Pengaruh Tekanan Mekanis Terhadap Tegangan Tembus Dielektrik Kertas Terimpregnasi Minyak
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pengertian Tekanan Mekanis
Benda memiliki suatu massa atau berat. Berat sebuah benda berasal dari
dua hal yaitu internal dan eksternal. Berat yang berasal dari bahan tersebut disebut
internal dan berat yang diakibatkan oleh gravitasi disebut eksternal. Berat yang
berasal dari eksternal akan memiliki arah.
Oleh sebab itu
berat itu dapat
dinyatakan sebagai gaya yang merupakan besaran vektor. Besaran berat
dinyatakan dengan satuan massa yaitu kilogram atau gram[2].
Suatu bahan jika diberi suatu gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu
bidang dengan luas tertentu disebut dengan tekanan. Tekanan yang disebabkan
oleh benda dapat dikatakan sebagai tekanan mekanis. Tekanan mekanis terdiri
dari tegangan tarik, kekuatan tekan, dan modulus elastisitas. Besarnya tekanan
mekanis dapat dilihat sebagai berikut :
�� =
Dimana :
�
�
�M
: Tekanan mekanis (Kg/mm2)
F
: Gaya berat beban (Kg)
A
: Luas Penampang benda (mm2)
(2.1)
Sifat dari isolasi sangat rentan dengan kekuatan mekanis yaitu tahan
terhadap tekanan yang ditimbulkan dari internal maupun eksternal. Kekuatan
mekanis bahan isolasi adalah kemampuan dimana bahan isolasi mampu untuk
menahan atau memikul beban[3].
4
Universitas Sumatera Utara
2.2
Proses Terbentuknya Kertas
Kertas termaksud bahan berserat yang seratnya pendek. Salah satunya
yang terbuat dari kayu. Kayu merupakan salah satu komuditi yang paling sering
dimanfaatkan manusia untuk berbagai keperluaan. Kayu dalam penggunaannya
memiliki kekuatan tertentu, terutama mengenai sifat fisik dan mekaniknya.
Sifat fisik, sifat mekanik, dan sifat kimia merupakan sifat dari kayu.
Namun dari ketiganya sifat kayu yang erat kaitannya dengan kekuatan kayu
adalah sifat mekanik dari kayu . Salah satu dari sifat mekaniknya adalah kekuatan
dan ketahanan terhadap perubahan bentuk suatu bahan[4].
Sifat-sifat mekanik yang penting diketahui kaitannya dengan kekuatan
kayu, yaitu :
1. Kekuatan lengkung.
2. Kekuatan tekan sejajar serat.
3. Tekanan tegak lurus serat.
4. Keuletan.
5. Kekenyalan.
6. Kekerasan sisi.
7. Kekuatan tarik sejajar serat.
Kayu terdiri dari zat hemiselulosa yang diperkuat oleh lignin dan unsurunsur lainnya. Kertas yang berasal dari kayu pada dasarnya adalah selulose
(C6H10O5) atau asetat. Dibuat dari kayu melalui proses kimia dengan cara
menjadikan bubur kertas (pulp) terlebih dahulu. Pada proses pulp, hemiselulosa
dipisahkan dari lignin. Untuk mendapatkan selulose murni dengan cara pulp
bersama bahan kimia yang terdiri dari senyawa dengan menggunakan basa kuat
5
Universitas Sumatera Utara
yaitu, natrium hidroksida , NaOH dan natrium sulfida , Na2S. Kemudian dimasak
dalam tangki dan diaduk untuk mendapatkan campuran yang larut didalam air
sedangkan selulosenya sendiri tidak larut dan akan terpisah dari lignin, selulose
inilah yang selanjutnya digunakan menjadi kertas[5].
Kertas yang digunakan untuk bahan isolasi, selulose yang dimasak dengan
senyawa Alkali. Sifat selulose alkali dibanding dengan kertas biasanya secara
mekanis lebih kuat dan lebih tahan terhadap panas.
2.3
Dielektrik
Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat
kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair
dan gas. Sebagai contoh bahan dielektrik adalah kertas dan kain katun. Tidak
seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat elektron-elektron konduksi
yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh pengaruh medan listrik. Medan listrik
tidak akan menghasilkan pergerakan muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah
yang menyebabkan bahan dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam
bahan dielektrik, semua elektron-elektron terikat dengan kuat pada intinya
sehingga terbentuk suatu struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal
cairan atau gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama
sehingga tiap aliran massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu,
jika suatu dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di
daerah di mana muatan tadi ditempatkan.
