IX. ISOLATOR

IX. 1. Pengertian Umum Seperti telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa isolator dalam kristal padat, celah

energi terlarang antara pita terisi paling atas (pita valensi) dengan pita kosong paling

rendah (pita hantaran) demikian lebarnya, sehingga hanya sebagian kecil saja dari

elektron-elektron yang terangsang oleh panas (pada temperatur kamar) yang dapat

melompat dari pita valensi ke pita hantaran. Benda ini dikelompokkan sebagai Isolator

karena hanya sedikit elektron bebas yang tersedia dalam pita hantaran, dan bahan ini

merupakan penghantar (baik elektrik maupun panas) yang buruk.

Selain sifat elektrisnya maka yang perlu diperhatikan untuk bahan isolasi terutama bahan

isolasi padat adalah sifa-sifat lainnya seperti:

1. Sifat Mekanis

Kekuatan Tarik

Pemuluran

Kekuatan Tekan

Kerapuhan

Kelenturan

2. Sifat Panas

Suhu sangat mempengaruhi sifat bahan isolasi, maka pada umumnya jika

temperatur naik maka sifat isolasi jadi tidak baik.

Selain sifat isolasinya menurun, maka sifat mekaniknya juga terganggu

sehingga dapat merusak struktur bahan, baik sementara maupun permanen

(hangus terbakar).

Jika terlalu lama berada pada suhu yang tinggi, mengakibatkan

proses penuaan bahan dapat lebih cepat.

98

Ketahanan panas bahan adalah ketahanan bahan terhadap suhu

tertentu dalam waktu tertentu pula (relatif pendek)

Pada Tabel 9. 1, dibawah ini dapat dilihat ketahanan bahan isolasi terhadap

panas yang dibagi dalam beberapa tingkatan atau yang lebih dikenal dengan

Kelas Isolasi.

Tabel 9. 1, Kelas ISOLASI

No Kelas Suhu Kerja Makx. (oC)

1 Y (Pita Isolasi Sutera Impregnated) 90

2 A (Kertas Impregnated) 105

3 E (Fibre P.E.) 120

4 B (Mika/Fibre glass) 130

5 F (An Organic Impregnated) 155

6 H (Mika/Fibre yang Impregnated) 180

7 C (Bahan an organic special) >180

3. Sifat Kimia

Ketahanan kimia dari bahan sangat penting sebab beberapa bahan isolasi sangat

peka terhadap pengaruh bahan-bahan kimia, missal : gas, air, asam, basa, dan

alkali. Pada tegangan tinggi dapat timbul ozon, beberapa bahan akan terpengaruh

ketahanan isolasinya (karet tidak tahan terhadap ozon).

4. Hidroskopisiti

Kemampuan atau kapasitas suatu bahan untuk menarik uap air dari udara, makin

sedikit kapasitas uap air yang dapat diserap maka akan semakin baik isolasi

tersebut.

Pengukurannya timbang berat bahan sebelum dimasukkan ke dalam oven.

Setelah keluar dari oven, timbang lagi. Maka, banyak uap

air tidak boleh lebih dari 2 mg/cm3 .

99

5. Penyerapan Air (%)

Kemampuan atau kapasitas suatu bahan menyerap air bila bahan tersebut

dimasukkan kedalam air. Suatu bahan dikeringkan, ditimbang kemudian

dicelupkan kedalam air, setelah diangkat ditimbang lagi.

6. Lain-Lain

Yang perlu mendapat perhatian dari sifat-sifat bahan isolasi selain yang

disebutkan diatas, adalah:

Titik leleh

Sifat larut dari bahan

Pengaruh daya tembus dari kelembaban

Untuk daerah tropis dimana kelembaban tinggi, maka keadaan lingkungan juga

harus diperhatikan seperti:

Daerah kering

Daerah basah

Daerah hujan yang tinggi

Angin

Rayap, jamur, serangga, etc.

IX. 2. Bahan bahan Isolasi

Sebagai bahan isolasi maka material ini dapat dibuat dari bahan padat, cair serta gas, dan

dapat dibuat dari bahan yang terdapat/disediakan oleh alam maupun bahan yang dibuat

secara sintetis;

1. An Organic

Marmer, Kaolin (alam)

Gelas, Keramik (Sintetis)

100

2. Organic

Yang dikerjakan secara mekanis (Sutera, Selulosa)

Yang dikerjakan secara kimia

Yang dikerjakan secara sintetis

Susunannya

1. Heterogen Keramik

Homogen Gas

2. Isolasi Berlapis

Padat dengan gas (gas bertekanan)

Padat dengan cair (kapasitor etc)

Padat dengan padat (pada kabel fibre glass dilapisi cotton)

Penggunaannya

1. Sebagai Bahan Konstruksi

Marmer, Keramik, Gelas, Karet Sintetis atau bahan-bahan yang di press

2. Sebagai Bahan Pelapis

Asbess, Kayu Impregnated yang keras

3. Sebagai Selubung

Homogen Cat, Karet Lunak, PVC, PE

Penyelubung berlapis Kertas dengan serbuk

Bahan Pengisi :

Padat : aspal

Cairan : oli

Gas : udara, N2, CO2, SF6

Untuk melakukan hal-hal tersebut diatas dapat dikerjakan secara:

1. Mekanis / Press

2. Dituang

3. Disemprot

4. Dilunakkan, etc.

101

IX. 3. Kerusakan Dielektrik Padat

Kerusakan pada dielektrik padat tergantung pada beberapa faktor antara lain :

1.Sifat/karakter medan listrik

AC/DC

Impluse

Frequensi rendah

Frequensi tinggi

2.Adanya kesalahan/kerusakan dari bahan sendiri

3.Pendinginan/pemanasan bahan dielektrik

4.Proses penuaan/waktu penggunaan

Jenis kerusakan yang dapat terjadi pada dielektrik padat adalah sebagai berikut :

a. Kerusakan elektris Makroskopis (pada dielektrik homogen)

Kerusakan Elektris Makroskopis bahan dielektrik homogen berlangsungnya cepat

sekali (10-7 s/d 10-8 dt) biasa disebabkan oleh energi panas. Getaran yang terjadi

pada kisi-kisi kristal menyebabkan elektron-elektron pada atom mendapat

tambahan energi. Tambahan energi ini atau energi luar tersebut dapat

menyebabkan elektron-elektron lepas dari kisi-kisinya sehingga timbul kerusakan

(terjadi ionisasi). Kerusakan seperti ini terjadi akibat Kuat Medan yang tinggi.

Bahan dielektrik mempunyai E yang tinggi sekali.

b. Kerusakan elektrik yang tidak homogen

Ketidakhomogenan banyak disebabkan bahan dielektrik tercampur dengan unsur-

unsur/bahan lainnya seperti : gas,uap air dan sebagainya.

Terjadinya kerusakan dapat cepat sekali.

E lebih rendah dari bahan yang homogen.

Bahan dielektrik yang berpori-pori mempunyai EBd rendah misalnya :

Pada keramik yang berpori-pori cukup banyak dan besar

Kayu

102

Dan lain-lain

Untuk memakai bahan yang berpori maka biasanya bahan yang ada dalam pori-

pori tersebut (gas, uap air) dihilangkan lebih dahulu dengan cara dipanaskan.

Kemudian bahan tersebut diisi atau pori-pori yang sudah ditinggalkan oleh

gas/uap air tersebut diisi dengan bahan pengisi lainnya seperti oli/minyak resin,

inilah yang disebut dengan Impregneted, Contoh : kayu dan kertas.

c. kerusakan dielektrik akibat elektro kimia

Terjadi karena proses elektrolisa, sehingga menurunkan kekuatan dielektrik.

Kerusakan ini terjadi pada suhu yang tinggi dan kelembaban yang tinggi juga.

