Analisis Pengaruh Kelembaban Udara Terhadap Tegangan Flashover AC Isolator Piring Gelas Terpolusi Karbon
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1
Isolator Piring
II.1.1 Umum
Pada suatu sistem instalasi tenaga listrik dan peralatan listrik dijumpai
bagian-bagian yang memiliki beda potensial, sehingga bagian-bagian tersebut
harus diisolir. Hal ini dilakukan untuk menghindari adanya aliran arus yang tidak
diinginkan, seperti pada jaringan transmisi yang bertujuan untuk mengisolir
konduktor dengan konduktor, maupun antara konduktor dengan bagian dari
peralatan tersebut yang terhubung langsung ke tanah (dalam hal ini menghindari
gangguan hubung singkat ke tanah).
Isolator pada sistem jaringan listrik bertujuan untuk menopang kawat
penghantar suatu jaringan pada tiang-tiang ataupun menara yang berfungsi
memisahkan secara elektris dua buah kawat atau lebih maupun kawat terhadap
bagain dari peralatan jaringan yang terhubung ke tanah, agar tidak terjadi arus
bocor (leakage current) atau lewat denyar (flashover) yang dapat mengakibatkan
kerusakan peralatan sistem tenaga listrik maupun gangguan pada sistem itu
sendiri.
Fungsi utama dari isolator itu sendiri pada Jaringan Sistem Tenaga Listrik
antara lain yaitu:
6
Universitas Sumatera Utara
1. Pada jaringan transmisi hantaran udara isolator berfungsi mengisolir
konduktor dengan konduktor betegangan dengan bagian yang
bertegangan nol.
2. Pada jaringan distribusi, berfungsi sebagai penggantung dan penopang
konduktor.
3. Pada gardu induk digunakan sebagai pendukung sakelar pemisah,
pendukung konduktor penghubung dan penggantung rel daya.
4. Pada panel pembagi daya, rel dengan rel dipisahkan oleh udara,
sedangkan rel dengan kerangka pendukung dipisahkan oleh isolator.
Pada sistem transmisi hantaran udara, jenis isolator yang sering digunakan
adalah isolator piring. Isolator ini memiliki bentuk seperti piring seperti pada
Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Isolator piring
Pada sistem transmisi hantaran udara, isolator piring ini disusun/ dirangkai
secara berantai menjadi suatu kesatuan isolator yang disebut dengan isolator
7
Universitas Sumatera Utara
rantai. Rangkaian isolator ini biasanya digunakan untuk menggantung penghantar
tegangan tinggi pada menara-menara transmisi, seperti pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Isolator rantai pada menara transmisi
II.1.2 Konstruksi Isolator Piring
Konstruksi isolator piring pada dasarnya dibagi menjadi 3 bagian utama
seperti pada Gambar 2.3. Bagian utama tersebut yaitu bahan dielektrik, kap (cap)
dan tonggak pin (fitting). Selain itu terdapat juga semen yang berfungsi sebagai
perekat bahan dielektrik dengan tonggal pin dan bahan dielektrik dengan kap.
Gambar 2.3. Konstruksi utama isolator piring
8
Universitas Sumatera Utara
Dengan D adalah diameter isolator piring, dan H (spacing) adalah jarak
spasi minimal antara pin dengan kap isolator piring. Pada umumnya ukuran
isolator piring bervariasi dengan diameter 25 cm sampai 40 cm dan jaran spasi
minimalnya antara 127 mm sampai 240 mm.
II.1.3 Bahan dielektrik isolator
Dalam penelitian ini bahan isolasi yang akan digunakan adalah isolator
piring bahan keramik. Menurut J.P Oltzhausen, bahan keramik dibagi menjadi dua
bagian yaitu porselin dan gelas (kaca). Isolator porselin memiliki kekuatan
dielektrik sekitar 60 kV/cm sedangkan isolator kaca 140 kV/cm. Isolator gelas
juga memiliki keunggulan lain dari bahan porselin yaitu dalam hal kekuatan
mekaniknya, akan tetapi isolator bahan gelas lebih rapuh dan tidak digunakan
pada sistem dengan tegangan DC karena tegangan DC menimbulkan proses
elektrolisis pada bahan kaca yaitu perpindahan ion positif ke katoda sehingga
dapat merusak konstruksi atau fisik dari isolator itu sendiri. Dilihat dari bentuk
isolator piring dibagi menjadi 3 bagian yaitu:
1.
Isolator piring standar. Isolator ini digunakan pada daerah dengan bobot
polusi rendah seperti daerah padat penduduk dan tidak ada kawasan
industri disekitarnya.
2.
Isolator piring anti-fog. Isolator ini dirancang memiliki bentuk lengkungan
yang lebih dalam untuk memperpanjang jarak rambat arus, dan biasanya
digunakan di daerah yang bobot polusinya tinggi seperti di kawasan
industri berat.
9
Universitas Sumatera Utara
3.
Isolator piring aerodinamis. Isolator ini dirancang memiliki permukaan
yang licin sehingga polutan lebih sulit menempel pada permukaannya.
Isolator ini lebih sering digunakan pada daerah gurun.
Persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang suatu isolator,
antara lain sebagai berikut:
1.
Memiliki kekuatan permitivitas yang tinggi agar dapat memiliki
kemampuan dielektrik yang baik.
2.
Menggunakan bahan dengan resistansi yang tinggi agar tidak terdapat arus
bocor yang besar.
3.
Memiliki kekuatan mekanis yang kuat untuk menopang beban konduktor,
hembusan angin dan lainnya.
4.
Setiap lubang pada bahan isolator harus memiliki sumbu sejajar dengan
sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperature pembuatan isolator.
5.
