buku teksol
DESCRIPTION
elektroTRANSCRIPT
DAFTAR ISI
Daftar Isi----------------------------------------------------- 1
BAB I Isulator--------------------------------------------- 2
BAB II Material Isolasi Tegangan Tinggi----------- 12
2.1. Syarat Material Isolasi Listrik -------------------------------- 12
2.2. Sifat dan pengujian material isolasi ----------------- 15
BAB III Jenis Bahan Isolasi---------------------------- 31
BAB IV Isolasi Padat------ ----------------------------- 46
BAB V Isolasi Gas----- -------------------------------- 58
BAB VI Isolasi Cair---- -------------------------------- 71
1
BAB IISULATOR
Isolator :
mempunyai sifat dapat mengisolir arus listrik,
memiliki tahanan listrik (resistansi) yang besar sekali.
susunan atomnya sedemikian rupa sehingga elektronvalensinya
sulit berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, karena celah
energinya (energy gap) besar sekali.
Jika terjadi perpindahan elektron dari pita valensi ke pita
konduksi, dengan perkataan lain terjadi tegangan tembus
(breakdown voltage).
Pada bahan isolasi, arus bocor, Ii, relatif sangat kecil bila
dibandingkan dengan arus yang melewati penghantarnya. Ada
dua kemungkinan jalannya arus bocor:
1. Melalui bahan isolasi
2. Melalui permukaan isolasi
2
Klasifikasi bahan isolasi
1. Klasifikasi bahan isolasi berdasarkan suhu kerja maksimum:
Kelas Suhu kerja maksimum
Y 90° C
A 105° C
E 120° C
B 130° C
F 155° C
H 180° C
C diatas 180° C
2. Klasifikasi bahan isolasi berdasarkan wujudnya :
Bahan isolasi yang berbentuk gas
Bahan isolasi yang berbentuk cair
Bahan isolasi yang berbentuk padat
3
I. Bahan isolasi yang berbentuk gas
a. Udara
Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapat dan
mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu 30kV/cm.
Susunan udara di muka bumi, terdiri atas 79% Nitrogen
(N2) dan 20% Oksigen (O2), sedangkan sisanya adalah sekitar
1% terdiri dari: Argon, Helium, Neon, Kripton, karbondioksida
dan lain-lain.
Pada sistem jaringan tenaga listrik, maka udara merupakan
bahan penyekat antara kawat konduktor atau antara kawat
konduktor dengan tanah. Pada tekanan yang tidak terlalu tinggi,
udara merupakan bahan penyekat yang baik, kebocoran melalui
udara adalah kecil sekali. Tetapi pada tekanan yang cukup
tinggi, maka akan terjadi loncatan elektron di udara. Udara
sering juga digunakan sebagai pendingin.
B. Hidrogen
Sifat-sifatnya adalah:
tidak berwarna dan tidak berbau,
merupakan gas yang teringan,
mudah terbakar tetapi tidak memelihara pembakaran,
bila bercampur dengan udara mudah meletus
4
tegangan tembusnya 18 kV/cm
gas hidrogen ekonomis bila dipergunakan pada mesin-
mesin kapasitas 15 MW ke atas.
Keuntungan pengunaan gas hidrogen dibandingkan dengan
udara
Kebisingan suara berkurang
Temperatur pendinginan yang dibutuhkan relatif rendah
Efisiensi dapat naik antara 0,7 sampai 1% lebih tinggi dengan
kepekatan Hidrogen 8 sampai 10 kali lebih rendah daripada
udara.
Daya hantar panas hidrogen 6 sampai 7 kali lebih besar daripada
udara.
Tidak membutuhkan pengamanan terhadap bahaya kebakaran
(hidrogen tidak memelihara kebakaran).
C. Sulfur Heksafluorida (SF6)
Sulfur heksafluorida (SF6) merupakan suatu gas hasil
reaksi eksotermis antara unsur sulfur dengan fluor :
S + 3 F2 SF6 + 262
kkalori
Sifat-sifatnya :
5
Merupakan gas terberat (massa jenisnya 6,14 kg/m3 atau sekitar
5 kali berat udara )
Tidak mudah terbakar
Tidak larut dalam air
Tidak beracun
Tidak berwarna dan tidak berbau
Tegangan tembusnya sangat tinggi yaitu 75 kV/cm
Tepat sekali digunakan sebagai pendingin pada peralatan
listrik yang menimbulkan panas atau bunga api.
II. Bahan isolasi berbentuk cair
Bahan isolasi cair biasanya digunakan sebagai
bahan pengisi pada beberapa peralatan listrik, misalnya:
transformator, rheostat dsb. Dalam hal ini, bahan isolasi cair
berfungsi sebagai isolator arus listrik dan sekaligus sebagai
pendingin. Oleh karena itu bahan isolator cair harus mempunyai
tegangan tembus yang besar dan daya hantar panas yang tinggi.
a. Minyak transformator
Fungsi minyak transformator adalah mengeluarkan
panas yang ditimbulkan arus listrik dalam kumparan dan
melindungi kumparan transformator dari pengaruh air.
6
Tegangan tembus minyak transformator untuk jarak 2,5 mm :
Tegangan
kerja
Minyak baru Minyak sedang dipakai
> 35 kV 40 kV 35 kV
6-35 kV 30 kV 25 kV
< 6
kV
30 kV 20 kV
Agar minyak transformator dapt berfungsi sebagai
pendingin yang baik, maka kekentalannya tidak boleh terlalu
tinggi agar mudah bersirkulasi di dalam tangki. Untuk
memperpanjang umur minyak transformator, bisa dilakukan
dengan cara mencampurnya dengan senyawa tertentu, antara
lain dengan paraoksi diphenilamin. Senyawa tersebut
dimasukkan ke dalam minyak transformator yang telah dipanasi
hingga 85oC. Campuran yang terjadi, konsentrasinya dibuat
0,1% dan selanjutnya didinginkan. Minyak transformator yang
sudah diberi senyawa paraoksi diphenilamin akan berwarna
kemerah-merahan.
7
III. Bahan isolasi padat
a. Bahan tambang
Bahan tambang merupakan bahan yang asalnya didapat
dari penggalian tanah. Bahan ini ada yang berbentuk bijih (besi,
timah, seng dan lain-lain), dan harus diproses terlebih dahulu
dalam dapur untuk mendapatkan bahan yang dikehendaki.
Selain itu ada beberapa brongkolan/batu (pualam, batu tulis dan
sebagainya).
1. Batu pualam
Yang dimaksud dengan batu pualam adalah batu kapur
(CaCo3) atau dolimit yang dipoles. Sifat-sifatnya yaitu ada yang
berwarna putih, kuning, kelabu dan lain-lain tergantung dari
warna pigmen, mudah pecah dan berat, dan mudah menghisap
air atau minyak. Karena sifat-sifat tersebut diatas, maka
sekarang batu pualam jarang dipakai sebagai bahan isolasi.
2. Asbes
Asbes merupakan bahan yang berserat, tidak kuat dan
mudah putus. Selain itu asbes tidak bisa terbakar jadi tahan
panas tinggi. Asbes dapat dibuat lempeng-lempeng tipis, yang
disebut kertas asbes. Sedangkan semen asbes dibuat dari bahan-
bahan semen Portland sebagai pengikat dari asbes, kemudian
dipres dalam keadaan dingin dan dibuat dalam bentuk papan,
8
lempeng, tabung dan lain-lain. Asbes disamping digunakan
sebagai penyekat panas, juga sebagai penyekat listrik. Sebagai
penyekat listrik, asbes digunakan pada tegangan rendah. Untuk
mempertinggi daya sekat listriknya, asbes dicelupkan dalam
vernis, sirlak atau bahan penyekat lainnya, sehingga daya
mekanis dan daya tahanan airnya lebih kuat.
3. Mika
Sifat-sifat dari mika adalah kekuatan dielektriknya 3.000
V/mm, dielektric loss factornya rendah, tahanan listriknya
tinggi, tahan terhadap panas dan lembab, kekuatan mekanisnya
baik, temperaturnya kerjanya baik, dan mudah lentur tetapi kuat
Bentuk senyawa dari mika :
Mika alam, Muscovita [KAl2, AlSi3O(OH)2] disebut juga
Lonit mika, merupakan bahan yang paling banyak
digunakan. Selain itu Phlogopite [KAl2, AlSiO3(OH)2]
sifat-sifatnya tidak sebaik Muscovite, tetapi tahan
terhadap temperatur tinggi, mempunyai kestabilan yang
tinggi dan jernih.
Mika sintetis, fluorophlogopite, mika ini dibuat dengan
jalan memanaskan campuran antara silikat, aluminium,
magnesium, dan ditambahkan kedalam Fluorence
9
Compound. Susunan atomnya hampir sama dengan
phlogopite.
Penggunaan mika :
Sebagai bahan isolasi yang terpenting seperti elemen-
elemen pemanas mesin-mesin elektrik
Sebagai bahan dielektrik termasuk kelas C, karena tahan
terhadap temperatur, bila dicampur dengan dielektrik
kelas A akan membentuk golongan perantara B dan bila
dicampur dengan silikon menghasilkan bahan dielektrik
kelas H dipergunakan sebagai bahan pengisi kapasitor.
Sebagai bahan kapasitor, mica receiving, mica
transmitting dan mica reconstituted.
4. Mekanit
Merupakan mika yang dirubah sesuai dengan kebutuhan
pemakainya. Contohnya :
polat mekanit, mekanit komutator, pita mekanit.
b. Bahan-bahan berserat
10
Ada tiga macam golongan dasar yang dipergunakan yaitu
tumbuh-tumbuhan, binatang, dan bahan tiruan. Sebenarnya
bahan ini kurang baik sebagai penyekat listrik, karena sifatnya
yang sangat menyerap cairan. Kita tahu bahwa cairan dapat
merusak penyekat dan daya sekat listrik akan turun. Faktor-
faktor yang menyebabkan bahan serat dipakai sebagai penyekat
listrik adalah bahannya akan melimpah sehingga harganya
murah, daya mekanisnya cukup baik (kuat dan fleksibel),
dengan disusun berlapis-lapis dan dengan dicampur zat-zat lain,
dapat diperbaiki daya mekanisnya, daya sekatnya dan
ketahanannya terhadap panas.
Contohnya benang, terbuat dari atau sutra. Tekstil, terbuat
dari benang yang ditenun dan dijadikan pita atau kain.selain itu
dikenal juga tekstil tiruan, misalnya nilon, tetoron, decron, trilin
dan sebagainya..
11
BAB IIMATERIAL ISOLASI PADA
TEKNOLOGI TEGANGAN TINGGI
Penentuan ukuran sistem isolasi membutuhkan
pengetahuan yang akurat tentang jenis, besar dan
lama terjadinya tekanan listrik (electric stress) pada
kondisi lingkungan tertentu. Namun, di sisi lain,
karakterisitik material isolasi harus pula diketahui
sehingga dapat diperoleh rancangan sistem isolasi
yang paling optimum atau ekonomis. Masalah yang
timbul adalah penentuan karakteristik material isolasi
dilakukan dengan sampel model pada kondisi standar,
sehingga interpolasi nilai-nilai model ini terhadap
sistem isolasi yang nyata seringkali tidak
sesuai. Selain itu, banyak nilai dari karakteristik
material isolasi diarahkan ke masalah statistik agar
penentuan dimensi sistem isolasi harus dilakukan
dengan batas keamanan yang sesuai.
12
1.1. Syarat material isolasi
Fungsi yang paling penting dari material
isolasi adalah untuk mengisolasi konduktor
bertegangan satu sama lain dan terhadap bumi.
Namun, selain itu, material isolasi harus memiliki
fungsi mekanis dan mampu bertahan terhadap tekanan
termal dan kimia. Tekanan-tekanan tersebut
seringkali terjadi secara simultan, sehingga efek
bersama dari berbagai parameter tersebut dapat
diketahui.
Bergantung pada jenis aplikasiya, ada beberapa
persyaratan yang ditentukan untuk karakteristik
listrik dari material isolasi:
Memiliki kekuatan elektrik yang tinggi, untuk
mendapatkan ukuran yang kecil dan biaya rendah
dengan volume material sesedikit mungkin.
Memiliki dielektrik losses yang rendah, untuk
mencegah terjadinya pemanasan lebih pada material
isolasi
Memiliki kekuatan tracking yang tinggi selama
terjadinya tekanan pada permukaan material, untuk
mencegah terjadinya tracking atau erosi.
Memiliki konstanta dielektrik yang sesuai
13
Persyaratan mekanik diperlukan karena material
isolasi merupakan material konstruksi yang memiliki
karakteristik beban tertentu. Beberapa sifat yang
penting pada material isolasi adalah:
Kekuatan tensil (misalnya pada isolator saluran
udara)
Kekuatan tarik (post isolator pada gardu induk)
Kekuatan tekanan (isolator pedestal pada antena)
atau
Kekuatan menahan tekanan (isolator CB dengan
tekanan internal).
Karakteristik mekanis seperti modulus elastisitas,
kekerasan dan lain-lain merupakan karakteristik yang
sangat berhubungan dengan tekanan dan perancangan
yang sesuai.