Kejadian ini merupakan proses penuaan sehingga lama kelamaan bahan dielektrik

akan menurun kemampuannya dan kemudian rusak. Biasanya proses ini disertai

dengan timbulnya Nitrogen Oxide atau Ozon yang dapat menimbulkan kerusakan

pada bahan. Proses ini berjalan lambat, tidak sekaligus tetapi secara menahun.

d. elektro termal

Kerusakan atau retak-retak yang terdapat pada bahan dielektrik menyebabkan adanya

arus bocor dan rugi dielektrik. Adanya arus bocor dan rugi dielektrik ini merupakan

sumber panas dan menyebabkan temperatur naik. Selain itu kerusakan juga

tergantung kepada frekwensi dan suhu ruang. Jika kuat medan naik karena tegangan

dinaikkan maka temperatur juga akan naik. Oleh karena itu dalam pelaksanaannya

kita harus mengetahui dan menentukan batas termis yang tepat. Sehingga temperatur

kritis dari bahan dielektrik untuk suatu kondisi tertentu tidak terlampaui, dalam hal ini

suhu sekelilingnya juga berpengaruh. Hal lain yang mempengaruhi adalah

kemampuan bahan dielektrik untuk melepas panas yang dihasilkan juga memegang

peranan penting.

Jika panas yang dilepas oleh permukaan adalah sama dengan panas yang ditimbulkan,

maka temperatur akan konstan. Jika temperatur kritis dilampaui maka bahan akan

rusak

103

IX. 4. Kerusakan Dielektrik Cair

Sifat-sifat dielektrik cair tergantung dari adanya campuran bahan/unsur-unsur lain yang

terkandung di dalamnya.

Kerusakan karena panas

Timbulnya kerusakan pada dielektrik disebabkan karena pemanasan

sehingga terjadi penguapan dari bahan cair tersebut dan timbul gas yang

menyebabkan kerusakan pada bahan dielektrik.

Kerusakan karena ionisasi

Akan terjadi kerusakan akibat ionisasi jika;

W = E . q . λ > Wionisasi

λcair < λgas

Ecair > Egas

Dari hal diatas dapat dikatakan bahwa bahan dielektrik cair dapat lebih baik

daripada gas (untuk beberapa jenis gas) jika tidak tercampur dengan bahan-

bahan yang lain yang merusak bahan dielektrik cair sebagai isolasi. Karena

dibutuhkan E yang sangat besar, agar W > Wionisasi , sehingga terjadi

kegagalan isolasi.

Adanya kuat Medan yang besar dapat menyebabkan timbulnya polarisasi elektron antara

kedua elektrodanya dan dapat menimbulkan kerusakan pada dielektrik cair.

Adanya ketidakmurnian bahan pada bahan dielektrik cair sangat besar pengaruhnya

terhadap sifat suatu bahan dielektrik (isolasi), hal ini dapat kita lihat pada minyak

transformator. Jumlah uap air yang ada dalam minyak transformator ternyata sangat

mempengaruhi tegangan tembusnya.

Dalam pengukuran, minyak transformator yang terkontaminasi dengan material pengotor

biasanya mempunyai tegangan gagal EBd 0 s/d 25 KV/mm. Minyak transformator dari

Circuit Breaker (pemutus tenaga) atau transformator yang telah beberapa lama dipakai,

104

harus diuji secara periodik (setiap 6 bulan) untuk mengetahui kemampuannya. Sedang

minyak yang diuji adalah minyak bagian atas, tengah dan bawah dan diuji dengan

standar elektroda pada jarak 2,5 mm.

Jika EBd > 20 kv → masih baik

Jika EBd < 20 kv → sudah rusak

IX.5. Jenis Isolasi

Dalam pemakiannya, isolasi yang banyak digunakan adalah isolator padat (dalam hal ini

akan dibahas secara singkat mengenai karamik), kemudian isolator cair (dalam hal ini

minyak transformator) dan isolator gas.

IX. 5. 1. Keramik

Banyak jenis-jenis keramik termasuk diantaranya semen, bata untuk bangunan,

bata tahan api dan gelas telah dipergunakan sejak lama sebagai bahan konstruksi

bangunan.

Pada umumnya keramik mempunyai sifat-sifat yang “baik“ yaitu: keras, kuat dan

stabil pada temperatur tinggi. Tetapi keramik bersifat Getas dan mudah patah

seperti halnya pada Porselen ataupun gelas.

a. Proses Pembentukan Keramik

Lempung merupakan bahan mentah keramik yang sangat penting bagi

produk keramik tradisionil. Sebelum diproses menjadi keramik, segi

penting yang harus diperhatikan karena akan sangat mempengaruhi sifat

akhirnya adalah ukuran partikel dari bubuk mineral serta distribusi

(penyebaran) ukuran partikel dimana ini akan memepengaruhi

kerapatannya atau pori-porinya.

Komposisi ukuran partikel kecil akan lebih kuat, ikatan yang terjadi akan

lebih banyak. Untuk penataan kerapatan yang lebih bagus, biasanya

diperoleh dengan mencampur butiran kasar dan halus, dengan demikian

105

porositas yang terjadi dapat dikurangi, karena butiran-butiran halus akan

mengisi rongga-rongga dari butiran-butiran kasar. Komposisi yang ideal

berkisar ± 70 % butiran kasar dan ± 30% butiran halus. Campuran bubuk

biasanya diproses basah. Bahan mentah diaduk merata, setelah itu

disaring, kalau akan dibentuk sebagai isolator maka material magnetik

dipisahkan dan selanjutnya air dihilangkan (“secukupnya“). Dengan

terjadinya pemampatan butir-butiran, maka besar dan jumlah pori-porinya

dengan sendirinya akan berkurang. Karena adanya pemampatan terhadap

butiran-butiran tersebut, terutama butiran-butiran halus mengisi dan terikat

dengan butiran-butiran kasar menyebabkan banyak butiran yang melebur

dan menyatu seperti dapat dilihat pada gambar IX. 1. dibawah ini.

Gambar IX.1. Pengikatan dan penyatuan butiran menjadi butiran yang lebih padu untuk mengurangi pori-pori

Pembakaran dilakukan dalam tanur, dapat berupa/jenis batch maupun

kontinu. Proses pembakaran kontinu mencakup daerah makin panas lalu

makin dingin, bertahap-tahap sampai kembali ke suhu lingkungan

sekitarnya (gambar IX. 2).

Gambar IX. 2, Proses Pembakaran Keramik

106

Proses pembakaran dapat berlangsung mulai dari beberapa jam sampai lebih dari

satu hari.

Pengempaan kering adalah pemampatan yang menjadikan volume lebih kecil

dengan bantuan tekanan, sehingga terbentuk kerapatan ikatan partikel yang tinggi.

Cara ini banyak ditempuh untuk membuat komponen kecil dan bentuknya rumit

pada penggunaan teknik/rekayasa dan elektronika.

Proses kempa kering dimulai dengan pengisian rongga-rongga oleh bubuk, setelah

itu diberi tekanan/desakan kempa atas dan bawah. Pada bentuk geometris yang

rumit dan panjang (panjang lebih besar daripada diameter), maka yang biasa

dipergunakan adalah dengan memberi tekanan hidrostatik atau isostatik agar

tekanan pada cetakan seragam.

b. Bentukan Plastik

Terjadinya plastisitas bila Lempung bercampur dengan air dan dimanfaatkan pada

proses pembentukan plastik. Ada beberapa cara pembentukan plastis, dua cara

komersial untuk membentuk produk keramik pada keadaan plastis, yaitu:

1. EKSTRUSI Menyangkut penekanan campuran plastis lewat

lobang-lobang.

2. JIGGERING dengan cetakan putar, sehingga dapat membentuk

satu permukaan, sedang permukaan lainnya

terbentuk oleh putaran masa plastiknya sendiri pada

piranti cekung.

c. Tuangan

Tuang-gelincir (slip Casting), biasanya air digunakan untuk mengangkat bubuk

selama proses pembentukan Campuran Tuang Gelincir seperti adonan roti.