Jarak rambat isolator harus diperbesar jika isolator dipasang pada kawan
yang dihuni banyak burung.
6.
Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.
7.
Permukaan isolator harus licin dan bebas partikel-pertikel runcing agar
tidak tejadi medan elektrik yang tinggi.
8.
Dimensi sirip dan jarak rambat harus dibuat sedemikian rupa agar isolator
dapat dengan mudah dibersihkan secara alami oleh hujan dari bahan
polutan yang menempel pada permukaan isolator.
9.
Dapat menahan peristiwa lewat denyar (flashover).
10
Universitas Sumatera Utara
II.1.4 Isolator terpolusi
Seiring dengan waktu, isolator-isolator yang terpasang diluar akan
dicemari oleh polutan yang terkandung di udara sekitar. Polutan ini yang akan
mempengaruhi konduktivitas permukaan dari isolator piring tersebut sehingga
dapat menyebabkan kegagalan isolasi. Ada beberapa jenis polutan yang sering
dijumpai di lingkungan sekitar yang dapat mempengaruhi sistem isolasi dari
isolator piring tersebut, antara lain :
1.
Garam. Pada umumnya garam ini berasal dari udara yang terbawa oleh
angin laut.
2.
Polusi udara dan dan polusi hasil pembakaran tidak sempurna industri
dalam wujud gas dan padat seperti Karbon dioksida, klorin dan sulfur
oksida dari pabrik kimia, debu, abu hasil pembakaran batu bara, dan
lainnya.
3.
Pasir di daerah gurun.
4.
Kotoran burung.
Faktor cuaca juga akan mempengaruhi polutan pada permukaan isolator
sehingga polutan tersebut semakin konduktif. Angin yang sudah terkandung
polutan tadi akan sampai ke sekitar permukaan isolator. Karena faktor
kelembaban udara yang tinggi di sekitar isolator menyebabkan polutan tersebut
mengendap di sekitar permukaan isolator. Untuk mengurangi polusi pada
permukaan isolator, dilakukan beberapa usaha sebagai berikut : [2]
11
Universitas Sumatera Utara
a.
Pencucian
Isolator pada saluran maupun pada gardu induk dapat dicuci dalam
keadaan tidak bertegangan maupun saat bertegangan. Pencucian dapat
dilakukan secara otomatis dan manual seperti pada helikopter. Untuk
pencucian dalam keadaan bertegangan, ada 2 syarat yang harus
diperhatikan yaitu:
1.
Air yang digunakan adalah air murni tanpa mineral dan
memiliki tahanan jenis lebih besar dari 50.000 Ω/��3 .
2.
Urutan pencucian harus dimulai dari bawah ke atas untuk
mencegah terkumpulnya polutan.
b.
Pelapisan (greasing/coating)
Salah satu metode untuk mencegah kegagalan isolasi pada isolator
adalah dengan melapisi permukaan isolator dengan lapisan minyak.
Keuntungan dari metode ini adalah mendapatkan sifat hidrofobik, yaitu
sifat bahan yang membuat permukaannya tetap kering karena air sulit
untuk menempel pada permukaannya. Bahan yang bersifat hidrofobik
yaitu minyak dan lilin. Keuntungan lainnya dari metode ini adalah
terperangkapnya atau terikatnya polutan oleh minyak dan mencegah
polutan ini basah akibat embun. Minyak yang digunakan terbuat dari
silikon atau hidrokarbon. Kekurangan metode ini adalah harus mengganti
minyak yang telah lama digunakan, biasanya dilakukan setiap tahun.
c.
Perpanjangan sirip (extender shed)
Sirip isolator diperpanjang dengan bahan polimer seperti di
tunjukkan pada Gambar 2.4. Perpanjangan sirip ini dipasangkan pada sirip
12
Universitas Sumatera Utara
isolator dengan menggunakan perekat dan tidak boleh ada celah udara di
antara sirip porselin dengan sirip tambahan karena akan menyebabkan
peluahan sebagian pada celah udara ini yang akan merusak polimer dan
isolator. Selain memperpanjang jarak rambat, perpanjangan sirip ini
memudahkan air yang membawa polutan akibat hujan atau embun untuk
mengalir dari permukaan isolator.
Tambahan Polimer
Sirip Porselin
Gambar 2.4 Perpanjangan Sirip yang Terpasang pada Isolator Porselin [2]
II.2
Penggolongan Tingkat Bobot Polusi Pada Isolator
Berdasarkan standar IEC 815, tingkat bobot polusi isolator dibagi menjadi
4 bagian, yaitu ringan, sedang, berat dan sangat berat. Dari sekian metode dalam
menentukan bobot polusi tersebut, metode paling umum yang akan digunakan
dalam penelitian ini adalah metode ESDD (equivalent salt deposit density) dan
tinjauan lapangan. Metode ini dilakukan dengan mengukur deposit garam
ekuivalen dari polutan yang menempel di permukaan isolator. Polutan tersebut
disertakan dengan bobot garam dalam larutan air yang konduktivitasnya sama
dengan konduktivitas polutan tersebut. Nilai ESDD dari bobot polutan tersebut
dilampirkan dalam Table 2.1.
13
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Penggolongan Bobot Polusi berdasarkan IEC 60050-815: 2000 Edisi 01
ESDD ( mg/��� )
Tingkat pengotoran/Polusi
Ringan
0.03 - 0.06
Sedang
0.1 – 0.2
Betar
0.3 – 0.6
Sangat berat
>0.6
Selain standar diatas, IEC 815 juga menentukan bobot polusi dengan
metode ESDD dan tinjauan lapangan. Penentuan tingkat bobot polusi isolator
dengan metode tinjauan lapangan ditunjukkan pada Tabel 2.2 berikut :
Tabel 2.2 Tingkat Polusi Dilihat dari Lingkungannya Berdasarkan IEC 815 [2]
ESDD
Tingkat
Contoh Lingkungan
(mg/
Polusi
-
Wilayah dengan sedikit industri dan rumah
��2 )
penduduk dengan sarana pembakaran rendah.
