Pendahuluan
Telah diketahui bahwa
penggunaan kabel tanah lebih mahal dibandingkan kawat transmisi udara dilihat
dari segi perawatan dan biaya instalasi. Biaya instalasi terdiri dari biaya
bahan yang digunakan, peralatan, pekerja dan waktu yang diperlukan untuk
merancang dan memasang kabel. Karena biaya penggunaan kabel sangat mahal, maka
kabel harus dirancangkan agar dapat menghantarkan arus semaksimal mungkin.
Sebaliknya suhu konduktor pada kabel tenaga membatasi kemampuan hantar arus
(current carrying capacity), misalnya saja suhu maksimum konduktor yang
diizinkan pada kabel dengan isolasi XLPE adalah 90oC. Rating kabel dapat juga
disebut sebagai kemampuan hantar arus di mana kabel dapat menghantarkan arus
maksimum tanpa mangakibatkan kenaikan suhu konduktor melebihi suhu batas
maksimum.
Tujuan utama tulisan ini
adalah menyelidiki teknik modern dalam menentukan rating arus pada kabel
tegangan tinggi di mana lingkungan termal yang kompleks diperhitungkan.
Perhitungan rating arus pada kabel tenaga harus seakurat mungkin agar
pengelolaan transmisi dapat berlangsung secara efektif. Kabel tenaga harus
beroperasi pada toleransi suhu yang telah ditentukan untuk mencegah adanya
pemanasan berlebih pada isolasinya. Jika kabel tenaga beroperasi pada suhu di
atas suhu maksimum, maka isolasi kabel akan cepat menua dan konsekuensinya akan
menaikkan baiya perawatan.
Oleh karena itu rating
yang digunakan untuk kabel tenaga dan rating arus beban dapat dipengaruhi oleh
suhu maksimum operasi dan dapat ditentukan menggunakan metode yang dikenal
dengan metode Neher-McGrath dan standar IEC 60287. Ada juga sejumlah parameter
yang mempengaruhi rating kabel seperti kedalaman penanaman, suhu tanah,
konfigurasi dan lain-lain. Parameter ini akan memberikan efek yang berbeda dari
hari ke hari, oleh karena itu kondisi yang terburuk harus dapat dipertimbangkan
agar pada kondisi yang terburuk tersebut tidak terjadi kenaikan pada suhu
maksimum.
Pada metode yang diberikan pada standar IEC
60287 terdapat beberapa asumsi untuk menyederhanakan perhitungan di mana
perhitungan rating kabel tidak akurat 100 %. Teknik modern seperti model
analisis elemen hingga (finite element analysis) dan analisis beda hingga
(finite difference analysis) merupakan beberapa metode baru yang digunakan dan
manfaat, pendekatan, dan hasilnya dipelajari dalam tulisan ini untuk menentukan
metode terbaik dalam masalah rating arus kabel.
1. Masalah Perpindahan Panas pada Kabel
Laju penyebaran panas
adalah faktor utama yang harus dipertimbangkan untuk menghitung kemampuan
hantar arus kabel, karena panas harus dipindahkan dari kabel ke medium sekitar
agar suhu konduktor tidak melebihi suhu maksimum. Hal in penting agar proses
penuaan kabel tidak mengalami percepatan karena mekanisme panas yang baik tidak
akan menyebabkan kenaikan suhu konduktor di atas suhu maksimum sehingga dapat
memperpanjang umur kabel. mekanisme perpindahan panas dalam kabel tanah yang
dipasang dalam tanah sebagian besar terjadi akibat konduksi dari bagian-bagian
kabel dan akhirnya ke medium sekitar. Konveksi dan radiasi sebaliknya hanya
ditemukan pada kabel yang dipasang di udara.
2. Cable Rating
Salah satu metode umum
yang digunakan untuk menentukan rating kabel adalah metode Neher McGrath yang
mana ditujukan untuk perhitungan ampacity dari kabel tanah pada tahun 1957.
Metode ini telah terbukti sukses dan diterima secara luas selama lebih dari 50
tahun. Sekarang sebagian besar peralatan dan perancangan kabel menggunakan
standar IEC 60287. Akan tetapi metode yang digunakan dalam standar ini banyak
batasan-batasan agar perhitungan menjadi sederhana. Konsekuensinya penyelidikan
terhadap konfigurasi yang kompleks tidak cocok karena bagian yang kompleks
tidak dipertimbangkan. Sebagai solusinya metode elemen hingga (finite element method)
digunakan untuk menangani masalah tersebut. Dalam metode elemen hingga dapat
ditangani masalah kompleksnya model yang penyelesaiannya dengan persamaan
diferensial parsial. Daerah yang dianalisis ditampilkan menjadi fungsi elemen
hingga. Pendekatan fungsi dalam dalam elemen hingga didefinisikan dalam istilah
nilai node dari medan fisik.
