Apa itu Lightning Arrester: Prinsip Kerja & Komponen

Lighning Arrester

Lightning Arrester adalah suatu alat proteksi (pelindung) bagi peralatan listrik terhadap tegangan lebih yang disebabkan oleh petir atau surja hubung (switching surge). Lightning Arrester ini bersifat sebagai by pass di sekitar isolasi yang membentuk jalan dan mudah dilalui oleh arus petir ke system pembumian, sehingga tidak menimbulkan tegangan lebih yang tinggi dan tidak merusak isolasi atau peralatan listrik. By pass ini harus sedemikian rupa, sehingga tidak mengganggu aliran daya system.

Jadi pada keadaan normal Lightning Arrester berlaku sebagai isolator, sehingga tidak ada arus yang mengalirinya. Tetapi jika timbul tegangan lebih petir Lightning Arrester ini akan bersifat sebagai konduktor yang tahanannya relative rendah, sehingga dapat mengalirkan arus yang besar ke tanah/bumi. Setelah itu Lightning Arrester harus dapat dengan cepat kembali menjadi isolator  (isolasi) agar arus susulan (follow  current) tidak sempat mengalir ke tanah/bumi, sehingga dengan demikian pembukaan pemutus tenaga (CB) dapat dihindari.

Sesuai dengan fungsinya yaitu Lightning melindungi peralatan listrik pada system jaringan terhadap tegangan lebih yang disebabkan oleh petir, maka pada umumnya Lightning Arrester (LA) dipasang pada setiap ujung saluran udara tegangan tinggi yang memasuki gardu induk.

Di gardu induk yang besar  ada kalanya pada transformator daya  dipasang Lightning Arrester (LA) untuk menjamin terlindungnya ransformator daya tersebut dan peralatan lainnya dari tegangan lebih petir.

Pusat pembangkit listrik umumnya dihubungkan dengan saluran transmisi udara yang menyalurkan tenaga listrik ke pusat-pusat konsumsi tenaga listrik, yaitu gardu-gardu induk (GI). Sedangkan saluran transmisi udara ini rawan terhadap sambaran petir yang menghasilkan gelombang berjalan (surja tegangan) yang dapat masuk ke pusat pembangkit listrik. Oleh karena itu, dalam pusat listrik harus ada lightning arrester (penangkal petir) yang berfungsi menangkal gelombang berjalan dari petir yang akan masuk ke instalasi pusat pembangkit listrik. Gelombang berjalan juga dapat berasal dari pembukaan dan penutupan pemutus tenaga atau circuit breaker (switching). 

Pada sistem Tegangan Ekstra Tinggi (TET) yang besarnya di atas 350 kV, surja tegangan yang disebabkan oleh switching lebih besar dari pada surja petir. 

Saluran udara yang keluar dari pusat pembangkit listrik merupakan bagian instalasi pusat pembangkit listrik yang paling rawan sambaran petir dan karenanya harus diberi lightning arrester. Selain itu, lightning arrester harus berada di depan setiap transformator dan harus terletak sedekat mungkin dengan transformator. Hal ini perlu karena pada petir yang merupakan gelombang berjalan menuju ke transformator akan melihat transformator sebagai suatu ujung terbuka (karena transformator mempunyai isolasi terhadap bumi/tanah) sehingga gelombang pantulannya akan saling memperkuat dengan gelombang yang datang. Berarti transformator dapat mengalami tegangan surja dua kali besarnya tegangan gelombang surja yang datang. Untuk mencegah terjadinya hal ini, lightning arrester harus dipasang sedekat mungkin dengan transformator. 

Lightning arrester bekerja pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi untuk membuang muatan listrik dari surja petir dan berhenti beroperasi pada tegangan tertentu di atas tegangan operasi agar tidak terjadi arus pada tegangan operasi, dan perbandingan dua tegangan ini disebut rasio proteksi arrester. 

Tingkat isolasi bahan arrester harus berada di bawah tingkat isolasi bahan transformator agar apabila sampai terjadi flashover, maka flashover diharapkan terjadi pada arrester dan tidak pada transformator.

Transformator merupakan bagian instalasi pusat listrik yang paling mahal dan rawan terhadap sambaran petir, selain itu jika sampai terjadi kerusakan transformator, maka daya dari pusat listrik tidak dapat sepenuhnya disalurkan dan biayanya mahal serta waktu untuk perbaikan relatif lama.

Salah satu perkembangan dari lightning arrester adalah penggunaan oksida seng Zn02 sebagai bahan yang menjadi katup atau valve arrester. Dalam menentukan rating arus arrester, sebaiknya dipelajari statistik petir setempat. Misalnya apabila statistik menunjukkan distribusi probabilitas petir yang terbesar adalah petir 15 kilo Ampere (kA), maka rating arrester diambil 15 kilo Ampere. 

Lightning Arrester (LA)   yang  biasa  disebut  Arrester, di  Gardu Induk  berfungsi untuk mengamankan peralatan listrik terhadap tegangan lebih yang diakibatkan oleh sambaran petir atau tegangan transien yang tinggi dari suatu penyambungan atau pemutusan, dengan jalan mengalirkan arus denyut ke tanah serta membatasi arus ikutan sehingga rangkaian kembali seperti semula tanpa menggangu sistem. Sesuai dengan fungsinya, maka Arrester dipasang pada setiap ujung Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) yang memasuki gardu induk. Di gardu induk besar ada kalanya pada transformator dipasang juga Arrester untuk menjamin terlindungnya transformator dan peralatan lainnya dari tegangan lebih petir tersebut. Bentuk Lightning Arrester (LA) yang dipasang pada transformator daya di gardu induk  sisi tegangan 150 kV dapat dilihat pada Gambar 1.