-
Wilayah pertanian (penggunaan pupuk dapat
meningkatkan bobot polusi) dan pegunungan.
Ringan
-
Wilayah dengan jarak 10km atau lebih dari laut
0,06
dan tidak ada angin laut yang berhembus.
Catatan : Semua kawasan terletak minimal 10 –
20 km dari laut dan bukan kawasan terbuka bagi
hembusan angin langsung dari laut.
-
Wilayah dengan industri yang tidak menghasilkan
polusi gas.
-
Wilayah
dengan
kepadatan
tinggi
dan/atau
kawasan industri kepadatan tinggi yang sering
Sedang
0,20
hujan dan/atau berangin.
-
Wilayah yang tidak terlalu dekat dengan pantai.
14
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. (sambungan)
ESDD
Tingkat
Contoh Lingkungan
(mg/
Wilayah banyak industri dan perkotaan dengan
��2 )
sarana pembakaran yang tinggi.
0.60
Polusi
Berat
-
Wilayah dekat laut atau senantiasa terbuka bagi
hembusan angin laut yang kencang.
-
Sangat dekat pantai.
Sangat
-
Sangat dekat dengan kawasan Industri.
Berat
-
Wilayah padang pasir dengan tidak adanya hujan
>0.60
untuk jangka waktu yang lama.
II.3
Lewat Denyar (Flashover)
Lewat denyar (flashover) pada isolator adalah suatu peristiwa pelepasan
muatan melalui permukan isolator dari konduktor bertegangan yang dipikul
isolator ke lengan mentara hantaran udara. Peristiwa ini menyebabkan kegagalan
isolator mengisolasi konduktor transmisi dengan lengan menara. Lewat denyar
(flashover) dapat terjadi pada beberapa kondisi, yaitu pada kondisi permukaan
Isolator bersih, dan pada kondisi permukaan isolator terpolusi. Saat permukaan
isolator bersih, lewat denyar yang terjadi disebabkan oleh tembusnya udara di
sekitar permukaan. Bila permukaan isolator dilapisi polutan, tahanan permukaan
isolator akan turun sehingga arus bocor yang mengalir akan semakin besar
dibandingkan dengan arus bocor pada kondisi permukaan bersih. Arus ini akan
menyebabkan terbentuknya jalur konduktif yang merupakan awal terjadinya
peristiwa lewat denyar. Karena peristiwa lewat denyar disebabkan karena
tembusnya udara di sekitar permukaan isolator, maka faktor-faktor udara yang
15
Universitas Sumatera Utara
mempengaruhi lewat denyar (flashover) disekitar permukaan isolator tersebut,
antara lain:
1.
Temperatur udara. Temperatur udara yang tinggi akan meningkatkan
jumlah proses ionisasi thermis dan emisi thermis.
2.
Tekanan udara. Pada kondisi tekanan udara besar, jumlah molekul di
dalam udara semakin banyak yang artinya proses ionisasi semakin banyak.
Tetapi bila tekanan terlalu tinggi, gerakan muatan dari proses ionisasi akan
terhambat sehingga proses ionisasi berikutnya semakin sedikit. Bila
tekanan udara terlalu rendah, jumlah molekul yang sedikit akan
menyebabkan proses ionisasi yang sedikit juga. Persamaan faktor koreksi (
) untuk tegangan pada suhu t oC dan tekanan p mmHg dapat dilihat pada
Persamaan 2.1[1] dan persamaan tegangan flashover pada keadaan standar
(suhu 20 oC dan tekanan 760 mmHg) dapat dilihat pada Persamaan 2.2 [2].
Dimana :
�=
0,386�
(2.1)
273+�
�
= faktor koreksi suhu dan tekanan udara.
p
= tekanan udara (mmHg).
t
= suhu udara ( ).
Dimana:
��� =
�
δ
��� = tegangan flashover pada suhu 20
(2.2)
dan tekanan 760 mmHg
(kV).
V
= tegangan flashover pada suhu t
dan tekanan p mmHg (kV).
16
Universitas Sumatera Utara
3.
Kelembaban udara. Bila kelembaban tinggi, kandungan air dalam udara
meningkat sehingga mudah terjadi ionisasi karena air memiliki energi ikat
yang lebih rendah dari kandungan lain dalam udara. Energi ikat air sekitar
13,6 eV, nitrogen (N) sekitar 17,1 eV, CO2 sekitar 14,6 eV, H2 sekitar 15,6
eV, dan oksigen (O2) sekitar 12,08 eV. Elektronvolt (eV) merupakan
satuan dari energi suatu partikel yang besarnya 1,6 x 10-19 Joule. Bila
kandungan air semakin banyak maka udara akan lebih mudah terionisasi
dan menyebabkan kekuatan dielektrik udara turun. Kekuatan dielektrik
medan listrik yang mampu dipikul oleh suatu bahan dielektrik tanpa
mengakibatkan bahan tersebut tembus listrik. Semakin banyak kandungan
air dalam udara menyebabkan udara semakin mudah terionisasi. Hal ini
menyebabkan turunnya tegangan yang diperlukan untuk membuat udara
tersebut tembus listrik. Saat permukaan isolator bersih, kelembaban yang
tinggi menyebabkan terbentuknya butiran-butiran air pada permukaan
isolator sehingga konduktivitas permukaan isolator naik (konduktivitas
permukaan porselin pada kelembaban 50 %RH adalah 1,6 pS sedangkan
konduktivitas air yang sangat murni pada suhu 25 ºC adalah 5,5 µS/m).