Peralatan listrik seringkali mengalami kenaikan
temperatur pada operasi normal sebagaimana pada
kondisi gangguan. Spesifikasi dari sifat termal
seperti kekuatan bertahan terhadap panas yang tinggi,
kekuatan bertahan yang baik terhadap panas,
konduktivitas termal yang tinggi, koefisien ekspansi
termal yang rendah, dan kekuatan bertahan terhadap
busur api yang tinggi.
Material isolasi juga harusnya tidak sensitif
terhadap kondisi lingkungannya. Oleh karena itu
14
material isolasi hendaknya memiliki beberapa sifat
lain seperti: memiliki ketahanan terhadap ozone,
impermeabilitas, bersifat higroskopik, daya serap air
rendah, dan kestabilan radiasi.
Sifat-sifat teknologi seperti kemampuan proses
dan kerja yang tinggi, homogen, kestabilan ukuran
dan lain-lain yang penting untuk produksi ekonomis
harus pula diperhitungkan.
Material isolasi yang diterapkan pada sistem
tegangan tinggi harus memenuhi persyaratan yang
seringkali bertentangan. Oleh karena itu, pemilihan
material isolasi untuk aplikasi tertentu harus melalui
kompromi antara syarat-syarat dan sifat-sifat yang
harus dipenuhi.
2.2. Sifat dan pengujian material isolasi
2.2.1 Sifat listrik
a) Kuat medan tembus Kuat medan tembus merupakan sifat material
yang sangat penting yang sangat berhubungan dengan
ukuran material, meskipun tidak menggambarkan
spesifikasi tetap dari material. Hal ini disebabkan
adanya pengaruh parameter lain seperti jari-jari
lekukan isolasi dan permukaan elektroda, ketebalan
15
lapisan, jenis tegangan, lamanya tekanan, tekanan
udara, temperatur, frekuensi dan kelembaban. Untuk
material isolasi dan konfigurasi elektroda tertentu,
nilai-nilai yang berhubungan dengan hal-hal di atas
telah tersedia (misalnya, untuk udara dan SF 6pada
kondisi standar dan konfigurasi yang berbeda). Pada
kasus yang lain, tegangan tembus isolasi untuk
aplikasi tertentu harus ditentukan secara pengujian.
Untuk material isolasi padat, kriteria tertentu
tersedia dari pengukuran tegangan tembus atau kuat
medan tembus pada plat uji pada medan homogen
atau kurang homogen. Material isolasi gas dan cair
diuji di antara segmen-segmen sferis.
pengaturan pengujian standar untuk penentuan kuat medan tembus pada atau foil sampai ketebalan 3 mm. Untuk mencegah pelepasan muatan permukaan pada plat, keseluruhan pengaturan dilakukan pada cairan isolasi dengan konstanta dielektrik yang konstan. Pengaturan elektroda dari segmen sferis dapat dilihat pada gambar 2 dengan menggunakan material isolasi cair dan gas yang dapat diatur agar kegagalan (tegangan tembus) tercapai pada jarak celah 6.5 mm.
16
Pengujian tegangan tembus dilakukan dengan
tegangan bolak-balik, yang dinaikkan dari tegangan
nol sampai tegangan tembus dalam orde 10-
20 detik. Nilai tengah dari tegangan tembus
ditentukan dari 5 sampel; jika ada nilai yang
melebihi 15% dari nilai tengah, maka harus diuji lagi
5 sampel tambahan sehingga nilai tengah ditentukan
dari 10 sampel uji. Kuat medan tembus dapat diuji
dari tegangan tembus dan jarak elektroda terkecil.
b) Tahanan isolasi
Sistem isolasi di lapangan memiliki beberapa
jenis dielektrik yang seringkali mengalami tekanan
dalam susunan paralel. Oleh karena itu, tahanan
isolasi dari isolator terdiri atas kombinasi paralel
tahanan permukaan dan tahanan volume. Sementara,
tahanan volume sendiri yagn biasanya dinyatakan
sebagai tahanan jenis dalam cm, tidak terpengaruh
oleh medium sekelilingnya, sedangkan tahanan
permukaan sangat dipengaruhi oleh kondisi
lingkungan seperti tekanan udara, temperatur,
kelembaban, debu, dan lain-lain.
Pengaturan pengukuran tahanan volume dari
sampel material isolasi plat dapat dilihat pada gambar
3. Elektroda hidup yang juga menopang sampel plat,
17
dipasang berlawanan dengan elektroda yang diukur.
Tahanan volume diukur dari tegangan searah yang
diberikan (100 V atau 1000 V) dan arus yang diambil
dari elektroda terukur. Cincin yang diatur secara
konsentris mengelilingi elektroda terukur dengan
jarak celah 1 mm untuk kesalahan pengukuran yang
disebabkan oleh arus permukaan.
Pengaturan pengujian khusus tersedia untuk
sampel material isolasi berbentuk tabung, untuk
gabungan isolasi yang dapat dilebur, dan untuk
material isolasi cair.
Material isolasi yang umum menunjukkan
tahana volume jenis 10 1 2–101 3cm, sedangkan
material superior dapat mencapai tahanan sampai
101 7 cm atau lebih besar lagi.
Untuk mengukur tahanan permukaan
digunakan pinggir pisau logam, dengan jarak celah 1
cm pada posisi 10 cm di atas permukaan material
isolasi pada pengujian dengan tegangan searah. Dari
tegangan dan arus, maka besar tahanan permukaan,
yang dinyatakan dalam ohm, dapat ditentukan.
c) Kekuatan tracking
Pada saat sistem isolasi diberikan tekanan
listrik, maka sebuah arus yang ditentukan oleh
18
besarnya tahanan permukaan akan mengalir pada
permukaan isolator yang mengarah pada terjadinya
kebocoran atau arus jalar. Sangat mudah dipahami
bahwa kondisi lingkungan seperti temperatur, tekanan
udara, kelembaban dan polusi akan sangat
menentukan besar arus bocor tersebut. Material
isolasi yang digunakan di lapangan seharusnya dapat
melawan arus bocor tersebut sehingga tidak ada atau
hanya sedikit sekali kerusakan yang terjadi pada
permukaan isolator.
Arus bocor akan menghasilkan tekanan termal
dan kimia pada permukaan. Efek yang dapat dilihat
akibat tekanan yang berlebih adalah munculnya jalur-
jalur retak akibat dekomposisi material; kerusakan ini
dapat muncul dalam bentuk jalur konduksi yang
menghasilkan tekanan elektrik lanjutan atau erosi,
yang akan meninggalkan jalur retak lagi sesudahnya.
Meskipun sifat isolasi dipengaruhi oleh erosi,
misalnya oleh deposisi debu, tetapi kemampuan
tekanan elektrik tidak dipengaruhi. Erosi dapat
terjadi baik pada plat maupun pit (gambar 4).
Tracking tidak terbatas hanya pada permukaan
isolasi di luar ruangan, melainkan juga dapat terjadi
pada permukaan isolasi di dalam ruangan jika kondisi
lingkungannya tidak mendukung,
19
bahkan tracking dapat pula terjadi permukaan isolator
yang di pasang di dalam peralatan. Hal ini
dipengaruhi oleh karakteristik dari material isolasi
itu sendiri, oleh bentuk dan penyelesaian elektroda
dan permukaan, dan juga oleh kondisi
eksternal.Flashover dapat bermula dari bergabungnya
beberapa jalur retak yang ada pada permukaan
isolator.
Pengujian kekuatan tracking dari material
isolasi dilakukan dengan menggunakan metode yang
telah digambarkan di atas. Pada metode KA dengan
mengacu pada VDE, elektroda platinum ditempatkan
pada sampel material isolasi dengan ketebalan
minimum 3 mm dan tegangan bolak-balik 380 V pada
pengaturan elektroda seperti yang ditunjukkan pada
gambar 5. Pipet dengan satu tetesan campuran uji
dengan konduktivitas tertentu dilakukan setiap 30
detik. Tetesan tersebut akan membasahi permukaan
material isolasi di antara kedua elektroda yang akan
menyebabkan arus bocor. Setelah jumlah tetesan
sampai waktu tertentu yang diset secara otomatis
tercapai, maka hasil pengujian segera dievaluasi, atau
lebar terbesar dari saluran yang terbentuk diukur.
d) Tahanan busur
20
Flashover yang terjadi sepanjang permukaan
material isolasi dengan busur-daya yang berturut-
turut sangat jarang terjadi, tapi pada dasarnya
gangguan tersebut tidak dapat dihindari pada sistem
isolasi di lapangan. Material isolasi yang
memperlihatkan pengaruh busur memiliki sifat listrik
dan mekanik yang bermacam-macam. Disebabkan
oleh temperatur busur yang tinggi dan sebagai
konsekuensi dari pembakaran tidak sempurna
material isolasi, jalur konduksi dapat terjadi
sehinggatidak boleh lagi mengalami tekanan listrik.
Untuk menenukan tahanan busur, elektroda
karbon yang disuplai tegangan searah 220V dipasang
pada plat isolasi. Dengan adanya busur pada
permukaan material isolasi, maka elektroda akan
digerakkan menjauh dengan kecepatan 1 mm/dtk
sampai jarak maksimum 20 mm. Enam level dari
tahana bususr, L1 sampai L6, ditentukan berdasarkan
tingkat kerusakan yang disebabkan oleh busur itu,
digunakan sebagai gambaran sifat material.
e) Konstanta dielektrik dan faktor disipasi
Konstanta dielektrik r disebabkan oleh efek
polarisasi pada material isolasi. Untuk material
21
isolasi di lapangan, yang jauh dari polarisasi
deformasi (elektronik, ion, dan polarisasi lapisan),
polarisasi orientasi penting karena material-material
isolasi memiliki dipol-dipol permanen pada struktur
molekulnya. Ini adalah penyebab utama terjadinya
losses polarisasi dan berpengaruh pada kebebasan
frekuensi dari r dan tan , yang sangat penting pada
aplikasi teknis.
Karena mekanisme polarisasi memiliki waktu
relaksasi berbeda-beda, perubahan r sebagai fungsi
frekuensi ditunjukkan pada gambar 6. Waktu
relaksasi yang berbeda menghasilkan batasan
frekuensi yang mana mekanisme berikutnya tidak ada
lagi, karena perpindahan dipol yang berhubungan
tidak terjadi. Inilah penyebab mengapa konstanta
dielektrik pasti berkurang. Dengan adanya perubahan
keadaan, variasi tahap r dapat terjadi akibat
perubahan mobilitas dipol.
Pada setiap daerah transisi konstanta
dielektrik, faktor disipasi tan memiliki nilai
maksimum. yang penting untuk sistem isolasi di
lapangan, yakni daerah frekuensi dimana polarisasi
orientasi hilang.
Hal penting tentang sifat material isolasi
bergantung pada tegangan dan temperatur. Jika kurva
22
tan = f(U) menunjukkan titik-lutut ionisasi, maka
hal itu membuktikan terjadinya titik awal pelepasan
muatan sebagian. Peningkatan losses polarisasi
disebabkan adanya konduksi ionik yang diketahui
dari kurva tan = f(). Pengukuran tan dan
penentuan r dilakukan dengan menggunakan
rangkaian jembatan.
1.2.2. Sifat termal
Pada peralatan dan instalasi yang disuplai
dengan listrik, panas dihasilkan oleh losses ohm
pada konduktor, melalui losses dielektrik pada
material isolasi dan melalui losses magnetisasi dan
arus eddy pada besi. Karena material isolasi memiliki
stabilitas termal yang sangat rendah, dibandingkan
dengan logam, maka kenaikan temperatur yang
diizinkan pada material isolasi seringkali membatasi
penggunaan dari peralatan. Oleh karena itu,
pengetahuan tentang sifat termal material isolasi
menjadi sangat penting dalam konstruksi dan
perancangan peralatan.
a) Panas jenis
Disebabkan adanya inersia dari pemindahan panas,
maka material isolasi harus memiliki kemampuan
23
menyerap pulsa termal sesaat, disebabkan oleh variasi
beban yang cepat, melalui kapasitasnsi termalnya
akibat peningkatan temperatur.
b) Pemindahan panas Selama terjadinya tekanan kontinu pada kondisi operasi yang statis, panas yang muncul sebagai akibat losses harus dipindahkan ke udara sekelilingnya. Mekanisme pemindahannya adalah konduksi, konveksi dan radiasi termal.
Untuk memindahkan panas dengan cepat dari
peralatan listrik dibutuhkan konduktivitas termal
yang baik. Hal ini dapat dilakukan dengan sangat
baik dengan menggunakan material isolasi kristal
karena susunan atom-atomnya teratur dalam lapisan
kristal dan jarak atonya yang kecil, sehingga terjadi
pemindahan atom yang sangat baik. Berbeda dengan
itu, material amorf memiliki konduktivitas termal
yang jelek, seperti yang telah dijelaskan pada contoh
kristal dan pasir kuarsa amorf. Untuk kristal
kuarsa = 6 – 12 W/mK, sedangkan untuk gelas
kuarsa = 1.2 W/mK. Sifat konduksi termal yang
baik pada kuarsa dapat meningkatkan nilai pada
cetakan yang diisi, ketika kuarsa kristal dalam bentuk
24
pasir atau bubuk kuarsa digunakan sebagai material
pengisi.
