Pengaruh Posisi Stub Isolator Terhadap Distribusi Tegangan Pada Isolator Piring Gelas
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
ISOLATOR PIRING
2.1.1 Umum
Pada suatu sistem tenaga listrik terdapat berbagai bagian yang memiliki
tegangan dan juga tidak bertegangan. Sehingga bagian yang tidak bertegangan ini
harus dipisahkan dari bagian-bagian yang bertegangan. Hal ini dilakukan agar
tidak terjadi aliran arus yang tidak semestinya ada antara satu bagian dengan yang
lainnya. Misalnya pada suatu jaringan transmisi, antara suatu konduktor
penghantar dengan konduktor lainnya dipisahkan oleh udara. Namun konduktor
ini harus digantungkan pada menara penopang sehingga dibutuhkan suatu isolator
yang cukup kuat untuk menopang konduktor ini sekaligus mengisolasi antara
konduktor dengan menara yang terhubung ke tanah agar tidak terjadi hubung
singkat ke tanah.
Isolator jaringan tenaga listrik merupakan alat tempat menopang kawat
penghantar jaringan pada tiang-tiang listrik yang digunakan untuk memisahkan
secara elektris dua buah kawat atau lebih agar tidak terjadi kebocoran arus
(leakage current) atau lewat-denyar (flashover) sehingga mengakibatkan
terjadinya kerusakan pada sistem jaringan tenaga listrik.
Adapun fungsi utama isolator adalah:
1. Untuk penyekat/mengisolasi penghantar dengan tanah dan antara
penghantar dengan penghantar.
2. Untuk memikul beban mekanis yang disebabkan oleh berat penghantar
dan/ atau gaya tarik penghantar.
3. Untuk menjaga agar jarak antar penghantar tetap (tidak berubah).
Pada sistem saluran udara tegangan tinggi, jenis isolator banyak
dipergunakan adalah isolator piring. Isolator piring adalah sejenis isolator yang
memiliki bentuk seperti piring, seperti pada Gambar 2.1.
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Isolator dalam bentuk piring.
Isolator rantai adalah merupakan kumpulan dari beberapa isolator piring
yang disusun secara berantai sehingga menjadi satu kesatuan isolator. Isolator
rantai seperti biasanya digunakan untuk menggantung penghantar transmisi
tegangan tinggi pada menara-menara transmisi. Gambar 2.2
Gambar 2.2 Isolator rantai pada saluran transmisi.
Adapun keuntungan menggunakan isolator rantai adalah:
1. Biaya instalasi isolator rantai cenderung lebih murah dari isolator pin
untuk sistem dengan tegangan lebih dari 33 kV.
2. Setiap unit isolator piring dirancang untuk bekerja pada tegangan kerja.
Sehingga dapat disusun agar dapat mengisolir tegangan kerja.
5
Universitas Sumatera Utara
3. Jika salah satu isolator piring pada suatu renteng isolator rantai rusak.
Maka kita hanya perlu mengganti isolator piring tersebut dengan isolator
yang baru.
4. Karena tersusun dari beberapa isolator piring maka isolator rantai
memiliki tingkat fleksibel yang tinggi sehingga dapat mengayun
mengikuti kabel transmisi.
5. Dengan bertambahnya permintaan akan jaringan transmisi, akan lebih
menguntungkan jika meningkatkan suplai daya dengan menaikkan
tegangan transmisi. Karena tegangan transmisi naik maka isolator
pendukung yang ada juga harus disesuaikan. Dimana isolator rantai dapat
dengan mudah dinaikkan kapasitasnya dengan menambahkan jumlah
isolator piringnya.
6. Isolator rantai biasanya dipasangkan pada menara besi. Dimana isolator
rantai berada dibawah crossarm sehingga secara tidak langsung kabel
transmisi mendapatkan proteksi terhadap petir.
2.1.2 Konstruksi Isolator Piring
Isolator piring pada umumnya memiliki tiga bagian utama yaitu bahan
dielektrik, kap (cap) dan fitting (pin) seperti terlihat pada Gambar 2.3. Selain itu
juga terdapat semen yang berfungsi sebagai bahan perekat yang merekatkan
ketiga bagian ini [1].
Gambar 2.3 Penampang melintang isolator piring.
