IV.3.2 Analisis dengan Metode Numerik
Metode numerik yang penulis gunakan dalam tugas akhir ini adalah metode elemen hingga finite element method dengan menggunakan software simulasi panas
ANSYS 10.0. Program ini menggunakan elemen triangular dan quadrilateral dalam membentuk mesh. Adapun masukan dari program ini adalah :
• Dimensi kabel seperti ditunjukkan pada Tabel 4.1.
• Kondisi instalasi yang terdapat pada lampiran B.
• Nilai konduktivitas termal bahan kabel dan medium sekitar yang dapat dilihat
pada Tabel 4.5. •
Beban berupa suhu batas diberikan sepanjang batas region. •
Beban fluks panas diberikan secara berulang-ulang sehingga didapat nilai suhu maksimum pada isolasinya.
Tabel 4.5 Nilai konduktivitas bahan kabel dan medium sekitar
Bahan kabel Konduktivitas termal K.mW
XLPE 0.2857
Tembaga 401
PVC 0,167
Baja galvanis 58
Pasir backfill 2
Tanah 1
Keluaran dari program ini adalah distribusi suhu mulai dari permukaan konduktor hingga ke daerah region. Ukuran region yang penulis gunakan adalah bentuk persegi
dengan sisi 2,2 × 2,2 m seperti ditunjukkan pada Gambar 4.3.
Universitas Sumatera Utara
90
o
C
q
dielektrik
30
o
C 30
o
C
30
o
C 30
o
C 2,2 m
2,2 m
Gambar 4.3 Ukuran region kabel NA2XSEBY 20 kV Secara singkat program ANSYS dapat dijelaskan melalui 4 langkah sebagai berikut :
1. Membentuk model kabel, thermal backfill dan region
Pembuatan model dapat dilakukan dengan menggunakan ANSYS Main Menu. Pilih Preprocessor – Modelling – Create – Areas – Rectangular atau Circle.
Untuk memisahkan antara bagian daerah yang satu dengan yang lain digunakan pilihan Preprocessor – Modelling – Operate – Booleans – Substract – Areas. Gambar
model kabel yang sudah terbentuk beserta tampilan ANSYS 10.0 ditunjukkan pada Gambar 4.4.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.4 Model kabel beserta kondisi instalasinya 2.
Masukkan konstanta konduktivitas termal pada bahan model Konduktivitas termal bahan dapat diberikan pada model dengan pilihan
Preprocessor – Material Props – Material Model – Thermal – Conductivity - Isotropic, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.5a, lalu diisi nilai konduktivitas termal
dari bahan pertama. Untuk bahan kedua dapat ditambah dengan memilih Material Model – New Model, selanjutnya sama seperti pada bahan pertama. Untuk bahan
ketiga dan seterusnya dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti bahan kedua. Gambar 4.5b menunjukkan input konstanta konduktivitas termal bahan.
Universitas Sumatera Utara
a
b Gambar 4.5 Input konduktivitas termal bahan
3. Proses mesh meshing
Dengan menggunakan pilihan mesh, model kabel pada Gambar 4.4 dapat dibagi-bagi menjadi elemen kecil yang dapat berupa elemen quadrilateral atau
triangular. Agar mendapatkan hasil yang teliti, ukuran elemen yang digunakan dibuat semakin kecil semakin mendekati bagian kabel, yaitu :
• Tanah
: 50 mm •
Backfill : 5 mm
Universitas Sumatera Utara
• Selubung luar dan perisai
: 1,25 mm •
Selubung dalam dan tabir : 1,1 mm
• Isolasi
: 1 mm Ukuran elemen dapat diatur dengan memilih Preprocessor – Meshing – Size cntrls –
ManualSize – Global – Size. Kemudian masukkan ukuran elemen untuk daerah yang akan dimesh. Proses mesh dapat dilakukan dengan memilih Preprocessor – Meshing
– Mesh – Areas – Target Surf, kemudian klik daerah yang ingin dimesh. Hasil dari model kabel yang telah dimesh dapat dilihat pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Region yang telah dimesh Elemen yang digunakan untuk proses meshing secara keseluruhan berjumlah 19.651
elemen segiempat dan 50 segitiga.
Universitas Sumatera Utara
4. Masukkan nilai fluks panas dan suhu batas region
Input fluks panas dapat diberikan dengan memilih Solution – Define Loads – Apply – Thermal – Heat flux Temperature – On Lines. Kemudian klik garis pada inti
kabel dan isikan nilai fluks panas. Untuk suhu batas region dapat dilakukan dengan cara yang sama dengan fluks panas hanya batasnya sepanjang region. Setelah itu
mulai mengeksekusi beban dengan pilihan Solution – Solve – Current LS – OK. Untuk solusi node digunakan pilihan General Postproc – Plot Results – Contour Plot
– Nodal Solution – DOF Solution – Nodal Temperature – OK. Solusi node dari program ANSYS 10.0 dalam bentuk gambar dapat dilihat pada Gambar 4.7 dan 4.8.
Gambar 4.7 Distribusi suhu di sekitar kabel Warna merah pada gambar menunjukkan suhu tertinggi dan warna biru menunjukkan
suhu terendah.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.8 Distribusi suhu pada bagian-bagian kabel Output simulasi berupa distribusi suhu untuk suhu tanah yang berbeda tertera pada
Lampiran E.1. Dari simulasi diperoleh nilai-nilai input dan output yang diberikan pada Tabel 4.6.