Untuk pemindahan panas secara konveksi, arus
termal P sebanding dengan luas batas A dan
perbedaan temperatur antara medium disipasi dan
absorpsi:
P = . A (T 1 – T 2)
Jumlah transisi termal bukanlah sebuah konstanta
material, melainkan bergantung pada beberapa
parameter seperti kerapatan dan panas jenis medium,
kecepatan aliran dan jenis aliran. Untuk perhitungan
awal, dapat digunakan nilai-nilai berikut:
dalam
W/m2K
Objek tetap / udara stasioner
Objek tetap / udara bergerak
Objek tetap / zat cair
3.4 – 35
12 – 600
250 - 6000
Karena nilai-nilai tersebut memiliki range yang
besar, maka untuk penggunaan di lapangan, perlu
dilakukan perhitungan lanjut untuk menentukan
nilai yang eksak dengan menggunakan literatur.
25
Pemindahan panas dengan radiasi tidak
dijelaskan secara detail di sini, sebab hanya penting
untuk pemasangan CB dan SF 6 .
c) Ekspansi Termal Linier
Material isolasi adalah material konstruksi
yang seringkali digunakan bersam dengan logam.
Pengganti dari ekspansi termal yang lebih besar dari
material isolasi organik adalah timbulnya tekanan
mekanis berlebih yang berahaya yang dapat
menimbulkan retak pada elektroda. Untuk material
isolasi inorganik ekspansi termal linier lebih rendah
daripada logam; sehingga adanya peningkatan
ekspansi termal dipengaruhi oleh jenis pengisi
material organik dengan zat-zat inorganik misalnya
epoxy resin dengan pasir kuarsa. Material yang
mengandung kistal sangat sering memiliki ekspansi
termal yang lebih besar daripada material amorf.
d) Kestabilan termal
Sifat penting dari material isolasi adalah
kemampuannya mempertahankan bentuknya
(shape retention) dari pengaruh panas; ada dua
metode untuk menentukannya. Menurut Martens,
26
kemampuan mempertahankan bentuk panas dapat
ditentukan dengan pengujian rod standar berukuran
10x15 mm 2 dan panjang 120 mm yang diberikan
tekanan pembengkokan yang seragam (uniform) pada
sepanjang rod tersebut sebesar 500 N/cm 2 . Pada saat
yang sama, temperatur lingkungan dinaikkan dengan
kecepatan 50 oC/jam. Temperatur pada saat rod
menjadi bengkok dinamakan kemampuan
mempertahankan bentuk panas. Untuk material
termoplastik digunakan metode Vicat.
Temperatur Vicat adalah temperatur dimana sebuah
jarum tumpul berukuran 1 mm2 yang diberikan gaya
10N atau 50N mampu menembus material isolasi
sampai kedalaman 10.1 mm.
Tabel berikut menunjukkan beberapa data yang
berhubungan:
Material
Shape retention
menurut Martens
dalam oC
Pada panas menurut
Vicat dalam oC
PVCPTFECetakan-EPPURPE
6070
sampai 160sampai 80
-
70 – 9075 – 100
--
40 – 75
27
Pada material plastik, cetakan tersebut tidak
hanya mengalami penurunan dalam kemampuan
tegangan, kekuatan kompresi dan pembengkokan,
melainkan juga mengalami perusakan sifat listrik dan
dielektrik.
Nilai shape tention yang besar pada terpaan
panas merupakan kelebihan bagi material isolasi
inorganik dibandingkan material organik.
2.2.3. Sifat Kimia
Pada saat zat-zat asing berdifusi ke dalam
material isolasi, maka material tersebut akan
mengalami perubahan kimia. Hanya material
inorganik seperti kaca dan keramik yang tidak dapat
diotembus (impermeable). Pada material organik
sintetis, difusi dapat terjadi pada molekuler polimer.
Kecepatan difusi bergantung pada struktur material
dan daya tarik-menarik antara material dan zat-zat
asing.
Contoh, semua material isolasi organik
menyerap uap air lewat proses difusi.Hal terebut akan
menimbulkan kerusakan sifat listrik dan dielektrik.
Garam yang dihasilakn dari proses hidrolisis atau
bahan pengotor akan meningkatkan konduktivitas dan
28
menyeabkan faktor disipasi dan kuat medan tembus
yang lebih buruk. Konstanta dielektrik air yang besar
akan mengubah konstanta dielektrik material dan
menyebabkan perubahan pada distribusi tegangan
pada tekanan dengan tegangan bolak-balik. Selain itu,
air yang terserap dapat menyebabkan perubahan
dimensi dan korosi pada elektroda.
Material isolasi yang digunakan di luar
ruangan memiliki permukaan dengan daya basah yang
rendah, sehingga bagian yang dekat dengan air harus
dihindari. Daya basah permukaan dinyatakan dengan
karakteristik air pada permukaan kering seperti yang
ditunjukkan pada gambar 7. Semakin besar sudut
vmax yang searah dengan kecepatan tetesan (drop)
air, maka semakin kecil daya basah permukaan
material. Nilai-nilai hasil percobaan dapat dilihat
pada tabel:
Material isolasi vm a x vm i n
Paraffin
Silicon rubber
Gelas, mika
110o
100o
0o
95o
90o
0o
29
Material-material inorganik seperti porselin
dan kaca, memiliki resistansi terhadap alkali dan
asam (kecuali terhadap asam hidrofluoric); sedangkan
material organik sangat rentan terhadap asam oksida,
alkali dan hidrokarbon. Untuk material isolasi yang
digunakan di luar ruangan, lapisan-lapisan polusi
basah dapat diuraikan dengan menggunakan tekanan
elektrik dan panas sehingga menghasilklanm zat
kimia tertentu yang jika berinteraksi dengan cahaya,
oksigen, ozon, panas dan radiasi UV, akan
menyebabkan kerusakan pada material isolasi.
30
BAB IIIJENIS BAHAN ISOLASI
Isolator terdiri dari isolator padat ,cair dan gas.
Penggunaan dari ketiga isolator ini tergantung dari sifat-
sifat atau karakteristik dari setiap bahan. Untuk teknik
tegangan tinggi perlu diperhatikan ketahanan dari suatu
isolasi tersebut untuk dapat menahan tegangan tinggi yang
disalurkan. Sifat dan karakteristik dari ke tiga isolasi akan
dijelaskan sebagai berikut:
A. BAHAN ISOLASI GAS
Bahan isolasi gas adalah digunakan sebagai pengisolasi dan
sekaligus sebagai media penyalur panas. Bahan isolasi gas yang
dibahas dalam bab ini adalah : udara, sulphur hexa fluorida (SF6)
sebagai titik berat di damping gas-gas lain yang lazim digunakan di
dalam teknik listrik.
1. Udara
31
Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan,
mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu 30 kV/ cm.
Contoh yang mudah dijumpai antara lain : pada JTR, JTM, dan
JTT antara hantara yang satu dengan yang lain dipisahkan dengan
udara. Hubungan antara tegangan tembus dan jarak untuk udara
tidak linier seperti ditunjukkan pada Gambar berikut
Gambar 1. Vt = f (celah udara) pada p = 1 atm, F = 50 Hz
2. Sulphur Hexa Fluorida
Sulphur Hexa Fluorida (SF6) merupakan suatu gas
bentukan antara unsur
32
sulphur dengan fluor dengan reaksi eksotermis :
S + 3 F2 ----------------SF6 + 262 kilo kalori
Molekul SF6 seperti ditunjukkan pada Gambar
Gambar. 2. Molekul sulphur hexa fluorida
Terlihat pada gambar 3.5 bahwa molekul SF6 mempunyai 6
atom Fluor yang mengelilingi sebuah atom Sulphur, di sini masing-
masing atom Fluo mengikat 1buah elektron terluar atom Sulphur.
Dengan demikian maka SF6 menjadi gas yang inert atau stabil
seperti halnya gas mulia. Sampai saat ini SF6 merupakan gas
terberat yang mempunyai massa jenis 6,139 kg/m3 yaitu sekitar 5
kali berat udara pada suhu 00 celsius dan tekanan 1 atmosfir. Sifat
lainnya adalah : tidak terbakar, tidak larut pada air, tidak beracun,
tidak berwarna dan tidak berbau. SF6 juga merupakan bahan isolasi
33
yang baik yaitu 2,5 kali kemampuan isolasi udara. Perbandingan
SF6 dengan beberapa gas lain seperti tercantum pada Tabel :
Tabel Sifat beberapa Gas
Seperti telah disebutkan di atas, bahwa untuk pembentukan SF6
timbulpanas, ini berarti bahwa pada pemisahan SF6 menjadi
Sulphur dan Fluor memerlukan panas dari sekelilingnya sebesar
262 k . kalori/ molekul. Hal ini tepat sekali digunakan untuk bahan
pendinginan pada peralatan listrik yang menimbulkan panas atau
bunga api pada waktu bekerja, misalnya : sakelar pemutus beban.
34
Sifat dari SF6 sebagai media pemadam busur api dan relevansinya
pada sakelar pemutus beban adalah :
Hanya memerlukan energi yang rendah untuk
mengoperasikan mekanismenya. Pada prinsipnya SF6
sebagai pemadam busur api adalah tanpa memerlukan
energi untuk mengkompresikannya, namun semata-mata
karena pengaruh panas busur api yang terjadi.
Tekanan SF6 sebagai pemadam busur api maupun sebagai
pengisolasi dapat dengan mudah dideteksi.
Penguraian pada waktu memadamkan busur api maupun
pembentukannya kembali setelah pemadaman adalah
menyeluruh (tidak ada sisa unsure pembentuknya)
Relatif mudah terionisasi sehingga plasmanya pada CB
konduktivitasnya tetap rendah dibandingkan pada keadaan
dingin. Hal ini mengurangi kemungkinan busur api tidak
stabil dengan demikian ada pemotongan arus dan
menimbulkan tegangan antar kontak.
Karakteristik gas SF6 adalah elektro negatif sehingga
penguraiannya menjadikan dielektriknya naik secara
bertahap.
Transien frekuensi yang tinggi akan naik selama operasi
pemutusan dan dengan adanya hal ini busur api akan
dipadamkan pada saat nilai arusnya rendah.
35
3. Gas-gas lain
Gas bentukan fluoro organic misalnya C7F14, C7F8, C14, F24
mempunyai tegangan tembus yang tinggi, berkisar antara 6 – 10
kali tegangan tembus udara. Pemakaian gas ini cocok untuk
bahan isolasi pada alat-alat pemutus.
Gas karbon dioksoda (CO2) dapat digunakan sebagai gas
residu pada bahan dielektrik cair (minyak) pada alat-alat
tegangan tinggi, antara lain : kabel dan trafo.
Gas neon adalah salah satu gas mulia yang banyak
digunakan sebagai bahan pengisi lampu-lampu tabung.
B. BAHAN ISOLASI CAIR
Bahan isolasi cair digunakan sebagai bahan pengisi pada
beberapa peralatan listrik, misalnya : transformator, pemutus
beban, rheostat. Dalam hal ini bahan isolasi cair berfungsi sebagai
pengisolasi dan sekaligus sebagai pendingin. Karena itu
persyaratan untuk bahan cair yang dapat digunakan untuk isolasi
antara lain : mempunyai tegangan tembus dan daya hantar panas
yang tinggi.
1. Minyak Transformator
36
Minyak transformator adalah minyak mineral yang diperoleh
dengan pemurnian minyak mentah. Dalam pemakaiannya, minyak
ini karena pengaruh panas dari rugi-rugi di dalam transformator
akan timbul hidrokarbon. Selain berasal dari minyak mineral,
minyak transformator dapat pula yang dapat dibuat dari bahan
organik, misalnya : minyak trafo Piranol, Silikon. Sebagai bahan
isolasi, minyak transformator harus mempunyai tegangan tembus
yang tinggi. Pengujian tegangan tembus minyak transformator
dapat dilakukan dengan menggunakan peralatan seperti
ditunjukkan pada Gambar
Gambar 4. Alat pengujian tegangan tembus minyak transformator
37
Jarak elektroda dibuat 2,5 cm, sedangkan tegangannya dapat diatur
dengan menggunakan auto-transformator sehingga dapat diketahui
tegangan sebelum saat terjadinya kegagalan isolasi yaitu terjadinya
locatan bunga api. Locatan bunga api dapat dilihat lewat lubang
yang diberi kaca. Selain itu dapat dilihat dari Voltmeter tegangan
tertinggi sebelum terjadinya kegagalan isolasi (karena setelah
terjadinya kegagalan isolasi voltmeter akan menunjukkan harga
nol. Tegangan temus nominal minyak transformator untuk
tegangan kerja tertentu dapat dilihat pada tabel 2.
Dengan demikian dapat diketahui apakah minyak
transformator ketahanan listriknya memenuhi persyaratan yang
38
berlaku. Ketahanan listrik minyak transformator dapat menurun
karena pengaruh asam dan dapat pula karena kandungan air.
2. bahan isolasi cair lain
Minyak untuk kabel yang berisolasi kertas dibuat lebih
kental daripada minyak trafo, disamping itu terdapat pula bahan
isolasi kabel yang di impregnasi dengan minyak yang kekentalan
rendah dengan pemurnian yang tinggi, yaitu kabel untuk tegangan
ekstra tinggi yang diisi minyak.