Adonan dituang ke cetakan berpori, agar air turun dan hilang serta bubuknya

mampat menjadi padat membentuk ikatan.

107

Tuangan pita, dipergunakan untuk membuat lembaran tipis dari bubuk Keramik.

Lembaran tersebut kemudian dibakar dan kemudian dimanfaatkan sebagai plat

tipis atau untuk basis metalisasi elektronik.

d. Pemanasan

Air yang berlebihan harus dihilangkan baik pada proses bentukan plastik maupun

pada proses tuang gelincir, dengan demikian diperlukan tahapan pengeringan,

dimana pada lempung terdapat:

1. Air Suspensi dari proses tuangan

2. Air antar Partikel yang masih ada pada bentukan plastik

3. Air Pori antar Partikel setelah pengerutan

4. Air Kisi dalam Struktur Kristal

Air teradsorpsi fisik hilang dengan pemanasan 1000C. Air terabsorpsi kimia

hilang pada 10000C. Air Kisi mulai lepas pada 6000C. Pembakaran menjadikan

bubuk keramik lebih pampat dan menjadikan massa koheren. Permukaan

mengecil, volume berkurang dan karena butiran-butiran saling lebur menyatu

maka produk akan lebih kuat.

Gambar IX. 3. Kurva pendinginan Bahan kristal dan Bukan Kristal

Gambar IX. 3 diatas adalah kurva pendinginan yang menggambarkan perubahan

temperatur sebagai fungsi waktu untuk bahan – bahan tertentu. Bahan Kristal

pada saat mendingin dari keadaan leleh, akan berada pada suatu keadaan atau titik

108

suhu yang konstan (tetap) beberapa saat. Pada keadaan demikian (isoterm), maka

bahan berada pada fasa cair maupun padat.

Sedangkan pada bahan non kristal (bahan gelas), pada Kurva sebelah kanan kita

lihat perbedaannya yaitu tidak ada patahan pada Kurva, sehingga tidak jelas kapan

terjadinya perubahan cair ke padat. Pada suhu transisinya, liskositas sangat besar

sebelum menjadi keras. Perbedaan gelas dengan komposisi Keramik lain,

terutama pada cara pembentukan, bukan pada ciri fisik atau kimia.

Gelas dibuat dengan pendinginan lelehan material yang panas, sedangkan

Keramik dibentuk pada suhu kamar dari bubuk lalu dimampatkan dengan

suhu pemanasan yang tinggi.

Keramik itu polycristaline (kecuali yang monocristaline) dan kedap

cahaya. Sedangkan Gelas, Homogen, Bening, Silika merupakan bahan

dasar atau kandungan dasar dari gelas.

Umumnya untuk bermacam gelas dapat dikelompokkan berdasarkan material

pembentukannya:

a. Soda – Kapur – Silika : Gelas umumnya (terbanyak)

b. Timbel Silika : bahan Gelas kristal

c. Borosilika : untuk gelas mutu tinggi, tahan kimia dan

panas

d. Flinta : suhu bentukan tinggi, mutu tinggi, mahal

untuk optik

Atau Gelas juga dapat dikelompokkan berdaasarkan penggunaannya:

Gelas Optik

Kimia (untuk kebutuhan gelas tahan panas dan kimia)

Alat-alat Gelas (Jendela, Botol)

IX. 6. Kekuatan KeramikKekuatan Keramik adalah sensitive terhadap struktur. Faktor utama yang mempengaruhi

struktur keramik dan juga kekuatan adalah Kehalusan permukaan, Volume dan bentuk

109

dari pori, Ukuran dan bentuk Butir, Jenis dan bentuk fasa batas butir, dan cacat yang

disebabkan oleh tegangan dalam seperti halnya tegangan termal.

Seperti telah diketahui bahwa dengan mengecilnya ukuran butir maka kekuatan akan

meningkat. Akibatnya, bahwa kalau butir pembentuk mempunyai diameter kecil, maka

ukuran retakan yang terdapat didalamnya juga kecil. Kalau retak terjadi pada butir

tertentu, ia akan berhenti pada batas butir dan tegangan disebarkan melalui batas butir

tersebut. Tapi kalau sampai terjadi, suatu fasa yang bersifat seperti gelas terbentuk pada

batas butir, maka pada umumnya kekuatan keramik menurun. Retakan mudah bergerak

melalui gelas dan untuk menghambat perambatan retakan oleh batas butir tidak dapat

diharapkan.

Pengukuran kekuatan keramik dapat dilakukan dengan alat PALU atau dengan

menjatuhkan BOLA dari ketinggian tertentu ke permukaan keramik. Besarnya tegangan

ditentukan oleh Tinggi, Jumlah Jatuhan serta Luas Kontak Tegangan.

Kekerasan

Kekerasan yang dimiliki Intan (Kekerasan Mohs 10) dan Korundum (Kekerasan Mohs 9),

adalah salah satu ciri khas bahan keramik dengan kekerasannya yang tinggi.

Kekerasan adalah ukuran tahanan bahan terhadap deformasi plastis pada permukaan

bahan. Beberapa cara pengukuran kekerasan telah ditetapkan dengan cara deformasi yang

berbeda, salah satunya ialah Kekerasan Mohs.

Penekanan pada bahan Getas seperti Keramik dalam banyak hal mengakibatkan retakan

lokal mengikuti deformasi elastik. Sukar sekali menghubungkan secara teoritis antara

kekerasan yang memiliki proses rumit tersebut dengan sifat-sifat fisiknya. Walaupun

permasalahan dalam pembuatan dan Kegetasan masih belum dapat dipecahkan, tetapi

keramik memiliki ketahanan termal dan kestabilan kimia dan mempunyai kemungkinan

penggunaan pada temperatur tinggi sebagai bahan teknik yang baru, yang tidak dapat

diperankan oleh Logam.

Penurunan kekuatan dan Deformasi plastis sering juga ditemukan dalam bahan Keramik

pada temperatur yang lebih dari 10000C. Gejala deformasi plastis yang meningkat

menurut waktu pada tegangan tetap pada temperatur tinggi disebut Melar Creep.

110

Melar adalah suatu gejala yang rumit yang melibatkan pergeseran pada batas butir,

dislokasi dalam Kristal, Difusi dari pori dan lainnya.

IX. 7. Bahan Isolasi CairFungsi dari isolasi cair adalah untuk memisahkan bagian-bagian yang mempunyai beda

tegangan agar diantara bagian-bagian tersebut tidak terjadi lompatan bunga api atau

percikan. Selain itu isolasi cair juga dapat berfungsi sebagai media pendingin. Isolasi cair

biasanya digunakan pada peralatan listrik seperti pemutus tenaga, transformator dan lain

sebagainya.

Pada transformator akan timbul panas, baik yang dibangkitkan oleh kumparan tembaga

ataupun inti besi. Jika panas tersebut tidak disalurkan atau tidak diadakan pendinginan

maka ada bagian dari peralatan yang akan rusak apabila panas yang ditimbulkan

melampaui suhu maksimum yang diijinkan. Untuk mengatasi hal ini maka inti dan

kumparan dari trafo dicelupkan kedalam suatu isolator cair (minyak Diala), yang

berfungsi sebagai media pendingin dan media isolasi.

Penggunaan isolator cair pada pemutus tenaga adalah untuk memadamkan busur api

(arcing) yang terjadi saat pembukaan/penutupan (switching) dari suatu pemutus tenaga

pada jaringan tegangan tinggi.

Beberapa alasan penggunaan isolasi cair adalah:

Isoalasi cair (dalam hal ini sering disebut sebagai Minyak Transformator)

mempunyai tingkat kerapatan yang tinggi, yaitu lebih dari 1000 kali dibandingkan

dengan udara.

