BAB II

DASAR TEORI

2.1Isolasi Sistem Tenaga ListrikIsolasi merupakan bahan yang dapat memisahkan secara elektris dua buah penghantar (atau lebih) yang berdekatan sehingga tidak terjadi kebocoran arus, lompatan bunga api (flashover), ataupun percikan api (sparkover). Isolator merupakan alat listrik yang dipakai untuk mengisolasi penghantar [tobing].Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut kekuatan dielektrik.[tobing] Kekuatan dielektrik dari bahan isolasi sangat penting dalam hal menentukan kualitas isolator yang nantinya akan mendukung keseluruhan sistem tenaga listrik. Semakin tinggi kekuatan dielektrik, maka bahan isolasi semakin baik dipakai, terutama pada peralatan listrik tegangan tinggi. Suatu bahan isolasi yang baik harus mempunyai faktor disipasi rendah, resistansi isolasi tinggi, dan kekuatan dielektrik yang tinggi sehingga sifat hantarannya dapat diminimalkan. [arismunandar]Fungsi umum dari suatu bahan isolasi adalah sebagai berikut:1. Untuk mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya.

2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi.

3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dari reaksi kimia. [tobing]Berdasarkan penggunaannya bahan isolasi dapat digolongkan sebagai berikut:

1. Penyangga / penggantung (solid support) berupa bahan isolasi berbentuk padat, misalnya porselin, keramik, polimer, kayu, kertas pernis dan sebagainya.

2. Bahan pengisi (filling media) berupa bahan isolasi berbentuk padat, cair atau gas, misalnya pasir silika, minyak, bitumen, aneka gas dan udara.

3. Bahan penutup (covering material) yaitu bahan isolasi yang biasanya terdapat pada bagian luar, berupa bahan isolasi berbentuk padat atau cair, misalnya mika, pernis atau enamel. [arismunandar]2.2Jenis Bahan Isolasi

Berdasarkan jenis bahan yang digunakan, bahan isolasi dapat digolongkan menjadi tiga golongan, yaitu bahan isolasi padat, bahan isolasi cair, dan bahan isolasi gas.2.2.1Bahan Isolasi PadatBahan isolasi padat digunakan pada segala macam rangkaian dan peralatan listrik untuk memisahkan satu konduktor dengan yang lainnya saat dioperasikan pada tegangan yang berbeda. Suatu bahan isolasi yang baik haruslah memiliki kerugian dielektrik yang rendah, kekuatan mekanik yang baik, bebas dari gas dan uap air di dalam bahan isolasi, serta tahan terhadap panas dan kimia.

Isolasi padat umumnya digunakan pada sistem yang terletak diluar dan mempunyai space yang luas. Aplikasi isolasi padat diantaranya sebagai bahan isolator pada tiang jaringan distribusi dan transmisi dan sebagai bahan isolator trafo yang berfungsi sebagai pemisah bagian bertegangan dengan tangki trafo.

Bahan isolasi padat yang umum digunakan selama ini adalah porselin atau keramik dan kaca. Sekarang ini telah dikembangkan bahan isolasi padat dari jenis polimer. Isolasi padat digunakan secara luas dalam peralatan sistem tenaga listrik, terutama sebagai isolator pasangan luar. Oleh sebab itu, bahan dielektrik isolator padat pada isolator pasangan luar harus memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi dan tidak mudah terpengaruh oleh kondisi sekitarnya.Bahan seperti porselin memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi, namun dari segi mekanik, isolator berbahan dasar porselin memiliki beban yang cukup berat. Sedangkan isolator berbahan gelas memiliki sifat higroskopis pada permukaan isolator, hal ini dikarenakan adanya larutan alkali dalam komposisi gelas, sehingga konduktifitas isolator menjadi lebih besar. [arismunandar,abduh]2.2.2Bahan Isolasi Cair

Salah satu jenis bahan isolasi lain yang sering digunakan adalah bahan isolasi cair. Keunggulan bahan isolasi cair yaitu dapat mengisi seluruh volume bahan yang diisolasinya dan mendisipasikan panas secara konveksi. Media minyak memiliki efisiensi 10 kali lebih baik daripada udara atau nitrogen dalam hal kemampuan disipasi panasnya saat digunakan pada transformator. Kekuatan dielektrik dari minyak trafo bisa mencapai orde 100 kV/cm.