Masing-masing jenis dielektrik memiliki fungsi dan fungsi yang paling
penting dari suatu isolasi adalah:
1. Untuk mengisolasi antara penghantar dengan penghantar yang lain.
6
Universitas Sumatera Utara
Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau konduktor
fasa dengan tanah.
2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang
diisolasi.
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan rekasi kimia
Agar sistem isolasi mampu menjalanakan tugasnya dengan baik, bahan
dielektrik harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:
1. Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi
menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit,
sehingga biaya pembuatan sistem isolasi semakin murah.
2. Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar temperatur bahan isolasi tidak
melebihi batas yang ditentukan.
3. Memiliki kekuatan kerak yang tinggi, agar tidak terjadi erosi karena
tekanan elektrik permukaan.
4. Memiliki permitivitas yang tepat dan cocok, sehingga arus pemuatan
yang mengalir pada sistem isolasi tidak melebihi yang diijinkan.
5. Daya tahan panasnya tinggi
6. Tidak berubah bentuk pada temperatur tinggi.
7. Konduktivitas panas yang tinggi.
8. Koefisien muai panas yang rendah.
9. Tidak mudah terbakar.
10. Tahan terhadap busur api.
11. Daya serap air yang rendah.
7
Universitas Sumatera Utara
2.4
Media Impregnasi Dielektrik
Dielektrik sebagai bahan isolasi sangatlah diperlukan dalam sebuah sistem
isolasi. Salah satunya adalah kertas. Jenis dielektrik kertas yang paling sering
digunakan untuk kapasitor dan transformator, umumnya adalah isolasi kertas yang
diimpregnasi. Bahan impregnasi dapat berupa minyak mineral ataupun minyak
isolasi[6].
Kertas sebagai bahan isolasi merupakan salah satu jenis isolasi padat.
Isolasi padat yang sering digunakan pada penggunaannya pada sistem tenaga
listrik seperti transformator daya adalah kertas kraft yaitu jenis isolasi kelas A
yang dikombinasikan dengan bahan impregnasi berupa minyak transformator[7].
2.4.1
Minyak Isolasi Mineral
Minyak isolasi mineral adalah minyak yang berasal dari minyak bumi
yang diproses secara destilasi. Minyak bumi yang telah didestilasi ini, harus
mengalami beberapa proses lagi untuk mendapatkan tahanan isolasi yang tinggi,
stabilitas panas yang baik, serta memenuhi syarat-syarat teknis yang lain.
Minyak isolasi mineral umumnya banyak digunakan pada peralatan
tegangan tinggi seperti Transformator daya, Kapasitor daya, Kabel daya, dan
Circuit breaker (pemutus daya). Dalam hal ini minyak isolasi berfungsi sebagai
bahan dielektrik, bahan pendingin dan pemadam busur api.
Kekuatan dielektrik minyak mineral lebih tinggi, tetapi memiliki
kelemahan seperti disebutkan dibawah ini :
a. Konstanta dielektriknya rendah.
b. Distribusi tegangan tidak seragam.
8
Universitas Sumatera Utara
c. Minyak mineral mudah terosidasi, dan hasil oksidasinya berupa
asam,air, dan lumpur halus.
d. Mudah disusupi rongga udara. Pada tegangan tertentu, pada rongga
udara akan terjadi peluahan listrik yang menghasilkan hidrogen dan
molekul hidrokarbon berbobot rendah.
e. Mudah terbakar, sehingga membutuhkan alat pencegah kebakaran.
Adapun Spesifikasi Minyak isolasi yang baik terlihat pada tabel standart
PLN 49-1 :1982.
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak isolasi baru
No.
1
2
4
5
6
Sifat
Kejernihan
Massa Jenis 20 ° C (gr/cm3)
Viskositas (40°C)
Kinematika - 15 °C (cST)
Kinematika - 30°C ( cST)
Titik tuang (°C)
Titik Bakar (°C)
Angka Kenetralan (mg KOH/gr)
7
Korosi Belerang
3
8
9
10
Kelas 1
Jernih
≤ 0.895
≤ 45
≤ 800
≤ - 35
≥ 140
≤ 0.03
Tegangan Tembus (KV/2.5mm)
a. Sebelum Diolah
b. Setelah Diolah
Faktor kebocoran Dielektrik
Ketahanan Oksidasi
Angka Kenetralan (mgKOH/gr)
Kotoran (%)
2.4.2
Kelas 2
Jernih
≤ 0.895
≤ 25
≤ 800
Metode Uji
IEC 296
IEC 296
IEC 296
IEC 296
IEC 296A
IEC 296
-
Tidak
Korosi
≥ 30
≥ 50
-
≥ 30
≥ 50
≤ 0.05
≤ 0.4
≤ 0.1
≤ 0.4
≤ 0.1
IEC 296
IEC 296
IEC 474
IEC 474
&
IEC 74
Faktor-Faktor penyebab pemburukan Minyak isolasi.