Disamping bahan-bahan diatas, terdapat pula isolasi cair
sintetis yang berisi chloor (hidrokarbon seperti difenil C10H12).
Bahan-bahan ini diantaranya: sovol, askarel, araclor, pyralen,
shibanol. Dan bahan isolasi cair lain yang lebih mahal dari minyak
trafo adalah minyak silicon.
C. BAHAN ISOLASI PADAT
Kaca dan porselin adalah tergolong bahan mineral, tetapi
penggunaannya tidak pada bentuk atau keadaan alaminya
melainkan harus diproses terlebih dahulu dengan pemanasan
(pembakaran), pengerasan dan pelumeran. Itulah sebabnya maka
pembahasannya dipisahkan dengan pembahasan bahan mineral
pada bab sebelumnya.
1. Kaca
39
Kaca adalah substansi yang dibuat dengan pendinginan
bahan-bahan yang dilelehkan, tidak berbentuk kristal tetapi tetap
pada kondisi berongga. Kaca pada umumnya terdiri dari campuran
silikat dan beberapa senyawa antara lain : borat, pospat. Kaca
dibuat dengan cara melelehkan beberapa senyawa silikat (pasir),
alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur, oksida timah hitam).
Karena itu sifat dari kaca tergantung dari komposisi bahan-bahan
pembentuknya tersebut. Massa jenis kaca berkisar antara 2 hingga
8,1 g/cm2, 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 di naikkan. Titik pelelehan
kaca berkisar antara 500 hingga 17000 C. Makin sedikit kandungan
S1O2 nya makin rendah titik pelembekan suatu kaca. Demikian
pula halnya dengan muai panjang () nya, makin banyak kadar
S1O2 yang dikandungnya akan makin kecil nya. Muai panjang
untuk kaca berkisar antara 5,5-10-7 hingga 150. 10-7 per derajat
celcius.
2. Sitol
Sitol mempunyai bahan dasar kaca yang merupakan
pengembangan baru. Pemakaian sitol adalah sangat luas, struktur
40
dan sifat-sifatnya adalah diantara kaca dan keramik. Sitol juga
disebut keramik-kaca atau kaca kristal. Yang banyak dijumpai
dipasaran antara lain : pyroceram, vitoceram. Sitol mempunyai
struktur kristal yang halus (hal ini yang membedakannya dengan
kaca biasa) tetapi berongga. Tidak seperti halnya keramik biasa,
sitol tidak dibuat dengan pembakaran tetapi cenderung dengan fusi
dari bahan-bahan mentahnya dengan menjadikannya meleleh dan
kemudian kristalisasi.
3. Porselin
Porselin adalah bahan isolasi kelompok keramik yang sangat penting dan luas penggunaannya. Istilah bahan -bahan keramik adalah digunakan untuk semua bahan anorganik yang dibakar dengan pembakaran pada suhu tinggi dan bahan asal berubah substansinya. Bahan dasar dari porselin adalah tanah liat. Ini berarti bahan dasar tersebut mudah dibentuk pada waktu basah, tetapi menjadi tahan terhadap air dan kekuatan mekaniknya naik setelah dibakar. Penggunaan isolator dari porselin antara lain : isolator tarik, isolator penyangga, rol isolator seperti dapat dilihat pada gambar ;
41
Gambar 5. Beberapa isolator porselin
D. BAHAN ISOLASI BERSERAT
Kelebihan dari bahan berserat adalah mempunyai
fleksibilitas yang baik, kekuatan mekanis yang tinggi, mudah
diproses dan murah harganya. Adapun kekurangannya adalah
higroskopis dan tegangan tembusnya rendah.
Jenis-jenis bahan isolasi berserat:
Kayu
Kertas
Tekstil
Akhir-akhir ini banyak tekstil sintetis yang digunakan
sebagai bahan isolasi karena mempunyai beberapa keuntungan
antara laian: kekuatan mekanis, elastisitas, dan tahan panas yang
tinggi, higroskopisitas rendah dan lebih stabil terhadap pengaruh
kimia. Serat sintetis diantanya adalah poliamid (nilon, kapron,
42
silon, dedron), serat polyester (lavsan, terilin, tetron, dakron),
seratpolistirin (PVC).
Bahan berserat anorganik : Asbes dan Fiberglass
E. BAHAN ISOLASI MINERAL
Bahan isolasi mineral diperoleh dari tambang dan
digunakan sebagai isolasi pada ikatan kimia atau keadaan
alaminya tanpa proses kimia atau termal sebelumnya.
Jenis-jenis bahan isolasi minerlal:
Mika
Mikanit
Mikanit komutator
Mikanit lempengan
Mikanit cetakan
Kertas mika
Mikanit fleksibel
Pita mika
Marmer
Batu tulis
Klorida
F. BAHAN ISOLASI PLASTIK
43
Plastik adalah bahan sintetis yang dapat dibentuk dengan
pemanasan dan dapat diperkeras bergantung pada strukturnya.
Bahan isolasi plastic terdiri dari :
NYA
NYM
NYY
Mikaleks
Karet
1. Karet butadin
2. Karet butil
3. Karet polichloropen
4. Karet silicon
G. BAHAN ISOLASI SERAT OPTIK
Sebagaimana namanya maka serat optik (fiber optic)
dibuat dari gelas silika dengan penampang berbentuk lingkaran
atau bentuk-bentuk lainnya. Pembuatan serat optik (fiber optic)
dilakukan dengan cara menarik bahan gelas kental-cair sehingga
dapat diperoleh serabut atau serat gelas dengan penampang
tertentu. Proses ini dikerjakan dalam keadaan bahan gelas yang
panas. Yang terpenting dalam pembuatan serat optik (fiber
44
optic) adalah menjaga agar perbandingan relatif antara
bermacam lapisan tidak berubah sebagai akibat tarikan. Proses
pembungkusan seperti pemberian bahan pelindung atau proses
pembuatan satu ikat kabel yang terdiri atas beberapa buah
hingga ratusan kabel pengerjaannya tidak berbeda dengan
pembuatan kabel biasa.
Perkembangan terakhir, pemakaian serat optic sebagai
saluran tranmisi komunikasi jarak jauh lebih menguntungkan
jika dibandingkan dengan transmisi konvensional, antara lain:
saluran 2 kawat sejajar kabel koaksial.
Serat optik (fiber optic) adalah suatu pemandu gelombang cahaya
(light wave guide) yang berupa suatu kabel tembus pandang
(transparant), yang mana pemampang dari kabel tersebut terdiri dari
dua bagian, yaitu : bagian tengah yang disebut “Core” dan bagian
luar yang disebut “Cladding”. Cladding pada serat optik
membungkus atau mengelilingi Core. Adapun bentuk pemampang
dari core dapat bermacam-macang, antara lain : pipih, segi tiga, segi
empat, segi banyak atau berbentuk lingkaran.
45
BAB IVISOLASI PADAT
4.1 Umum
Dalam teknik tegangan tinggi, fungsi yang paling utama
dari suatu bahan isolasi adalah untuk mengisolasi konduktor
yang membawa tegangan terhadap yang lainnya sama baiknya
terhadap tanah. Dan sebagai tambahannya, harus sering
melakukan fungsi mekanis dan harus mampu menahan
penekanan termal dan kimia. Serta juga memiliki daya tahan
yang lama atau usia daya tahannya di bawah jenis-jenis
penekanan yang bervariasi yang dihadapi dalam praktek sebagai
pertimbangan penentuan aplikasi ekonomis.
Bahan dielektrik padat digunakan pada hampir seluruh
rangkaian listrik dan peralatan listrik untuk mengisolir bagian-
bagian pembawa arus dari bagian lainnya. Bahan dielektrik
padat yang baik harus mempunyai rugi-rugi dielektrikum yang
46
rendah, kekuatan mekanis yang tinggi, bebas dari kemungkinan
pembentukan gas dan debu, dan tahan terhadap perubahan
temperatur dan pengaruh kimia.
Isolasi padat mempunyai kekuatan tegangan tembus
yang tinggi dibandingkan dengan isolasi cair dan gas. Studi
yang paling penting dalam teknik isolasi adalah studi tegangan
tembus dari dielektrikum padat. Jika terjadi tembus, maka
isolasi padat akan rusak secara permanen sedangkan pada isolasi
gas akan kembali ke sifatnya semula dan pada isolasi cair
sebagian akan kembali ke sifatnya semula dan sebagian lainnya
tidak.
4.2 Kekuatan Dielektrik
Salah satu tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah
untuk meneliti sifat-sifat elektris dielektrik bahan yang telah
dipakai sebagai bahan isolasi peralatan listrik maupun yang
masih dalam tahap penelitian. Adapun sifat-sifat elektrik bahan
dielektrik adalah :
1. Kekuatan Dielektrik
47
2. Konduktansi
3. Rugi-rugi Dielektrik
4. Tahanan Isolasi, dan
5. Peluahan Parsial
Dalam tulisan ini sifat elektrik yang akan dibahas adalah
sifat kekuatan dielektrik bahan isolasi. Suatu bahan dielektrik
tidak mempunyai elektron bebas, tetapi mempunyai elektron-
elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk
dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.1 diperlihatkan suatu bahan
dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring
sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah, maka timbul
medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini
memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari
ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan
elektrik merupakan suatu beban bagi dielektrik yang menekan
dielektrik agar berubah menjadi konduktor.
Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan
elektrik (Volt/cm). Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan
untuk memikul terpaan elektrik.
48
Gambar 4.1 Terpaan Elektrik Dalam Dielektrik
Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas
yang diizinkan dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik
akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya
sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik dikatakan tembus
listrik atau "breakdown". Terpaan elektrik tertinggi yang dapat
dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus
listrik disebut kekuatan dielektrik.
49
Tidak selamanya terpaan elektrik dapat menimbulkan
tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu :
1. Terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar
atau sama dengan kekuatan dielektriknya.
2. Lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama
dengan waktu tunda tembus dari dielektrik.
Yang dimaksud dengan waktu tunda tembus (time lag)
adalah waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadinya ionisasi
sampai terjadinya tembus listrik. Untuk tegangan sinusoidal
frekuensi daya dan untuk tegangan searah syarat kedua di atas
tidak berlaku, karena waktu puncak tegangan berlangsung dalam
orde mili detik sedangkan waktu tunda tembus listrik ordenya
dalam mikro detik. Tetapi untuk tegangan impuls yang
durasinya dalam orde mikro detik kedua syarat tersebut harus
dipenuhi. Untuk tegangan impuls sekalipun tegangan yang
diberikan telah menimbulkan terpaan elektrik yang lebih besar
dari kekuatan dielektrik, masih ada kemungkinan dielektrik
tidak tembus. Kemungkinan ini terjadi jika terpaan elektrik yang
melebihi kekuatan dielektrik itu berlangsung lebih singkat dari
waktu tunda tembus listrik.
50
Lamanya waktu tunda tembus listrik tidak merata, oleh
karena itu ditentukan dengan statistik, sehingga terpaan elektrik
yang menimbulkan tembus listrik dinyatakan dalam suatu harga
statistik, yaitu harga yang memberikan probabilitas tembus 50
%. Tegangan yang menyebabkan dielektrik tembus listrik
disebut tegangan tembus atau breakdown voltage.
4.3 Dielektrik Padat dan Proses Kegagalannya
Atom-atom yang menyusun zat padat terikat kuat satu
sama lain. Keistimewaan yang paling menyolok dari
kebanyakan zat padat adalah atom-atomnya (atau grup-grup
atom) yang tersusun oleh sebuah derajat tinggi dari urutan pola
yang berulang-ulang yang teratur dalam tiga dimensi yang
disebut kristalin. Zat padat yang atom-atomnya disusun dalam
sebuah model yang tidak beraturan disebut non-kristalin atau tak
berbentuk. Oleh karena sebagian besar dari sistem pengisolasian
komersial adalah zat padat, studi kegagalan dielektrik padat
menjadi sangat penting pada studi isolasi.
Penerapan medan elektrik yang tinggi pada material
dielektrik padat dapat menyebabkan gerakan pembawa muatan
51
bebas, injeksi muatan dari elektroda-elektroda, penggandaan
muatan, formasi ruang muatan dan disipasi energi dalam
material. Oleh karena kondisi-kondisi tersebut, yang dapat
terjadi secara tunggal atau kombinasi, maka akhirnya mengacu
pada material mengalami kegagalan elektris yang disebut juga
breakdown.
Pada prinsipnya dan dalam kondisi percobaan tertentu,
mekanisme kegagalan dalam zat padat sama dengan proses yang
terjadi pada gas dan udara. Perbedaannya, kegagalan dalam zat
padat sedikit lebih rumit, karena ada mekanisme kegagalan yang
tidak dijumpai pada kegagalan gas. Nilai suatu zat padat
tergantung dari cara dan kondisi pengukuran.