Isolasi zat cair merupakan campuran dari hidrokarbon. Saat digunakan untuk isolasi listrik, isolasi cair sedapat mungkin terbebas dari uap air, hasil oksidasi dan kontaminan lainnya. Faktor penting yang berdampak pada kekuatan dielektrik dari isolasi cair adalah keberadaan kontaminan. Keberadaan kontaminan pada minyak trafo dapat menurunkan kekuatan dielektrik dari keadaan sebelum adanya kontaminan pada minyak. [arismunandar]2.2.3Bahan Isolasi Gas

Udara merupakan bahan dielektrik yang paling sederhana dan paling banyak ditemukan. Udara pada tekanan atmosfer merupakan media isolasi gas yang umum digunakan. Selain udara, gas yang digunakan untuk media isolasi adalah nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), freon (CCl2F2) dan sulfur hexafluoride (SF6).

Berbagai fenomena dapat terjadi pada isolasi gas saat suatu tegangan diterapkan. Saat tegangan yang diterapkan rendah, arus lemah mengalir diantara elektroda (namun tegangan listrik ini masih dapat ditahan). Akan tetapi, bila tegangan yang diterapkan tinggi, arus yang mengalir naik secara tajam, dan terjadilah kegagalan isolasi listrik. Lucutan api yang besar selama terjadi kegagalan isolasi menyebabkan suatu short circuit diantara elektroda. Nilai maksimum tegangan yang diterapkan pada media isolasi pada saat terjadinya kegagalan isolasi disebut tegangan gagal.

Ketika terjadi proses ionisasi, perkembangan arus akan semakin besar sehingga mengakibatkan kegagalan isolasi. Elektron dan ion timbul dari atom-atom atau molekul-molekul netral, dan perpindahan elektron dan ion menuju anoda dan katoda inilah yang menyebabkan terjadinya arus yang besar. [arismunandar]2.3Klasifikasi Isolator Sistem Tenaga ListrikBerdasarkan konstruksinya, isolator dibedakan menjadi isolator gantung/suspension, dan isolator pendukung. Isolator pendukung terdiri dari tiga jenis, yaitu isolator pin, isolator post, dan isolator pin post.

Gambar 2.1 Isolator gantung ( suspension )

Gambar 2.2 Jenis jenis isolator pendukung Isolator jenis pin digunakan pada jaringan distribusi hantaran udara tegangan menengah. Isolator pin dipasang pada palang tiang tanpa beban tekuk seperti ditunjukkan pada gambar 2.3.a. Isolator pin dapat juga digunakan untuk tiang yang mengalami beban tekuk, pada kondisi ini isolator dipasang ganda pada palang ganda, seperti ditunjukkan pada gambar 2.3.b.Jenis pin-post digunakan untuk jaringan distribusi tegangan menengah, dipasang pada tiang yang mengalami gaya tekuk. Isolator jenis post digunakan untuk pasangan dalam, antara lain sebagai penyangga rel daya pada panel tegangan menengah. Isolator jenis post tidak bersirip seperti halnya pin post, karena isolator ini dirancang untuk pemasangan dalam.

Gambar 2.3 Pemasangan isolator pin dan pin postBerdasarkan bentuknya, isolator gantung dibedakan menjadi dua jenis yaitu isolator piring (gambar 2.4.a) dan isolator silinder (gambar 2.4.b). Isolator gantung digunakan untuk jaringan tegangan menengah dan tegangan tinggi. Pada jaringan tegangan menengah, isolator piring digunakan pada tiang akhir dan tiang penyambung seperti ditunjukkan pada gambar 2.5. Untuk transmisi tegangan tinggi, isolator piring dirangkai berbentuk rantai, seperti ditunjukkan pada gambar 2.4.c. Isolator rantai ada yang dilengkapi dengan tanduk busur (arching horn) untuk melindungi isolator saat terjadi lewat denyar akibat tegangan lebih pada jaringan. [tobing]

Gambar 2.4 Bentuk bentuk isolator gantung

Gambar 2.5 Pemasangan isolator gantung jenis piring Berdasarkan lokasi pemasangan, isolator dibedakan menjadi isolator pasang dalam (indoor) dan isolator pasang luar (outdoor). Isolator pasangan dalam merupakan komponen isolator yang dipasang di dalam ruangan. Isolator ini tidak memiliki sirip pada konstruksinya. Contoh dari isolator pasangan dalam adalah isolator pin yang digunakan sebaga penyangga rel daya pada panel tegangan menengah. Isolator pasangan luar merupakan komponen isolator yang dipasang di luar ruangan. Isolator pasang luar memiliki sirip pada konstruksinya. Contoh dari isolator pasangan luar adalah isolator piring, pin atau pin-post yang terdapat pada jaringan transmisi dan distribusi.2.4Isolator Pasangan Luar (Outdoor)