3. Cable Rating Methods
Neher-McGrath
Sejak diterbitkannya
pada tahun 1957, teknik Neher-McGrath diterima luas sebagai standar untuk
menentukan kemampuan hantar arus kabel tanah. Beberapa asumsi harus digunakan
dalam metode ini untuk menyederhanakan perhitungan kemampuan hantar arus
(ampacity). Metode tersebut menggunakan persamaan steady-state sebagaimana
berdasarkan asumsi bahwa panas terjadi konstan sepanjang waktu. Asumsi lain
yang dibuat adalah bahwa panjang kabel yang digunakan tidak terbatas dengan
panas yang terdistribusi merata sepanjang kabel sehingga efek akhir dapat
diabaikan. Akan tetapi perpindahan panas longitudinal dari kabel terhadap
sambungan tidak dibahas karena kontribusinya sangat kecil.
IEC 60287
Standar IEC 60287
memberikan metode analitik yang sederhana dalam menghitung rating arus kabel.
Akan tetapi pendekatan ini membuat beberapa asumsi, yang mana asumsi ini tidak
cocok untuk beberapa kasus seperti daerah (region) dengan bahan yang homogen
dan konduktansi termal yang isotropik dalam daerah termasuk di dalamnya daerah
backfill (apakah basah atau kering) dan suhu keliling uniform yang konstan
untuk seluruh region utama.
Alternative Numerical Methods
Kegunaan metode numerik
di sisi lain digunakan untuk merencanakan distribusi suhu dalam kabel dan juga
suhu keliling ketika panas yang dihasilkan dalam kabel tersebut diberikan
(menentukan medan suhu dan suhu disekitar kabel yang isotermal). Tetapi ketika
metode numerik digunakan untuk menentukan rating arus kabel, maka pendekatan
iteratif harus digunakan. Ini dilakukan dengan menentukan arus konduktor pada
nilai tertentu dan kemudian menghitung suhu konduktor ekivalen. Setelah itu
arus diatur dan diulang perhitungan hingga suhu tertentu ditemukan konvergen
dalam toleransi tertentu. Dalam metode numerik ini termasuk juga metode beda
hingga, metode elemen batas dan metode superposisi.
Metode Beda Hingga (Finite Difference Method)
Metode numerik pertama yang
dibicarakan adalah metode beda hingga. Metode ini umumnya digunakan untuk
mempelajari distribusi tekanan listrik dalam sambungan kabel dan terminasi.
Manfaat dari metode ini unggul dalam mengatasi masalah kabel dalam tiga
dimensi. Untuk peneliti dapat dibuktikan bahwa metode beda hingga ini
disebabkan kesulitan ketika metode elemen hingga untuk memodelkan benda yang
tipis dan panjang. Akan tetapi metode beda hingga juga memiliki kelemahan yang
tidak cocok untuk permukaan kurva karena menggunakan elemen rectangular.
Metode Elemen Hingga (Finite Element Method)
Metode kedua adalah
metode elemen hingga (finite element method). Dalam penerbitan IEC ada bagian
yang diberi nama IEC 62095 yang fokus pada perhitungan ampacity dengan metode
elemen hingga. Keunggulan dari metode ini adalah dapat menyelesaikan masalah
persamaan diferensial parsial yang kompleks yang digunakan dalam studi
perpindahan panas kabel. konsep dasar metode elemen hingga adalah bahwa suhu
dapat dimisalkan sebagai model diskrit yang tersusun atas fungsi kontinu yang
didefinisikan dengan sejumlah subdomain. Fungsi kontinu piecewise didefenisikan
menggunakan nilai suhu dalam sejumlah titik dalam region (IEC 602095,p15).
Penelitian menunjukkan bahwa konduktivitas termal dari medium sekitar adalah
faktor terbesar yang menentukan kemampuan hantar arus kabel tenaga. Oleh karena
itu mekanisme perpindahan panas kabel dapat dipelajari untuk menentukan
kemampuan hantar arus kabel. Karena fenomena perpindahan panas seringkali
dimodelkan dengan persamaan diferensial parsial, dan dapat dikatakan metode
elemen hingga merupakan salah satu metode yang tersedia.
Generation of a Finite Element Mesh
Salah satu kesulitan
utama dalam menggunakan metode elemen hingga adalah menghasilkan mesh untuk
menyelesaikan masalah enjinering termasuk ke dalamnya masalah perhitungan
rating kabel. Hal yang dibutuhkan ketika menghasilkan mesh adalah mesh harus
berdasarkan pada geometri sistem sehingga batas sistem yang ditampilkan akurat.
Untuk menghasilkan hasil mesh yang akurat elemen yang digunakan harus dibuat
sekecil mungkin, sehingga penyelesaiannya membutuhkan waktu lama dan media yang
besar. Oleh karena itu digunakan program komputer agar proses penyelesaiannya
lebih cepat. Program paket komersial yang umum digunakan untuk menghasilkan
mesh diantaranya seperti : CYMCAP, USAMP dan ETAP.