6
Universitas Sumatera Utara
Adapun persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang suatu
isolator adalah sebagai berikut [2]:
1.
Isolator harus memiliki kekuatan mekanis yang kuat untuk menahan
beban konduktor , terpaan angin, dan lain-lain.
2.
Isolator harus menggunakan bahan dengan resistansi yang tinggi agar
tidak terjadi arus bocor yang besar ke tanah.
3.
Isolator harus memiliki kekuatan permitivitas yang tinggi agar dapat
memiliki kemampuan dielektrik yang baik.
4.
Isolator harus padat dan tidak memiliki celah udara karena dapat
menimbulkan peluahan sebagian.
5.
Isolator dapat menahan flashover.
6.
Setiap lubang pada bahan isolator harus memiliki sumbu yang sejajar
dengan sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperatur
penempaan isolator.
7.
Tidak memiliki lekukan runcing agar pada isolator tidak terjadi medan
elektrik yang tinggi.
8.
Permukaan isolator harus licin dan bebas partikel runcing.
9.
Jarak rambat isolator harus diperbesar jika isolator ditempatkan pada
kawasan yang dihuni banyak burung.
10. Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.
11. Bentuk dan dimensi sirip harus dibuat sedemikian rupa agar dapat
dengan mudah dibersihkan.
Dalam pemasangan suatu isolator piring terdapat beberapa jenis konfigurasi
yang digunakan dalam pengoperasiannya. Rentengan isolator dapat disusun dalam
konfigurasi yang umum, yaitu:
a. konfigurasi rentengan vertikal (suspension string)
b. konfigurasi rentengan horisontal (tension string)
c. konfigurasi rentengan miring (V string).
7
Universitas Sumatera Utara
Konfigurasi rentengan isolator ternyata mempengaruhi sifat kerja isolator
yang dipasang di daerah berpolusi. Polusi telah menyebabkan terjadinya lewat
denyar untuk konfigurasi rentengan vertikal, sedangkan untuk konfigurasi
rentengan V dan horisontal tidak terjadi lewat denyar.
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.4 Jenis konstruksi rentengan isolator piring (a) vertikal (suspension
string) (b) horisontal (tension string) (c) V string
2.1.3 Jenis Bahan Dielektrik
Bahan dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang
sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik ini dapat berwujud
padat, cair dan gas. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik
yang terkandung di dalamnya tidak mengalami pergerakan sehingga tidak akan
8
Universitas Sumatera Utara
timbul arus seperti bahan konduktor ataupun semikonduktor, tetapi hanya sedikit
bergeser dari posisi setimbangnya yang mengakibatkan terciptanya pengutuban
dielektrik. Fungsi dari bahan listrik dielektrik diantaranya:
- Menyimpan energi listrik (dalam bentuk muatan) misalnya pada
kapasitor.
- Memisahkan bagian bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan
(isolator). Misal: plastik, celah udara, mika, gelas, porselen, kayu, karet,
dan lain-lain.
Ada beberapa bahan dielektrik isolator yang paling sering digunakan pada
isolator piring yaitu [2]:
a.
Porselen/ keramik
Porselen merupakan bahan dielektrik yang paling sering digunakan pada
isolator. Hal ini terjadi karena porselen memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi
dan tidak dipengaruhi oleh perubahan kondisi udara disekitarnya. Kekuatan
mekanik porselen bergantung pada cara pembuatannya.
Kemampuan mekanis suatu porselen standar dengan diameter 2-3 cm adalah
45.000 kg/cm2 untuk beban tekan; 700 kg/cm2 untuk beban tekuk dan 300 kg/cm2
untuk beban tarik. Sehingga dapat disimpulkan bahwa porselen adalah bahan yang
memiliki kemampuan mekanik yang sangat baik pada beban tekan. Kekuatan
mekanik dari porselen akan berkurang jika dilakukan penambahan luas
penampang porselen.
b.
Gelas/ kaca
Isolator gelas lebih murah daripada porselen, sedangkan karakteristik
mekaniknya tidak jauh berbeda dari isolator porselen. Karakteristik elektrik dan
mekanik dari isolator gelas bergantung pada kandungan alkali pada isolator
tersebut. Semakin tinggi kandungan alkalinya maka kemampuan dielektrik
isolator akan semakin menurun hal ini dikarenakan isolator memiliki
konduktivitas lebih tinggi.