Pada sistem tenaga listrik, isolator pasangan luar merupakan salah satu komponen yang sangat penting seperti pada gardu induk, jaringan transmisi dan distribusi. Bentuk isolator pasang luar dibuat bersirip agar lintasan arus bocor menjadi semakin panjang dan mencegah terbentuknya jembatan air ketika isolator dibasahi oleh air hujan.2.4.1Karakteristik Elektrik Isolator Pasang LuarIsolator dan udara membentuk suatu sistem isolasi yang berfungsi mengisolir suatu konduktor bertegangan dengan kerangka penyangga yang diketanahkan sehingga tidak ada arus yang mengalir dari konduktor tersebut ke tanah. Seluruh isolator dirancang sedemikian rupa agar tegangan tembusnya jauh lebih besar dibandingkan tegangan lewat denyarnya (flashover). Dengan demikian, kekuatan dielektrik suatu isolator ditentukan oleh tegangan lewat denyarnya. Tegangan lewat denyar adalah nilai tegangan yang mengakibatkan terjadinya lewat denyar (flashover) di permukaan isolator. Tegangan tembus suatu sistem isolasi adalah nilai tegangan yang mengakibatkan bahan dielektrik kehilangan sifat isolasi untuk sementara atau selamanya melalui suatu proses peluahan. [kind]Kekuatan dielektrik dan nilai tegangan yang dapat dipikul isolator tanpa terjadi lewat denyar dapat diperkirakan dari tiga karakteristik dasar isolator. Ketiga karakteristik tersebut adalah :

1. Tegangan lewat denyar bolak-balik pada keadaan kering.

2. Tegangan lewat denyar bolak-balik pada keadaan basah.

3. Karakteristik tegangan-waktu yang diperoleh dari tegangan surja standar.

Tegangan lewat denyar bolak balik digunakan untuk memperkirakan kekuatan elektrik isolator jika memikul tegangan lebih internal. Karakteristik tegangan-waktu digunakan untuk memperkirakan kekuatan elektrik isolator jika memikul tegangan lebih surja akibat sambaran petir.

Tegangan lewat denyar bolak-balik kering adalah karakteristik utama dari isolator yang dipasang pada ruangan tertutup. Tegangan lewat denyar ditentukan pada keadaan isolator kering dan bersih. Tegangan lewat denyar dinyatakan pada keadaan standar yaitu pada saat temperatur udara 20 0C dan tekanan udara 760 mmHg.Tegangan lewat denyar kering di sembarang temperatur dan tekanan udara dapat ditentukan dengan Persamaan 2.1.[tobing]V = Vs(2.1)dengan :

V = Tegangan lewat denyar isolator pada sembarang keadaan udara

Vs = Tegangan lewat denyar isolator pada keadaan standar

= Faktor koreksi udara, dimana

T= Temperatur udara (oC)

P = Tekanan udara (mmHg)

Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator merupakan karakteristik yang sangat penting jika isolator akan dipasang di ruang terbuka. Tegangan lewat denyar bolak-balik suatu isolator merupakan gambaran kekuatan dielektrik isolator tersebut pada saat basah akibat air hujan. Sifat air yang membasahi suatu isolator dicirikan atas tiga hal, yaitu intensitas, arah, dan konduktivitas air yang membasahi isolator tersebut. Berdasarkan standar IEC No. 60-1, ciri ciri air yang membasahi isolator saat pengujian adalah :

1. Intensitas penyiraman adalah 3 mm / menit

2. Resistivitas air adalah 104 /cm

3. Arah penyiraman air membentuk sudut 45o dengan sumbu tegak isolator.

Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator juga bergantung pada kondisi udara. [tobing]2.4.2 Karakteristik Mekanis Isolator Pasang LuarKarakteristik mekanis suatu isolator ditandai dengan kekuatan mekanisnya, yaitu beban mekanis terendah yang mengakibatkan isolator tersebut rusak. Kekuatan mekanis ini ditentukan dengan membebani isolator dengan beban yang bertambah secara bertahap hingga isolator terlihat rusak. Kekuatan mekanis suatu isolator dinyatakan dalam tiga keadaan beban, yaitu kekuatan mekanis tarik, kekuatan mekanis tekan dan kekuatan mekanis tekuk. [tobing]2.4.3Tujuan Penggunaan Isolator Pasangan Luar

Secara umum tujuan penggunaan isolator pasangan luar adalah :

1. Sebagai penyangga atau penyokong penghantar saluran udara.

Hal terpenting yang harus diperhatikan dalam memilih dan mendesain isolator untuk penggunaan ini adalah kekuatan mekanisnya. Isolator yang dipakai harus mampu menahan beban mekanis dari saluran udara, seperti gaya berat dari massa penghantar serta gaya gaya lainnya yang dapat diakibatkan oleh angin, tumpukan salju, dsb.