Bahan isolasi cair dapat mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara

sekaligus menyerap dan menghilangkan panas yang timbul akibat rugi-rugi energi

melalui proses konveksi.

Isolasi cair memiliki kecenderungan untuk memperbaiki diri sendiri (self healing)

jika terjadi pelepasan muatan (discharge).

Beberapa sifat yang harus terdapat pada minyak transformator antara lain sebagai berikut:

111

1. Tegangan Tembus yang Tinggi

Tegangan tembus minyak transformator perlu diukur karena menyangkut

kesanggupan minyak untuk menahan Electric Stress, tanpa kerusakan.

Tegangan tembus dapat diukur dengan cara memasukkan dua buah

Elektroda bola (setengah bola) kedalam minyak yang akan diukur. Kalau

didapat tegangan tembus yang rendah maka dapat dikatakan minyak

transformator telah terkontaminasi.

2. Faktor Kebocoran Dielektrik yang Rendah

Daya yang hilang dalam operasi suatu transformator disebabkan

kehilangan energi menjadi panas, akibat pemecahan molekul-molekul.

Harga faktor kehilangan dielektrik yang tinggi menunjukkan adanya

kontaminasi atau terjadinya oksidasi yang mengakibatkan minyak menjadi

kotor atau menghasilkan kotoran berupa logam alkali, koloid bermuatan

dan sebagainya.

3. Viskositas yang Rendah

Viskositas merupakan tahanan dari cairan untuk mengalir kontinu dan

merata, tanpa adanya turbulensi dan gaya-gaya lain. Viskositas minyak

biasanya diukur dari waktu alir minyak dengan volume tertentu dan pada

kondisi yang diatur. Sebagai Media Pendingin maka viskositas minyak

transformator merupakan faktor penting dalam aliran konveksi untuk

memindahkan panas (lihat tabel 9. 2.). Viskositas juga dipakai sebagai

dasar pembagian kelas minyak.

Tabel 9. 2, Kelas minyak Transformator standar IEC

Kelas I Kelas II

No. Temperatur oC IEC IEC

1 20 40 25

2 - 15 800 -

3 -30 1800

112

4. Titik Nyala yang Tinggi

Ini menunjukkan bahwa minyak dapat dipanaskan sampai suhu tertentu

sebelum uap yang timbul menjadi api yang berbahaya. Titik nyala yang

rendah juga menunjukkan bahwa minyak mengandung zat yang berbahaya

seperti zat yang mudah menguap dan terbakar.

5. Massa Jenis yang Rendah

Massa jenis adalah perbandingan massa suatu volume cairan pada 15.560C

dengan massa air pada volume dan suhu yang sama. Massa jenis minyak

transformator lebih kecil dibanding air, oleh karena itu adanya air dalam

minyak transformator akan mudah dipisahkan, karena air akan turun ke

bawah sehingga akan lebih mudah dikeluarkan dari tangki minyak

transformator dan atau tangki pemutus tenaga.

6. Kestabilan Kimia dan Penyerapan Gas yang Baik

Kestabilan ini penting terutama terhadap oksidasi, sehingga dapt

dievaluasi kecenderungan minyak membentuk asam dan kotoran zat padat.

Asam dan kotoran zat padat yang terbentuk akibat oksidasi akan

menurunkan tegangan tembus. Selain itu air dan asam menyebabkan

korosi terhadap logam yang ada di dalam transformator, sedang kotoran

zat padat akan menyebabkan perpindahan panas (heat transfer) dalam

proses pendinginan transformator terganggu.

7. Angka Kenetralan

Angka kenetralan dinyatakan dalam mg KOH yang dibutuhkan pada titrasi

satu gram minyak. Angka kenetralan merupakan angka yang menunjukkan

penyusun asam dan dapat mendeteksi adanya kontaminasi dalam minyak,

kecenderungan perubahan kimia atau cacad atau indikasi perubahan kimia

bahan tambahan. Selain itu angka kenetralan merupakan petunjuk umum

113

untuk menentukan apakah minyak yang sedang dipakai harus diganti atau

diolah kembali dengan melakukan penyaringan (filterasi).

8. Korosi belerang

Minyak transformator dalam pemakaiannya, secara kontinu atau terus

menerus kontak/terhubung langsung dengan bahan-bahan logam seperti

tembaga, besi yang dapat mengalami korosi. Uji korosi belerang perlu

untuk melihat kemungkinan adanya korosif minyak sebagai akibat adanya

belerang bebas atau senyawa belerang lainnya dalam minyak.

9. Resistivitas

Resistivitas erat hubungannya dengan partikel zat ynag bersifat

penghantar. Resistivitas yang rendah menunjukkan bahwa minyak tersebut

sudah mengalami kontaminasi oleh bahan/zat yang bersifat konduktif,

seperti air, asam, partikel bermuatan lainnya.

IX. 8. Pengujian Minyak Transformator

Minyak transformator harus selalu diuji kemampuannya secara periodik (biasanya setiap

6 bulan), baik untuk minyak baru maupun minyak yang sudah/sedang dipakai, terutama

kekuatan tegangan tembusnya. Pengujian biasanya dilakukan dengan mencelupkan dua

buah elektroda (biasanya berupa setengah bola atau plat datar) kedalam minyak yang

akan diuji, selain itu ada juga dapat dilakukan acidity test.

Untuk mengambil minyak yang akan diuji dari peralatan yang sedang/sudah beroperasi

maka dilakukan langkah sebagai berikut:

Minyak diambil dari katup pengurasan (sampling valve diletakkan pada main

drain valve), karena umumnya kotoran cenderung dijumpai di dasar tanki dari

peralatan, selain itu minyak juga diambil dari bagian atas dan bawah.

Minyak dapat diambil dengan memakai 2 jenis botol, pertama dengan botol

leher kecil (1 quart) dan lainnya dengan botol/gelas yang tertutup (dengan

karton) agar tidak tembus cahaya.

114

Minyak tidak boleh diambil dengan memakai tempat yang terbuat dari karet

atau tempat yang terbuat dari campuran karet.

Sebelum digunakan, botol harus dicuci/dikocok dengan Hydrocarbon Solvent,

seperti, Kerosine, kemudian:

a. Cuci dengan busa sabun yang keras

b. Bilas dengan air murni (Destilled water)

c. Keringkan dalam oven sampai temperatur 1050/1100C

d. Setelah pengeringan, botol harus ditutup rapat, simpan dalam

ruang tertutup, kering dan bebas debu.

e. Bersihkan dengan hati-hati katup pengurasan (Sampling valve) dan

biarkan minyak mengalir secukupnya, untuk membuang benda-

benda asing yang mungkin mengendap di dasar tanki

peralatan/transformator. Biasanya minyak dialirkan cukup satu

quart, tapi bisa lebih dan mencapai 1s/d 2 gallon untuk

membiarkan minyak mengalir terus sampai kotoran pada valve

hilang.

f. Masukkan minyak ke dalam botol sebagai pencuci kemudian isi

botol dengan minyak dan sediakan sedikit ruang untuk

memungkinkan terjadinya pengembangan dari cairan

g. Jika ingin mengambil ulang perhatikan batas ketinggian dari

minyak trafo, jika kurang maka perlu penambahan minyak baru.

IX. 8. 1. Pengujian Tegangan Tembus

Pengujian tegangan tembus terhadap isolator cair (dalam hal ini minyak

transformator) biasanya dilakukan dengan memakai 2 (dua) jenis elektroda, yaitu

elektroda datar /plat atau batang dan elektroda sela bola (setengah bola).