Mekanisme kegagalan pada zat padat merupakan
mekanisme yang rumit dan tergantung pada lama diterapkannya
tegangan pada material dielektrik tersebut seperti ditunjukkan
pada Gambar 2.2. Mekanisme tersebut adalah sebagai berikut :
1. kegagalan asasi (intrinsik)
2. kegagalan elektromekanik
3. kegagalan streamer
4. kegagalan termal
52
5. kegagalan erosi
Gambar 4.2 Variasi tegangan tembus dan mekanisme kegagalan
dengan waktu penerapan tegangan
4.3.1 Kegagalan Asasi (Intrinsik)
53
Kegagalan asasi atau kegagalan intrinsik adalah
kegagalan yang berasal dari atau disebabkan oleh jenis dan suhu
bahan, dengan mengabaikan pengaruh faktor-faktor luar seperti
tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong-kantong
udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang diterapkan pada
bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai
tertentu, yaitu 106 Volt/cm dalam waktu yang sangat singkat (10-
8 detik). Kegagalan intrinsik ini merupakan bentuk kegagalan
yang paling sederhana.
4.3.2 Kegagalan Elektromekanik
Kegagalan elektromekanik terjadi disebabkan oleh
adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit
isolasi padat. Jika pada isolasi padat tersebut diberikan tegangan
dengan polaritas yang berbeda, maka akan timbul tekanan
(stress) listrik pada bahan tersebut yang dilanjutkan dengan
timbulnya tekanan (pressure) mekanis. Tekanan mekanis ini
terjadi akibat gaya tarik menarik F antar kedua elektroda
tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3 untuk tekanan
54
listrik sebesar 106 Volt/cm dan akan dihasilkan tekanan mekanis
sebesar 2-6 kg/cm2.
4.3.3 Kegagalan Streamer
Jika diterapkan tegangan V pada zat padat yang terapit
oleh elektroda bola-bidang, maka pada medium yang
berdekatan, misalnya gas atau udara, akan timbul tegangan. Gas
yang mempunyai permitivitas yang lebih rendah dari zat padat
akan mengalami tekanan listrik yang besar. Akibatnya, gas atau
udara tersebut akan mencapai kekuatan asasinya. Karena
kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan pada
permukaan zat padat, sehingga medan yang tadinya seragam
akan terganggu. Konsentrasi muatan pada ujung pelepasan ini
dalam keadaan tertentu mengakibatkan timbulnya medan lokal
yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan ini lebih
besar dari kekuatan intrinsik, maka akan terjadi kegagalan pada
zat padat tersebut. Proses kegagalan pada zat padat ini terjadi
sedikit demi sedikit sehingga akhirnya zat padat gagal
seluruhnya.
4.3.4 Kegagalan Termal
55
Bila suatu medan diterapkan dalam suatu zat padat pada
suhu normal, maka arus konduksi akan terjadi dalam bahan pada
umumnya kecil. Dalam hal ini tidak akan terjadi apa dalam zat
padat, walaupun E sudah cukup besar. Panas yang dibangkitkan
oleh arus sebagian akan disalurkan keluar dan sebagian akan
digunakan untuk menaikkan suhu badan. Tetapi, jika kecepatan
pembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju
pembuangan panas keluar, maka akan terjadi keadaan yang tidak
stabil dan pada suatu saat bahan akan mengalami kegagalan.
Kegagalan ini disebut kegagalan termal.
4.3.5 Kegagalan Erosi
Terjadinya kegagalan erosi disebabkan oleh keadaan zat
isolasi padat yang tidak sempurna. Ketidaksempurnaan tersebut
misalnya berupa lubang-lubang atau rongga-rongga dalam
bahan isolasi tersebut (Gambar 2.4), sehingga akan terisi oleh
gas atau cairan yang kekuatan gagalnya lebih rendah daripada di
dalam zat padat. Di samping itu, konstanta dielektrik di dalam
rongga sering lebih rendah daripada dalam zat padat sehingga
intensitas medan dalam rongga lebih besar daripada intensitas
dalam zat padat. Oleh karena itu, mungkin saja akan terjadi
56
tegangan kegagalan di dalam rongga tersebut, meskipun pada
waktu itu diterapkan tegangan kerja normal pada zat padat.
Pada waktu gas dalam rongga gagal, permukaan zat isolasi padat
merupakan katoda anoda. Benturan-benturan elektron pada
anoda akan mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawi zat
padat. Demikian pula, pemboman katoda oleh ion-ion positif
akan mengakibatkan rusaknya zat isolasi padat karena kenaikan
suhu, yang kemudian mengakibatkan ketakstabilan termal.
Keadaan ini menyebabkan dinding zat padat lama kelamaan
rusak, rongga menjadi makin besar dan zat padat bertambah
57
tipis. Proses ini disebut erosi dan kegagalan yang
diakibatkannya disebut kegagalan erosi.
BAB IISOLASI GAS
Isolator adalah salah satu komponen terpenting yang harus di
ketahui dalam hal keelektonikaan. Isolator terbagi atas beberapa
macam salah satunya yaitu isolator gas.
Pada umumnya isolator gas digunakan sebagai media isolasi dan
penghantar panas. Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada
isolator gas ini adalah ketidakstabilan temperatur,
ketidaknormalan sifat kedielektrikan pada tekanan yang tinggi
dan resiko ledakan dari gas yang digunakan.
Berdasarkan kekuatan dielektrik,rugi-rugi dielektrik, stabilitas
kimia,korosi, dll, isolator gas dapat diklasifikasikan menjadi :
1. Gas sederhana, contohnya :
a. Udara
58
b. Nitrogen
c. Helium
d. Hidrogen ,
dan lain-lain
2. Gas Oksida, contohnya :
a. Gas karbondioksida
b. Gas Sulphur dioksida
3. Gas Hidrokarbon, contohnya :
a. Methana
b. Ethana
c. Propana
dan lain-lain
4. Gas Elektronegatif, contohnya :
a. Gas Sulphur hexaflorida
b. CH2Cl2
59
Dalam pemilihan jenis isolator gas yang dipergunakan, perlu
diperhatikan sifat dari kedielektrikan gas yang digunakan pada
temperatur dan tekanan dimana gas tersebut akan digunakan
sebagai media isolasi.
Beberapa sifat dari isolator gas sebagai media isolasi yang perlu
diperhatikan antara lain yaitu :
1. Sifat Kelistrikan, yang mencakup antara lain :
a. Tahanan isolasi
b. Kekuatan Dielektrik
c. Faktor Daya
d. Konstanta Dielektrik
e. Rugi-rugi dielektrik
2. Temperatur,
3. Sifat Kimia, dan
4. Sifat Mekanis
a. kerapatan volume
60
b. viskositas
c. absorpsi kelembaman
d. tekanan permukaan,dll
Mekanisme Kegagalan Isolasi Gas Dalam mekanisme tembus
listrik bahan isolasi,ada beberapa peristiwa/proses yang berperan
di dalamnya, antara lain :
a. Ionisasi, yaitu peristiwa terlepasnya elektron dari ikatan atom
netral sehingga menghasilkan satu elektron bebas dan ion positif
b. Deionisasi, yaitu peristiwa dimana satu ion positif menangkap
elektron bebas sehingga ion positif tersebut menjasi atom netral
c. Emisi, yaitu peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan
logam menjasi elektron bebas Proses dasar dalam kegagalan
isolasi gas adalah ionisasi benturan oleh elektron.
Ada dua jenis proses dasar yaitu :
• Proses primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran
elektron
• Proses sekunder, yang memungkinkan terjadinya peningkatan
banjiran elektron
61
Saat ini dikenal dua mekanisme kegagalan gas yaitu :
• Mekanisme Townsend
• Mekanisme Streamer
1. Mekanisme Kegagalan Townsend
Pada proses primer, elektron yang dibebaskan bergerak cepat
sehingga timbul energi yang cukup kuat untuk menimbulkan
banjiran elektron. Jumlah elektron Ne pada lintasan sejauh dx
akan bertambah dengan dNe, sehingga elektron bebas tambahan
yang terjadi Ne.dx . Ternyata jumlah elektron bebas α dalam
lapisan dx adalah dNe = dNe yang bertambah akibat proses
ionisasi sama besarnya dengan jumlah Ne.(t).dt; α ion positif
dN+ baru yang dihasilkan, sehingga dNe = dN+ = dimana :
α : koefisien ionisasi Townsend
dN+ : jumlah ion positif baru yang dihasilkan Ne : jumlah total
elektron
Vd : kecepatan luncur elektron
konstan,Ne = N0, x = α Pada medan uniform,x α ε Ο
sehinggaNe = NO Jumlah elektron yang menumbuk anoda per ε
62
detik sejauh d dari katoda sama dengan jumlah ion positif yaitu
N+ = N0 x α
Jumlah elektron yang meninggalkan katoda dan mencapai anoda
adalah :
Arus ini akan naik terus sampai terjadi peralihan menjadi
pelepasan yang bertahan sendiri. Peralihan ini adalah percikan
dan dα ε diikuti oleh perubahan arus dengan cepat dimana
karena >> d secara teoritis menjadi tak terhingga, tetapi α ε O
À1 maka dalam praktek hal ini dibatasi oleh impedansi
rangkaian yang menunjukkan mulainya percikan.
2. Mekanisme Kegagalan Streamer
Ciri utama kegagalan streamer adalah postulasi sejumlah besar
foto ionisasi molekul gas dalam ruang di depan streamer dan
pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada
ujung streamer. Muatan ruang ini menimbulkan distorsi medan
dalam sela. Ion positif dapat dianggap stasioner dibandingkan
elektron-elektron yang begerak cepat dan banjiran elektron
terjadi dalam sela dalam awan elektron yang membelakangi
muatan ruang ion positif. Medan Er yang dihasilkan oleh
muatan ruang ini pada jari jari R adalah :
63
Pada jarak dx, jumlah pasangan x dx sehingga : α ε α elektron
yang dihasilkan adalah R adalah √jari jari banjiran setelah
menempuh jarak x, dengan rumus diffusi R= (2Dt). Dimana t =
x/V sehingga
dimana :
N : kerapatan ion per cm2, e : muatan elektron ( C ), 0 :
permitivitas ruang bebas,ε R : jari jari (cm), V : kecepatan
banjiran, dan D : koefisien diffusi.
Udara
Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan,
mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu sekitar 30
kV/cm. kalau dua buah elektroda yang dipisahkan dengan udara
mempunyai beda potensial yang tinggi yaitu tegangan yang
melebihi tegangan tembus, maka akan timbul loncatan bunga
api. Bila tegangan itu dinaikkan lagi, maka akan terjadi busur
api. Besarnya tegangan tembus dipengaruhi oleh tekanan udara.
Secara umum,makin besar tekanannya, main besar pula
tegangan tembusnya. Tetapi pada keadaan pakemjustru tegangan
tembus akan menjadi lebih besar. Keadaan yang demikian inilah
yang justru digunakan atau diterapkan pada peralatan listrik.
64
Sulphur Hexa Fluorida
Sulphur Hexa Fluorida (SF6) merupakan suatu gas bentukan
antara unsur sulphur dengan fluor dengan reaksi eksotermis :
S + 3 F2 SF6 + 262 kilo kalori
Sampai saat ini SF6 merupakan gas terberat yang mempunyai
massa jenis 6.139 kg/m3 yaitu sekitar 5 kali berat udara pada
suhu 00 celcius dan tekanan 1 atmosfir.
Sifat dari SF6 sebagai media pemadam busur api dan
relevansinya pada sakelar pemutus beban adalah :
a. Hanya memerlukan energi yang rendah untuk
mengoperasikan mekanismenya. Pada prinsipnya, SF6 sebagai
pemadam busur api adalah tanpa memerlukan energi untuk
mengkompresikannya, namun semata-mata karena pengaruh
panas busur api yang terjadi.
b. Tekanan SF6 sebagai pemadam busur api maupun sebagai
pengisolasi dapat dengan mudah dideteksi
c. Penguraian pada waktu memadamkan busur api maupun
pembentukannya kembali setelah pemadaman adalah
menyeluruh
65
d. Relatif mudah terionisasi sehingga plasmanya pada CB
konduktivitas tetap rendah dibandingkan pada keadaan dingin.
Hal ini mengurangi kemungkinan busur api tidak stabil dengan
demikian ada pemotongan arus dan menimbulkan tegangan
antar kontak.
e. Karakteristik gas SF6 adalah elektro negatif sehingga
penguraiannya menjadikan dielektriknya naik secara bertahap
f. Transien frekuensi yang tinggi akan naik selama operasi
pemutusan dan dengan adanya hal ini busur api akan
dipadamkan pada saat nilai arusnya rendah.
Dibawah ini terdapat pendapat beberapa ahli tentang isolator
gas. Yaitu Brophy, John R. (Valencia, CA), dkk.
1. Sebuah isolator tegangan tinggi gas yang terdiri dari: elemen
pertama memiliki bahan dielektrik sumbu dan membentuk inti
dengan sebagian besar permukaan luar silinder berpusat pada
kata kata sumbu inti mempunyai dasar memperluas permukaan
inti dalam pesawat secara substansial tegak lurus terhadap
sumbu . kedua berbentuk cangkir sebagian besar unsur bahan
dielektrik yang mencakup lengan baju yang erat kata
mengelilingi inti dan secangkir dasar dengan permukaan yang
66
menghadap upwardly yang terletak di bawah facewise kata
terhadap permukaan inti. kata inti memiliki substansial
memperluas lubang yang sejajar dengan sumbu untuk kata kata
bawah permukaan inti, kata sebuah alur di bawah permukaan
inti kata yang memanjang hingga ke permukaan silinder luar,
dan sebagian besar di kata alur heliks silinder yang memiliki
permukaan luar ujung bawah kata berkomunikasi dengan alur di
kata bawah permukaan inti dan ujung atas yang berlawanan dan
berarti termasuk elemen konduktif listrik, membentuk lorong-
lorong berkomunikasi dengan kata inti lubang dan ujung atas
kata sebagian besar alur heliks, untuk melewati therethrough
gas.