Beberapa contoh  Konstruksi Lightning Arrester (LA) untuk tegangan tinggi ditunjukkan seperti pada Gambar 2, 3, 4 dan 5.

Komponen-komponen Lightning Arrester

1. Elektroda 

Elektroda–elektroda ini adalah terminal dari arrester yang dihubungkan, bagian atas dengan penghantar saluran transmisi dan bawah elektroda dihubungkan dengan tanah/bumi.

2. Sela Percikan

Apabila terjadi tegangan lebih oleh sambaran petir atau surja hubung pada arrester yang terpasang, maka pada sela percikan (Spark Gap) akan terjadi loncatan busur api. Pada dasarnya tipe arrester, busur api yang terjadi tersebut ditiup ke luar oleh tekanan gas yang ditimbulkan oleh tabung fiber yang terbakar.

3. Tahanan Katup ( Valve Resistor )

Tahanan yang digunakan dalam arrester adalah suatu jenis material yang sifat tahanannya dapat berubah bila mendapatkan perubahan tegangan.

Arrester ditempatkan sedekat mungkin dengan peralatan yang dilindungi. Tetapi untuk memperoleh kawasan perlindungan yang lebih baik, maka ada kalanya arrester ditempatkan dengan jarak tertentu dengan jarak peralatan yang dilindungi. Jarak arrester dengan peralatan yang dilindungi berpengaruh terhadap besarnya tegangan yang tiba pada peralatan. Jika jarak arrester terlalu jauh, maka tegangan yang tiba pada peralatan dapat melebihi tegangan yang dapat dipikulnya.

Dalam prakteknya, tegangan mungkin lebih tinggi dari perkiraan karena terjadinya ossilasi akibat adanya induktansi penghantar yang menghubungkan arrester dengan transformator dan adanya kapasitansi dari transformator itu sendiri. Disamping itu, saat arrester bekerja mengalirkan arus surja ke bumi, maka terjadi jatuh tegangan pada tahanan penghantar penghubung arrester dengan jaringan dan penghubung arrester dengan elektroda pembumian. Jatuh tegangan ini dipengaruhi oleh kenaikan arus surja dan akan mengakibatkan kenaikan tegangan antara terminal arrester dengan bumi.

Sambaran petir pada konduktor hantaran udara merupakan suntikan muatan listrik. Suntikan muatan ini menimbulkan kenaikan tegangan pada jaringan, sehingga pada jaringan timbul kenaikan tegangan atau tegangan lebih yang berbentuk gelombang impulse dan merambat sepanjang penghantar. Jika tegangan lebih akibat surja petir atau surja pemutusan tiba di gardu induk, maka tegangan lebih tersebut akan merusak isolasi peralatan gardu induk. Oleh sebab itu perlu suatu alat yang melindungi peralatan yaitu LA yang melindungi peralatan di gardu induk (lihat Gambar 6), sebab tegangan lebih akibat sambaran petir dan atau surja pemutusan akan merusak isolasi peralatan. Pelindung ini dalam keadaan normal bersifat isolasi dan jika terjadi tegangan lebih akan berubah menjadi penghantar dan mengalirkan muatan surja tersebut ke tanah. 

Prinsip Kerja dari Lightning Arrester

Secara garis besar prinsip kerja Lightning Arrester membatasi tegangan surja yang muncul dapat ditunjukkan pada Gambar 7.

Keterangan: 

W = gelombang surja kilta merambat sepanjang saluran transmisi

P  = puncak gelombang tegangan surja

A  = tegangan di mana LA bekerja (sparkover)

B  = tegangan sisa

1. Suatu bentuk gelombang tegangan surja merambat dengan puncak P, merambat menuju terminal Lightning Arrester (LA) yang melindungi peralatan listrik di gardu induk.
2. Pada saat gelombang tegangan tersebut mencapai terminal LA, pada suatu harga tegangan A dan pada waktu t mikrodetik pada muka gelombang terjadi percikan (sparkover) pada LA. Sparkover terjadi, karena arus surja dialirkan ke tanah/bumi. Selama lA melewatkan/mengalirkan (memba pass) arus surja, tegangan tidak menjadi nol, tetapi tinggal pada suatu harga B, hal ini terjadi karena pada LA terdapat suatu elemen tahanan. Tegangan sebesar B tadi disebut tegangan sisa atau tegangan discharge (residual voltage). Bila tegangan surja telah berkurang ke rating tegangan LA, pelepasan arus surja berhenti dan arus system yang mengalir disebut arus susulan, dan segera diputuskan tegangan system mencapai titik nol pertama.
3. Sisa tegangan surja tersebut berjalan/merambat terus menuju ke peralatan listrik yang ada di gardu induk dengan harga tegangan puncak yang sudah terpotong, sehingga dapat ditahan oleh isolasi peralatan listrik tersebut maka tidak membahayakan peralatan-peralatan listrik lagi.