistem pentanahan.

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 terpaduJURUSAN TEKNIK ELEKTRO, UNIVERSITAS LAMPUNG.

3.2 Alat dan Bahan Penelitian

3.2.1 Alat Penelitian

Penelitianini menggunakan alat sebagai berikut : a. Perangkat komputer/ Laptop

b. Perangkat lunak MATLAB/Simulink

3.2.2 Data Penelitian

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

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 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,

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:

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:

d

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)

Di mana :

A = 0,01405 µs k = 2,93

τ

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]

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

Gambar. 3.6

Loco Transformator

g

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

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 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.

3.6 Diagram Alir Penelitian

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

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.

5.2 Saran

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.

[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

[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,