2. Untuk memisahkan secara elektris antara penghantar dan penyangganya.

Hal terpenting yang perlu diperhatikan dalam mendesain isolator untuk keperluan ini adalah kekuatan isolasinya, yaitu harus mampu menahan beban elektris pada keadaan normal (tegangan kerjanya) sehingga tidak terjadi kebocoran arus maupun dalam keadaan gangguan (akibat petir, hubung singkat, dsb), sehingga tidak terjadi lewat denyar (flashover) maupun sparkover. [suwarno]2.4.4Kegagalan Isolator Pasangan Luar

Ada beberapa hal yang menyebabkan kegagalan pada isolator pasangan luar, antara lain :

1. Ketidaksempurnaan proses pembuatan isolator, sehingga timbul rongga rongga udara pada isolator yang dapat mengakibatkan terjadinya peluahan muatan sebagian (partial discharge) dan akhirnya terjadi tembus listrik melalui proses treeing.2. Degradasi permukaan akibat aliran arus bocor maupun pengaruh lingkungan.3. Akibat tegangan lebih yang dapat menyebabkan lewat denyar (flashover) yang dapat berujung pada terjadinya kerusakan pada permukaan isolator.

4. Isolator pecah akibat tekanan mekanis dari luar5. Menempelnya polutan pada permukaan isolator yang dapat menjadi lintasan yang bersifat konduktif.6. Ketidakmurnian bahan isolator