115

Gambar IX. 4, Elektroda datar/plat untuk pengujian isolator minyak

Gambar IX. 4 adalah elektroda datar/batang/plat type , D-877, Rise : 3000 VPS

Type elektroda plat lebih umum dan biasanya digunakan menguji minyak yang

sudah/sedang dipakai

Gambar IX. 5, Elektroda setengah bola untuk pengujian isolator minyak

Gambar IX. 5, adalah elektroda setengah bola type, D1816, Rise :500 VPS

Jenis ini digunakan untuk menguji tegangan kegagalan dari minyak transformator

yang masih baru, elektroda ini sangat sensitive terhadap sejumlah kecil

pengotoran minyak.Dalam melakukan pengujian tegangan tembus ini, kedua

elektroda dihubungkan dengan sumber tegangan yang dapat diatur. Tegangan

116

dinaikkan perlahan-lahan sampai terjadi kegagalan (flash over) dan peralatan

menunjukkan besarnya tegangan pada saat terjadinya kegagalan.

Pengujian dilakukan beberapa kali (biasanya 4 sampai 5 kali pengujian), dan

setiap selesai dari satu pengujian harus menunggu beberapa saat (5 menit atau

lebih) untuk melakukan pengujian berikutnya, sehingga kotoran yang timbul

akibat loncatan bunga api pada pengujian sebelumnya dapat megendap lebih

dahulu. Standar yang ditetapkan untuk minyak trafo adalah seperti yang

ditunjukan dalam tabel 9. 3. dibawah ini:

Tabel 9. 3, Tegangan kegagalan Minimum dari minyak yang sudah dipakai

Untuk Sistem Tegangan

(KV)

Tegangan Kegagalan Minimum

(Vbd) (KV/mm)

30 20

30/60 30

110/220 25

(ini adalah standar untuk minyak yang sudah dipakai)

Untuk minyak yang baru digunakan transformer, Vbd min = 50Kv / mm , sedang

yang dipergunakan untuk Switchgear, Vbd min = 30 Kv/mm

IX. 8. 2. Acidity Test

Selain pengujian tegangan tembus, maka pada minyak trafo juga harus dilakukan

acidity test, ini merupakan indicator adanya oksidasi dalam minyak. Karena

beberapa hasil oksidasi disebabkan oleh asam asli, sehingga dengan test ini dapat

dideteksi tingkat keasaman dari minyak tersebut.

Bahan utama dari oksidasi adalah pengendapan Lumpur. Endapan terbentuk

setelah semua hasil oksidasi mengendap dalam minyak. Dengan acidity test ini

kita bisa menyelidiki sejauh mana oksidasi berkembang.

Untuk mudahnya digunakan metode titrasi dengan indikator warna, dimana akan

menghasilkan test dalam milligram potassium hydrokside (KOH) per-gram

minyak.

117

Biasanya cara yang dilakukan adalah sebagai berikut :

a. Ambil sample minyak sebanyak ± 10 cc

b. Tambahkan larutan penetralisirnya sampai volume menjadi 50cc

Jumlah Netralisasi = mg KOH/g minyak

c. Tambahkan larutan KOH ke dalam campuran tadi

d. Kocok kira-kira 30 detik, bila didapat hasil yang warnanya merah muda

(pink) dan terang maka Minyak dalam keadaan baik, tapi bila didapat

warna lainnya dan agak keruh, ini berarti minyak telah berkurang

kekuatan tegangan tembusnya, sehingga minyak harus di sirkulasi/filter

kembali, agar kemampuan isolasinya dapat ditingkatkan.

IX. 9. Pemeliharaan Minyak Transformator

Supaya tidak terjadi pengotoran atau untuk memperlambat proses penuaan minyak

transformator akibat dari oksidasi maka dilakukan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Pada saat pengisian, Tanki peralatan harus bersih dan rapat

2. Tidak mempergunakan selang karet pada saat penuangan

3. Filter harus berfungsi dengan baik

4. Hindari kontak langsung dengan udara

Agar minyak tidak teroksidasi dengan udara, maka pada saat

pengisian minyak untuk transformator daya (power transformer)

dilakukan pengisian dengan vakum (vacuum filling)

Kecepatan maksimum pengisian minyak adalah 1,25 cm kenaikan

per menit agar semua celah dapat terisi penuh oleh minyak.

Selesai pengisian minyak, maka kondisi vakum dilepas dengan

memasukkan Nitrogen kering pada tekanan 10 psig.

5. Kalau perlu pada minyak dapat diberikan Absorbent Cilica Gel

118

Minyak harus selalu diuji secara periodik (biasanya setiap 6 bulan), sehingga dapat

diketahui apakah minyak yang dipakai masih memenuhi syarat atau tidak. Minyak yang

sudah/sedang dipakai dapat dibersihkan dari bahan-bahan yang mengotori dengan

beberapa cara, antara lain :

Mendidihkan minyak sampai titik didih air sehingga air yang terkandung

dalam minyak menguap dan hilang dari minyak. Untuk mempercepat

proses pengeluaran air dari dalam minyak, maka proses dilakukan dalam

vacuum boiler. Tetapi karena adanya pemanasan maka proses penuaan

dari minyak juga dapat berlangsung lebih cepat.

Untuk meningkatkan kekuatan isolasi (dielectric strength) minyak dapat

juga dilakukan sirkulasi dengan filter (filtering circulation) agar material

pengotor dapat disaring sehingga minyak bersih kembali.

IX. 10. Isolasi Gas

Saat pembukaan dan penutupan (switching) pada rangkaian tegangan tinggi akan

terjadi busur api(arcing) yang disebabkan oleh tegangan transient. Busur api ini

haruslah dengan cepat dipadamkan, jika tidak tegangan transient yang terlalu lama

terjadinya dapat merusak peralatan yang terpasang. Untuk tegangan rendah, busur api

busur api yang terjadi tidak terlalu besar, sehingga media udara sudah cukup untuk

memadamkannya. Tetapi pada tegangan yang lebih tinggi dari 1000 volt (1 KV),

maka busur api yang terjadi akan lebih sulit untuk dipadamkan oleh udara biasa,

sehingga dibutuhkan media khusus yang dapat membantu percepatan proses

pemutusan busur api tersebut.

Dari percobaan pengukuran tegangan tembus pada celah diantara dua bola (sphere-

gap) yang diaplikasikan tegangan tinggi, telah ditemukan bahwa tegangan tembus

mempunyai hubungan dengan kerapatan media diantara celah tersebut. Hubungan

tersebut dinyatakan oleh persamaan berikut:

KV (peak)

119

dimana, A dan B adalah konstanta

ρ adalah kerapatan media diantara celah bola

S adalah jarak antara celah bola dalam cm

IX. 10. 1. Udara kering sebagai bahan isolasi

Udara terdiri dari 21 % oksigen dan sisanya gas lain yang sebagian besar

didominasi oleh Nitrogen. Kekuatan udara bergantung pada kadar uap

airnya. Untuk udara yang kering kekuatan dielektriknya adalah sebesar

1.000576 pada kondisi 0o C dan 1 Atmosfir atau sekitar 1013 millibar, dan

tegangan tembusnya sebesar 3.6 KV/mm pada tekanan udara normal.

Telah ditemukan bahwa isolasi minyak cukup baik sebagai media isolasi,

dan kemudian secara luas digunakan sebagai bahan isolasi pada lilitan

transformator tegangan tinggi. Kemudian minyak juga dipakai sebagai

media pemutus/pemadam busur api pada pemutus daya (circuit breaker).

Pemakaian minyak sebagai media pemutus terus berlangsung hingga akhir

tahun 70-an dimana kemudian ditemukan media pemutus yanglebih baik

lagi yaitu udara vakum (Vacuum) dan gas SF6.

IX. 10. 2. Udara Vakum sebagai media Pemutus Daya.

Pada pertengahan 70-an telah dikembangkan media baru sebagai

pemutus/pemadam busur api listrik pada pemutus daya tegangan tinggi

berupa Udara Vakum. Busur api yang timbul akibat switching akan lebih

cepat dimatikan karena kevakuman udara menjadikan api tidak dapat

bertahan lama. Hingga saat ini pemutus daya dengan media pemutus

vakum masih sangat banyak digunakan, sebagai contoh, di Jerman hampir

semua pemutus daya yang digunakan adalah dari jenis vakum dengan

standar DIN yang merupakan standar umum pada kelistrikan di Jerman.