Hal ini juga menyebabkan kenaikan arus bocor. Tetapi karena
konduktivitas air lebih rendah dari pada polutan yang basah, arus bocor
saat permukaan isolator bersih lebih rendah dari pada arus bocor saat
permukaan isolator dilapisi polutan. Saat permukaan isolator dilapisi
polutan, kelembaban yang tinggi menyebabkan polutan dipermukaan
isolator basah. Kemudian peristiwa lewat denyar seperti yang telah
dijelaskan dapat terjadi dan pada saat yang bersamaan kelembaban juga
17
Universitas Sumatera Utara
membuat kekuatan dielektrik udara turun sehingga tegangan lewat denyar
isolator turun.
a)
Mekanisme lewat denyar pada kondisi isolator bersih
Pada kondisi isolator bersih, peristiwa lewat denyar terjadi karena tembus
listrik udara di sekitar permukaan isolator tersebut. Udara biasanya bersifat
isolatif karena memiliki sedikit elekron bebas. Tetapi karena udara berubah
menjadi konduktif karena faktor lingkungan, sifat isolatif tadi berubah menjadi
konduktif karena proses ionisasi dan emisi.
Ionisasi dalah peristiwa terlepasnya elektron dari ikatan atom netral
sehingga menghasilkan elektron bebas dan ion positif. Proses ionisasi dapat
dilihat pada Gambar 2.5.
(a) Suatu elektron bebas
(b) Elektron terikat
keluar membentur elektron
lintasannya menjadi
terikat.
eleketron bebas.
Gambar 2.5 Proses Ionisasi
Ada beberapa proses ionisasi yang dapat terjadi, antara lain:
18
Universitas Sumatera Utara
1)
Ionisasi thermis
2)
Ionisasi radiasi sinar kosmis
3)
Ionisasi radiasi foton (fotoionisasi)
4)
Ionisasi benturan
Emisi adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu logam
menjadi elektron bebas. Dalam keadaan normal, elektron tidak dapat terlepas dari
permukaan logam karena adanya gaya elektrostatik antar elektron dengan ion
dalam kisi logam. Supaya elektron ini dapat keluar dari permukaan logam,
diperlukan sejumlah energi luar. Besarnya energi ini didefenisikan sebagai fungsi
kerja dengn satuan elektron volt (eV) yang berbeda untuk setiap jenis logam. Ada
beberapa proses emisi yang menyebabkan terjadinya banjiran elektron, antara
lain:
b)
1)
Emisi thermis
2)
Emisi benturan ion positif
3)
Emisi medan tinggi.
Mekanisme lewat denyar pada isolator terpolusi
Permukaan isolator sistem tranmisi hantaran udara yang terpasang diluar
akan dilapisi oleh polutan. Ketika polutan dalam keadaan kering, polutan masih
bersifat tidak konduktif. Tetapi bila polutan basah dikarenakan gerimis atau kabut,
lapisan polutan akan larut dan membentuk larutan elektrolit yang konduktif.
Akibatnya tahanan permukaan akan turun dan arus bocor naik dalam orde
beberapa miliampere. Arus bocor ini akan memanaskan larutan elektrolit pada
permukaan isolator sehingga terbentuk lapisan kering. Pada lapisan kering ini,
medan listrik cukup besar sehingga udara di sekitarnya dapat mengalami ionisasi.
Kemudian udara akan tembus listrik dan arus mengalir melalui busur api pada
lapisan kering yang akan mengeringkan larutan elektrolit selanjutnya dan
memperpanjang lapisan kering. Proses ionisasi akan terjadi lagi dan menyebabkan
perpanjangan busur api dan proses di atas akan terus terjadi pada isolator piring
19
Universitas Sumatera Utara
dan peristiwa lewat denyar terjadi. Mekanisme lewat denyar pada isolator
terpolusi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Isolator Terpolusi dan Rangkaian Ekivalennya
Lapisan polutan yang konduktif dapat dianggap sebagai suatu tahanan
yang menghubungkan kedua jepitan logam isolator. Tahanan lapisan polutan jauh
lebih rendah daripada tahanan dielektrik padat isolator. Jika jepitan (a)
bertegangan dan jepitan (d) dibumikan, maka arus bocor (Ib) akan mengalir
melalui lapisan konduktif dari jepitan (a)
ke (d), sedang arus yang melalui
dielektrik padat diabaikan. Arus bocor ini akan menimbulkan panas yang
besarnya sama dengan kuadrat arus bocor dikali dengan tahanan permukaan dari
(a) ke (d). Panas yang terjadi akan mengeringkan lapisan polutan dan
pengeringan awal terjadi pada kawasan permukaan isolator yang berdekatan
dengan jepitan logam isolator. Pengeringan tersebut akan membuat tahanan
lapisan polutan di kawasan jepitan isolator semakin besar. Akibatnya
tegangan
pada lapisan
polutan
yang kering
beda
(Vab) semakin besar dan
menimbulkan kuat medan elektrik di sekitarnya naik. Jika kuat medan elektrik ini
melebihi kekuatan dielektrik udara di sekitar isolator, maka akan terjadi
peluahan dari titik (a) ke titik (b). Busur api akibat peluahan ini membuat lapisan
polutan yang kering (a-b) terhubung singkat, akibatnya arus bocor semakin
besar. Demikian seterusnya secara berangsur-angsur busur api semakin panjang
dan saat busur api telah menghubungkan kedua jepitan logam isolator (a-d), maka
terjadilah peristiwa lewat denyar pada isolator [10].