Untuk mengetahui apakah minyak isolasi sudah mengalami pemburukan
atau belum adalah dengan melakukan pengujian-pengujian yang sifatnya tidak
merusak. Kegagalan minyak isolasi sebagai bahan dielektrik pada peralatan
9
Universitas Sumatera Utara
tegangan tinggi, biasanya terjadi karena pemburukan dari minyak isolasi itu
sendiri.
Faktor-faktor yang mempengaruhi pemburukan dari
minyak isolasi
sebagai berikut :
1. Panas
Pemanasan yang berlangsung cukup lama dan berlangsung secara terusmenerus dapat merubah struktur kimia dari minyak isolasi tersebut, sehingga
merubah sifat-sifat dasarnya sebagai bahan isolasi.
2. Kemurniaan bahan isolasi
Ketidakmurniaan dari bahan dielektrik cair mempunyai pengaruh besar
tehadap sifat isolasi bahan tersebut. Hal ini dapat kita lihat pada minyak
transformator. Jumlah uap air yang ada pada minyak transformator akan
memengaruhi tegangan tembusnya.
Pengukuran minyak transformator yang terkontaminasi dengan material
pengotor biasanya mempunyai tegangan gagal (EBD) berkisar antara 0 – 25
kV/mm. Oleh karena itu minyak transformator yang sudah lama dipakai, harus
diuji secara periodik untuk mengetahui kemampuannya. Minyak transformator
yang diuji adalah minyak bagian atas, tengah, dan bawah dan diuji dengan
elektroda standard dengan jarak sela 2,5 mm. Jika EBD lebih besar daripada 20 kV
( EBD >> 20 kV) maka minyak transformator masih dikatakan baik. Namun bila
EBD lebih kecil daripada 20 kV (EBD
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pengertian Tekanan Mekanis
Benda memiliki suatu massa atau berat. Berat sebuah benda berasal dari
dua hal yaitu internal dan eksternal. Berat yang berasal dari bahan tersebut disebut
internal dan berat yang diakibatkan oleh gravitasi disebut eksternal. Berat yang
berasal dari eksternal akan memiliki arah.
Oleh sebab itu
berat itu dapat
dinyatakan sebagai gaya yang merupakan besaran vektor. Besaran berat
dinyatakan dengan satuan massa yaitu kilogram atau gram[2].
Suatu bahan jika diberi suatu gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu
bidang dengan luas tertentu disebut dengan tekanan. Tekanan yang disebabkan
oleh benda dapat dikatakan sebagai tekanan mekanis. Tekanan mekanis terdiri
dari tegangan tarik, kekuatan tekan, dan modulus elastisitas. Besarnya tekanan
mekanis dapat dilihat sebagai berikut :
�� =
Dimana :
�
�
�M
: Tekanan mekanis (Kg/mm2)
F
: Gaya berat beban (Kg)
A
: Luas Penampang benda (mm2)
(2.1)
Sifat dari isolasi sangat rentan dengan kekuatan mekanis yaitu tahan
terhadap tekanan yang ditimbulkan dari internal maupun eksternal. Kekuatan
mekanis bahan isolasi adalah kemampuan dimana bahan isolasi mampu untuk
menahan atau memikul beban[3].
4
Universitas Sumatera Utara
2.2
Proses Terbentuknya Kertas
Kertas termaksud bahan berserat yang seratnya pendek. Salah satunya
yang terbuat dari kayu. Kayu merupakan salah satu komuditi yang paling sering
dimanfaatkan manusia untuk berbagai keperluaan. Kayu dalam penggunaannya
memiliki kekuatan tertentu, terutama mengenai sifat fisik dan mekaniknya.
Sifat fisik, sifat mekanik, dan sifat kimia merupakan sifat dari kayu.
Namun dari ketiganya sifat kayu yang erat kaitannya dengan kekuatan kayu
adalah sifat mekanik dari kayu . Salah satu dari sifat mekaniknya adalah kekuatan
dan ketahanan terhadap perubahan bentuk suatu bahan[4].