IX. 11. Gas SF6 sebagai media Pemutus Daya.

Pada akhir 70-an penelitian terhadap gas SF6 sudah mencapai tahap komersial, dan mulai

dimanfaatkan sebagai media pemutus pada pemutus daya tegangan tinggi. Gas SF6

120

merupakan gas yang kekurangan elektron, pada saat terjadi busur api gas SF6 dengan

cepat menyerap elektron pada busur api sehingga busur api terserap oleh gas SF6 .

Semakin meningkatnya permintaan terhadap penggunaan pemutus tenaga yang paling andal

menuntut ditemukannya terobosan baru di bidang isolasi. Seiring perkembangan teknologi

maka dikembangkan suatu metode isolasi dengan menggunakan isolasi gas. Gas yang

sekarang ini cukup banyak digunakan sebagai isolasi adalah SF6.

Mengapa digunakan gas SF6 sebagai isolasi gas ?

1. Alasan pertama adalah karena semakin meningkatnya permintaan untuk

pemutuas tenaga yang menggunakan sedikit minyak, untuk kapasitas

penyaluran arus yang besar dan juga kualitas dari electrical switching.

Tujuan dari penggunaan SF6 pada pemutus tenaga (circuit breaker)

adalah untuk menyelesaikan permasalahan pada switching overvoltages.

2. Karena pertimbangan ekonomis, dimana biaya pemeliharaan yang lebih

murah sebab pemutus tenaga (circuit breaker) dengan SF6 memerlukan

pengecekan ulang untuk waktu operasional yang cukup lama sekitar 10

sampai 20 tahun kemudian.

Sebelum kita membicarakan mengenai berbagai karakteristik dari gas SF6, maka terlebih

dahulu dibicarakan fungsi dari circuit breaker itu sendiri. Circuit breaker merupakan alat

pengaman yang mempunyai fungsi khusus antara lain adalah:

1. Dapat memutuskan atau menghidupkan arus nominal untuk kepentingan operasi dan perawatan,

2. Dapat memutuskan arus beban lebih dan arus hubung singkat.

Bila pada rangkaian terjadi gangguan, arus gangguan akan mengalir ke pemutus tenaga.

Dengan adanya arus gangguan ini, maka kontak pemutus tenaga akan terbuka untuk

memutuskan arus. Setelah kontak terpisah, diantara kedua kontak (elektroda) akan timbul

loncatan busur listrik yang disebabkan karena adanya perbedaan tegangan dari kedua kontak

tersebut.

121

Pemutusan arus pada pemutus tenga ini terjadi dalam suatu medium tertentu, dimana tugas dari

medium ini adalah memutuskan arus listrik dan memberikan isolasi yang baik. Salah satu dari

medium isolasi ini adalah Sulfur Hexafluorida (SF6) yang merupakan perkembangan terbaru

dari medium isolasi. Pada saat ini pemutus tenaga (circuit breaker) SF6 lebih banyak

digunakan pada tegangan menengah maupun pada tegangan tinggi karena mempunyai tingkat

perawatan yang lebih mudah bila dibandingkan dengan pemutus tenaga (circuit breaker)

dengan medium isolasi dari minyak dan juga bentuk bangun yang lebih ringkas sehingga tidak

memerlukan lemari panel (cubicle) yang besar. Peralatan pemutus tenaga SF6 banyak

digunakan terutama untuk proyek-proyek yang terletak di sekitar pantai karena

kemampuan dari SF6 yang tahan terhadap keasinan air laut dan juga pada daerah lembah

yang curam atau sempit, dataran tinggi dan padang pasir atau gurun pada ketinggian yang

tinggi, pembangkit listrik bawah tanah, dan di dalam bendungan untuk PLTA.

IX.12. Karakteristik SF6

IX. 12. 1. Sifat Fisika dan Sifat Kimia

Sifat fisika dari gas SF6 murni antara lain:

Tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Pada temperatur 20°C dan pada tekanan 760 mmHg gas SF6 memiliki

kerapatan 6,135, yaitu 5 kali kerapatan udara

Titik didihnya -60 ° C pada tekanan 760 mmHg.

Koefisien tranfer panasnya termasuk efek pancaran adalah 0,034 atau 1,6 kali

koefisien udara,

Kecepatan suara gas SF6 pada temperatur 30 °C dan tekanan 700 mmHg

adalah 138,5 m/s.

Gas SF6 adalah gas yang inert atau tidak mudah bereaksi sampai pada suhu 150 °C

dan tidak akan merusak metal, plastik dan bagian-bagian dasar lainnya dari kumparan

pemutus daya. Pada temperatur tinggi gas SF6 akan terdekomposisi menjadi antara lain S2,

F2, S, F dll. dimana zat ini akan menimbulkan korosi jika bercampur dengan

kelembaban. Zat ini juga jika bercampur dengan elemen uap metal akan

menghasilkan serbuk putih yang bersifat isolatif. Oleh karena itu kontak pemutus

122

harus didisain untuk membersihkan serbuk ini. Pemilihan SF6 pada pemutus daya

tegangan tinggi tidak tergantung pada kekuatan dielektriknya tetapi tergantung pada

kemampuan untuk memadamkan busur api dan kemampuan pengontrolannya.

IX. 12. 2. Sifat listrik

Sifat listrik gas SF6 yang paling menonjol adalah kekuatan dielektriknya yang tinggi dan

sifat electronegatif-nya.

IX. 13. Kekuatan Dielektrik SF6

Gas SF6 mempunyai kekuatan dielektrik 2,5 kali lebih tinggi dibandingkan kekuatan dielektrik udara. Nilai tersebut sebenamya tergantung pada medan yang terjadi diantara elektroda-elektroda, dimana medan yang terbentuk ditentukan oleh bentuk dan konfigurasi elektroda yang digunakan serta jarak antara elektroda-elektroda tersebut. Kekuatan dielektrik dari SF6 ini dapat mencapai 5 kali lipat, tergantung pada ketidakhomogenan medan yang terjadi.Sifat elektronegatifitas dari SF6 menyebabkan kekuatan dielektriknya meningkat, sehingga SF6

mampu memberikan tegangan lawan yang cukup pada beda potensial busur api yang besar meskipun di bawah perubahan kondisi yang ekstrim.

IX. 14. Elektronegativitas

Elektronegativitas adalah kemampuan dari suatu molekul untuk membentuk molekul yang

bermuatan negatif dengan mengikat elektron bebas. Semakin bersifat elektronegatif, maka

suatu molekul tersebut akan cenderung mengikat elektron untuk membentuk molekul yang

bermuatan negatif.

Sifat elektronegatif dari SF6 inilah yang menyebabkan SF6 merupakan penghantar arus yang

buruk. Gambaran umum dari proses penghambatan arus oleh SF6 seperti berikut:1. Ada suatu ruangan yang berisikan gas SF6. Pada suatu saat dialirkan sebuah

elektron kedalam ruangan tersebut.

2. Karena gas SF6 ini bersifat sangat elektronegatif, maka elektron yang

diberikan tersebut berikatan dengan molekul SF6.

123

3. Ikatan tersebut dapat terjadi melalui 2 cara, yaitu :

- Ikatan langsung :

SF6 + e = SF6-

- Ikatan yang disertai penguraian molekul utama:

SF6 + e = SF5 + F-

lon-ion yang dihasilkan dari proses ikatan tersebut relatif berat dan cenderung untuk

bersifat statis, oleh sebab itu SF6 tidak efektif sebagai penghantar arus yang baik..