7. Kegagalan tembus (breakdown), biasanya disebabkan oleh faktor luar seperti sambaran petir. Akibat kegagalan tembus (breakdown), karakteristik elektrik isolator tidak dapat pulih seperti semula dan sebagian isolator mengalami kerusakan mekanik sehingga tidak dapat digunakan kembali. [suwarno]2.5Bahan Isolasi KacaKaca merupakan salah satu jenis isolator pasang luar yang masih dipakai dissistem kelistrikan Indonesia. Isolator kaca memiliki karakteristik elektrik dan kmekanik yang tidak jauh berbeda dengan porselen. Karakteristik elektrik dan mekanik kaca bergantung pada komposisi kimiawi dari kaca.Kaca merupakan bahan kuat, tahan panas, keras, dan secara biologi merupakan bahan yang tidak aktif, yang dapat dibentuk menjadi permukaan yang tahan dan licin. Ciri-ciri ini menjadikan kaca sebagai bahan yang sangat berguna. Komponen utama kaca ialah silika. Silika ialah galian yang mengandungi silikon dioksida. Nama IUPAC silikon dioksida ialah silikon(IV) oksida. Wujud silika awalnya adalah pasir, yaitu pasir silika. Kaca merupakan substansi kimia yang serupa dengan kuarsa. Silika mempunyai titik lebur sekitar 2000 derajat celsius. Dua komponen penting dalam pembuatan kaca yang baik adalah mencampurkan soda (sodium karbonat Na2CO3), atau potasy dengan kalium karbonat, yang dapat menurunkan titik lebur kaca menjadi sekitar 1000 derajat celsius. Bahan soda menjadikan kaca larut, sedangkan kapur (kalsium oksida, CaO) adalah bahan yang menyebabkan kaca sukar larut.Kaca dibuat dengan pendinginan bahan-bahan yang dilelehkan, tidak berbentuk kristal tetapi tetap pada kondisi berongga. Massa jenis kaca berkisar antara 2 hingga 8,1 g/cm3, kekuatan tekannya 6000 hingga 21000 kg/cm2, kekuatan tariknya 100 hingga 300 kg/cm2. Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kaca adalah bahan yang regas.Walaupun kaca merupakan substansi berongga, tetapi tidak mempunyai titik leleh yang tegas, karena pelelehannya adalah perlahan-lahan ketika suhu pemanasan dinaikkan. Titik pelembekan kaca berkisar antara 500 hingga 1700 C. Makin sedikit kandungan Si02-nya makin rendah titik pelembekan suatu kaca. Demikian pula halnya dengan muai panjang -nya, makin banyak kadar SiO2 yang dikandungnya akan makin kecil -nya. Muai panjang untuk kaca berkisar antara 55.107 hingga 150.107 per derajat celcius.Pada pabrikasi kaca, asam fluorida digunakan untuk membuat kaca-embun. Pada umumnya kaca tidak stabil terhadap pengaruh alkali. Sifat-sifat elektris dan kaca dipengaruhi oleh komposisi dan kaca itu sendiri. Kaca yang digunakan untuk teknik listrik pada suhu normal diperlukan syarat-syarat antara lain resistivitas berkisar antara 10 hingga 17 cm, perinitivitas relatif r berkisar antara 3,8 hingga 16,2, kerugian sudut dielektniknya (tan ) 0,0003 hingga 0,01, tegangan break-down 25 hingga 50 kv/mm. Kaca silika mempunyai sifat kelistrikan yang paling baik. Pada suhu kamar besarnya resistivitas adalah 107 -cm, r 3,8 dan tan pada 1 MHz adalah 0.0003. Jika kaca silika ditambahkan natrium atau kalium, maka resistivitasnya akan turun, tan nya akan naik sedikit.Seringkali oksida logam alkali ditambahkan pada pembuatan kaca dengan maksud agar sifat-sifat kaca menjadi lebih baik. Oksida-oksida tersebut dimasukkan ke dalam kaca sebagai pemurnian bahan-bahan mentah. Keberadaan natrium di dalam kaca adalah lebih tidak menguntungkan dibanding kalium. Karena ion Na adalah sangat kecil ukurannya dan sangat mudah bergerak di dalam medan listrik. Itulah sebabnya mengapa Na dapat menambah konduktivitas kaca. Karakteristik elektrik dan mekanik kaca bergantung pada komposisi kimiawi dari kaca, khususnya pada kandungan alkali yang terdapat pada kaca. Adanya larutan alkali dalam komposisi gelas akan menambah sifat higroskopis permukaan isolator sehingga konduktivitas permukaan isolator semakin besar. Akibatnya, sifat elektrik isolator kaca alkali tinggi lebih buruk daripada kaca alkali rendah, juga lebih buruk daripada porselen. Kekuatan elektrik kaca alkali tinggi adalah 17,9 kVrms/mm dan kaca alkali rendah adalah 48kVrms/mm, yakni dua kali lebih tinggi daripada kekuatan elektrik porselen.Dilihat dari proses pembuatannya, isolator kaca terdiri dari dua jenis, yaitu kaca yang dikuatkan (annealed glass) dan kaca yang dikeraskan (hardened glass). Kekuatan mekanik sampel uji kaca yang dikuatkan lebih besar daripada porselen, karena regangan mekanik internal pada kaca mudah dihilangkan pada saat penguatan. Kaca alkali tinggi memiliki koefisien pemuaian yang tinggi, sehingga isolator kaca mudah pecah. Peristiwa ini sangat mungkin terjadi jika isolator kaca dioperasikan pada suatu lokasi yang temperaturnya berubah-ubah dengan tajam. Hal ini membuat kaca alkali tinggi dibatasi pemakaiannya hanya untuk instalasi pasang dalam, sedangkan untuk isolator pasang luar digunakan kaca jenis alkali rendah.Isolator kaca alkali rendah yang dikeraskan dapat menahan beban dinamis dengan baik, sehingga masih layak dipakai sekalipun pernah jatuh dari tempat tinggi. Tetapi biaya pembuatannya tinggi, karena pemanasan harus berlangsung sampai temperatur kaca mencapai 780o C. Isolator ini hanya digunakan jika dibutuhkan kekuatan mekanik yang tinggi dan stabil pada setiap perubahan temperatur. [bonggas]2.6Lingkungan Tropis Kondisi lingkungan tropis dengan curah hujan dan kelembaban yang tinggi menurunkan kinerja isolator, terutama isolator pasangan luar (outdoor insulator) yang secara langsung terpapar oleh kondisi lingkungan ini. Umumnya polutan akan melekat pada air yang menempel pada isolator, untuk itu diperlukan bahan isolator yang bersifat hidrofilik untuk mengatasi permasalahan ini.

Wilayah beriklim tropis terletak pada batas 230 27 LU sampai 230 27 LS. Lingkungan ini hampir sepanjang tahun terkena radiasi matahari. Ciri ciri lain lingkungan tropis adalah :