9
Universitas Sumatera Utara
Kaca pada umumnya terdiri dari campuran silikat (SiO 2) dan beberapa
senyawa antara lain, borat, pospat. Kaca dibuat dengan cara melelehkan beberapa
senyawa silikat (pasir), alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur, oksida timah
hitam). Karena itu sifat dari kaca tergantung dari komposisi bahan-bahan
pembentuknya tersebut. Massa jenis kaca berkisar antara 2 dan 8,1 g/cm3,
kekuatan tekanannya 6000 hingga 21000 kg/cm2, kekuatan tariknya 100 hingga
300 kg/cm2 . Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kaca adalah termasuk
bahan yang regas.
Kekuatan dielektrik gelas alkali tinggi adalah 17,9 kVrms/mm sedangkan
kemampuan dielektrik gelas alkali rendah adalah 48 kVrms/mm. Jika isolator gelas
dipasangkan pada suatu sistem tegangan arus searah. Maka dapat menimbulkan
penguaian kimiawi gelas sehingga akan meningkatkan kandungan alkalinya.
Dimana hal ini akan menyebabkan penurunan kemampuan isolasi gelas.
Berdasarkan proses pembuatannya isolator gelas dibagi menjadi dua yaitu gelas
yang dikuatkan (annealed glass) dan gelas yang dikeraskan (hardened glass).
Gelas alkali tinggi memiliki koefisien pemuaian yang tinggi, sehingga
isolator gelas mudah pecah. Peristiwa ini sangat mungkin terjadi jika isolator
gelas dioperasikan pada suatu lokasi yang temperaturnya berubah-ubah dengan
tajam.
(a)
(b)
Gambar 2.5 Jenis isolator (a) porselen (b) gelas.
10
Universitas Sumatera Utara
2.1.4 Tahanan Isolator
Apabila isolator memikul tegangan searah, maka arus akan mengalir melalui
permukaan dan bagian dalam isolator. Arus yang melalui permukaan disebut arus
permukaan. Sedangkan hambatan yang dialami arus ini disebut tahanan
permukaan. Arus yang melalui bagian dalam isolator disebut arus volume dan
hambatan yang dialami arus tersebut disebut tahanan volume. Besarnya tahanan
volume dipengaruhi oleh bahan isolator yang digunakan. Sedangkan besarnya
tahanan permukaan dipengaruhi oleh kondisi dari permukaan isolator. Jumlah arus
volume dan arus permukaan disebut arus bocor [3].
Jika tegangan yang dipikul isolator adalah tegangan AC, maka selain kedua
jenis arus tersebut, pada isolator juga mengalir arus kapasitif. Arus kapasitif
terjadi karena adanya kapasitansi yang dibentuk isolator dengan elektroda. Pada
Gambar 2.6 ditunjukkan arus permukaan, arus volume dan arus kapasitif yang
mengalir pada suatu isolator.
Gambar 2.6 Komponen arus bocor pada isolator.
Rangkaian listrik ekivalen suatu isolator ditunjukkan pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Rangkaian ekuivalen arus bocor isolator.
11
Universitas Sumatera Utara
Keterangan:
Ip
= arus permukaan isolator.
IV
= arus volume isolator.
Ic
= arus kapasitif yang timbul pada isolator.
IB
= arus bocor isolator.
Rp
= tahanan permukaan pada isolator.
Rv
= tahanan volume pada isolator.
C
= kapasitansi disekitar isolator.
Adapun arus bocor yang mengalir melalui suatu isolator adalah :
=
+
+
(2.1)
Karena tahanan volume relatif besar dibandingkan dengan tahanan
permukaan, maka menyebabkan arus volume dapat diabaikan. Sehingga, arus
bocor total menjadi :
=
+
(2.2)
Dengan demikian, rangkaian ekuivalen isolator menjadi seperti pada
Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Rangkaian ekuivalen isolator mengabaikan arus volume.
12
Universitas Sumatera Utara
Tahanan permukaan isolator dapat bervariasi, bergantung pada material
yang menempel pada permukaan isolator. Keadaan iklim, daerah pemasangan
isolator serta kelembaban udara menjadi faktor yang mempengaruhi besar dari
tahanan permukaan isolator. Polutan yang menempel pada permukaan isolator
akan menyebabkan tahanan permukaan isolator turun dan meningkatkan besar
arus permukaan yang mengalir pada permukaan isolator sehingga arus bocor
semakin besar.
