ELECTIZER: ISOLASI TEGANGAN TINGGI

ISOLASI TEGANGAN TINGGI

Isolasi adalah salah satu bentuk peralatan tegangan tinggi yang berfungsi sebagai tahanan atau pelindung agar tidak terjadi tembus yang tidak diinginkan. Secara umum isolasi dibagi menjadi 3 (tiga) macam yaitu isolasi padat, cair dan gas. Kemampuan isolasi dalam menahan tegangan mempunyai batas-batas tertentu sesuai dengan material penyusun dan lingkungan sekitarnya. Apabila tegangan yang diterapkan melebihi kuat medan isolasi maka akan terjadi tembus atau breakdown yang menyebabkan terjadinya aliran arus antara peralatan tegangan tinggi. Kekuatan isolasi gas dipengaruhi beberapa hal antara lain temperatur, kelembaban, angin, tingkat kontaminasi udara dan besar tegangan yang diterapkan. Adanya kondisi hujan asam, hujan basa, hujan garam, serta hujan di pegunungan akan mempengaruhi kekuatan isolasi dalam mencegah terjadinya tembus antar dua peralatan tegangan tinggi yang diisolasi. Pemodelan peralatan tegangan tinggi dengan elektroda jarum homogen dan elektroda bola homogen digunakan untuk mengetahui tegangan tembus gas antara keduanya jika terjadi perubahan terhadap lingkungan sekitar, selama pengujian isolasi di laboratorium tegangan tinggi. Contoh penggunaan peralatan tegangan tinggi yang menyerupai elektroda jarum adalah arcing horn (busur api) yang dipasang di tiap ujung renteng isolator. Teknik analisis data menggunakan cara analisis data kualitatif interpretatif dan analisis statistik secara elementer. Kedua metode ini digunakan sejak awal penelitian dimulai, diantaranya dalam memilih obyek, sample, mengklasifikasikan simbol hingga kesimpulan akhir penelitian. Analisis data secara statistik digunakan untuk menaksir prosentase tembus yang terjadi. Hasil percobaan menunjukkan bahwa tegangan tembus udara berbanding lurus dengan tekanan, prosentase karbondioksida dan kelembaban udara tetapi berbanding terbalik dengan kenaikan temperatur. Kata kunci : Isolasi, tegangan tembus.

A. TEORI KEGAGALAN ISOLASI

2.1 Kegagalan pada Isolasi gas

2.1.1 Proses dasar ionisasi

Ion merupakan atom atau gabungan atom yang memiliki muatan listrik, ion terbentuk apabila pada peristiwa kimia suatu atom unsur menangkap atau melepaskan elektron. Proses terbentuknya ion dinamai dengan ionisasi. Jika diantara dua elektroda yang dimasukkan dalam media gas diterapkan tegangan V maka akan timbul suatu medan listrik E yang mempunyai besar dan arah tertentu yang akan mengakibatkan elektron bebas mendapatkan energi yang cukup kuat menuj kearah anoda sehingga dapat merangsang timbulnya proses ionisasi .

2.1.2 Ionisasi karena Benturan Elektron

Jika gradien tegangan yang ada cukup tinggi maka jumlah elektron yang diionisasikan akan lebih banyak dibandingkan dengan jumlah ion yang ditangkap molekul oksigen. Tiap-tiap elektron ini kemudian akan berjalan menuju anoda secara kontinu sambil membuat benturan-benturan yang akan membebaskan elektron lebih banyak lagi. Ionisasi karena benturan ini merupakan proses dasar yang penting dalam kegagalan udara atau gas.

2.1.3 Mekanisme Kegagalan Gas

Proses kegagalan dalam gas ditandai dengan adanya percikan secara tiba-tiba, percikan ini dapat terjadi karena adanya pelepasan yang terjadi pada gas tersebut. Mekanisme kegagalan gas yang disebut percikan adalah peralihan dari pelepasan tak bertahan sendiri ke berbagai pelepasan yang bertahan sendiri[3]. Proses dasar yang paling penting dalam kegagalan gas adalah proses ionisasi karena benturan, tetapi proses ini tidak cukup untuk menghasilkan kegagalan. Proses lain yang terjadi dalam kegagalan gas adalah proses atau mekanisme primer dan proses atau mekanisme sekunder.

