Umum DEGRADASI MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR TENAGA

BAB III DEGRADASI MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR TENAGA

I.1. Umum

Seperti telah disebutkan sebelumnya, dielektrik cair adalah yang paling umum digunakan untuk isolasi transformator pada tegangan tinggi. Cairan ini hampir tak berwarna terdiri dari campuran hidrokarbon yang meliputi paraffin, napthen atau aromatik. Selain itu isolasi cair memiliki kelebihan diantara isolasi lain untuk mengisolasi bagian dari transformator tenaga. Akan tetapi disamping itu isolasi cair juga memiliki kelemahan yaitu mudah terkontaminasi. Ketika di operasikan cairan dalam sebuah transformator akan mengalami pemanasan pada suhu tinggi sekitar 95ºC dalam waktu lama dan konsekuensinya minyak mengalami proses penuaan bertahap. Selain itu dalam jangka waktu yang lama minyak menjadi lebih gelap akibat pembentukan asam dan resin, atau lumpur di dalam minyak. Beberapa asam korosif terhadap bahan isolasi padat dan bagian logam dalam transformator. Timbunan lumpur pada inti transformator, kumparan dan di dalam saluran minyak mengurangi sirkulasi minyak dan panas sehingga kemampuan transfer sangat berkurang. Selain itu faktor paling penting yang mempengaruhi kekuatan listrik minyak isolasi adalah air dalam bentuk tetesan halus dalam minyak. Kehadiran 0,01 air di minyak transformator mengurangi kekuatan dielektrik untuk 20 dari nilai minyak kering. [1] Universitas Sumatera Utara III.2. Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Sifat – sifat listrik dari minyak isolasi yang perlu diketahui adalah, dielektrik, konduktansi, rugi – rugi dielektrik, tahanan isolasi, dan pelepasan muatan sebagian. Sifat – sifat listrik dari minyak isolasi yang akan diuraikan pada tulisan ini adalah kekuatan dielektrik minyak isolasi. Kekuatan dielektrik minyak isolasi adalah kuat medan maksimum medan listrik yang dapat dipikul oleh minyak isolasi tersebut. Peristiwa kegagalan minyak isolasi melaksanakan fungsinya sebagai bahan dielektrik disebut tembus listrik breakdown. Peristiwa tembus listrik ini terjadi bila kuat medan listrik yang dipikul melebihi kekuatan dielektriknya. Breakdown terjadi jika : E D E C Dimana : E D = kuat medan yang dipikul isolator E C = kekuatan dielektrik isolator Pemanasan atau kenaikan temperature minyak isolasi, terjadi bila panas yang timbul lebih besar dari panas yang didisipasikannya, maka temperatur minyak isolasi akan naik. Apabila hal ini berlangsung terus menerus, maka dapat mengakibatkan struktur kimia minyak isolasi tersebut berubah. Dengan berubahnya struktur kimia minyak isolasi tersebut, kekuatan dielektrik minyak isolasi juga akan berubah, jadi kekuatan dielektrik minyak isolasi tergantung pada kenaikan suhu dielektriknya, oleh karena itu sangat penting dilakukan pengujian secara teratur tentang kekuatan dielektrik minyak isolasi untuk menghindarkan kegagalan suatu bahan dielektrik yang digunakan pada peralatan listrik. [6] Universitas Sumatera Utara E III.3. Medan Dielektrik Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron – elektron bebas, melainkan elektron – elektron terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada gambar dibawah ditujukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik E di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberikan gaya pada elektron – elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu bahan yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor. Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik, setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik. Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama. Maka isolator akan menghantar arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik tersebut tembus listrik atau mengalami “breakdown”. - Elektroda Elektroda Dielektrik V + E Gambar 3.1. Medan Elektrik Dalam Dielektrik Universitas Sumatera Utara Terpaan listrik yang tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tampa menimbulkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik memiliki kekuatan dielektrik Ek, maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah Ek. Pada penerapan tegangan kekuatan dielektrik didefinisikan sebagai gradient potensial dalam voltcm yang merupakan perbandingan tegangan yang menyebabkan kerusakan atau kegagalan pada dielektrik V dengan tebal isolasi d yang memisahkan antara elektroda dapat dilihat pada persamaan berikut ini [6] : cm kV d V E = .................................................................................................3-1 Dimana : E = Kuat medan listrik yang dapat ditahan oleh material isolasi V = Tegangan maksimumyang tercatat pada alat ukur d = Tebal isolasi III.4. Ionisasi Ionisasi adalah peristiwa terlepasnya elektron dari ikatan molekul netral atom netral sehingga menghasilkan satu elektron bebas dan ion positif, seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah ini : + Atom Netral Proton Neutron Elektron Terikat TERIONISASI + Ion Positif + Elektron Bebas Gambar 3.2. Proses Ionisasi Universitas Sumatera Utara Jika dilihat dari penyebabnya, inonisasi dibagi menjadi :