2. Sebuah isolator tegangan tinggi gas yang terdiri dari: elemen
pertama yang mencakup inti bahan dielektrik memiliki silinder
pinggiran dan memiliki berseberangan termasuk bagian bawah.
elemen kedua yang meliputi bahan dielektrik lengan memiliki
lubang silinder diameter yang sama seperti kata inti dan yang
erat kata menerima inti, kata membentuk elemen kedua dari
bawah permukaan di bagian bawah kata lubang, ujung bawah
kata inti berbohong facewise melawan kata bawah permukaan.
kata inti memiliki alur heliks secara substansial di pinggiran,
67
membentuk sebagian besar kata heliks bagian antara inti dan
lengan, kata heliks bagian atas dan bawah memiliki berakhir.
kata inti memiliki sumbu silinder berpusat pada periferal dan
mengatakan sebagian besar inti memiliki lubang vertikal dengan
memperluas atas kata yang sejajar dengan sumbu untuk kata inti
bagian bawah, kata bagian bawah kata heliks kata bagian inti
berbaring di bagian bawah, dan berkata inti telah alur di bagian
bawah kata inti yang memanjang dari kata vertikal dasar lubang
untuk kata akhir kata heliks bagian. berarti membentuk lorong
digabungkan untuk kata atas kata akhir heliks bagian untuk
melewati gas yang melewati kata heliks bagian dan sepasang
masing-masing anggota konduktif listrik digabungkan ke
puncak kata lubang vertikal dan untuk berkata berarti
membentuk sebuah lorong
68
Bentuk Isolasi Gas
69
70
Contoh Isolasi Gas
BAB VIISOLASI CAIR
isolasi cair memiliki dua fungsi yaitu sebagai pemisah antara
bagian yang bertegangan dan juga sebagai pendingin Sehingga
banyak digunakan pada peralatan seperti transformator, Pemutus
Tenaga, switch gear.
Mekanisme Ketembusan Isolasi Cair
Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan, antara lain
yang pertama adalah isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali
atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki
kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut hukum Paschen.
Kedua isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan
diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi
menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi. Ketiga
isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self
71
healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun
kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi.
Beberapa macam faktor yang diperkirakan mempengaruhi
ketembusan minyak transformator seperti luas daerah elektroda,
jarak celah (gap spacing), pendinginan, perawatan sebelum
pemakaian (elektroda dan minyak ), pengaruh kekuatan
dielektrik dari minyak transformator yang diukur serta kondisi
pengujian atau minyak transformator itu sendiri juga
mempengaruhi kekuatan dielektrik minyak transformator.
Ketembusan isolasi (insulation breakdown, insulation failure)
disebabkan karena beberapa hal antara lain isolasi tersebut
sudah lama dipakai, berkurangnya kekuatan dielektrik dan
karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada
prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau
tekanan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu
sendiri agar supaya isolator tidak tembus. Dalam struktur
molekul material isolasi, elektronelektron terikat erat pada
molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap
tekanan yang disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini
putus pada suatu tempat maka sifat isolasi pada tempat itu
hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan tegangan akan
72
terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul ke
molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor.
Karakteristik isolator akan berubah bila material tersebut
kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity) seperti adanya
arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan
tegangan tembus.
Sifat-Sifat Listrik Cairan Isolasi
Sifat sifat listrik yang menentukan unjuk kerja cairan sebagai
isolasi adalah:
- Withstand Breakdown kemampuan untuk tidak mengalami
ketembusan dalam kondisi tekanan listrik (electric stress ) yang
tinggi.
- Kapasitansi Listrik per unit volume yang menentukan
permitivitas relatifnya. Minyak petroleum merupakan subtansi
nonpolar yang efektif karena merupakan campuran cairan
hidrokarbon. Minyak ini memiliki permitivitas kira-kira 2 atau
2.5 . Ketidak bergantungan permitivitas subtansi nonpolar pada
frekuensi membuat bahan ini lebih banyak dipakai dibandingkan
dengan bahan yang bersifat polar. Misalnya air memiliki
73
permitivitas 78 untuk frekuensi 50 Hz, namun hanya memiliki
permitivitas 5 untuk gelombang mikro.
- Faktor daya: Faktor dissipasi daya dari minyak dibawah
tekanan bolak balik dan tinggi akan menentukan unjuk kerjanya
karena dalam kondisi berbeban terdapat sejumlah rugi rugi
dielektrik. Faktor dissipasi sebagai ukuran rugi rugi daya
merupakan parameter yang penting bagi kabel dan kapasitor.
Minyak transformator murni memiliki faktor dissipasi yang
bervariasi antara 10-4 pada 20oC dan 10-3 pada 90oC pada
frekuensi 50 Hz.
- Resistivitas: Suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi
cair bila resitivitasnya lebih besar dari109 W-m. Pada sistem
tegangan tinggi resistivitas yang diperlukan untuk material
isolasi adalah 1016 W-m atau lebih. (W=ohm) Berdasarkan
standar yang dikeluarkan oleh ASTM yakni dalam standar D-
877 disebutkan bahwa suatu bahan isolasi harus memiliki
tegangan tembus sebesar kurang lebih 30 kV untuk lebar sela
elektroda 1 mm, dengan kata lain kekuatan dielektrik bahan
isolasi kurang lebih 30 kV/mm. Sedangkan menurut standar
ASTM D-1816 suatu bahan isolasi harus mampu menahan
74
tegangan sebesar 28 kV untuk suatu lebar sela elektroda sebesar
1,2 mm. Standar ini merupakan standar yang diterima secara
internasional dan harus dipenuhi oleh suatu bahan yang
dikategorikan sebagai suatu bahan isolasi.
Kegagalan Pada Isolasi Cair (Minyak)
Karakteristik pada isolasi minyak trafo akan berubah jika terjadi
ketidakmurnian di dalamnya. Hal ini akan mempercepat
terjadinya proses kegagalan. Faktor-faktor yang mempengaruhi
kegagalan isolasi antara lain adanya partikel padat, uap air dan
gelembung gas.
Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair
Teori mengenai kegagalan dalam zat cair kurang banyak
diketahui dibandingkan dengan teori kegagalan gas atau zat
padat. Hal tersebut disebabkan karena sampai saat ini belum
didapatkan teori yang dapat menjelaskan proses kegagalan
dalam zat cair yang benar-benar sesuai antara keadaan secara
teoritis dengan keadaan sebenarnya. Teori kegagalan zat isolasi
cair dapat dibagi menjadi empat jenis sebagai berikut:
a. Teori Kegagalan Elektronik
75
Teori ini merupakan perluasan teori kegagalan dalam gas,
artinya proses kegagalan yang terjadi dalam zat cair dianggap
serupa dengan yang terjadi dalam gas. Oleh karena itu supaya
terjadi kegagalan diperlukan elektron awal yang dimasukkan
kedalam zat cair. Elektron awal inilah yang akan memulai
proses kegagalan.
b. Teori Kegagalan Gelembung
Kegagalan gelembung atau kavitasi merupakan bentuk
kegagalan zat cair yang disebabkan oleh adanya gelembung-
gelembung gas di dalamnya.
c. Teori Kegagalan Bola Cair
Jika suatu zat isolasi mengandung sebuah bola cair dari jenis
cairan lain, maka dapat terjadi kegagalan akibat ketakstabilan
bola cair tersebut dalam medan listrik. Medan listrik akan
menyebabkan tetesan bola cair yang tertahan didalam minyak
yang memanjang searah medan dan pada medan yang kritis
tetesan inimenjadi tidak stabil. Kanal kegagalan akan menjalar
dari ujung tetesan yang memanjang sehingga menghasilkan
kegagalan total.
d. Teori Kegagalan Tak Murnian Padat
76
Kegagalan tak murnian padat adalah jenis kegagalan yang
disebabkan oleh adanya butiran zat padat (partikel) didalam
isolasi cair yang akan memulai terjadi kegagalan.
Macam-Macam Isolator Cair
Minyak transformator
Minyak transformator adalah minyak mineral yang diperoleh
dengan pemurnian minyak mentah. Dalam pemakaiannya,
minyak ini karena pengaruh panas dari rugi-rugi di dalam
transformator akan timbul hidrokarbon.
Sebagian besar dari transformator tenaga memiliki kumparan-
kumparan yang intinya direndam dalam minyak transformator,
terutama pada transformator-transformator tenaga yang
berkapasitas besar, karena minyak transformator mempunyai
sifat sebagai media pemindah panas (disirkulasi) dan juga
berfungsi pula sebagai isolasi (memiliki daya tegangan tembus
tinggi) sehingga berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi.
77
Selain berasal dari minyak mineral, minyak transformator dapat
pula dibuat dari bahan organic, misalnya: minyak trafo piranol,
silikon. Sebagai bahan isolasi, minyak transformator harus
mempunyai tegangan tembus yang tinggi.
Minyak transformator harus memenuhi persyaratan, yaitu:
• kekuatan isolasi tinggi
• penyalur panas yang baik, berat jenis yang kecil, sehingga
partikel-partikel dalam minyak dapat mengendap dengan cepat
• viskositas yang rendah, agar lebih mudah bersirkulasi dan
memiliki kemampuan pendinginan menjadi lebih baik
• titik nyala yang tinggi dan tidak mudah
• tidak merusak bahan isolasi padat
• sifat kimia yang stabil
Kegunaan minyak trafo adalah selain untuk bahan isolasi juga
sebagai media pendingin antara kumparan kawat atau inti besi
dengan sirip pendingin. Agar minyak trafo berfungsi dengan
baik, kualitas minyak harus sesuai dengan standar kebutuhan,
ditunjukkan pada tabel 1
78
Tabel 1. Spesifikasi Minyak Isolasi Baru.
79
Untuk minyak isolasi pakai berlaku untuk transformator
berkapasitas > 1 MVA atau bertegangan >30 kV sifatnya seperti
ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Spesifikasi Minyak Isolasi Pakai.
Jarak elektroda dibuat 2,5 cm, sedangkan tegangannya dapat
diatur dengan menggunakan auto transformator sehingga dapat
80
diketahui tengan sebelum saat terjadinya kegagalan isolasi yaitu
terjadinya loncatan bunga api. Loncatan bunga api dapat dilihat
lewat lubang yang diberi kaca. Selain itu dapat dilihat dari
voltmeter tegangan tertinggi sebelum terjadinya kegagalan
isolasi (karena setelah terjadinya kegagalan isolasi voltmeter
akan menunjukkan harga nol).
Proses pemurnian minyak transformator
Minyak transformator dapat dikotori oleh uap air, fiber
(misalnya: kertas, kayu, tekstil), dammar dsb. Hal ini dapat
mempengaruhi kemurnian minyak transformator. Bentuk dari
pengotoran dapat bermacam-macam yaitu: meleleh dan
mencairnya bahan-bahan yang digunakan di dalam
transformator, partikel-partikel yang mengendap di dasar tangki,
pada belitan atau pada intinya. Dengan adanya pengotoran maka
tegangan tembus minyakakan menurun dan ini berarti
mengurangi atau menurunnya umur pemakaian minyak.
Akhir-akhir ini usaha memperlambat terjadinya penurunan
tegangan tembus minyak transformator untuk pemakaian pada
transformator yang bertegangan kerja tinggi dan dayanya besar,
ruangan yang terdapat di atas permukaan minyak diisi bdengan
gas murni (biasanya nitrogen).
81
Cara lain untuk memperpanjang umur minyak transformator
adalah dengan mencampurkan senyawa tertentu antara lain:
paraoksi diphenilamin. Senyawa tersebut dimasukan ke dalam
minyak transformtor yang telah dipanasi 80˚ hingga 85˚C.
campuran tersebut konsentrasinya dibuat 0,1% dan selanjutnya
didinginkan. Minyak transformator yang sudah diberi senyawa
paraoksi dipenilamin akan berwarna kemerah-merahan.
a. Pemanasan
Pada cara ini minyak transformator dipanasi hingga titik didih
air pada perangkat khusus yang disebut Penggodok minyak (Oil
Boiler). Air yang yang terkandung di dalam minyak akan
menguap.
Cara ini dianggap sebagai cara yag paling sederhana dalam hal
pemurnian minyak transformator. Dengan cara ini bahan-bahan
pencemar padat, misalnya: fiber, jelaga: akan tetap tinggal di
dalam minyak. Apabila pemanasan tersebut mendekati titik
penguapan minyak, akan menyebabkan umur minyak berkurang.
Namun hal ini dapat diiatasi dengan cara memanaskan minyak
di tempat pakem, sehingga air akan menguap pada suhu yang
relative rendah. Namun demikian pencemar selain air akan tetap
tinggal di dalam minyak.