1. Suhu Udara

: 20-35 oC

2. Curah hujan tahunan : 1960-3185 mm

3. Kelembaban

: 50-98 %

Indonesia yang terletak di katulistiwa termasuk wilayah beriklim tropis. Di Indonesia, temperatur maksimum berkisar antara 30-35 0C di dataran rendah dan 20-25 0C di dataran tinggi. Temperatur berkurang 5.33-6.01 0C setiap perubahan ketinggian 1000 m. [soerjani]2.7Fenomena Arus Bocor (Leakage Current) Surface discharge atau pelepasan muatan permukaan adalah pelepasan muatan dari konduktor ke media gas dan terjadi pada permukaan isolasi padat yang tidak tertutupi oleh konduktor.[syakur] Peluahan muatan ini terjadi apabila tegangan yang diterapkan pada isolator mencapai tingkat ketinggian tertentu, sehingga menyebabkan arus mengalir pada permukaan isolator.[arismunandar] Arus yang mengalir pada permukaan isolator disebut dengan arus bocor (leakage current). Kebocoran arus menimbulkan panas lokal pada bagian isolator sehingga menyebabkan temperatur yang tinggi yang mengakibatkan terjadinya penguraian bahan kimia dan membentuk berkas pada permukaan isolator. [syakur]Pengukuran nilai arus bocor dapat digunakan sebagai parameter untuk mengetahui kinerja dari isolator pasang luar. Kelebihan dari metode ini adalah gelombang arus bocor dapat memberikan informasi mengenai aktivitas yang terjadi pada permukaan isolator, dari awal mengalirnya arus hingga terjadi suatu flashover.[siderakis][suda] Berdasarkan karakteristik arus bocor dari isolator, beberapa model telah diusulkan untuk mengetahui karakteristik non-linear isolator pasang luar.[suwarno] Karakteristik non-linear isolator akan menentukan nilai tahanan permukaan dan nilai arus bocor yang mengalir pada permukaan isolator. Oleh karena itu, identifikasi sifat arus bocor ini dapat digunakan untuk deteksi dini kegagalan isolator tegangan tinggi.Pengukuran arus bocor dimaksudkan untuk mendapatkan data berupa nilai arus bocor dari isolator ketika diterapkan tingkat tegangan tertentu. Pengukuran arus bocor dapat dilakukan dengan alat bantu berupa osiloskop dan resistor pengukuran. Resistor pengukuran dipasang pada bagian end-fitting elektroda uji sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 2.6. Ketika diterapkan tingkat tegangan tertentu, arus bocor akan mengalir di permukaan isolator dan resistor pengukuran yang dihubung seri terhadap isolator. Arus bocor permukaan isolator bernilai sama dengan arus bocor yang mengalir pada reisistor ukur. Arus bocor yang mengalir pada resistor dapat diperoleh melalui pengukuran drop tegangan pada resistor. Drop tegangan pada resistor dapat diukur dengan bantuan osiloskop. Nilai arus bocor yang mengalir di permukaan isolator dapat ditentukan dengan Persamaan 2.2,

(2.2)denganI

= Nilai arus bocor yang mengalir di permukaan isolatorVdrop

= Nilai drop tegangan pada resistor ukurRresistor ukur= Nilai tahanan resistor ukur = 1 M

Gambar 2.6. Resistor pengukuran2.8Pemodelan Arus Bocor Isolator OutdoorJika pada permukaan isolator terdapat lapisan polutan yang konduktif, arus bocor permukaan akan mengalir sehingga efek pemanasan akan mengeringkan sebagian lapisan polutan. Pengeringan lapisan polutan biasanya tidak seragam dan pada beberapa titik, lapisan polutan konduktif akan terputus oleh pita kering (dry-band). Tegangan pada pita kering berjarak sangat dekat. Hal ini menyebabkan terjadi breakdown udara sehingga pita kering dijembatani oleh arc. Arc yang terbentuk terhubung seri secara elektrik dengan resistansi lapisan polutan yang tidak kering. Lonjakan arus bocor terjadi setiap pita kering pada isolator mengalami spark over. Jika resistansi polutan yang basah cukup kecil, arc yang menjembatani pita kering akan mampu membakar dan memanjang pada permukaan isolator sehingga merusak permukaan isolator. Kejadian ini akan mengakibatkan turunnya resistansi yang terhubung seri dengan arc. Akhirnya, isolator akan mengalami kegagalan sehingga dapat terjadi kegagalan hubung singkat fasa ke tanah. Peristiwa ini digambarkan pada Gambar 2.7. [waluyo]

Gambar 2.7. Model skematik representasi dry-band discharge dan lapisan polutan konduktif pada isolator [waluyo]Dari penelitian yang terdahulu, diusulkan beberapa model arus bocor isolator pasang luar menggunakan program ATP/EMTP.[waluyo] Gambar 2.8 menunjukkan model rangkaian ekivalen dari isolator bersih. Model rangkaian ekivalen isolator bersih terdiri dari resistor linier dan kapasitor. Elemen ini terhubung secara paralel dan murni bergantung pada karakteristik internal isolator dan tegangan yang diaplikasikan. Kapasitor C menggambarkan efek kapasitif yang umum terjadi pada peralatan tegangan tinggi. Nilai arus bocor isolator bersih memiliki orde microampere.[vosloo] Oleh sebab itu resistansi R diasumsikan memiliki nilai dengan orde M.