Sifat-sifat mekanik yang penting diketahui kaitannya dengan kekuatan
kayu, yaitu :
1. Kekuatan lengkung.
2. Kekuatan tekan sejajar serat.
3. Tekanan tegak lurus serat.
4. Keuletan.
5. Kekenyalan.
6. Kekerasan sisi.
7. Kekuatan tarik sejajar serat.
Kayu terdiri dari zat hemiselulosa yang diperkuat oleh lignin dan unsurunsur lainnya. Kertas yang berasal dari kayu pada dasarnya adalah selulose
(C6H10O5) atau asetat. Dibuat dari kayu melalui proses kimia dengan cara
menjadikan bubur kertas (pulp) terlebih dahulu. Pada proses pulp, hemiselulosa
dipisahkan dari lignin. Untuk mendapatkan selulose murni dengan cara pulp
bersama bahan kimia yang terdiri dari senyawa dengan menggunakan basa kuat
5
Universitas Sumatera Utara
yaitu, natrium hidroksida , NaOH dan natrium sulfida , Na2S. Kemudian dimasak
dalam tangki dan diaduk untuk mendapatkan campuran yang larut didalam air
sedangkan selulosenya sendiri tidak larut dan akan terpisah dari lignin, selulose
inilah yang selanjutnya digunakan menjadi kertas[5].
Kertas yang digunakan untuk bahan isolasi, selulose yang dimasak dengan
senyawa Alkali. Sifat selulose alkali dibanding dengan kertas biasanya secara
mekanis lebih kuat dan lebih tahan terhadap panas.
2.3
Dielektrik
Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat
kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair
dan gas. Sebagai contoh bahan dielektrik adalah kertas dan kain katun. Tidak
seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat elektron-elektron konduksi
yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh pengaruh medan listrik. Medan listrik
tidak akan menghasilkan pergerakan muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah
yang menyebabkan bahan dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam
bahan dielektrik, semua elektron-elektron terikat dengan kuat pada intinya
sehingga terbentuk suatu struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal
cairan atau gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama
sehingga tiap aliran massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu,
jika suatu dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di
daerah di mana muatan tadi ditempatkan.
Masing-masing jenis dielektrik memiliki fungsi dan fungsi yang paling
penting dari suatu isolasi adalah:
1. Untuk mengisolasi antara penghantar dengan penghantar yang lain.
6
Universitas Sumatera Utara
Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau konduktor
fasa dengan tanah.
2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang
diisolasi.
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan rekasi kimia
Agar sistem isolasi mampu menjalanakan tugasnya dengan baik, bahan
dielektrik harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:
1. Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi
menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit,
sehingga biaya pembuatan sistem isolasi semakin murah.
2. Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar temperatur bahan isolasi tidak
melebihi batas yang ditentukan.
3. Memiliki kekuatan kerak yang tinggi, agar tidak terjadi erosi karena
tekanan elektrik permukaan.
4. Memiliki permitivitas yang tepat dan cocok, sehingga arus pemuatan
yang mengalir pada sistem isolasi tidak melebihi yang diijinkan.
5. Daya tahan panasnya tinggi
6. Tidak berubah bentuk pada temperatur tinggi.
7. Konduktivitas panas yang tinggi.
8. Koefisien muai panas yang rendah.
9. Tidak mudah terbakar.
10. Tahan terhadap busur api.
11. Daya serap air yang rendah.
7
Universitas Sumatera Utara
2.4
Media Impregnasi Dielektrik
Dielektrik sebagai bahan isolasi sangatlah diperlukan dalam sebuah sistem
isolasi. Salah satunya adalah kertas. Jenis dielektrik kertas yang paling sering
digunakan untuk kapasitor dan transformator, umumnya adalah isolasi kertas yang
diimpregnasi. Bahan impregnasi dapat berupa minyak mineral ataupun minyak
isolasi[6].
Kertas sebagai bahan isolasi merupakan salah satu jenis isolasi padat.
Isolasi padat yang sering digunakan pada penggunaannya pada sistem tenaga
listrik seperti transformator daya adalah kertas kraft yaitu jenis isolasi kelas A
yang dikombinasikan dengan bahan impregnasi berupa minyak transformator[7].