82
b. Penyaringan
Pada metode ini digunakan kertas khusus untuk menyaring
minyak yang tercemar. Untuk mempercepat waktu penyaringan,
digunakan tekanan. Air yang terkandung dalam ninyak
transformator diserap dengan kertas higriskopis. Dengan cara ini
baik air maupun partikel-partikel pencemar lainnya akan
tersaring sekaligus.
Untuk menambah output mesin penyaring, minyak dipanasi 40˚
hingga 45˚C sehingga viskositas minyak menurun dan dengan
demikian makin memudahkan penyaringan.
Normalnya, minyak yang akan disaring dimasukkan ke filter
atau penyaring dengan tekanan 3 hingga 5 atmosfir. Biasanya
penyaring diganti setelah digunakan selama 4 jam, tetapi bila
minyaknya sangat kotor, penggantiannya dilakukan setiap 0,5
hingga 1 jam.
c. Pemusingan
Pencemaran minyak transformator misalnya: fiber, karbon
maupun lumpur adalah lebih besar daripada minyak
transformator sehingga kotoran-kotoran tersebut suatu saat
83
mengendap dan mudah dipisahkan secara kasar. Untuk
mempercepat proses pemisahan, maka minyak dipanaskan 45˚
hingga 55˚ di dalam suatu tabung dan kemudian diputar atau
dipusing dengan cepat. Karena gaya sentrifugal, maka subtansi
yang lebih berat akan berada di bagian pinggir bejana dan
minyaknya sendiri yang relative lebih ringan akan berada di
tengah bejana.
Bagian utama dari pemutar adalah sebuah silinder yang
memiliki lempengan-lempengan (hingga 50 buah). Lempengan-
lempengan tersebut berputar bersama-sama dengan poros.
d. Regenerasi
Pencemaran minyak transformtor seperti yang dijelaskan
sebelumnya. Pencemaran akan lebih dapat dihilangkan dengan
pemurnian khusus yaitu regenerasi.
Cara ini mengunakan absorben untuk regenarasi minyak
transformator. Dalam praktek, cara ini banyak digunakan
pembangkit-pembangkit tenaga listrik dan gardu-gardu induk.
Absorben adalah subtansi yang siap menyerap produk yang
diakibatkan oleh pemakaian dan kelembaban pada minyak
transformator. Regenerasi dengan absorben dapat lebih baik
84
hasilnya jika dilakukan setelah minyak ditambah dengan H2SO4.
Selanjutnya jika terjadi kelebihan asam dapat dinetralisir dengan
kalium hidroksida (KOH) dan kemudian minyaknya dicuci
dengan air yang dialirkan, ditambah dengan absorben dan
kemudian disaring.
Terdapat 2 cara untuk menambahjan absorben ke dalam minyak
transformator, yaitu:
- Minyak dipanaskan dan dicampur dengan absorben yang
dipadatkan dan kemudian disaring. Cara atau metode ini disebut
Metode Sentuhan (Contact Method).
- Minyak yang telah dipanasi dialikan melalui lapisan tipis
dari absorben yang disebut Metode Filtrasi.
Filtrasi penyerap untuk regenerasi minyak transfortor terdiri dari
sebuah silinder yang dilas dengan sebuah kawat kasa di
dasarnya, di sini penyerap dimasukkan ke dalam minyak
kemudian dialirkan melalui kawat kasa tersebut.
Lama kelamaan kawat kasa akan tersumbat partikel-partikel
halus dari absorben. Untuk membersihkan absorben yang
tersaring dan sisa-sisa minyak, silinder dapat dibalikkan atau
diputar 180˚.
85
Instalasi ini akan lebih efisien jika 10% sampai 20% absorben
dibuang dari dasar absorber dan ditambahkan absorben baru.
Dapat digunakan 2 absorber yang dikopel secara seri sehingga
minyak mengalir pada awal melalui absorber yang mash baru,
kemudian minyak dialirkan ke absorber yang berikutnya.
Absorber yang digunakan untuk regenerasi kebanyakan produk
buatan misalnya: silikagel, alumina atau tanah liat khusus.
ü Perbandingan Tegangan Tembus Media Isolasi Minyak
Baru dan Minyak Bekas
Tegangan tembus pada isolasi minyak baru lebih besar
dibandingkan dengan isolasi minyak bekas. Hal ini disebabkan
karena pada minyak bekas terdapat kandungan partikel-partikel
dan uap air yang menyebabkan ketidakmurnian pada minyak.
Apabila jumlah partikel yang melayang pada minyak sangat
banyak, partikel-partikel tersebut akan embentuk semacam
jembatan yang menghubungkan kedua elektroda sehingga
mengakibatkan terjadinya peristiwa kegagalan. Namun bila
hanya terdapat sebuah partikel, partikel tersebut akan membuat
perluasan area medan (local field enhancement) yang luasnya
ditentukan oleh bentuk partikel itu sendiri. Jika perluasan area
86
medan ini melebihi ketahanan benda cair, maka terjadilah
peristiwa kegagalan setempat (local breakdown) yaitu terjadi di
dekat
partikel-partikel asing tersebut. Hal ini akan membuat
terbentuknya gelembung-gelembung gas yang pada akhirnya
juga menyebabkan peristiwa kegagalan pada minyak tersebut.
Pada minyak bekas cenderung memiliki kadar uap air yang lebih
besar daripada minyak baru. Seperti telah dijelaskan sebelumnya
bahwa pada saat medan listrik yang tinggi, molekul uap air yang
terlarut memisah dari minyak dan terpolarisasi membentuk
suatu dipol. Jika jumlah molekul-molekul uap air benyak, maka
akan terbentuk kanal peluahan. Kanal ini akan merambat dan
memanjang sampai menghasilkan tembus listrik.
Ketidakmurnian ini sangat berpengaruh dalam kegagalan isolasi
sehingga pada minyak bekas akan lebih mudah
terjadi discharge dibandingkan dengan minyak baru karena
kekuatan isolasi minyak bekas sudah tidak sebagus minyak
baru.
Minyak Sintetis
Isolasi cairan sintetis yang banyak digunakan adalah cairan yang
berisi Chloor (hidrokarbon seperti difenil C10 H12) dimana 3
87
sampai 5 atom hydrogen diganti dengan atom Chloor. Bahan-
bahan ini di antaranya adalah: Sovol, Askarel, Araclor, Pyralen,
Shibanol.
Sovol
Sovol adalah cairan yang agak kental, tidak berwarna. Massa
jenisnya jauh lebih besar dari minyak transformator yaitu 1,5
g/cm3. Tegangan tembus sovol kurang lebih sama dengan
minyak transformator yaitu ± 20 kV/cm, sedangkan
permitivitasnya lebih tinggi.
Bahan sovol ditambah sedikit dengan Trichlorobenzena
(C8H3L3) untuk mengurangi kekentalannya diperoleh bahan baru
dengan nama Sovtol.
Salah satu manfaat penggunaan sovol dan sovtol adalah karena
pencampuran uapnya dengan udara tidak terbakar dan tidak
menyebabkan ledakan. Karena itu transformator yang diisi
dengan sovtol tidak mempunyai resiko kebakaran dan dapat
dipasang di dalam ruangan jika transformator minyak biasa
tidak memungkinkan dipasang.
Sovol dan sovtol tidak dapat digunakanuntuk bahan isolasi
pemutus, karena akibat adanya busur api pada waktu terjadinya
pemutusan akan menghasilkan karbon. Kekurangannya yang
88
lian, bahan ini adalah beracun, karena itu jika mengunakan
bahan ini harus diimbangi dengan ventilasi yang baik.
Minyak Silikon
Bahan ini lebih mahal harga daripada minyak transformator.
Tetapi mempunyai kelebihan antara lain sudut kerugian
dielektrik kecil, higroskopisitasnya dapat diabaikan dan
resistivitas panasnya relative tinggi. Massa jenis ±1 g/cm3,
permitivitas relatifnya 2,5; tan 0,OOO2 PADA 1000Hz, titik
nyala tidak kurang dari 145˚C, titik beku tidak lebih rendah dari
-60˚C.
Kekuatan Dielektrik Isolasi Cair
Kekuatan dielektrik merupakan ukuran kemampuan suatu
material untuk bisa tahan terhadap tegangan tinggi tanpa
berakibat terjadinya kegagalan. Kekuatan dielektrik ini
tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri.
Namun demikan dalam prakteknya kekuatan dielektrik
tergantung pada material dari elektroda, suhu, jenis tegangan
yang diberikan, gas yang terdapat dalam cairan dan sebagainya
yang dapat mengubah sifat molekul cairan. Dalam isolasi cairan
kekuatan dielektrik setara dengan tegangan kegagalan yang
terjadi.
89
Dalam upaya memberikan gambaran tentang kekuatan dielektrik
maka akan lebih memudahkan bila dua dielektrik seri ditinjau.
Dalam hal ini medan dianggap seragam, arus bocor diabaikan
dan konsentrasi fluks pada pinggiran juga diabaikan
Oleh karena perpindahan (displacement) netral sama, maka :
En1 En2 Dn1=Dn2
e1En1=e2En2
x1 x2 En1=(v1/x1) dan En2=(v2/x2)
e1, e2 adalah permitivitas
v1, v2 adalah tegangan tiap dielektrik
90
Jika n buah dielektrik dalam hubungan seri maka gradien atau
kuat medannya pada titik x adalah :
Jika terdapat lapisan udara, minyak dan padat yang tebalnya 0.5
inci dengan permitivitas masing-masing 1, 2 dan 4; tegangan
V=280 kV. Berdasarkan rumus diatas gradien tegangan udara
320 volt/mil, minyak 160 volt/mil dan bahan padat 80 volt/mil.
Oleh karena itu udara mulai gagal saat 54 volt/mil, minyak pada
saat 200 volt/mil dan bahan padat pada saat 25- - 300 volt/mil.
Pengujian Kualitas Minyak Transformator
1. Pengujian kekuatan elektrik minyak Transformator
Kekuatan listrik merupakan karakteristik penting dalam
material isolasi. Jika kekuatan listrik rendah minyak
91
transformator dikatakan memiliki mutu yang jelek. Hal
ini sering terjadi jika air dan pengotor ada dalam minyak
transformator. Pengujian perlu dilakukan untuk
mengetahui kegagalan minyak transformator.
Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan
uji kegagalan ini antara lain:
Jarak elektroda 2.5 mm
Bejana dan elektroda harus benar-benar
kering dan bersih setiap sebelum
pengujian, elektroda harus dicuci dengan
minyak transformator yang akan diuji.
Minyak yang akan diuji harus diambil
dengan alat yang benar-benar bersih,
minyak pertama yang keluar dibuang
supaya kran-kran menjadi bersih. Minyak
lama pada waktu pertama alirannya
dibuang.
Botol tempat minyak transformator
ditutup dengan lilin supaya kotoran dan
uap air tidak masuk.
92
2. Pengujian Viskositas Minyak Transformator
Viskositas minyak adalah suatu hal yang sangat penting
karena minyak transformator yang baik akan memiliki
viskositas yang rendah, sehingga dapat bersirkulasi
dengan baik dan akhirnya pendinginan inti dan belitan
trasformator dapat berlangsung dengan baik pula.
3. Titik Nyala (flash point)
Temperatur ini adalah temperatur campuran antara uap
dari minyak dan udara yang akan meledak (terbakar) bila
didekati dengan bunga api kecil. Untuk mencegah
kemungkinan timbulnya kebakaran dari peralatan dipilih
minyak dengan titik nyala yang tinggi. Titik nyala dari
minyak yang baru tidak boleh lebih kecil dari 135 oC,
sedangkan suhu minyak bekas tidak boleh kurang dari
130 oC. Untuk mengetahui titik nyala minyak
transformator dapat ditentukan dengan menggunakan
alat Close up tester.
93
4. Pemurnian Minyak Transformator
Minyak transformator dapat terkontaminasi oleh
berbagai macam pengotor seperti kelembaban, serat,
resin dan sebagainya. Ketidakmurnian dapat tinggal di
dalam minyak karena pemurnian yang tidak sempurna.
Pengotoran dapat terjadi saat pengangkutan dan
penyimpanan, ketika pemakaian, dan minyak itu sendiri
pun dapat membuat pengotoran pada dirinya sendiri.
Beberapa metode pemurnian minyak transformator dijelaskan
dalam bagian berikut ini
a). Mendidihkan (boiling)
Minyak dipanaskan hingga titik didih air dalam alat yang
disebut Boiler. Air yang ada dalam minyak akan
menguap karena titik didih minyak lebih tinggi dari pada
titik didih air. Metode ini merupakan metode yang paling
sederhana namun memiliki kekurangan. Pertama hanya
air yang dipindahkan dari minyak, sedangkan serat,
arang dan pengotor lainnya tetap tinggal. Kedua minyak
dapat menua dengan cepat karena suhu tinggi dan
adanya udara.