20
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
II.1
Isolator Piring
II.1.1 Umum
Pada suatu sistem instalasi tenaga listrik dan peralatan listrik dijumpai
bagian-bagian yang memiliki beda potensial, sehingga bagian-bagian tersebut
harus diisolir. Hal ini dilakukan untuk menghindari adanya aliran arus yang tidak
diinginkan, seperti pada jaringan transmisi yang bertujuan untuk mengisolir
konduktor dengan konduktor, maupun antara konduktor dengan bagian dari
peralatan tersebut yang terhubung langsung ke tanah (dalam hal ini menghindari
gangguan hubung singkat ke tanah).
Isolator pada sistem jaringan listrik bertujuan untuk menopang kawat
penghantar suatu jaringan pada tiang-tiang ataupun menara yang berfungsi
memisahkan secara elektris dua buah kawat atau lebih maupun kawat terhadap
bagain dari peralatan jaringan yang terhubung ke tanah, agar tidak terjadi arus
bocor (leakage current) atau lewat denyar (flashover) yang dapat mengakibatkan
kerusakan peralatan sistem tenaga listrik maupun gangguan pada sistem itu
sendiri.
Fungsi utama dari isolator itu sendiri pada Jaringan Sistem Tenaga Listrik
antara lain yaitu:
6
Universitas Sumatera Utara
1. Pada jaringan transmisi hantaran udara isolator berfungsi mengisolir
konduktor dengan konduktor betegangan dengan bagian yang
bertegangan nol.
2. Pada jaringan distribusi, berfungsi sebagai penggantung dan penopang
konduktor.
3. Pada gardu induk digunakan sebagai pendukung sakelar pemisah,
pendukung konduktor penghubung dan penggantung rel daya.
4. Pada panel pembagi daya, rel dengan rel dipisahkan oleh udara,
sedangkan rel dengan kerangka pendukung dipisahkan oleh isolator.
Pada sistem transmisi hantaran udara, jenis isolator yang sering digunakan
adalah isolator piring. Isolator ini memiliki bentuk seperti piring seperti pada
Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Isolator piring
Pada sistem transmisi hantaran udara, isolator piring ini disusun/ dirangkai
secara berantai menjadi suatu kesatuan isolator yang disebut dengan isolator
7
Universitas Sumatera Utara
rantai. Rangkaian isolator ini biasanya digunakan untuk menggantung penghantar
tegangan tinggi pada menara-menara transmisi, seperti pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Isolator rantai pada menara transmisi
II.1.2 Konstruksi Isolator Piring
Konstruksi isolator piring pada dasarnya dibagi menjadi 3 bagian utama
seperti pada Gambar 2.3. Bagian utama tersebut yaitu bahan dielektrik, kap (cap)
dan tonggak pin (fitting). Selain itu terdapat juga semen yang berfungsi sebagai
perekat bahan dielektrik dengan tonggal pin dan bahan dielektrik dengan kap.
Gambar 2.3. Konstruksi utama isolator piring
8
Universitas Sumatera Utara
Dengan D adalah diameter isolator piring, dan H (spacing) adalah jarak
spasi minimal antara pin dengan kap isolator piring. Pada umumnya ukuran
isolator piring bervariasi dengan diameter 25 cm sampai 40 cm dan jaran spasi
minimalnya antara 127 mm sampai 240 mm.
II.1.3 Bahan dielektrik isolator
Dalam penelitian ini bahan isolasi yang akan digunakan adalah isolator
piring bahan keramik. Menurut J.P Oltzhausen, bahan keramik dibagi menjadi dua
bagian yaitu porselin dan gelas (kaca). Isolator porselin memiliki kekuatan
dielektrik sekitar 60 kV/cm sedangkan isolator kaca 140 kV/cm. Isolator gelas
juga memiliki keunggulan lain dari bahan porselin yaitu dalam hal kekuatan
mekaniknya, akan tetapi isolator bahan gelas lebih rapuh dan tidak digunakan
pada sistem dengan tegangan DC karena tegangan DC menimbulkan proses
elektrolisis pada bahan kaca yaitu perpindahan ion positif ke katoda sehingga
dapat merusak konstruksi atau fisik dari isolator itu sendiri. Dilihat dari bentuk
isolator piring dibagi menjadi 3 bagian yaitu:
1.
Isolator piring standar. Isolator ini digunakan pada daerah dengan bobot
polusi rendah seperti daerah padat penduduk dan tidak ada kawasan
industri disekitarnya.
2.
Isolator piring anti-fog. Isolator ini dirancang memiliki bentuk lengkungan
yang lebih dalam untuk memperpanjang jarak rambat arus, dan biasanya
digunakan di daerah yang bobot polusinya tinggi seperti di kawasan
industri berat.
9
Universitas Sumatera Utara
3.
Isolator piring aerodinamis. Isolator ini dirancang memiliki permukaan
yang licin sehingga polutan lebih sulit menempel pada permukaannya.
Isolator ini lebih sering digunakan pada daerah gurun.
Persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang suatu isolator,
antara lain sebagai berikut:
1.
Memiliki kekuatan permitivitas yang tinggi agar dapat memiliki
kemampuan dielektrik yang baik.
2.
Menggunakan bahan dengan resistansi yang tinggi agar tidak terdapat arus
bocor yang besar.
3.
Memiliki kekuatan mekanis yang kuat untuk menopang beban konduktor,
hembusan angin dan lainnya.
4.
Setiap lubang pada bahan isolator harus memiliki sumbu sejajar dengan
sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperature pembuatan isolator.
5.
Jarak rambat isolator harus diperbesar jika isolator dipasang pada kawan
yang dihuni banyak burung.