2.1.5 Kerusakan pada Isolator Piring
Secara garis besar isolator tegangan tinggi mempunyai dua fungsi mekanik
dan elektrik. Secara mekanik, isolator berfungsi untuk mendukung atau menahan
konduktor pada tegangan tinggi, sedangkan secara elektrik isolator berfungsi
sebagai pemisah, yaitu untuk mencegah mengalirnya arus dari penghantar ke
tanah atau ke menara penopang saluran udara.
Pada saluran transmisi atau distribusi, kegagalan isolasi dapat disebabkan
oleh hal-hal sebagai berikut:
- Isolator pecah, disebabkan pemuaian yang tidak merata dan kontraksi
yang terjadi di dalam semen, baja, dan bahan dielektrik. Kegagalan ini
juga bisa disebabkan pergantian musim yang mencolok dan pemanasan
lebih.
- Bahan isolasi berlubang-lubang. Lubang terjadi karena bahan porselen
diproses pada suhu rendah hingga mudah menyerap air. Kejadian ini
menurunkan kekuatan isolasi dan arus merembes melalui isolator.
- Ketidakmurnian
bahan
isolasi.
Di
tempat
yang
mengalami
ketidakmurnian bahan isolasi pun akan terjadi kebocoran.
- Bahan tidak dapat mengkilap, sehingga air akan tetap tinggal padanya,
lalu meyebabkan penimbunan debu dan kotoran membentuk lapisan yang
bersifat menghantar dan memperpendek jarak rayap (creepage distance).
- Tekanan secara mekanis, misalnya karena penumpukan isolator. Jika
bahannya kurang kuat dapat menyebabkan isolator pecah.
13
Universitas Sumatera Utara
- Tembus listrik (break down) dan lewat denyar (flashover). Lewat denyar,
yaitu pelepasan muatan destruktif (bersifat merusak) yang melintasi pada
seluruh bagian permukaan isolator. Pelepasan muatan ini disebabkan
pembebanan medan elektrik pada permukaan isolator melebihi harga
ketahanan elektriknya. Lewat denyar menimbulkan pemanasan dan dapat
merusak isolator. Penyebabnya dikarenakan pengotoran permukaan
isolator, surja hubung, dan surja petir. Seperti terlihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Peristiwa flashover (lewat denyar).
2.1.6 Stub
Pada isolator piring ditemukan bahwa apabila terjadi peristiwa abnormal
akan mengakibatkan kerusakan pada isolator tersebut. Kerusakan yang terjadi
pada isolator berbahan porselen menyebabkan lempeng piring akan terkelupas
sedangkan untuk isolator berbahan gelas dapat mengakibatkan lempeng piring
akan pecah. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Kerusakan isolator rantai saluran transmisi
14
Universitas Sumatera Utara
Isolator piring gelas ketika telah pecah akan meninggalkan bongkol isolator
yang disebut dengan istilah stub. Peristiwa ini meyebabkan jarak rambat yang
semakin dekat antar dua lempengan logam pemisah sehingga tahanan permukaan
isolasi yang menjadi berkurang. Tahanan isolasi tersebut akan menyebabkan
kenaikan arus bocor pada permukaan isolator sehingga memungkinkan terjadinya
external arc [5].
Gambar 2.11 Peristiwa lewat denyar pada isolator gelas.
Nilai kapasitansi isolator piring gelas hampir konstan dan hanya sedikit
bergantung pada ukuran dari gelas yang berada di dalam kap isolator. Nilai ratarata dari C berkisar 70 pF dengan isolator piring gelas dalam kondisi normal.
Tahanan permukaan isolator sebagian besar dipengaruhi oleh kondisi lingkungan,
maka tahanan permukaan dianggap sebagai sesuatu yang nilainya tidak tetap.
Rangkaian ekuivalen pada kondisi kering dan bersih dapat digambarkan pada
Gambar 2.12a, dan dikarenakan tahanan isolator sangat tinggi, maka rangkaian
ekivalen dapat digambarkan pada Gambar 2.12b.