94
Kekurangan yang kedua dapat diatasi dengan sebuah
boiler minyak hampa udara (vacum oil boiler). Alat ini
dipakai dengan minyak yang dipanaskan dalam bejana
udara sempit (air tight vessel) dimana udara dipindahkan
bersama dengan air yang menguap dari minyak. Air
mendidih pada suhu rendah dalam ruang hampa oleh
sebab itu menguap lebih cepat ketika minyak dididihkan
dalam alat ini pada suhu yang relatif rendah. Alat ini
tidak menghilangkan kotoran pada kendala pertama,
sehingga pengotor tetap tinggal.
b). Alat Sentrifugal (Centrifuge reclaiming)
Air serat, karbon dan lumpur yang lebih berat dari
minyak dapat dipindahkan minyak setelah mengendap.
Untuk masalah ini memerlukan waktu lama, sehingga
untuk mempercepatnya minyak dipanaskan hingga 45 -
55 oC dan diputar dengan cepat dalam alat sentrifugal.
Pengotor akan tertekan ke sisi bejana oleh gaya
sentrifugal, sedangkan minyak yang bersih akan tetap
berada ditengah bejana. Alat ini mempunyai efesiensi
yang tinggi. Alat sentrifugal hampa merupakan
pengembangannya.
95
Bagian utama dari drum adalah drum dengan sejumlah
besar piring / pelat (hingga 50) yang dipasang pada
poros vertikal dan berputar bersama-sama. Karena piring
mempunyai spasi sepersepuluh millimeter, piring piring
ini membawa minyak karena gesekan dan pengotor berat
ditekan keluar.
c). Penyaringan (Filtering)
Dengan metode ini minyak disaring melalui kertas
penyaring sehingga pengotor tidak dapat melalui pori-
pori penyaring yang kecil, sementara embun atau uap
telah diserap oleh kertas yang mempunyai
hygroscopicity yang tinggi. Jadi filter press ini sangat
efesien memindahkan pengotor padat dan uap dari
minyak yang merupakan kelebihan dari pada alat
sentrifugal. Walaupun cara ini sederhana dan lebih
mudah untuk dilakukan, keluaran yang dihasilkan lebih
sedikit jika dibandingkan dengan alat sentrifugal yang
menggunakan kapasitas motor penggerak yang sama.
Filter press ini cocok digunakan untuk memisahkan
minyak dalam circuit breaker (CB), yang biasanya
tercemari oleh partikel jelaga (arang) yang kecil dan sulit
dipisahkan dengan menggunakan alat sentrifugal.
96
d). Regenerasi (Regeneration)
Produk-produk penuaan tidak dapat dipindahkan dari
minyak dengan cara sebelumnya. Penyaringan hanya
baik untuk memindahkan bagian endapan yang masih
tersisa dalam minyak. Semua sifat sifat minyak yang
tercemar dapat dipindahkan dengan pemurnian
menyeluruh yang khusus yang disebut regenerasi.
Dalam dengan menggunakan absorben untuk regenerasi
minyak transformator sering dipakai di gardu induk dan
pembangkit. Adsorben adalah substansi yang partikel
partikelnya dapat menyerap produk produk penuaan dan
kelembaban pada permukaannya. Hal yang sama
dilakukan adsorben dalam ruang penyaring tabung gas
yang menyerap gas beracun dan membiarkan udara
bersih mengalir. Regenerasi dengan adsorben dapat
dilakukan lebih menyeluruh bila minyak dicampur
dengan asam sulfur.
Ada dua cara merawat minyak dengan adsorben yaitu :
97
o Pertama, minyak yang dipanasi dapat dicampur
secara menyeluruh dengan adsorben yang
dihancurkan dan kemudian disaring.
o Kedua, minyak yang dipanaskan dapat
dilewatkan melalui lapisan tebal adsorben yang
disebut perkolasi.
Adsorben untuk regenerasi minyak transformator terdiri dari
selinder yang dilas dengan lubang pada dasarnya dimana
adsorber ditempatkan dengan minyak yang dipanaskan (80-
100o C) hingga mengalir ke atas melalui adsorber. Ketika
minyak mengalir ke atas, filter tersumbat oleh partikel halus
adsorber dan udara dibersihkan dari adsorber lebih cepat dan
lebih menyeluruh pada awalnya. Adsorber yang digunakan
untuk regenerasi minyak transformator kebanyakan yang terbuat
silica gel dan alumina atau sejenis tanah liat khusus yang
dikenal sebagai pemutih (bleaching earth), lempung cetakan
(moulding clay).
Transformator tentunya harus diistirahatkan (deenergized)
ketika minyaknya akan dimurnikan atau diregenerasi dengan
salah satu metode diatas, walaupun demikian hal di atas dapat
dilaksanakan dalam keadaan berbeban jika dilakukan perlakuan
98
khusus. Pengembangan metode regenerasi minyak transformator
dalam kedaan berbeban adalah dengan filter pemindah pemanas
(thermal siphon filter) yang dihubungkan dengan tangki minyak
transformator. Filter ini diisi dengan adsorben sebanyak 1 %
dari berat minyak transformator.
Pengukuran Konduktivitas Arus Searah Minyak
Tansformator
Konduktivitas minyak (k) sangat tergantung pada kuat medan,
suhu dan pengotoran. Nilai konduktivitas diakibatkan oleh
pergerakan ion. Pengukuran k dapat menunjukkan tingkat
kemurnian minyak transformator. Penguraian pengotor
elektrolitik menghasilkan ion positif dan negatif . Untuk satu
jenis ion dengan muatan q1 denmgan rapat ion n1 maka
kontribusi rapat arus yang ditimbulkan pada kuat medan E yang
tidak terlalu tinggi adalah :
S1=q1n1v1
S1=q1n1E
dimana v1 dan n1 adalah kecepatan dan mobilitas ion. Mobilitas
ion akan bernilai konstan hanya jika berlaku hukum Ohm. Jika
terdapat kuat medan tertentu dalam medan dielektrik, maka akan
berlangsung mekanisme kompensasi yang menyeimbangkan
99
kerapatan berbagai jenis ion hingga tercapai keseimbangan
antara penciptaan, rekombinasi serta kebocoran ion terhadap
elektroda elektroda. Karena mobilitas ion yang berbeda, maka
mekanisme juga berlaku dengan laju yang berbeda pula
sehingga nilai k merupakan fungsi waktu. Oleh karena itu dalam
mengukur nilai k dianjurkan untuk menunggu beberapa saat
misalnya 1 menit hingga mekanisme transien hilang.
Susunan elektroda yang dgunakan dalam mengukur nilai k harus
dilengkapi dengan elektroda cincin pengaman untuk
menghilangkan pengaruh pada bidang batas dan arus arus
permukaan yang dibumikan secara langsung
Gambar susunan elektroda untuk tegangan searah
1.Elektroda tegangan tinggi
2.Elektroda ukur
3.Elektroda cincin pengaman
100
Medan elektrik sedapat mungkin dibuat homogen. Disamping
elektroda pelat umumnya digunakan elektroda selinder koaksial.
Jika diterapkan tegangan U untuk medan homogen seluas A dan
besar sel S maka nilai k dapat dihitung dari nilai arus I sebagai
berikut
k = (I.S) / U A
Arus yang terukur umumnya berkisar beberapa kiloampere.
Untuk itu dapat digunakan galvanometer kumparan putar yang
peka ataupun pengukur arus dengan penguat elektronik yang
jauh lebih peka.
Pengukuran Faktor Dissipasi Minyak Transformator
Rugi dielektrik dari suatu isolasi dengan kapasitansi C pada
frekuensi jala jala w dapat dihitung dengan menggunakan faktor
disipasi sebagai berikut :
Pdiel = U2w C tan d
Besar rugi dielektrik dapat diukur dengan jembatan Schering
101
Gambar Jembatan Schering Rangkaian untuk mengukur
Kapasitansi dan faktor
dissipasi dengan jembatan Schering
Kapasitansi Cx dan faktor dissipasi tan d harus diukur sebagai
fungsi tegangan uji U dengan menggunakan rangkaian di atas.
Tegangan yang dibangkitkan oleh transformator tegangan tinggi
T diukur dengan kapasitor CM dan alat ukur tegangan puncak
SM. Tabung uji diparalelkan dengan kapasitor standar dengan
nilai kapasitansi C2 =28 pF.
Tembus jembatan serat dalam minyak Isolasi
Setiap bahan igolasi cair mengandung pengotor makroskopik
berupa partikel partikel serta selulosa, kapas dan lain
sebagainya. Jika partikel itu menyerap embun maka akan
102
bekerja gaya yang bergerak menuju daerah dengan kuat medan
yang lebih tinggi dan mengarahkannya sesuai dengan arah
medan E. Muatan dengan polaritas yang berlawanan akan
diinduksikan pada ujung ujungnya sehingga mengarah
mengikuti arah medan. Kedaaan ini menciptakan saluran
konduktif yang menjadi panas akibat rugi rugi resistif sehingga
menguapkan embun yang terkandung dalam partikel. Tembus
kemudian terjadi pada tegangan yang relatif rendah yang
digambarkan sebagai tembus termal lokal pada bagian yang
cacat.
Gambar jembatan schering.
103
Prosedur Pengujian Tegangan Gagal Minyak Transformator
dengan Berbagai Macam Elektroda.
Berbagai macam elektroda yang digunakan untuk pengetesan ini
dimaksudkan untuk mendapatkan hasil pengujian kegagalan
minyak transformator dalam keadan volume minyak tertekan,
medan seragam dan tak seragam.
a. Pemrosesan Minyak Transformator (Oil processing)
Kekuatan dielektrik dari minyak transformator sangat
dipengaruhi oleh pemrosesan dan kondisi pengujian,
karean menentukan kualitas dari minyak transformator
selama pengujian. Sifat minyak akan hilang melalui uap
lembab, gas, ketidakmurnian, dan pengisian kedalam
tangki pengujian. Kualitas minyak harus dicek secara
periodik dengan oil cup tester, sehingga dapat diperoleh
informasi bahwa pengurangan kekuatan elektrik dari
minyak transformator diabaikan jika tangki ditutup 4
hari. Jika kekuatan dielektrik minyak menurun dari nilai
awal 65 kV/25 mm sampai 55 kV/2.5 mm, atau jika
lebih dari 4 hari setelah diisi minyak, maka minyak harus
diganti.
b. Penerapan Tegangan
104
Tegangan AC dan tegangan impuls biasanya digunakan
dalam pengujian. Pengujian dengan tegangan AC dapat
diperoleh dengan Steady voltage raising method dan
Withstand voltage method, dengan kenaikan dari 5
sampai 10 % step, mulai 60 % dari ekspektasi
breakdown voltage. Impuls voltage dibuat dengan up and
down method dari 5 sampai 10 % step dari ekspektasi
breakdown voltage. Probablitas pengujian kegagalan
dapat diperoleh dalam 2 cara yaitu :
o Tegangan AC naik pada kegagalan dengan
kecepatan konstan 3 kV/sec. Prosedur ini diulang
sampai 500 kali dalam interval 1 menit.
o Voltage band antara 0 sampai 100 % breakdown
voltage, yang dibagai dalam beberapa
level.Tegangan Ac telah diaplikasi selama 1
menit 20 kali tiap level tegangan, sedangkan
tegangan impuls telah diaplikasi 20 kali tiap level
tegangan.
105
Teori Breakdown pada bahan isolasi Cair
Salah satu bahan isolasi yang banyak digunakan dalam sistem
tenaga listrik adalah minyak. Misalnya digunakan sebagai
isolasi inti pada Trafo daya sekaligus sebagai media pendingin.
Minyak juga digunakan sebagai pemadam busur api pada
peralatan Circuit Breaker (CB) atau Pemutus Tenaga PMT.
Pada saat beroperasi, minyak sebagai isolator mengalami
penurunan kualitas disebabkan karena banyak faktor misalnya
pengaruh kontaminan padat, kontaminan cair dan gas-gas hasil
reaksi didalam minyak. Selain itu, juga dipengaruhi oleh kondisi
minyak yang mengalami stress thermal pada saat beban puncak.
Semakin banyak kontaminan yang terkandung dalam minyak,
maka kualitas minyak akan semakin menurun dan bisa terjadi
breakdown.
Selama ini, ada 4 teori yang dikemukakan berkaitan dengan
kegagalan isolasi minyak.
1. Teori Kegagalan Intrinsik
2. Teori Kegagalan karena Gelembung Gas
3. Teori Kegagalan karena Zat Cair Lain
4. Teori Kegagalan karena kontaminan Padat
106
dalam kenyataan di lapangan, selain 4 hal tersebut, minyak juga
dipengaruhi oleh suhu / temperatur.
Berdasarkan hasil pengukuran yang dilakukan pada minyak
shell diala B yang telah disimpan dengan variasi waktu
penyimpanan 130 hari hingga 166 hari, kondisi minyak
memiliki tegangan breakdown lebih kecil daripada standar
minyak yang dipersyaratkan.
Beberapa sampel minyak shell diala B yang telah disimpan
tersebut, ketika dilakukan test tegangan breakdown,
menggunakan elektroda setengah bola standar pada jarak 2,5
mm, menunjukkan nilai antara 24 kV sampai 26 kV . Padahal
kondisi standar yang dipersyaratkan adalah 30 kV. Sehingga
minyak yang disimpan, sebaiknya dilakukan purifikasi terlebih
dahulu sebelum digunakan, agar memiliki nilai tegangan tembus
sesuai dengan standarnya yaitu 30 kV.
107