2.4.1
Minyak Isolasi Mineral
Minyak isolasi mineral adalah minyak yang berasal dari minyak bumi
yang diproses secara destilasi. Minyak bumi yang telah didestilasi ini, harus
mengalami beberapa proses lagi untuk mendapatkan tahanan isolasi yang tinggi,
stabilitas panas yang baik, serta memenuhi syarat-syarat teknis yang lain.
Minyak isolasi mineral umumnya banyak digunakan pada peralatan
tegangan tinggi seperti Transformator daya, Kapasitor daya, Kabel daya, dan
Circuit breaker (pemutus daya). Dalam hal ini minyak isolasi berfungsi sebagai
bahan dielektrik, bahan pendingin dan pemadam busur api.
Kekuatan dielektrik minyak mineral lebih tinggi, tetapi memiliki
kelemahan seperti disebutkan dibawah ini :
a. Konstanta dielektriknya rendah.
b. Distribusi tegangan tidak seragam.
8
Universitas Sumatera Utara
c. Minyak mineral mudah terosidasi, dan hasil oksidasinya berupa
asam,air, dan lumpur halus.
d. Mudah disusupi rongga udara. Pada tegangan tertentu, pada rongga
udara akan terjadi peluahan listrik yang menghasilkan hidrogen dan
molekul hidrokarbon berbobot rendah.
e. Mudah terbakar, sehingga membutuhkan alat pencegah kebakaran.
Adapun Spesifikasi Minyak isolasi yang baik terlihat pada tabel standart
PLN 49-1 :1982.
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak isolasi baru
No.
1
2
4
5
6
Sifat
Kejernihan
Massa Jenis 20 ° C (gr/cm3)
Viskositas (40°C)
Kinematika - 15 °C (cST)
Kinematika - 30°C ( cST)
Titik tuang (°C)
Titik Bakar (°C)
Angka Kenetralan (mg KOH/gr)
7
Korosi Belerang
3
8
9
10
Kelas 1
Jernih
≤ 0.895
≤ 45
≤ 800
≤ - 35
≥ 140
≤ 0.03
Tegangan Tembus (KV/2.5mm)
a. Sebelum Diolah
b. Setelah Diolah
Faktor kebocoran Dielektrik
Ketahanan Oksidasi
Angka Kenetralan (mgKOH/gr)
Kotoran (%)
2.4.2
Kelas 2
Jernih
≤ 0.895
≤ 25
≤ 800
Metode Uji
IEC 296
IEC 296
IEC 296
IEC 296
IEC 296A
IEC 296
-
Tidak
Korosi
≥ 30
≥ 50
-
≥ 30
≥ 50
≤ 0.05
≤ 0.4
≤ 0.1
≤ 0.4
≤ 0.1
IEC 296
IEC 296
IEC 474
IEC 474
&
IEC 74
Faktor-Faktor penyebab pemburukan Minyak isolasi.
Untuk mengetahui apakah minyak isolasi sudah mengalami pemburukan
atau belum adalah dengan melakukan pengujian-pengujian yang sifatnya tidak
merusak. Kegagalan minyak isolasi sebagai bahan dielektrik pada peralatan
9
Universitas Sumatera Utara
tegangan tinggi, biasanya terjadi karena pemburukan dari minyak isolasi itu
sendiri.
Faktor-faktor yang mempengaruhi pemburukan dari
minyak isolasi
sebagai berikut :
1. Panas
Pemanasan yang berlangsung cukup lama dan berlangsung secara terusmenerus dapat merubah struktur kimia dari minyak isolasi tersebut, sehingga
merubah sifat-sifat dasarnya sebagai bahan isolasi.
2. Kemurniaan bahan isolasi
Ketidakmurniaan dari bahan dielektrik cair mempunyai pengaruh besar
tehadap sifat isolasi bahan tersebut. Hal ini dapat kita lihat pada minyak
transformator. Jumlah uap air yang ada pada minyak transformator akan
memengaruhi tegangan tembusnya.
Pengukuran minyak transformator yang terkontaminasi dengan material
pengotor biasanya mempunyai tegangan gagal (EBD) berkisar antara 0 – 25
kV/mm. Oleh karena itu minyak transformator yang sudah lama dipakai, harus
diuji secara periodik untuk mengetahui kemampuannya. Minyak transformator
yang diuji adalah minyak bagian atas, tengah, dan bawah dan diuji dengan
elektroda standard dengan jarak sela 2,5 mm. Jika EBD lebih besar daripada 20 kV
( EBD >> 20 kV) maka minyak transformator masih dikatakan baik. Namun bila
EBD lebih kecil daripada 20 kV (EBD