(a) Full circuit.
(b)Simplified circuit.
Gambar 2.12 Rangkaian ekuivalen pada isolator piring.
Nilai kapasitansi dan resistansi dari stub akan berubah berdasarkan fakta
yang terjadi ketika isolator rusak. Dapat diperkirakan bahwa nilai C dan R akan
membuat rangkaian ekuivalen menjadi berubah seperti pada Gambar 2.13.
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Rangkaian ekuivalen dari stub kondisi kering dan bersih.
Isolator yang mengalami kerusakan akan meyebabkan timbulnya, CS yaitu
kapasitansi tambahan dan R S yaitu tahanan yang timbul di dalam isolator.
Sehingga besar komponen C dan R didefenisikan menjadi:
+
=
1
2.2
=
1
+
(2.3)
1
(2.4)
KAPASITANSI
Kapasitor sering juga disebut dengan kondensator. Elemen ini mempunyai
fungsi menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Nilai suatu kapasitansi dari
suatu kapasitor tergantung dari nilai permitivitas bahan pembuat kapasitor, luas
penampang, dan jarak antara dua keping penyusun kapasitor tersebut [6]. Seperti
terihat pada 2.14.
Konduktor
V
d
Dielektrik
Konduktor
Gambar 2.14 Kapasitansi pada logam sejajar.
16
Universitas Sumatera Utara
Secara matematis,
=
Besarnya nilai reaktansi kapasitif ditentukan dengan,
=
Dimana:
2
1
(2.5)
(2.6)
C
=
nilai kapasitansi (F)
ε
=
permitivitas bahan dielektrik (F/m)
A
=
luas penampang konduktor (m2 )
d
=
jarak dua keping (m)
XC
=
Reaktansi kapasitif ( Ohm )
f
=
frekuensi kapasitansi (Hz)
Tabel 2.1 Permitivitas bahan dielektrik
No
Jenis bahan
Konstanta dielektrik
1
Mika
2,5 – 7
2
Gelas
4–7
3
Air
80
4
Lilin
2,25
5
Udara
1
17
Universitas Sumatera Utara
Jika sebuah kapasitor dilewati oleh sebuah arus, maka pada kedua ujung
kapasitor tersebut akan muncul beda potensial atau tegangan. Secara matematis
dinyatakan:
=
(2.7)
=
Sedangkan,
(2.8)
(2.9)
=
= .
Sehingga,
.
= .
=
2.3
(2.10)
(2.11)
(2.12)
DISTRIBUSI TEGANGAN
Dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu dielektrik atau susunan
“konduktor-dielektrik-konduktor” merupakan suatu susunan kapasitor. Semua
isolator merupakan dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu medium dielektrik.
Oleh karena itu, suatu isolator merupakan suatu kapasitor. Pin isolator dengan
menara dan pin dengan konduktor transmisi membentuk susunan kapasitor.
Kehadiran kedua kapasitansi terakhir mengakibatkan distribusi tegangan rantai
tidak merata. Pada Gambar 2.15 diperlihatkan suatu isolator piring. Isolator
tersebut membentuk suatu susunan “konduktor-dielektrik-konduktor” [2][3].
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 Komponen kapasitansi isolator piring.
Jika beberapa isolator piring disusun menjadi isolator rantai (Gambar 2.16),
maka akan dijumpai tiga kelompok susunan “konduktor-dielektrik-konduktor”,
masing-masing dibentuk oleh :
a. Kap isolator-dielektrik-fitting. Susunan ini membentuk kapasitansi
sendiri isolator (C1).
b. Kap isolator-udara-menara. Susunan ini membentuk kapasitansi kap
isolator dengan menara yang dibumikan (C2) yang disebut kapasitansi
tegangan rendah.
c. Kap isolator-udara-konduktor transmisi. Susunan ini membentuk
kapasitansi kap isolator dengan konduktor tegangan tinggi (C3) yang
disebut kapasitansi tegangan tinggi.
Sehingga jika isolator dianggap bersih maka akan didapatkan suatu
rangkaian kapasitansi.
Logam
Logam
Logam
Logam
Menara
Logam
Gambar 2.16 Susunan isolator piring membentuk kapasitansi.