Gambar 2.8. Model rangkaian listrik ekivalen isolator bersih yang direpresentasikan pada program ATP Draw Gambar 2.9 menunjukkan model rangkaian ekivalen isolator terpolusi. Rangkaian tersebut merupakan modifikasi dari rangkaian sebelumnya, dengan menambahkan resistansi non-linear secara parallel, sebagai representasi dari permukaan yang terpolusi dan basah. Kondisi ini digolongkan menjadi dua yaitu permukaan yang terpolusi dan terbasahi secara ringan dan berat. Permukaan isolator yang terkontaminasi dan terbasahi secara ringan akan menghasilkan arus bocor dengan tipe short-burst, sedangkan yang terpolusi dan terbasahi secara berat akan menghasilkan arus bocor dengan tipe long-burst.

Gambar 2.9. Model rangkaian listrik ekivalen isolator terpolusi yang direpresentasikan pada program ATP Draw

Gambar 2.10 menunjukkan model rangkaian ekivalen isolator terpolusi dengan dry-band discharge. Rangkaian ini merupakan modifikasi dari rangkaian isolator terpolusi, dengan menambahkan resistor non-linear dan kapasitor yang terhubung parallel sebagai representasi dry-band discharge, dan dihubungkan seri dengan resistor non-linear pada model rangkaian ekivalen isolator terpolusi. Ini menunjukkan bahwa dry-band discharge diasumsikan menimbulkan pengaruh non-linear dan kapasitif pada bentuk arus bocor dari isolator.

Gambar 2.10. Model rangkaian listrik ekivalen isolator terpolusi dengan dry-band dischargeDari ketiga model rangkaian ekivalen isolator di atas kemudian dimodifikasi,hal tersebut dilakukan agar model rangkaian ekivalen dapat memodelkan gelombang arus bocor simetris dan tidak simetris dengan discharge di permukaan isolator. [suwarno]Gambar 2.11. menunjukkan model rangkaian listrik ekivalen untuk gelombang arus bocor simetris dengan discharge di permukaan isolator. Model rangkaian listrik ekivalen ini merupakan modifikasi model rangkaian ekivalen pada gambar 2.10 dengan menambah rangkaian arc untuk membentuk kondisi discharge. Rangkaian arc dihubung seri dengan tahanan non-linear dry-band discharge. Rangkaian arc berfungsi untuk merepresentasikan discharge pada permukaan isolator dengan mengontrol tegangan spark dari saklar rangkaian arc. [suwarno]

Gambar 2.11. Model rangkaian listrik ekivalen untuk gelombang arus bocor simetris dengan dischargeGambar 2.12. menunjukan model rangkaian listrik ekivalen untuk gelombang arus bocor asimetris dengan discharge di permukaan isolator. Rangkaian ini berfungsi untuk mensimulasikan gelombang arus bocor yang memiliki bentuk yang tidak simetris. Rangkaian ini merupakan modifikasi dari rangkaian untuk gelombang simetris yang ditunjukkan pada gambar 2.11. Modifikasi dilakukan dengan membagi model rangkaian elektrik ekivalen menjadi dua bagian dengan memanfaatkan penambahan dioda. Bagian atas model berfungsi untuk mensimulasikan setengah siklus positif sedangkan bagian bawah model berfungsi untuk mensimulasikan setengah siklus negatif. [suwarno]

Gambar 2.12. Model rangkaian listrik ekivalen untuk gelombang arus bocor asimetris dengan discharge2.9Pemodelan Rangkaian Arc Universal

Simulasi keadaan arc secara detail sulit dilakukan akibat ketidakteraturan karakteristik arc. Ada beberapa model yang digunakan untuk mensimulasikan arc. Sebagian besar model digunakan untuk memodelkan arc yang terjadi pada circuit breaker dan beberapa model lain diaplikasikan untuk memodelkan long arc atau arcing fault. Ada berbagai konsep yang digunakan untuk memodelkan arc. Konsep yang paling sering digunakan adalah konsep thermal equilibrium. Model thermal memiliki sejarah yang panjang sebagai model arc dinamis. Persamaan dinamis ini telah diperbaiki dan dimodifikasi untuk meningkatkan validitas dan mengurangi batasan perhitungan. Persamaan yang digunakan dari model arc ditunjukkan oleh Persamaan 2.3 dan 2.4, [elkhalashy]

(2.3)

(2.4)dengan :

g =konduktansi arc bergantung waktu (time variying arc conductance)

G = konduktansi arc stasioner|i| = nilai absolute arus arcVarc = konstanta parameter tegangan arc = konstanta waktu arc. Untuk merepresentasikan arc sesuai dengan gangguan, nilai didefinisikan dengan Persamaan 2.5, [elkhalashy]

(2.5)dimana A dan B adalah konstanta.[elkalashy] Pemodelan arc dilakukan dengan menggunakan model rangkaian arc universal yang ditunjukkan oleh gambar 2.13.