Ilustrasi dari proses penangkapan elektron oleh SF6

1. Elektron dialirkan melalui suatu ruang

2. Apabila ruangan tersebut berisi bahan konduktor, maka elektron yang

dialirkan ke dalam bahan tersebut akan diteruskan, sehinga mengalir arus.

3. Apabila ruangan tersebut berisi zat yang bersifat elektronegatif, misalnya SF6

IX. 15. Penghantaran Listrik dan Termal dari SF6

Penguraian SF6 menjadi fragment-fragment pada suhu + 20000 K menyebabkan penghantaran

thermal menjadi maksimum. Penguraian SF6 di bawah suhu permulaan penghantaran listrik

124

adalah salah satu faktor yang menyebabkan SF6 mempunyai pemulihan termal yang baik

dan cepat (sebesar 3 detik dibanding 8 detik).

Penghantaran listrik SF6 dapat disetarakan dengan uap tembaga pada suhu di atas 8000 K. Pada

suhu rendah memang konduktivitasnya lebih rendah dibandingkan konduktifitas uap tembaga,

oleh karena itu harus dihindarkan terkontaminasinya SF6 dengan uap tembaga dengan maksud

untuk mempertahankan sifat pemulihan termal dan dielektriknya. Sifat konduktivitas SF6 ini

pada suhu tinggi ini menurunkan kemampuan penghamburannya sebesar 20 % dibandingkan

oleh udara dengan arus beberapa puluh kiloampere.

IX. 16. Proses Pemadaman Busur Api oleh SF6

Keberadaan busur api dari arus bolak balik (alternating current) pada saat segera setelah arus

mati (arus = nol) terutama dipengaruhi oleh kecepatan dari sifat bahan dielektrik yang terletak

diantara elektroda-elektrodanya.

Keandalan dari kemampuan SF6 untuk memadamkan busur api dapat dijelaskan dengan

adanya konstanta waktu dinamik yang rendah, sekitar 1 μs (bandingkan dengan konstanta

waktu NI, sekitar 100 μs). Dalam kasus busur api yang berbentuk silinder, konstanta waktu (H)

adalah fungsi dari kuadrat radius busur (r). Idealnya, radius dari busur api yang terjadi adalah

nol, oleh karena itu bahan isolator yang baik harus dapat menjaga agar radius busur api yang

terjadi tetap minimum.

SF6 memiliki karakteristik konduktivitas thermal yang baik dimana konduktivitas termal

tersebut merupakan fungsi dari temperatur. Pada temperatur antara 30000 K dan 70000 K,

konduktivitas thermal dari SF6 rendah, sedangkan untuk temperatur dibawah 30000 K,

konduktivitas termalnya tinggi.

Konstanta waktu SF6 yang rendah berkaitan dengan kemampuan molekul-molekul gas SF6

untuk menangkap elektron-elektron bebas. Ion-ion SF6 ini mengelilingi busur api yang

terjadi dan membentuk benteng isolator (insulating barrier). Hal ini menyebabkan

pengurangan diameter dari kolom busur api, sehingga konstanta waktunya berkurang dan

akhimya busur api akan padam.

Pada temperatur antara 30000 K dan 70000 K, konduktivitas termal nitrogen (N2) lebih baik

dibandingkan konduktivitas thermal SF6. Namun demikian pada temperatur tersebut

kemampuan SF6 untuk memadamkan busur api lebih baik dibandingkan dengan nitrogen

125

(N2). Hal ini disebabkan oleh karena sifat elektronegativitas nitrogen (Ni) tidak sekuat sifat

elektronegativitas SF6.

Menurut perhitungan Mayer untuk batas nilai tegangan balik setelah arus yang mengalir

mencapai nol, diberikan sebagai berikut:

dimana: Ea = tegangan busur api

o = 2o dimana adalah frekuansi natural dari pipa/saluran

H = konstanta waktu dari busur api

IX. 17. Tingkah Laku Gas SF6 Akibat Busur Api

Temperatur tinggi yang diakibatkan adanya busur api menyebabkan semua molekul gas,

termasuk SF6, terdekomposisi menjadi atom-atom, elektron-elektron, dan ion-ion. Penguraian

ini terjadi pada daerah busur api. Reaksi kimia yang terjadi akibat temperatur yang tinggi

selama proses busur api, menyebabkan gas SF6 terurai menjadi sebagai berikut:

Komponen atom-atom hasil proses penguraian tersebut tidak berekombinasi secara sempuma

membentuk gas SF6 kembali seperti semula. Hanya 90 % dari hasil penguraian tersebut yang

berubah atau membentuk lagi gas SF6. Sedangkan bagian yang tersisa membentuk Sulphur

Fluorides (SF) dengan ukuran molekul yang lebih kecil dan Fluorides (F).

SFX dan F yang dihasilkan oleh proses penguraian tersebut akan bereaksi dengan elektroda metal menghasilkan lapisan tipis, seperti Copper Fluorides. Hasil reaksi tersebut (Metal Fluorides) yang tertimbun bersifat nonconductive dan tidak berbahaya bagi instalasi.

126

Produk-produk sampingan hasil proses penguraian tersebut dapat dibersihkan dengan memberikan alumunium oksida (A12O3) pada saat gas dipompa kembali ke dalam tanki penyimpanan dengan tekanan tinggi (high-pressure tank).

IX. 18. SF6 dalam Sistem Tegangan Tinggi

Sulphur Hexaflouride (SF6) secara luas digunakan sebagai insulator pada sistem tegangan tinggi

termasuk peralatan pemutus tenaganya. SF6 tidak beracun, dan mempunyai sifat elektronegatif

yang kuat dengan kekuatan dielektrik dan stabilitas suhu yang tinggi pada temperatur diatas

10000 K. Ketika loncatan api atau busur api terjadi pada SF6 dengan tekanan yang tinggi, maka

suhu akan meningkat sampai di atas 10000 K dan menghasilkan disosiasi yang lengkap pada

molekul SF6. Pada pijaran cahaya (glow discharges), dimana temperatur secara normal di bawah

10000 K, dan coronas, dimana temperatur hanya beberapa derajat di atas batas suhu (ambient),

disosiasi panas dalam jumlah yang kecil terjadi. Pada proses pijaran cahaya (glow discharges)

dan coronas, betapapun, energi elektron-elektron cukup tinggi untuk menghasilkan disosiasi

molekul SF6 melalui proses tabrakan elektron , seperti proses di bawah ini :

e + SF6 --> SFx + (6 - x) F + e

Karenanya dalam setiap proses electrical discharge pada SF6, maka akan terjadi dissosiasi yang

menyebabkan berubahnya gas SF6 menjadi SFx pada orde yang lebih rendah (x < 6) dan akan

selalu dihasilkan fluor (F). Beberapa fenomena yang berkaitan dengan fungsi gas SF6 sebagai

medium isolasi pada pemutus tenaga khususnya dan pada tegangan tinggi pada umumnya adalah

sebagai berikut:

IX. 18. 1. Pijaran cahaya (Glow discharges)

Pijaran Cahaya (Glow discharge) terjadi di antara dua elektroda yang diletakkan di dalam tabung yang berisi gas bertekanan rendah. Istilah glow berasal dari karakteristik yang mengidentifikasikan batasan daerah tertentu dari proses discharge dengan warna atau cahaya tergantung pada jenis gas yang digunakan. Besarnya tekanan yang dibutuhkan untuk menghasilkan pijaran cahaya (glow

127

discharge) adalah sebesar 1 mbar. Sehingga dengan demikian besarnya beda potensial antara kedua elektroda dan arus yang dihasilkan merupakan fungsi dari tekanan. Pada tekanan 1 mbar, besarnya tekanan berkisar antara beberapa ratus volt dengan arus berkisar beberapa miliampere.