6.
Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.
7.
Permukaan isolator harus licin dan bebas partikel-pertikel runcing agar
tidak tejadi medan elektrik yang tinggi.
8.
Dimensi sirip dan jarak rambat harus dibuat sedemikian rupa agar isolator
dapat dengan mudah dibersihkan secara alami oleh hujan dari bahan
polutan yang menempel pada permukaan isolator.
9.
Dapat menahan peristiwa lewat denyar (flashover).
10
Universitas Sumatera Utara
II.1.4 Isolator terpolusi
Seiring dengan waktu, isolator-isolator yang terpasang diluar akan
dicemari oleh polutan yang terkandung di udara sekitar. Polutan ini yang akan
mempengaruhi konduktivitas permukaan dari isolator piring tersebut sehingga
dapat menyebabkan kegagalan isolasi. Ada beberapa jenis polutan yang sering
dijumpai di lingkungan sekitar yang dapat mempengaruhi sistem isolasi dari
isolator piring tersebut, antara lain :
1.
Garam. Pada umumnya garam ini berasal dari udara yang terbawa oleh
angin laut.
2.
Polusi udara dan dan polusi hasil pembakaran tidak sempurna industri
dalam wujud gas dan padat seperti Karbon dioksida, klorin dan sulfur
oksida dari pabrik kimia, debu, abu hasil pembakaran batu bara, dan
lainnya.
3.
Pasir di daerah gurun.
4.
Kotoran burung.
Faktor cuaca juga akan mempengaruhi polutan pada permukaan isolator
sehingga polutan tersebut semakin konduktif. Angin yang sudah terkandung
polutan tadi akan sampai ke sekitar permukaan isolator. Karena faktor
kelembaban udara yang tinggi di sekitar isolator menyebabkan polutan tersebut
mengendap di sekitar permukaan isolator. Untuk mengurangi polusi pada
permukaan isolator, dilakukan beberapa usaha sebagai berikut : [2]
11
Universitas Sumatera Utara
a.
Pencucian
Isolator pada saluran maupun pada gardu induk dapat dicuci dalam
keadaan tidak bertegangan maupun saat bertegangan. Pencucian dapat
dilakukan secara otomatis dan manual seperti pada helikopter. Untuk
pencucian dalam keadaan bertegangan, ada 2 syarat yang harus
diperhatikan yaitu:
1.
Air yang digunakan adalah air murni tanpa mineral dan
memiliki tahanan jenis lebih besar dari 50.000 Ω/��3 .
2.
Urutan pencucian harus dimulai dari bawah ke atas untuk
mencegah terkumpulnya polutan.
b.
Pelapisan (greasing/coating)
Salah satu metode untuk mencegah kegagalan isolasi pada isolator
adalah dengan melapisi permukaan isolator dengan lapisan minyak.
Keuntungan dari metode ini adalah mendapatkan sifat hidrofobik, yaitu
sifat bahan yang membuat permukaannya tetap kering karena air sulit
untuk menempel pada permukaannya. Bahan yang bersifat hidrofobik
yaitu minyak dan lilin. Keuntungan lainnya dari metode ini adalah
terperangkapnya atau terikatnya polutan oleh minyak dan mencegah
polutan ini basah akibat embun. Minyak yang digunakan terbuat dari
silikon atau hidrokarbon. Kekurangan metode ini adalah harus mengganti
minyak yang telah lama digunakan, biasanya dilakukan setiap tahun.
c.
Perpanjangan sirip (extender shed)
Sirip isolator diperpanjang dengan bahan polimer seperti di
tunjukkan pada Gambar 2.4. Perpanjangan sirip ini dipasangkan pada sirip
12
Universitas Sumatera Utara
isolator dengan menggunakan perekat dan tidak boleh ada celah udara di
antara sirip porselin dengan sirip tambahan karena akan menyebabkan
peluahan sebagian pada celah udara ini yang akan merusak polimer dan
isolator. Selain memperpanjang jarak rambat, perpanjangan sirip ini
memudahkan air yang membawa polutan akibat hujan atau embun untuk
mengalir dari permukaan isolator.
Tambahan Polimer
Sirip Porselin
Gambar 2.4 Perpanjangan Sirip yang Terpasang pada Isolator Porselin [2]
II.2
Penggolongan Tingkat Bobot Polusi Pada Isolator
Berdasarkan standar IEC 815, tingkat bobot polusi isolator dibagi menjadi
4 bagian, yaitu ringan, sedang, berat dan sangat berat. Dari sekian metode dalam
menentukan bobot polusi tersebut, metode paling umum yang akan digunakan
dalam penelitian ini adalah metode ESDD (equivalent salt deposit density) dan
tinjauan lapangan. Metode ini dilakukan dengan mengukur deposit garam
ekuivalen dari polutan yang menempel di permukaan isolator. Polutan tersebut
disertakan dengan bobot garam dalam larutan air yang konduktivitasnya sama
dengan konduktivitas polutan tersebut. Nilai ESDD dari bobot polutan tersebut
dilampirkan dalam Table 2.1.
13
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Penggolongan Bobot Polusi berdasarkan IEC 60050-815: 2000 Edisi 01
ESDD ( mg/��� )
Tingkat pengotoran/Polusi
Ringan
0.03 - 0.06
Sedang
0.1 – 0.2
Betar
0.3 – 0.6
Sangat berat
>0.6
Selain standar diatas, IEC 815 juga menentukan bobot polusi dengan
metode ESDD dan tinjauan lapangan. Penentuan tingkat bobot polusi isolator
dengan metode tinjauan lapangan ditunjukkan pada Tabel 2.2 berikut :
Tabel 2.2 Tingkat Polusi Dilihat dari Lingkungannya Berdasarkan IEC 815 [2]
ESDD
Tingkat
Contoh Lingkungan
(mg/
Polusi
-
Wilayah dengan sedikit industri dan rumah
��2 )
penduduk dengan sarana pembakaran rendah.