Tabel 4.6 Input dan output simulasi dari suhu tanah yang berbeda
Input Output
Suhu tanah
o
C fluks panas
Wm
2
Suhu inti kabel
o
C Suhu permukaan
kabel
o
C
10 509,5
77,47 54,98
15 467,15
76,862 56,241
20 424,5
76,214 57,476
25 382,2
75,613 58,742
30 339,8
74,998 59,998
35 297,1
74,343 61,229
40 254,5
73,702 62,468
Universitas Sumatera Utara
Dari Tabel 4.6 dapat diperoleh rugi-rugi konduktor kabel per satuan panjang yang dihitung dengan rumus :
di mana : r = jari-jari konduktor kabel Sedangkan nilai arus yang diizinkan dapat dihitung dengan rumus :
Arus yang diizinkan =
di mana : resistansi AC konduktor = sehingga hasil dari perhitungan rugi-rugi konduktor dan KHA dapat dilihat pada
Tabel 4.7. Tabel 4.7 Pengaruh suhu tanah terhadap rugi-rugi konduktor dan KHA
Suhu tanah
o
C Rugi-rugi konduktor
Wm KHA A
10 29,92
430,47 15
27,43 412,17
20 24,93
392,94 25
22,44 372,8
30 19,95
351,51 35
17,44 328,65
40 14,94
304,2
Dari simulasi diperoleh nilai-nilai input dan output untuk resistivitas termal tanah yang berbeda dapat dilihat pada Tabel 4.8, sedangkan output berupa distribusi suhu
dapat dilihat pada Lampiran E.2.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.8 Input dan output simulasi dari resistivitas termal tanah yang berbeda
Input Output
Resistivitas termal tanah
o
K.mW fluks panas
Wm
2
Suhu inti kabel
o
C Suhu permukaan
kabel
o
C 0,7
389,5 74,964
54,98 0,8
371 74,944
54,969 0,9
354,5 74,953
54,974 1,0
339,8 74,998
59,998 1,5
249,5 69,957
56,638 2,0
213,2 69,998
61,109 2,5
186,2 70,003
61,114 3
164 69,951
61,073
Dengan cara yang sama seperti perhitungan pada Tabel 4.7, rugi-rugi konduktor dan KHA dapat dilihat pada Tabel 4.9.
Tabel 4.9 Pengaruh resistivitas termal tanah terhadap rugi-rugi konduktor dan KHA
Resistivitas termal tanah
o
K.mW Rugi-rugi
konduktor Wm KHA A
0,7 22,87
376,36 0,8
21,78 367,28
0,9 20,82
359,09 1,0
19,95 351,53
1,5 14,65
301,22 2,0
12,52 278,46
2,5 10,93
260,18 3
9,63 244,22
Universitas Sumatera Utara
Nilai-nilai input dan output dari simulasi untuk suhu konduktor akibat mengalirnya arus melalui konduktor kabel diberikan pada Tabel 4.10. Pengaruh arus terhadap
rugi-rugi konduktor dan suhu konduktor diberikan pada Tabel 4.11. Tabel 4.10 Input dan output simulasi dari pengaruh arus terhadap suhu konduktor
Input Output
fluks panas Wm
2
Suhu konduktor
o
C Suhu permukaan kabel
o
C 37,5
35 33,311
75,3 40
36,648 113,3
45 40,002
150,95 50
43,326 188,8
55 46,668
226,4 60
49,987 264,3
65 53,333
302 70
56,661 339,8
75 59,998
Tabel 4.11 Hubungan arus terhadap rugi-rugi konduktor dan suhu konduktor
Arus A Rugi-rugi konduktor
Wm Suhu konduktor
o
C 116,73
2,2 35
165,45 4,42
40 202,94
6,65 45
234,25 8,86
50 262,08
11.09 55
286,08 13,29
60 310,04
15,52 65
331,38 17,73
70 351,51
19,95 75
Universitas Sumatera Utara
Dari Tabel 4.11 di atas dapat dibuat grafik hubungan antara arus dengan suhu konduktor seperti ditunjukkan pada Gambar 4.9.
Gambar 4.9 Grafik hubungan antara arus dengan suhu konduktor kabel Berdasarkan simulasi pada metode numerik suhu maksimum konduktor hanya 75
o
C agar suhu maksimum pada selubung PVC tetap pada suhu 70
o
C sebagai suhu maksimum isolasi. Tabel 4.12 menunjukkan suhu batas beberapa isolasi kabel.
Tabel 4.12 Suhu batas maksimum beberapa bahan isolasi
No Jenis Isolasi
Suhu batas maksimum
o
C
1 PVC
70 2
XLPE 90
3 EPR
90 4
Polyethylene 70
5 Karet biasa
60 6
Karet butil 85
7 Kertas
85
100 150
200 250
300 350
400 35
40 45
50 55
60 65
70 75
Hubungan arus terhadap suhu konduktor
Arus A S
uhu k onduk
tor der
aj at
C
Universitas Sumatera Utara
IV.3.3 Perbandingan Kedua Metode
Kategori