19
Universitas Sumatera Utara
Seperti yang terlihat pada gambar karena timbulnya C2 dan C3 maka
tegangan pada setiap unit isolator yang seharusnya sama menjadi berbeda-beda
dimana dapat dilihat bahwa unit isolator rantai yang paling dekat dengan kawat
penghantar adalah unit yang menerima tegangan paling besar dibandingkan
dengan unit lain. Dan tegangan akan semakin kecil untuk unit yang semakin jauh
dari konduktor penghantar.Metode untuk menghitung distribusi tegangan pada
isolator rantai, yaitu dengan metode Hukum Kirchoff. Rangkaian ekuivalen
isolator rantai untuk menghitung distribusi tegangan diperlihatkan pada Gambar
2.17.
Gambar 2.17 Rangkaian distribusi tegangan menggunakan metode kirchoff.
20
Universitas Sumatera Utara
Hukum kirchoff pada titik (1) adalah sebagai berikut:
+
=
+
(2.13)
Jika tegangan pada suatu kapasitor C adalah V dan frekuensi tegangan itu
adalah f, maka arus pada suatu kapasitor adalah ic =2πfCV. Dengan demikian,
persamaan dapat dituliskan sebagai berikut:
(
+ 2
2
(
+
−
−
)=
)= 2
+ 2
+
(2.15)
Hukum kirchoff pada titik (2) adalah:
+
Atau,
(
+
=
−
+
)=
−
(2.16)
(
)+
+
Hukum Kirchoff pada titik (n-1) adalah sebagai berikut:
(
Atau,
(
)
)
+
+
(
=
)
−
(
=
(
−
+
(2.14)
)
+
−⋯−
+⋯+
(2.17)
(2.18)
(
(
)
)
+
(2.19)
Jika jumlah isolator piring adalah n, maka hukum Kirchoff akan
memberikan (n-1) persamaan. Di samping (n-1) persamaan itu masih ada satu
persamaan tegangan yang diperoleh, yaitu:
=
+
+
+⋯+
(2.20)
Sehingga ada n persamaan dengan n tegangan (V) yang tidak diketahui. Dengan
demikian, V1, V2, V3,..........,V(n-1) dan Vn dapat dihitung.
21
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
ISOLATOR PIRING
2.1.1 Umum
Pada suatu sistem tenaga listrik terdapat berbagai bagian yang memiliki
tegangan dan juga tidak bertegangan. Sehingga bagian yang tidak bertegangan ini
harus dipisahkan dari bagian-bagian yang bertegangan. Hal ini dilakukan agar
tidak terjadi aliran arus yang tidak semestinya ada antara satu bagian dengan yang
lainnya. Misalnya pada suatu jaringan transmisi, antara suatu konduktor
penghantar dengan konduktor lainnya dipisahkan oleh udara. Namun konduktor
ini harus digantungkan pada menara penopang sehingga dibutuhkan suatu isolator
yang cukup kuat untuk menopang konduktor ini sekaligus mengisolasi antara
konduktor dengan menara yang terhubung ke tanah agar tidak terjadi hubung
singkat ke tanah.
Isolator jaringan tenaga listrik merupakan alat tempat menopang kawat
penghantar jaringan pada tiang-tiang listrik yang digunakan untuk memisahkan
secara elektris dua buah kawat atau lebih agar tidak terjadi kebocoran arus
(leakage current) atau lewat-denyar (flashover) sehingga mengakibatkan
terjadinya kerusakan pada sistem jaringan tenaga listrik.
Adapun fungsi utama isolator adalah:
1. Untuk penyekat/mengisolasi penghantar dengan tanah dan antara
penghantar dengan penghantar.
2. Untuk memikul beban mekanis yang disebabkan oleh berat penghantar
dan/ atau gaya tarik penghantar.
3. Untuk menjaga agar jarak antar penghantar tetap (tidak berubah).
Pada sistem saluran udara tegangan tinggi, jenis isolator banyak
dipergunakan adalah isolator piring. Isolator piring adalah sejenis isolator yang
memiliki bentuk seperti piring, seperti pada Gambar 2.1.
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Isolator dalam bentuk piring.