-
Wilayah pertanian (penggunaan pupuk dapat
meningkatkan bobot polusi) dan pegunungan.
Ringan
-
Wilayah dengan jarak 10km atau lebih dari laut
0,06
dan tidak ada angin laut yang berhembus.
Catatan : Semua kawasan terletak minimal 10 –
20 km dari laut dan bukan kawasan terbuka bagi
hembusan angin langsung dari laut.
-
Wilayah dengan industri yang tidak menghasilkan
polusi gas.
-
Wilayah
dengan
kepadatan
tinggi
dan/atau
kawasan industri kepadatan tinggi yang sering
Sedang
0,20
hujan dan/atau berangin.
-
Wilayah yang tidak terlalu dekat dengan pantai.
14
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. (sambungan)
ESDD
Tingkat
Contoh Lingkungan
(mg/
Wilayah banyak industri dan perkotaan dengan
��2 )
sarana pembakaran yang tinggi.
0.60
Polusi
Berat
-
Wilayah dekat laut atau senantiasa terbuka bagi
hembusan angin laut yang kencang.
-
Sangat dekat pantai.
Sangat
-
Sangat dekat dengan kawasan Industri.
Berat
-
Wilayah padang pasir dengan tidak adanya hujan
>0.60
untuk jangka waktu yang lama.
II.3
Lewat Denyar (Flashover)
Lewat denyar (flashover) pada isolator adalah suatu peristiwa pelepasan
muatan melalui permukan isolator dari konduktor bertegangan yang dipikul
isolator ke lengan mentara hantaran udara. Peristiwa ini menyebabkan kegagalan
isolator mengisolasi konduktor transmisi dengan lengan menara. Lewat denyar
(flashover) dapat terjadi pada beberapa kondisi, yaitu pada kondisi permukaan
Isolator bersih, dan pada kondisi permukaan isolator terpolusi. Saat permukaan
isolator bersih, lewat denyar yang terjadi disebabkan oleh tembusnya udara di
sekitar permukaan. Bila permukaan isolator dilapisi polutan, tahanan permukaan
isolator akan turun sehingga arus bocor yang mengalir akan semakin besar
dibandingkan dengan arus bocor pada kondisi permukaan bersih. Arus ini akan
menyebabkan terbentuknya jalur konduktif yang merupakan awal terjadinya
peristiwa lewat denyar. Karena peristiwa lewat denyar disebabkan karena
tembusnya udara di sekitar permukaan isolator, maka faktor-faktor udara yang
15
Universitas Sumatera Utara
mempengaruhi lewat denyar (flashover) disekitar permukaan isolator tersebut,
antara lain:
1.
Temperatur udara. Temperatur udara yang tinggi akan meningkatkan
jumlah proses ionisasi thermis dan emisi thermis.
2.
Tekanan udara. Pada kondisi tekanan udara besar, jumlah molekul di
dalam udara semakin banyak yang artinya proses ionisasi semakin banyak.
Tetapi bila tekanan terlalu tinggi, gerakan muatan dari proses ionisasi akan
terhambat sehingga proses ionisasi berikutnya semakin sedikit. Bila
tekanan udara terlalu rendah, jumlah molekul yang sedikit akan
menyebabkan proses ionisasi yang sedikit juga. Persamaan faktor koreksi (
) untuk tegangan pada suhu t oC dan tekanan p mmHg dapat dilihat pada
Persamaan 2.1[1] dan persamaan tegangan flashover pada keadaan standar
(suhu 20 oC dan tekanan 760 mmHg) dapat dilihat pada Persamaan 2.2 [2].
Dimana :
�=
0,386�
(2.1)
273+�
�
= faktor koreksi suhu dan tekanan udara.
p
= tekanan udara (mmHg).
t
= suhu udara ( ).
Dimana:
��� =
�
δ
��� = tegangan flashover pada suhu 20
(2.2)
dan tekanan 760 mmHg
(kV).
V
= tegangan flashover pada suhu t
dan tekanan p mmHg (kV).
16
Universitas Sumatera Utara
3.
Kelembaban udara. Bila kelembaban tinggi, kandungan air dalam udara
meningkat sehingga mudah terjadi ionisasi karena air memiliki energi ikat
yang lebih rendah dari kandungan lain dalam udara. Energi ikat air sekitar
13,6 eV, nitrogen (N) sekitar 17,1 eV, CO2 sekitar 14,6 eV, H2 sekitar 15,6
eV, dan oksigen (O2) sekitar 12,08 eV. Elektronvolt (eV) merupakan
satuan dari energi suatu partikel yang besarnya 1,6 x 10-19 Joule. Bila
kandungan air semakin banyak maka udara akan lebih mudah terionisasi
dan menyebabkan kekuatan dielektrik udara turun. Kekuatan dielektrik
medan listrik yang mampu dipikul oleh suatu bahan dielektrik tanpa
mengakibatkan bahan tersebut tembus listrik. Semakin banyak kandungan
air dalam udara menyebabkan udara semakin mudah terionisasi. Hal ini
menyebabkan turunnya tegangan yang diperlukan untuk membuat udara
tersebut tembus listrik. Saat permukaan isolator bersih, kelembaban yang
tinggi menyebabkan terbentuknya butiran-butiran air pada permukaan
isolator sehingga konduktivitas permukaan isolator naik (konduktivitas
permukaan porselin pada kelembaban 50 %RH adalah 1,6 pS sedangkan
konduktivitas air yang sangat murni pada suhu 25 ºC adalah 5,5 µS/m).