IX. 18. 2. Corona discharges

Corona discharge adalah salah satu fenomena yang menyebabkan timbulnya suara

mendesis dekat saluran tegangan tinggi, dapat lebih mudah dideteksi pada cuaca yang

lembab dan terjadi setiap kali ada benda yang terbuat dari logam diberikan beda

potensial beberapa puluh KV pada udara dengan tekanan atmosfir.

Corona discharge tidak hanya menghasilkan suara tetapi juga menghasilkan angin

akibat tabrakan dari partikel ion yang dipercepat, yang kecepatannya dapat mencapai

beberapa meter per detik (angin yang dihasilkan dapat mematikan nyala sebuah lilin).

Angin ini dikenal sebagai corona wind atau electric wind yang dapat membantu atau

bahkan merusak fungsi peralatan yang menggunakan fungsi dari corona discharge.

IX. 19. Aplikasi gas SF6 pada Pemutus Tenaga

Pemutus tenaga (Circuit Breaker) SF6 adalah pemutus tenaga yang menggunakan SF6 sebagai media pemadaman busur api. Prinsip pemadaman busur api pada pemutus tenaga SF6 hampir sama dengan pemutus tenaga semburan udara (Air Blast Circuit Breaker). Hanya pada pemutus tenaga SF6, gas SF6 tidak dilepas ke atmosfir dan kecepatanya lebih rendah dibandingkan pemutus tenaga semburan udara. Karena itu elemen pemutus tenaga dimasukkan ke dalam tangki tekanan rendah.

Dari pembahasan sifat-sifat SF6 diatas maka dapat disimpulkan bahwa SF6 dapat digunakan sebagai pemadam busur api yang baik karena :

1. Tidak memproduksi karbon selama pemadaman (waktu terjadinya busur api),

2. Tidak ada bahaya ledakan, 3. konduktivitas termal yang baik 4. Nilai kekuatan dielektrik yang tetap.

128

IX. 20. Prinsip kerja pemutus tenaga SF6

Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut:1. Busur api dihembus oleh gas SF6 melalui nozzle dan masuk ke dalam mulut tangki

tekanan rendah pada saat penurunan. Setelah gas disalurkan ke dalam tangki

tekanan rendah dipompa kembali ke dalam tekanan tinggi.

2. Gas SF6 mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah melalui nozzle (saluran atau

pipa) sehingga aliran gas pada nozzle hampir mencapai kecepatan supersonik.

3. Aliran gas SF6 membawa panas dari sekeliling busur, sehingga diameter busur

berkurang dan akhirnya mengecil. Pada saat gelombang arus mencapai titik nol

pertama busur api dipadamkan.

4. Setelah busur api padam, gas SF6 mengisi permukaan sela kontak ruang

pemadaman sehingga kekuatan dielektrik pada alat kontak pulih kembali, hal ini

disebabkan oleh kemampuan atom-atom gas SF6 untuk menangkap elektron-

elektron bebas yang melewatinya dan berubah menjadi ion negatif.

IX. 20. 1. Keuntungan gas SF6 adalah :

Keuntungan gas SF6 adalah sebagai berikut:

1. Gas tidak mudah terbakar, secara kimia stabil, dan hasil penguraiannya tidak

dapat meledak.

2. Batas beban lebih besar.

3. Tidak berisik.

4. Ukurannya lebih kecil dibandingkan dengan pemutus tenaga lain dengan

ukuran dan rating yang sama.

5. Konstruksi isolasi terhindari dari kontaminasi akibat pencampuran.

6. Memerlukan pemeliharaan kurang lebih satu kali dalam l0 tahun.

7. Cepat mengatasi ganguan. Mampu untuk memutus arus gangguan rendah

dan tinggi, arus magnetisasi dan arus kapasitif.

Sifat lainnya adalah gas SF6 tidak mudah terbakar, tidak beracun

dan secara komersial aman untuk dipakai. Walaupun demikian pada

instalasi tenaga listrik penggunaan gas SF6 ini harus mengikuti

129

aturan/standar internasional yang berlaku seperti IEC 376 untuk gas SF6

yang baru dipakai, dan IEC 480 untuk petunjuk pemeriksaan gas SF6 pada

peralatan listrik.

Bila gas SF6 berada pada temperatur diatas 500o C, maka gas SF6

akan terurai menjadi unsur Sulfur, Fkuoride, SF2 dan unsur SF4. kesemua

unsur yang terurai ini akan berkombinasi kembali menjadi unsur SF6

seperti semula setelah temperaturnya turun. Rumus kimiawi penguraian

unsur Sulfurhexafluoride (SF6) menjadi unsur-unsur tersebut adalah

sebagai berikut:

SF6 S + 6F SF6

SF6 SF2 + 4F SF6

SF6 SF4 + 2F SF6

SF6 SF5 + F SF6

Penguraian unsur-unsur dari gas SF6 terjadi pada saat kontak yang

membawa arus terbuka, dimana busur api yang timbul mempunyai

temperatur diatas 500o C.

Sebagai media isolasi dan pemutus/pemadam busur api pada peralatan listrik,

umumnya gas SF6 digunakan pada tekanan sekitar 5 sampai 6 bar.sebagai

perbandingan dengan bahan isolasi lain dapat dilihat pada tabel 9. 4, dibawah ini:

Tabel 9. 4, Perbandingan Beberapa Media Isolasi

Uraian Udara biasa Minimum Oil Udara Vakum Gas SF6

130

Rating Tegangan < 1 kV Sampai 20 kV Sampai 72 kV Sampai 800 kV

Rating Arus Mencapai

400 A

Mencapai

1250 A

Mencapai

5000 A

Mencapai

5000 A

Kapasitas

Pemutusan

16 kA 20 kA 50 kA 50 kA

Metode

Pemutusan

Busur api mati

sendiri

Busur api di –

padamkan oleh

minyak

Busur api di -

cegah karena

vakum

Busur api di -

tarik oleh gas

SF6

Pemanfatan

Pemutus daya

tegangan

rendah

Pemutus daya

tegangan

menengah s/d

24 kV

Pemutus daya,

sampai 72 kV

Pemutus daya

tegangan tinggi

Kurva perbandingan dielektrik secara umum dari sifat dielektrik gas SF6 , udara, minyak

dan udara vakum dapat dilihat pada gambar IX. 5. Khusus udara vakum sifat dielektrik

hanya berlaku pada tekanan tertentu saja, yaitu pada tekanan 10-11 bar.

Gambar IX. 5, Grafik perbandingan dielektrik secara umum

131

Karena kekuatan dielektrik gas SF6 sangat baik, maka creeping distance atau jarak

minimum antar phasa pada tegangan tinggi dapat diperkecil, hal ini dapat dilihat pada

tabel 9. 5. dibawah ini.

Tabel 9. 5, Jarak antar phasa gas SF6 dan udara kering untuk berbagai sistim tegangan

Perbandingan jarak (mm) Antar Phasa antara gas SF6 dengan Udara kering

Tegangan

(KV) 72.5 123 145 170 245 420 550 800

Gas SF6

(mm) 305 370 370 ----- 460 660 710 810

Udara

(mm) 700 1100 --- 1550 2200 2900 4100 6300

Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa gas SF6 mempunyai beberapa keunggulan

spesifikasi bila dibandingkan dengan jenis isolator lainnya yang ada saat ini.

IX. 20. 2. Kerugian dari gas SF6

Kerugian gas SF6 adalah sebagai berikut:

1. Perlu pemecahan masalah dalam hal konstruksi yang digunakan, dan jangan sampai

pada saat penguraian gas SF6 ketika terjadi busur api unsur SF4 tercampur dengan air

karena akan membentuk Hydrogen Fluoride yang bersifat korosi terhadap porselen

2. Konstruksi pemutus tenaga harus tertutup dengan rapat, dan bebas dari

kebocoran.

3. Untuk kinerja isolasi yang sempurna (dalam batasan tertentu) maka dibutuhkan gas

SF6 yang bermutu baik, saat ini harga gas SF6 relatif Mahal.

132