Isolator rantai adalah merupakan kumpulan dari beberapa isolator piring
yang disusun secara berantai sehingga menjadi satu kesatuan isolator. Isolator
rantai seperti biasanya digunakan untuk menggantung penghantar transmisi
tegangan tinggi pada menara-menara transmisi. Gambar 2.2
Gambar 2.2 Isolator rantai pada saluran transmisi.
Adapun keuntungan menggunakan isolator rantai adalah:
1. Biaya instalasi isolator rantai cenderung lebih murah dari isolator pin
untuk sistem dengan tegangan lebih dari 33 kV.
2. Setiap unit isolator piring dirancang untuk bekerja pada tegangan kerja.
Sehingga dapat disusun agar dapat mengisolir tegangan kerja.
5
Universitas Sumatera Utara
3. Jika salah satu isolator piring pada suatu renteng isolator rantai rusak.
Maka kita hanya perlu mengganti isolator piring tersebut dengan isolator
yang baru.
4. Karena tersusun dari beberapa isolator piring maka isolator rantai
memiliki tingkat fleksibel yang tinggi sehingga dapat mengayun
mengikuti kabel transmisi.
5. Dengan bertambahnya permintaan akan jaringan transmisi, akan lebih
menguntungkan jika meningkatkan suplai daya dengan menaikkan
tegangan transmisi. Karena tegangan transmisi naik maka isolator
pendukung yang ada juga harus disesuaikan. Dimana isolator rantai dapat
dengan mudah dinaikkan kapasitasnya dengan menambahkan jumlah
isolator piringnya.
6. Isolator rantai biasanya dipasangkan pada menara besi. Dimana isolator
rantai berada dibawah crossarm sehingga secara tidak langsung kabel
transmisi mendapatkan proteksi terhadap petir.
2.1.2 Konstruksi Isolator Piring
Isolator piring pada umumnya memiliki tiga bagian utama yaitu bahan
dielektrik, kap (cap) dan fitting (pin) seperti terlihat pada Gambar 2.3. Selain itu
juga terdapat semen yang berfungsi sebagai bahan perekat yang merekatkan
ketiga bagian ini [1].
Gambar 2.3 Penampang melintang isolator piring.
6
Universitas Sumatera Utara
Adapun persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang suatu
isolator adalah sebagai berikut [2]:
1.
Isolator harus memiliki kekuatan mekanis yang kuat untuk menahan
beban konduktor , terpaan angin, dan lain-lain.
2.
Isolator harus menggunakan bahan dengan resistansi yang tinggi agar
tidak terjadi arus bocor yang besar ke tanah.
3.
Isolator harus memiliki kekuatan permitivitas yang tinggi agar dapat
memiliki kemampuan dielektrik yang baik.
4.
Isolator harus padat dan tidak memiliki celah udara karena dapat
menimbulkan peluahan sebagian.
5.
Isolator dapat menahan flashover.
6.
Setiap lubang pada bahan isolator harus memiliki sumbu yang sejajar
dengan sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperatur
penempaan isolator.
7.
Tidak memiliki lekukan runcing agar pada isolator tidak terjadi medan
elektrik yang tinggi.
8.
Permukaan isolator harus licin dan bebas partikel runcing.
9.
Jarak rambat isolator harus diperbesar jika isolator ditempatkan pada
kawasan yang dihuni banyak burung.
10. Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.
11. Bentuk dan dimensi sirip harus dibuat sedemikian rupa agar dapat
dengan mudah dibersihkan.
Dalam pemasangan suatu isolator piring terdapat beberapa jenis konfigurasi
yang digunakan dalam pengoperasiannya. Rentengan isolator dapat disusun dalam
konfigurasi yang umum, yaitu:
a. konfigurasi rentengan vertikal (suspension string)
b. konfigurasi rentengan horisontal (tension string)
c. konfigurasi rentengan miring (V string).
7
Universitas Sumatera Utara
Konfigurasi rentengan isolator ternyata mempengaruhi sifat kerja isolator
yang dipasang di daerah berpolusi. Polusi telah menyebabkan terjadinya lewat
denyar untuk konfigurasi rentengan vertikal, sedangkan untuk konfigurasi
rentengan V dan horisontal tidak terjadi lewat denyar.