1. Ionisasi benturan

Jika ada suatu muatan e b yang bergerak dengan kecepatan kinetis sebesar MV 2 membentur suatu atom yang elektronnya e a mempunyai energi ikat terhadap intinya sebesar W ie , apabila Energi kinetis e b lebih besar daripada energi ikat e a maka akan terjadi ionisasi. Peristiwa inilah yang disebut ionisasi benturan Gambar 3.3

2. Ionisasi ultraviolet Ionisasi Foton Radiasi

Ionisasi ini dibagi lagi menjadi tiga jenis, yaitu : • Ionisasi Radiasi, yang disebabkan oleh penyinaran sinar ultraviolet • Ionisasi Radioaktif Bumi • Ionisasi Karena Radiasi Sinar Kosmis Proses ionisasi terjadi jika energi radiasi h u lebih besar daripada energi ikat elektron W ie .

3. Ionisasi thermal

Ionisasi ini terjadi jika udara pada ruang tertutup dipanaskan menyebabkan molekul-molekul udara bergerak, sehingga terjadi benturan antar molekul. Hal ini V e b + e a TERIONISASI Ek eb W ie + Ion Positif V e b V e a Elektron bebas lama + baru e b Membentur e a Gambar 3.3. Proses Ionisasi Benturan Universitas Sumatera Utara akan menyebabkan terjadinya ionisasi benturan yang menghasilkan ion positif dan elektron. [5] III.5. Teori Kegagalan Minyak Isolasi Teori kegagalan isolasi yang terjadi pada minyak transformator dibagi menjadi empat jenis sebagai berikut :

1. Teori kegagalan elektronik

Teori ini merupakan perluasan dari teori kegagalan pada gas, artinya proses kegagalan yang terjadi dalam dielektrik cair karena adanya banjiran elektron electron avalanche pada gas. Jika diantara elektroda diterapkan suatu kuat medan yang sangat kuat, sedangkan pada elektroda tersebut terdapat permukaan yang tidak rata, maka kuat medan yang terbesar terdapat pada bagian yang tidak rata tersebut. Pancaran medan elektron dari katoda di asumsikan bertabrakan dengan atom dielektrik cair. Jika energi medan yang dihasilkan dari tabrakan sudah cukup besar, sebagian elektron akan terlepas dari atom dan akan bergerak menuju anoda bersama dengan elektron bebas. Banjiran elektron ini serupa dengan peluahan yang terjadi pada gas dan peristiwa ini akan mengawali proses terjadinya kegagalan.