Gambar 2.13. Model rangkaian arc universal yang direpresentasikan pada program ATP Draw Rangkaian model arc universal yang ditunjukkan oleh gambar 2.13 bekerja berdasarkan persamaan arc dinamis yang ditunjukkan pada persamaan 2.3. Arus arc digunakan sebagai masukan dari sistem Transient Analysis Control System (TACS) yang ditunjukkan oleh gambar 2.14. Nilai arus arc absolut dibagi dengan parameter Varc. Hasil pembagian tersebut dikurangi oleh nilai konduktansi arc dari time-step sebelumnya. Hasil pengurangan yang diperoleh dibagi oleh konstanta waktu arc yang diperoleh dari persamaan 2.5. Resultan perhitungan yang diperoleh digunakan sebagai masukan dari Controlled Integrator tipe 58 untuk menyelesaikan persamaan 2.3. Konduktansi arc akan diperbarui untuk setiap waktu. Nilai inverse keluaran integrator diumpan balik ke rangkaian tenaga menggunakan TACS Controlled Resistance tipe 91. Keluaran integrator akan bernilai sama dengan keluaran sinyal reset RES ketika nilai sinyal control CTRL bernilai low. Pilihan ini berguna untuk menggambarkan kejadian reignition setelah terjadi zero crossing. Dengan demikian, interaksi arc dengan jaringan sistem tenaga dapat diperoleh. [elkhalashy]

Gambar 2.14. Diagram alir sistem TACS dari Rangkaian Arc[elkhalashy]2.10Deret Fourier Trigonometri

Analisis Fourier mampu memodelkan fenomena periodik yang sering muncul di bidang teknik, seperti bagian mesin yang berputar, arus tak searah (AC) atau pergerakan planet. Fungsi periodik dari fenomena tersebut dapat berupa fungsi yang rumit. Dengan analisis fourier, fungsi tersebut direpresentasikan dengan fungsi periodik trigonometri sederhana, yaitu berupa fungsi sinus dan cosinus. Representasi yang digunakan berupa deret tak hingga yang disebut deret fourier.Deret fourier adalah deret tak terhingga yang merepresentasikan fungsi periodik dalam bentuk fungsi sinus dan cosinus. Sebuah fungsi f(x) disebut fungsi periodik jika f(x) terdefinisi untuk semua bilangan real x, kecuali pada beberapa titik dan apabila terdapat bilangan positif T, yang disebut periode dari fungsi f(x) sehingga persamaan 2.6 terpenuhi untuk semua x. Contoh fungsi periodik yang umum adalah fungsi sinus, cosinus, tangent, dan cotangent. [kreyzig]

(2.6)Apabila terdapat suatu fungsi f(x) dengan periode T, maka fungsi tersebut dapat dijabarkan dalam persamaan deret Fourier yang ditunjukkan oleh persamaan 2.7.

(2.7)Bentuk deret fourier pada persamaan 2.7. dapat diringkas menjadi persamaan 2.8,

(2.8)dengan adalah frekuensi dasar dari fungsi f(t) yang dijabarkan dalam persamaan 2.9.

(2.9)Pada persamaan 2.8, dan menyatakan komponen fundamental dari fungsi f(t). Sedangkan dan merupakan komponen harmonik ke-n dari fungsi f(t). Apabila n bernilai ganjil maka komponen harmonik tersebut disebut komponen harmonik ganjil dan bila n bernilai genap maka komponen harmonik tersebut disebut komponen harmonik genap. Pada persamaan 2.8, terdapat koefisien yang belum diketahui nilainya, yaitu a0, an dan bn. Ketiga koefisien tersebut disebut koefisien fourier yang dapat dicari dengan formula Euler yang dinyatakan dalam Persamaan 2.10, 2.11, dan 2.12.

(2.10)

(2.11)

(2.12)Persamaan 2.8 dapat dinyatakan dalam bentuk lain yang ditunjukkan oleh Persamaan 2.13 dan Persamaan 2.14.

(2.13)

(2.14)dengan :

= Fasa Spektrum harmonik ke-n (2.15)

= Amplitudo Spektrum harmonik ke-n (2.16)Berdasarkan persamaan 2.14, jika terdapat data nilai amplitudo dan fasa spektrum harmonik dari suatu gelombang, maka model persamaan deret fourier dari gelombang tersebut dapat dibentuk. Model persamaan deret fourier tersebut dapat menghasilkan bentuk gelombang dan spektrum harmonik yang mirip dengan bentuk gelombang dan spektrum harmonik dari gelombang awal. [hasibuan]_1469526607.vsdTeganganMasukanOsiloskop

I

ResistorUkur 1 M

Dihubungkan pada End-Fitting Elektroda Uji

Dihubungkan pada Ground