Lightning Arrester: Fungsi, Cara Kerja, Jenis dan Standar

Daftar Isi

Kelas Teknisi | Gangguan tegangan lebih atau overvoltage merupakan salah satu kondisi yang harus diperhitungkan dalam sistem tenaga listrik. Tegangan lebih dapat muncul akibat sambaran petir, operasi switching, maupun kondisi transien lainnya dan dapat memberikan tekanan berlebih pada sistem isolasi transformator, switchgear, kabel, motor, generator, serta peralatan listrik lainnya.

Salah satu perangkat yang digunakan untuk membatasi tegangan lebih tersebut adalah surge arrester atau yang di lapangan sering disebut lightning arrester.

Perangkat ini menjadi bagian penting dari koordinasi isolasi karena membantu membatasi tegangan surja pada level tertentu dan mengalirkan arus surja menuju sistem pembumian.

Jawaban singkat: surge arrester adalah perangkat proteksi tegangan lebih yang dipasang antara konduktor bertegangan dan ground. Pada kondisi normal arrester memiliki impedansi tinggi, sedangkan ketika terjadi surja, elemen metal-oxide di dalamnya akan menghantarkan arus sehingga tegangan pada peralatan dapat dibatasi.

Apa Itu Lightning Arrester?

Lightning arrester atau surge arrester adalah perangkat proteksi yang digunakan untuk membatasi tegangan lebih transien dan mengalirkan arus surja ke sistem pembumian.

Surja tersebut dapat berasal dari:

• sambaran petir langsung maupun tidak langsung;
• gelombang berjalan pada jaringan;
• operasi switching;
• energization atau de-energization peralatan tertentu; dan
• kondisi transien lain pada sistem tenaga.

Arrester banyak ditemukan pada sistem tenaga listrik, gardu induk, jaringan distribusi, transformator, switchgear, kabel tegangan menengah, generator, capacitor bank, maupun peralatan lainnya yang membutuhkan perlindungan terhadap tegangan lebih.

Lightning Arrester atau Surge Arrester?

Istilah lightning arrester masih sangat umum digunakan oleh teknisi di lapangan. Namun dalam standar dan literatur teknis modern, istilah yang lebih luas adalah surge arrester.

Hal ini karena perangkat tersebut tidak hanya digunakan untuk membatasi surja akibat petir, tetapi juga dapat digunakan untuk perlindungan terhadap switching overvoltage dan tegangan lebih transien lainnya sesuai aplikasi dan ratingnya.

Mengapa Surge Arrester Dibutuhkan?

Peralatan listrik mempunyai kemampuan isolasi tertentu. Jika tegangan yang diterima jauh melebihi kemampuan isolasinya, dapat terjadi flashover, breakdown isolasi, partial discharge, atau kerusakan permanen.

Pada jaringan transmisi dan distribusi, sambaran petir dapat menghasilkan gelombang tegangan berjalan yang merambat melalui penghantar menuju gardu dan peralatan.

Karena itu arrester ditempatkan sehingga tegangan yang diterima peralatan tetap berada di bawah level withstand isolasi yang diperhitungkan dalam insulation coordination.

Prinsip Kerja Lightning Arrester

Surge arrester modern umumnya menggunakan elemen resistor nonlinier berbahan metal oxide, terutama zinc oxide atau ZnO.

Karakteristik resistor ini sangat berbeda antara kondisi tegangan normal dan kondisi surja.

Saat Kondisi Normal

Pada tegangan operasi normal, metal-oxide arrester memiliki impedansi yang tinggi sehingga hanya mengalirkan arus yang relatif kecil sesuai karakteristik arrester tersebut.

Saat Terjadi Surja

Ketika tegangan naik akibat surja, karakteristik nonlinier elemen MOV menyebabkan impedansinya turun secara drastis.

Arus surja kemudian dialirkan melalui arrester menuju ground sehingga tegangan pada terminal peralatan dapat dibatasi.

Setelah Surja Berakhir

Setelah tegangan kembali normal, elemen metal oxide kembali menuju kondisi impedansi tinggi sehingga arrester berhenti menghantarkan arus surja besar.

Koreksi istilah: kurang tepat mengatakan arrester berubah mutlak dari “isolator menjadi konduktor”. Pada metal-oxide arrester, yang terjadi adalah perubahan karakteristik impedansi secara sangat nonlinier terhadap tegangan.

Bagian-Bagian Surge Arrester Modern

Ilustrasi penampang arrester. Konstruksi aktual berbeda tergantung teknologi, tegangan, dan pabrikan.

Gambar arrester lama sering memperlihatkan spark gap dan valve resistor. Namun arrester modern dapat mempunyai konstruksi yang berbeda.

Pada gapless metal-oxide surge arrester, beberapa bagian utamanya dapat meliputi:

1. Line terminal – terminal yang dihubungkan ke sisi bertegangan.
2. Metal-oxide varistor blocks – elemen resistor nonlinier utama untuk membatasi tegangan.
3. Housing – dapat menggunakan polymer/silicone maupun porcelain tergantung desain.
4. Internal mechanical structure – menjaga kestabilan mekanis blok MOV.
5. Sealing system – membantu mencegah masuknya kelembapan.
6. Ground terminal – dihubungkan ke sistem grounding.
7. Pressure-relief atau disconnector arrangement – dapat terdapat pada desain tertentu.