Proses yang terpenting dalam mekanisme primer adalah proses katoda, pada proses ini diawali dengan pelepasan elektron oleh suatu elektroda yang diuji, peristiwa ini akan mengawali terjadinya kegagalan percikan (spark breakdown). Elektroda yang memiliki potensial rendah (katoda) akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron. Elektron awal yang dibebaskan (dilepaskan) oleh katoda akan memulai terjadinya banjiran elektron dari permukaan katoda. Jika jumlah elektron yang dibebaskan makin lama makin banyak atau terjadinya peningkatan banjiran

maka arus akan bertambah dengan cepat sampai terjadi perubahan pelepasan dan peralihan pelepasan ini akan menimbulkan percikan (kegagalan) dalam gas.

2.2 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.

2.2.1 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

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 ini menjadi tidak stabil. Kanal kegagalan akan menjalar dari ujung tetesan yang memanjang sehingga menghasilkan kegagalan total.

d. Teori Kegagalan Tak Murnian Padat

Kegagalan tak murnian padat adalah jenis kegagalan yang disebabkan oleh adanya butiran zat padat (partikel) didalam isolasi cair yang akan memulai terjadi kegagalan.

2.2.2 Kekuatan Kegagalan

Dari semua teori yang membahas tentang kegagalan zat cair tidak memperhitungkan hubungan antara panjang ruang celah (sela) dengan kekuatan peristiwa kegagalan. Semuanya hanya membahas tentang kekuatan kegagalan maksimum yang dicapai. Namun dari semua teori diatas dapat ditarik suatu persamaan baru yang berisi komponen panjang ruang celah dan komponen kekuatan peristiwa kegagalan pada benda cair, yaitu

Vb = Adn ........... (2-1)

dimana:

d : panjang ruang celah

A : konstanta

n : juga konstanta yang nilainya < 1

B. TEKNIK PENGAMBILAN DATA

Elektroda

Elektrode yang digunakan dalam pengujian ini adalah elektrode bidang (plat). Elektrode bidang ini digunakan pada pengujian isolasi udara maupun minyak trafo. Elektrode bidang ini terbuat dari stainlees steel. Elektrode bidang dapat dilihat pada gambar 3.1 berikut ini :

3.1 Rangkaian Pengujian

Rangkaian pembangkitan tegangan AC pada gambar 3.2 adalah rangkaian yang digunakan untuk mengetahui tegangan tembus pada pengujian. Rangkaian tersebut digunakan pada media isolasi udara maupun media isolasi minyak trafo.

C. DISTRIBUSI TEGANGAN PADA ISOLATOR RANTAI

Dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu dielektrik merupakan suatu susunan kapasitor. Satu unit isolator hantaran udara ditunjukkan pada Gambar 3.1. Isolator tersebut membentuk suatu susunan konduktor-dielektrik-konduktor. Oleh karena itu suatu isolator dapat dianggap merupakan suatu kapasitor.

Gambar 3.1. Ekivalensi suatu unit isolator hantaran udara

Kapasitansi Yang Dihasilkan Isolator Rantai

Isolator rantai yang digunakan pada transmisi tegangan tinggi hantaran udara adalah isolator seperti pada Gambar 3.1. Pada gambar tersebut terlihat adanya susunan logam-dielektrik-logam yang membentuk susunan sebuah kapasitor. Untaian isolator tersebut akan menghasilkan tiga jenis kapasitansi, yaitu:

a. Kapasitansi masing-masing elemen isolator (C).

b. Kapasitansi antara sambungan isolator dengan menara transmisi atau bumi (C_e).

c. Kapasitansi antara sambungan isolator dengan konduktor tegangan tinggi (C_h).

Gambar 3.2. Susunan isolator rantai transmisi hantaran udara

Oleh karena itu, isolator rantai dapat dianggap merupakan susunan dari beberapa unit kapasitor yang terhubung seri maupun paralel seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Bagian-bagian isolator rantai yang membentuk susunan kapasitor