2. Teori kegagalan karena adanya gelembung gas

Yaitu ketakmurnian misalnya gelembung udara mempunyai tegangan gagal yang lebih rendah dari zat cair, disini adanya gelembung udara dalam cairan merupakan awal dari pencetus kegagalan total dari pada zat cair. Kegagalan gelembung merupakan bentuk kegagalan isolasi cair yang disebabkan oleh gelembung gelembung gas didalamnya. Universitas Sumatera Utara

3. Teori kegagalan partikel padat

Partikel debu atau serat selulosa yang ada disekeliling isolasi padat kertas sering kali ikut tercampur dengan minyak. Selain itu partikel padat ini pun dapat terbentuk ketika terjadi pemanasan dan tegangan lebih. Pada saat terjadi medan listrik, partikel – partikel ini akan terpolarisasi dan membentuk jembatan. Arus akan mengalir melalui jembatan dan menghasilkan pemanasan lokal serta menyebabkan terjadinya kegagalan.

4. Teori kegagalan uap cair

Air dan uap air terdapat pada minyak, terutama pada minyak yang telah lama digunakan. Jika terdapat medan listrik, maka molekul uap air yang terlarut memisah dari minyak dan terpolarisasi membentuk suatu dipole. Jika jumlah molekul molekul uap air ini banyak, maka akan tersusun semacam jembatan yang menghubungkan kedua elektroda, sehingga terbentuk suatu kanal peluahan. Kanal ini akan merambat dan memanjang sampai terjadi tembus listrik. [13] III.6. Mekanisme Tembus Listrik Dielektrik Cair Murni Dielektrik cair murni biasanya tidak mengandung elektron bebas, kalaupun ada hal itu terjadi karena adanya emisi medan tinggi yang menyebabkan sejumlah elektron terlepas dari permukaan elektroda seperti pada gambar 3.4. N N N N N - N = Elektron Bebas Hasil Emisi Medan Tinggi - N = Muatan Netral A K Gambar 3.4. Muatan Netral dan Elektron Diantara Elektroda Universitas Sumatera Utara Jadi proses tembus listrik dimulai dari elektron bebas tersebut bergerak menuju anoda yang diakibatkan karena adanya medan listrik yang dihasilkan dari sumber tegangan, sehingga menghasilkan gaya F pada elektron yang arahnya berlawan dengan arah medan listrik Gambar 3.5. Gambar 3.5. Elektron Mengalami Gaya F Akibat Adanya Medan Listrik Jika energi kinetis elektron awal yang bergerak W K lebih besar daripada energi ikat elektron molekul netral W ie maka terjadilah ionisasi yang menghasilkan satu elektron bebas dan satu ion positif. Elektron bebas hasil emisi dan hasil ionisasi tadi bersama-sama bergerak menuju anoda sedangkan ion positif hasil ionisasi akan bergerak menuju katoda, tapi pergerakannya lambat karena massanya lebih besar Gambar 3.6. Dalam perjalanan elektron bebas menuju anoda, elektron - elektron tersebut membentur molekul netral yang lain. Sehingga jumlah elektron - elektron yang F N - e a A K A K + - - e a e b Gambar 3.6. Elektron Bebas Bergerak Menuju Anoda dan Ion Positif Bergerak Menuju katoda Universitas Sumatera Utara menuju anoda semakin banyak. Untuk ion positif yang bergerak ke katoda, ion positif tersebut akan membentur permukaan elektroda katoda sehingga terjadilah emisi dampak ion positif yang menghasilkan elektron lagi, sehingga akan terjadi banjiran elektron Gambar 3.7. Gambar 3.7. Banjiran Elektron Pada Dielektrik Cair Jika medan elektrik masih ada atau terus meningkat, maka banjiran elektron akan semangkin besar, sehingga antara elektroda akan terhubung, menyebabkan arus mengalir sehingga terjadilah tembus listrik. [1] III.7. Mekanisme Kegagalan Minyak Isolasi Beberapa macam faktor yang diperkirakan mempengaruhi kegagalan 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. Kegagalan isolasi insulation breakdown, insulation failure disebabkan karena beberapa hal antara lain isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya + - + + + - - - - - - - - - - - - - - - A K Universitas Sumatera Utara kekuatan dielektrik dan karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada perinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan stress yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar isolator tidak gagal. Dalam struktur molekul material isolasi, elektron - elektron 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 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 gagal. [1] Jika suatu tegangan dikenakan tehadap dua elektroda yang dicelupkan kedalam cairan isolasi maka terlihat adanya konduksi arus yang kecil. Jika tegangan dinaikkan secara kontinyu maka pada titik kritis tertentu akan terjadi lucutan diantara kedua elektroda. Lucutan dalam zat cair ini akan terdiri dari unsur – unsur sebagai berikut : • Aliran listrik yang besarnya ditentukan oleh karakteristik rangkaian. • Lintasan cahaya yang cerah dari elektroda yang satu ke elektroda yang lain. • Terjadi gelembung gas dan butir – butir zat padat hasil dekomposisi zat cair. • Terjadi lubang pada elektroda. [3] Universitas Sumatera Utara III.8. Faktor – Faktor Penyebab Terjadinya Degradasi Minyak Isolasi Minyak isolasi yang dipakai dalam jangka waktu yang lama akan mengalami proses degradasi atau menurunnya kemampuan minyak sebagai media isolasi, hal tersebut dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya :

1. Panas

Pemanasan yang berlangsung cukup lama dan terus – menerus pada minyak isolasi akan merusak struktur kimia dari minyak isolasi, sehingga akan merubah sifat – sifat dasar sebagai media isolasi.

2. Kerusakan karena ionisasi

Kerusakan karena ionisasi akan terjadi jika W = E . q . λ W ionisasi ……………………………………………..3-2 λ cair λ gas E cair E gas Dari pernyataan diatas dapat diketahui bahwa bahan dielektrik cair dapat lebih baik dari bahan dielektrik gas untuk beberapa jenis gas jika tidak dicampur dengan bahan – bahan lain yang dapat merusak dielektrik cair sebagai media isolasi. Karena dibutuhkan E yang sangat besar agar W W ionisasi , sehingga terjadi kegagalan isolasi. Adanya kuat medan yang besar menyebabkan timbulnya polaritas elektron antara kedua elektrodanya dan dapat menyebabkan kerusakan pada dielektrik cair. Adanya ketidakmurnian pada bahan dielektrik cair sangat besar pengaruhnya terhadap sifat suatu bahan dielektrik isolasi, hal ini dapat dilihat pada minyak transformator. Jumlah uap air yang ada pada minyak transformator ternyata sangat mempengaruhi tegangan tembusnya. Universitas Sumatera Utara Dalam pengukuran minyak transformator yang terkontaminasi dengan material pengotor, biasanya mempunyai tegangan gagal E Bd 0 sd 25 kVmm. Minyak transformator maupun pemutus tenaga yang telah lama digunakan harus di uji secara periodik untuk mengetahui kemampuannya. Minyak yang diuji dengan elektroda standar pada jarak 2,5 mm.

3. Kontak dengan udara

Kontak dengan udara akan menyebabkan minyak isolasi beroksidasi dengan udara yang akan mengakibatkan minyak tercemar sehingga mengakibatkan turunnya kekuatan dielektrik minyak isolasi.

4. Partikel – partikel yang merusak minyak isolasi

Partikel – partikel mekanis yang merusak minyak isolasi seperti perkaratan korosi dan partikel – pertikel yang terbentuk dari bagian – bagian peralatan yang diisolasi dengan minyak transformator sehingga minyak terkontaminasi dengan partikel tersebut.

5. Korona

Percikan bunga api korona menyebabkan kadar karbon minyak meningkat dan menyebabkan gelembung – gelembung gas N 2 dan O 2 pada minyak isolasi.

6. Faktor alamiah

Umur yang cukup lama merupakan salah satu faktor yang menyebabkan minyak mengalami penurunan kualitas isolasinya. [3] Universitas Sumatera Utara

BAB IV ANALISIS KENAIKAN KEKUATAN DIELEKTRIK ISOLASI MINYAK