Jenis-Jenis Surge Arrester

Klasifikasi lama seperti expulsion arrester dan valve arrester masih penting secara historis, tetapi tidak cukup untuk menggambarkan teknologi arrester modern.

1. Metal-Oxide Surge Arrester Tanpa Gap

Jenis ini menggunakan resistor metal oxide nonlinier tanpa spark gap seri.

Teknologi ini merupakan salah satu jenis yang paling banyak digunakan pada sistem distribusi, gardu induk, switchgear, transformer, dan peralatan sistem tenaga modern.

2. Gapped Metal-Oxide Surge Arrester

Pada aplikasi tertentu juga terdapat arrester metal oxide yang menggunakan konfigurasi gap sesuai desain dan standar aplikasinya.

3. Externally Gapped Line Arrester (EGLA)

EGLA merupakan jenis arrester yang digunakan untuk aplikasi perlindungan saluran udara tertentu dengan external series gap.

4. Arrester Generasi Lama

Teknologi lama meliputi silicon-carbide gapped arrester, valve-type arrester, dan expulsion arrester. Jenis tersebut penting diketahui dari sisi sejarah dan saat menangani instalasi lama, tetapi bukan representasi utama arrester modern.

Parameter Penting Surge Arrester

Kesalahan yang sering terjadi di lapangan adalah memilih arrester hanya berdasarkan angka kV. Padahal terdapat beberapa parameter penting yang perlu diperhatikan.

1. Maximum System Voltage (Us)

Us menunjukkan tegangan sistem maksimum yang menjadi salah satu acuan dalam pemilihan arrester.

2. Continuous Operating Voltage (Uc)

Uc adalah tegangan AC RMS yang dapat diterapkan secara kontinu pada terminal arrester sesuai kondisi yang ditentukan.

Dalam beberapa literatur atau standar lain dapat ditemukan istilah MCOV atau Maximum Continuous Operating Voltage.

3. Rated Voltage (Ur)

Ur merupakan rated voltage arrester sebagaimana ditentukan oleh standar dan manufacturer.

Ur tidak boleh disamakan begitu saja dengan tegangan nominal jaringan.

4. Nominal Discharge Current (In)

In merupakan salah satu rating arus impulse yang digunakan dalam klasifikasi dan pengujian arrester.

Nilainya dapat berbeda tergantung kelas dan aplikasi arrester.

5. Residual Voltage

Residual voltage adalah tegangan yang muncul pada terminal arrester ketika arrester sedang mengalirkan arus surge tertentu.

Parameter ini sangat penting karena berkaitan langsung dengan protection level yang diterima peralatan.

6. Temporary Overvoltage Capability

Arrester juga harus dipilih dengan mempertimbangkan kemampuan menghadapi temporary overvoltage atau TOV, misalnya akibat kondisi grounding dan gangguan sistem tertentu.

7. Energy dan Charge Capability

Dalam aplikasi tertentu, kemampuan arrester menyerap energi dan charge juga menjadi parameter penting, terutama ketika memperhitungkan switching surge atau tugas proteksi yang berat.

Mengapa Jarak Arrester dengan Peralatan Penting?

Surge arrester sebaiknya ditempatkan sedekat mungkin secara elektris dengan peralatan yang akan dilindungi, dengan tetap mengikuti desain dan persyaratan instalasinya.

Salah satu alasannya adalah karena konduktor penghubung memiliki induktansi.

Ketika arus surge berubah sangat cepat, tambahan tegangan dapat muncul pada lead arrester:

V = L × di/dt

Artinya, meskipun arrester mempunyai protection level yang baik, lead yang terlalu panjang atau konfigurasi instalasi yang tidak tepat dapat menambah tegangan yang diterima peralatan.

Praktik penting: hubungan dari konduktor sistem menuju arrester dan dari arrester menuju grounding sebaiknya dibuat sesingkat dan seefektif mungkin sesuai desain. Jangan membuat loop kabel yang tidak diperlukan karena dapat meningkatkan induktansi jalur surge.

Pemasangan Arrester pada Transformator

Transformator merupakan salah satu peralatan yang umum dilindungi oleh surge arrester karena winding dan sistem isolasinya dapat terpapar impulse overvoltage dari jaringan.

Arrester dapat dipasang pada sisi tegangan tinggi atau pada titik lain sesuai hasil insulation coordination dan desain sistem.

Dalam menentukan arrester untuk transformator, engineer perlu melihat antara lain:

• maximum system voltage;
• metode grounding;
• Uc atau MCOV;
• Ur;
• TOV capability;
• residual voltage;
• insulation withstand level peralatan;
• lokasi pemasangan;
• panjang lead; dan
• kondisi lingkungan.

Arrester dan Koordinasi Isolasi

Insulation coordination adalah proses pemilihan kemampuan isolasi peralatan dengan mempertimbangkan tegangan lebih yang mungkin muncul serta karakteristik perangkat proteksi.