Distribusi Tegangan dengan Mengabaikan C_e dan C_h

Pada suatu untaian isolator yang panjang, tegangan tidak didistribusikan secara merata, hal ini disebabkan oleh karena pengaruh kapasitansi C_e dan C_h. Dengan adanya kapasitansi C_e dan C_h maka arus bocor tidak seluruhnya melewati tiap elemen, namun akan ada arus bocor yang menuju struktur menara dan ke sambungan antara isolator. Dengan mengabaikan kapasitansi antara sambungan isolator rantai dengan tanah (C_e) dan kapasitansi antara sambungan isolator rantai dengan konduktor fasa (C_h), maka akan sama keadaannya kalau isolator tersebut dikenakan tegangan searah. Dalam tegangan searah, tegangan sepanjang untai isolator didistribusikan secara merata. Dengan demikian pada rantai isolator tersebut mengalir arus bocor dan tegangan pada satu elemen dari isolator rantai adalah arus bocor pada isolator tersebut dikalikan dengan tahanan tiap isolator. Rangkaian pengganti dari untaian isolator ini terlihat seperti pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Rangkaian pengganti isolator rantai dengan mengabaikan C_e dan C_h

Elemen dari isolator rantai adalah sama sehingga distribusi tegangan pada setiap elemen isolator adalah sama.

……….............................. (3.1)

.............................................................................. (3.2)

dimana: V_x = tegangan pada elemen ke-x dari isolator rantai yang ditinjau

V = tegangan total yang dikenakan pada isolator

n = jumlah elemen pada suatu isolator rantai

Distribusi Tegangan dengan Memperhitungkan C dan C_e

Dalam keadaan isolator dibebani tegangan akan timbul medan listrik diantara sambungan isolator dengan sambungan isolator yang lain, antara sambungan isolator dengan menara, dan antara sambungan isolator dengan kawat fasa.

Dibandingkan dengan besarnya kapasitansi masing-masing elemen isolator (C), besarnya C_e jauh lebih kecil, tetapi pada kenyataannya tidak dapat diabaikan karena mempengaruhi distribusi tegangan pada isolator rantai. Misalnya sebuah rangkaian isolator yang terdiri atas empat satuan elemen isolator sebagaimana terlihat pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Rangkaian pengganti dari isolator rantai dengan memperhitungkan pengaruh C dan C_e

Dengan menganggap semua elemen isolator adalah identik, dan kapasitansi masing-masing sambungan elemen isolator terhadap menara sama besar.

Pada Gambar 3.5, misalnya tegangan operasi adalah V, sedangkan jatuh tegangan melalui elemen isolator adalah V₁, V₂, V₃, dan V₄ dimulai dari isolator paling atas mengarah ke kawat fasa, sehingga dapat ditulis dengan persamaan :

Tujuannya adalah untuk mengetahui besarnya tegangan operasi V terhadap tegangan V_n. Dari Gambar 3.5 di atas, besarnya arus yang mengalir tiap elemen isolator dapat dicari.

Pada titik A, persamaan arus adalah :

…………………….…………… (3.3)

Juga,

……………………………………….… (3.4)

dimana :

I₁ = arus yang melalui isolator 1

I₂ = arus yang melalui isolator 2

w adalah frekuensi sudut jaringan

sehingga dari persamaan (3.3) dan (3.4) akan didapat:

…………………………….…… (3.5)

Pada titik B, persamaan arus adalah :

…………………..……… (3.6)

dimana :

………………………........……………. (3.7)

dari persamaan (3.6) dan persamaan (3.7) akan didapat nilai V₃:

…………………………………. (3.8)

dengan menggantikan V₂ dengan V₁ akan diperoleh:

………………………………… (3.9)

Pada titik C, persamaan arus adalah :

…………………. (3.10)

dimana :

…………………………………………. (3.11)

dari persamaan (3.10) dan (3.11) didapatkan nilai V₄:

………………………….. (3.12)

dengan menggantikan V₂ dan V₃ dengan V₁ akan diperoleh:

…………………………. (3.13)

Dengan demikian telah diperoleh besaran-besaran V₂, V₃, V₄ terhadap V₁ dengan rasio kapasitansi m, sehingga terlihat bahwa :

Oleh sebab itu elemen isolator yang paling dekat ke kawat fasa akan memikul tegangan yang lebih tinggi dibandingkan dengan elemen isolator yang lain.