Hal ini juga menyebabkan kenaikan arus bocor. Tetapi karena
konduktivitas air lebih rendah dari pada polutan yang basah, arus bocor
saat permukaan isolator bersih lebih rendah dari pada arus bocor saat
permukaan isolator dilapisi polutan. Saat permukaan isolator dilapisi
polutan, kelembaban yang tinggi menyebabkan polutan dipermukaan
isolator basah. Kemudian peristiwa lewat denyar seperti yang telah
dijelaskan dapat terjadi dan pada saat yang bersamaan kelembaban juga
17
Universitas Sumatera Utara
membuat kekuatan dielektrik udara turun sehingga tegangan lewat denyar
isolator turun.
a)
Mekanisme lewat denyar pada kondisi isolator bersih
Pada kondisi isolator bersih, peristiwa lewat denyar terjadi karena tembus
listrik udara di sekitar permukaan isolator tersebut. Udara biasanya bersifat
isolatif karena memiliki sedikit elekron bebas. Tetapi karena udara berubah
menjadi konduktif karena faktor lingkungan, sifat isolatif tadi berubah menjadi
konduktif karena proses ionisasi dan emisi.
Ionisasi dalah peristiwa terlepasnya elektron dari ikatan atom netral
sehingga menghasilkan elektron bebas dan ion positif. Proses ionisasi dapat
dilihat pada Gambar 2.5.
(a) Suatu elektron bebas
(b) Elektron terikat
keluar membentur elektron
lintasannya menjadi
terikat.
eleketron bebas.
Gambar 2.5 Proses Ionisasi
Ada beberapa proses ionisasi yang dapat terjadi, antara lain:
18
Universitas Sumatera Utara
1)
Ionisasi thermis
2)
Ionisasi radiasi sinar kosmis
3)
Ionisasi radiasi foton (fotoionisasi)
4)
Ionisasi benturan
Emisi adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu logam
menjadi elektron bebas. Dalam keadaan normal, elektron tidak dapat terlepas dari
permukaan logam karena adanya gaya elektrostatik antar elektron dengan ion
dalam kisi logam. Supaya elektron ini dapat keluar dari permukaan logam,
diperlukan sejumlah energi luar. Besarnya energi ini didefenisikan sebagai fungsi
kerja dengn satuan elektron volt (eV) yang berbeda untuk setiap jenis logam. Ada
beberapa proses emisi yang menyebabkan terjadinya banjiran elektron, antara
lain:
b)
1)
Emisi thermis
2)
Emisi benturan ion positif
3)
Emisi medan tinggi.
Mekanisme lewat denyar pada isolator terpolusi
Permukaan isolator sistem tranmisi hantaran udara yang terpasang diluar
akan dilapisi oleh polutan. Ketika polutan dalam keadaan kering, polutan masih
bersifat tidak konduktif. Tetapi bila polutan basah dikarenakan gerimis atau kabut,
lapisan polutan akan larut dan membentuk larutan elektrolit yang konduktif.
Akibatnya tahanan permukaan akan turun dan arus bocor naik dalam orde
beberapa miliampere. Arus bocor ini akan memanaskan larutan elektrolit pada
permukaan isolator sehingga terbentuk lapisan kering. Pada lapisan kering ini,
medan listrik cukup besar sehingga udara di sekitarnya dapat mengalami ionisasi.
Kemudian udara akan tembus listrik dan arus mengalir melalui busur api pada
lapisan kering yang akan mengeringkan larutan elektrolit selanjutnya dan
memperpanjang lapisan kering. Proses ionisasi akan terjadi lagi dan menyebabkan
perpanjangan busur api dan proses di atas akan terus terjadi pada isolator piring
19
Universitas Sumatera Utara
dan peristiwa lewat denyar terjadi. Mekanisme lewat denyar pada isolator
terpolusi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Isolator Terpolusi dan Rangkaian Ekivalennya
Lapisan polutan yang konduktif dapat dianggap sebagai suatu tahanan
yang menghubungkan kedua jepitan logam isolator. Tahanan lapisan polutan jauh
lebih rendah daripada tahanan dielektrik padat isolator. Jika jepitan (a)
bertegangan dan jepitan (d) dibumikan, maka arus bocor (Ib) akan mengalir
melalui lapisan konduktif dari jepitan (a)
ke (d), sedang arus yang melalui
dielektrik padat diabaikan. Arus bocor ini akan menimbulkan panas yang
besarnya sama dengan kuadrat arus bocor dikali dengan tahanan permukaan dari
(a) ke (d). Panas yang terjadi akan mengeringkan lapisan polutan dan
pengeringan awal terjadi pada kawasan permukaan isolator yang berdekatan
dengan jepitan logam isolator. Pengeringan tersebut akan membuat tahanan
lapisan polutan di kawasan jepitan isolator semakin besar. Akibatnya
tegangan
pada lapisan
polutan
yang kering
beda
(Vab) semakin besar dan
menimbulkan kuat medan elektrik di sekitarnya naik. Jika kuat medan elektrik ini
melebihi kekuatan dielektrik udara di sekitar isolator, maka akan terjadi
peluahan dari titik (a) ke titik (b). Busur api akibat peluahan ini membuat lapisan
polutan yang kering (a-b) terhubung singkat, akibatnya arus bocor semakin
besar. Demikian seterusnya secara berangsur-angsur busur api semakin panjang
dan saat busur api telah menghubungkan kedua jepitan logam isolator (a-d), maka
terjadilah peristiwa lewat denyar pada isolator [10].
20
Universitas Sumatera Utara