Surge arrester menjadi salah satu komponen utama dalam proses tersebut.

Protection level arrester perlu berada pada tingkat yang memberikan margin perlindungan memadai dibanding kemampuan withstand isolasi peralatan sesuai studi dan standar yang digunakan.

Apakah Arrester Melindungi dari Semua Overvoltage?

Tidak.

Surge arrester dirancang untuk menghadapi kondisi tegangan lebih sesuai rating dan karakteristiknya. Arrester bukan pengganti relay proteksi, circuit breaker, grounding, shielding, maupun desain insulation coordination.

Untuk gangguan seperti short circuit atau overload, fungsi pemutusan tetap dilakukan oleh perangkat proteksi lain seperti relay dan PMT atau circuit breaker.

Lightning Arrester Bukan Penangkal Petir Gedung

Ini merupakan perbedaan yang penting.

Surge arrester pada sistem tenaga tidak sama dengan sistem proteksi petir eksternal pada bangunan.

Penangkal petir bangunan menggunakan air terminal, down conductor, grounding, bonding, dan komponen proteksi petir lainnya untuk menangani efek sambaran pada bangunan.

Pembahasan terkait dapat dibaca pada material yang digunakan untuk penangkal petir rumah.

Apakah Surge Arrester Sama dengan ELCB?

Tidak.

Surge arrester digunakan untuk membatasi tegangan lebih transien. Sementara perangkat residual-current seperti ELCB/RCCB digunakan untuk fungsi proteksi yang berbeda terkait arus bocor ke tanah sesuai jenis perangkatnya.

Baca: pengertian dan fungsi ELCB.

Standar Surge Arrester

Untuk sistem AC di atas 1 kV, salah satu standar utama adalah keluarga IEC 60099 – Surge Arresters.

IEC 60099-4 membahas metal-oxide surge arrester tanpa spark gap untuk sistem AC.

Sementara IEC 60099-5 memberikan panduan mengenai pemilihan dan aplikasi surge arrester pada sistem tiga fasa di atas 1 kV.

Koordinasi isolasi sistem tegangan tinggi juga berkaitan dengan keluarga standar IEC 60071.

Cara Memilih Surge Arrester

Pemilihan arrester tidak cukup hanya dengan mencocokkan angka tegangan pada nameplate.

Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan antara lain:

• tegangan nominal dan maximum system voltage;
• sistem grounding;
• Uc atau MCOV;
• rated voltage Ur;
• temporary overvoltage;
• nominal discharge current;
• residual voltage atau protection level;
• kemampuan energi dan charge;
• short-circuit capability;
• pollution level dan creepage distance;
• altitude;
• jarak terhadap peralatan; dan
• rekomendasi manufacturer.

Apakah Arus Bocor Arrester Harus di Bawah 2 mA?

Tidak ada angka 2 mA yang dapat digunakan sebagai batas universal untuk semua surge arrester.

Metal-oxide arrester memang mengalirkan leakage current pada kondisi normal. Namun nilai dan metode evaluasinya bergantung pada:

• rating arrester;
• desain MOV;
• tegangan operasi;
• temperatur;
• kontaminasi permukaan;
• harmonisa;
• metode pengukuran; dan
• kriteria manufacturer.

Karena itu condition assessment lebih baik dilakukan dengan melihat trend data, metode diagnosis yang sesuai, inspeksi kondisi fisik, thermal imaging bila relevan, dan rekomendasi manufacturer daripada memakai satu batas mA untuk semua tipe.

Perawatan dan Pemeriksaan Surge Arrester

Surge arrester relatif sederhana karena tidak mempunyai mekanisme switching seperti circuit breaker, tetapi kondisinya tetap perlu dipantau.

Pemeriksaan dapat meliputi:

• kondisi housing;
• retak atau kerusakan fisik;
• kontaminasi permukaan;
• kondisi terminal;
• kondisi grounding connection;
• indikasi overheating;
• surge counter bila dipasang;
• leakage-current monitoring pada instalasi yang menggunakan metode tersebut; dan
• riwayat kejadian surja atau gangguan.

Kesimpulan

Lightning arrester atau surge arrester adalah perangkat penting untuk membatasi tegangan lebih transien pada sistem tenaga listrik. Arrester membantu mengalirkan arus surge menuju grounding sekaligus membatasi tegangan yang diterima peralatan.

Pada sistem modern, teknologi yang banyak digunakan adalah gapless metal-oxide surge arrester berbasis ZnO. Prinsip kerjanya menggunakan karakteristik resistor nonlinier, bukan sekadar mekanisme spark gap seperti yang banyak dijelaskan pada arrester generasi lama.

Pemilihan arrester harus memperhatikan tegangan sistem, Uc atau MCOV, Ur, temporary overvoltage, nominal discharge current, residual voltage, kemampuan energi, grounding, hingga jarak pemasangan terhadap peralatan.

Karena arrester merupakan bagian dari koordinasi isolasi, perangkat ini harus dipilih dan dipasang bersama desain proteksi sistem secara keseluruhan, bukan dianggap sebagai satu-satunya perlindungan terhadap seluruh jenis gangguan listrik.