Distribusi Tegangan dengan Memperhitungkan C, C_e, dan C_h

Besarnya kapasitansi C_h dan kapasitansi C_e masih jauh lebih kecil dibanding dengan nilai kapasitansi yang dimiliki elemen isolator C, namun demikian kapasitansi C_h dan kapasitansi C_e tidak dapat diabaikan pengaruhnya. Adanya kapasitansi C_e dan kapasitansi C_h akan berpengaruh terhadap distribusi tegangan pada sambungan isolator, dimana arus bocor akan mengalir ke arah struktur menara dan ke arah sambungan isolator yang berasal dari konduktor tegangan tinggi, dengan demikian arus yang mengalir di masing-masing elemen isolator tidak sama besar, maka tegangan di tiap-tiap elemen isolator tidak sama.

Rangkaian pengganti dari isolator rantai tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 3.6. Rangkaian pengganti dari isolator rantai dengan memperhitungkan pengaruh C, C_e, dan C_h

Berdasarkan Gambar 3.6, pada titik A diperoleh persamaan :

……………………………..…………… (3.14)

dari persamaan (3.14) diperoleh V₁

sehingga:

……….……...…………………. (3.15)

Pada titik B, diperoleh persamaan :

………………………………….……… (3.16)

dari persamaan (3.16) diperoleh V₂

sehingga :

……………..…………………. (3.17)

Pada titik C, diperoleh persamaan :

…..…………..…………………. (3.18)

dari persamaan (3.16) diperoleh V₃

sehingga :

………………..……………… (3.19)

dan,

V = V₁ + V₂ + V₃ + V₄ ………….………………………. (3.20)

sehingga dari persamaan (3.20) didapat V₄

V₄ = V – (V₁ + V₂ + V₃) ……………….…………………. (3.21)

dimana, V adalah tegangan sistem

Perataan Tegangan di Setiap Unit Isolator

Ada beberapa metode didalam perataan tegangan disetiap unit isolator, yaitu :

1). Dengan mengatur besar nilai kapasitansi sambungan isolator terhadap bumi (C_e)

Kapasitansi C_e diupayakan sekecil mungkin, dengan demikian arus bocor yang menuju struktur menara (bumi) akan sangat kecil dan memungkinkan untuk diabaikan. Di dalam mendapatkan nilai kapasitansi C_e yang sangat kecil adalah dengan mengatur jarak antara sambungan isolator terhadap menara pendukung (bumi), dimana jarak berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi yang dihasilkan, oleh sebab itu jika jarak antara menara dan sambungan isolator diperbesar akan diperoleh nilai kapasitansi C_e yang sangat kecil.

2). Dengan grading tiap isolator

Nilai kapasitansi sendiri dari isolator disesuaikan berdasarkan tingkat tegangan. Isolator yang memikul tegangan yang paling besar yaitu isolator paling dekat dengan konduktor fasa, isolator yang digunakan adalah isolator yang memiliki nilai kapasitansi sangat kecil. Dan isolator yang memikul tegangan paling kecil, maka digunakan isolator yang memiliki nilai kapasitansi yang besar. Dengan demikian tegangan di setiap unit isolator akan sama.

3). Dengan menggunakan Guard Ring

Tegangan di setiap unit isolator dapat dibuat sama dengan cara menggunakan Guard Ring. Ada beberapa bentuk yang umum dijumpai, antara lain : Ring, 8-shaped, horn shaped. Metode perataan dengan menggunakan horn shaped, sering disebut dengan bentuk busur tanduk.

Gambar 3.7 Perataan tegangan di setiap isolator dengan menggunakan guard ring berupa busur tanduk

Prinsip perataan tegangan dengan menggunakan busur tanduk ini adalah penyeimbangan arus bocor, sehingga akan menghilangkan atau mengurangi arus bocor yang menuju ke arah struktur menara. Pengaturannya dapat dilihat pada Gambar 3.7 di atas. Untuk semua isolator yang identik, besar kapasitansi C sama. Demikian pula semua kapasitansi ke bumi (C_e) adalah sama besarnya. Tegangan di tiap isolator mempunyai busur tanduk yang sama, dengan demikian arus yang melaluinya juga sama besar yaitu I.

Dari Gambar 3.7, persamaan arus yang melalui isolator paling atas adalah

I_a + I = i₁+ I ………….………………………. (3.22)

dan dengan perata tegangan menggunakan busur tanduk, dibuat pendekatan bahwa

i₁ = I_{a ………..…….……………………………………} (3.23)

i₂= I_{b ……………………………………………………} (3.24)

i₃ = I_c…………….………………..….. (3.25)

………………………..……….... (3.26)