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.4 Jenis konstruksi rentengan isolator piring (a) vertikal (suspension
string) (b) horisontal (tension string) (c) V string
2.1.3 Jenis Bahan Dielektrik
Bahan dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang
sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik ini dapat berwujud
padat, cair dan gas. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik
yang terkandung di dalamnya tidak mengalami pergerakan sehingga tidak akan
8
Universitas Sumatera Utara
timbul arus seperti bahan konduktor ataupun semikonduktor, tetapi hanya sedikit
bergeser dari posisi setimbangnya yang mengakibatkan terciptanya pengutuban
dielektrik. Fungsi dari bahan listrik dielektrik diantaranya:
- Menyimpan energi listrik (dalam bentuk muatan) misalnya pada
kapasitor.
- Memisahkan bagian bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan
(isolator). Misal: plastik, celah udara, mika, gelas, porselen, kayu, karet,
dan lain-lain.
Ada beberapa bahan dielektrik isolator yang paling sering digunakan pada
isolator piring yaitu [2]:
a.
Porselen/ keramik
Porselen merupakan bahan dielektrik yang paling sering digunakan pada
isolator. Hal ini terjadi karena porselen memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi
dan tidak dipengaruhi oleh perubahan kondisi udara disekitarnya. Kekuatan
mekanik porselen bergantung pada cara pembuatannya.
Kemampuan mekanis suatu porselen standar dengan diameter 2-3 cm adalah
45.000 kg/cm2 untuk beban tekan; 700 kg/cm2 untuk beban tekuk dan 300 kg/cm2
untuk beban tarik. Sehingga dapat disimpulkan bahwa porselen adalah bahan yang
memiliki kemampuan mekanik yang sangat baik pada beban tekan. Kekuatan
mekanik dari porselen akan berkurang jika dilakukan penambahan luas
penampang porselen.
b.
Gelas/ kaca
Isolator gelas lebih murah daripada porselen, sedangkan karakteristik
mekaniknya tidak jauh berbeda dari isolator porselen. Karakteristik elektrik dan
mekanik dari isolator gelas bergantung pada kandungan alkali pada isolator
tersebut. Semakin tinggi kandungan alkalinya maka kemampuan dielektrik
isolator akan semakin menurun hal ini dikarenakan isolator memiliki
konduktivitas lebih tinggi.
9
Universitas Sumatera Utara
Kaca pada umumnya terdiri dari campuran silikat (SiO 2) dan beberapa
senyawa antara lain, borat, pospat. Kaca dibuat dengan cara melelehkan beberapa
senyawa silikat (pasir), alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur, oksida timah
hitam). Karena itu sifat dari kaca tergantung dari komposisi bahan-bahan
pembentuknya tersebut. Massa jenis kaca berkisar antara 2 dan 8,1 g/cm3,
kekuatan tekanannya 6000 hingga 21000 kg/cm2, kekuatan tariknya 100 hingga
300 kg/cm2 . Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kaca adalah termasuk
bahan yang regas.
Kekuatan dielektrik gelas alkali tinggi adalah 17,9 kVrms/mm sedangkan
kemampuan dielektrik gelas alkali rendah adalah 48 kVrms/mm. Jika isolator gelas
dipasangkan pada suatu sistem tegangan arus searah. Maka dapat menimbulkan
penguaian kimiawi gelas sehingga akan meningkatkan kandungan alkalinya.
Dimana hal ini akan menyebabkan penurunan kemampuan isolasi gelas.
Berdasarkan proses pembuatannya isolator gelas dibagi menjadi dua yaitu gelas
yang dikuatkan (annealed glass) dan gelas yang dikeraskan (hardened glass).
Gelas alkali tinggi memiliki koefisien pemuaian yang tinggi, sehingga
isolator gelas mudah pecah. Peristiwa ini sangat mungkin terjadi jika isolator
gelas dioperasikan pada suatu lokasi yang temperaturnya berubah-ubah dengan
tajam.
(a)
(b)
Gambar 2.5 Jenis isolator (a) porselen (b) gelas.
10
Universitas Sumatera Utara
2.1.4 Tahanan Isolator
Apabila isolator memikul tegangan searah, maka arus akan mengalir melalui
permukaan dan bagian dalam isolator. Arus yang melalui permukaan disebut arus
permukaan. Sedangkan hambatan yang dialami arus ini disebut tahanan
permukaan. Arus yang melalui bagian dalam isolator disebut arus volume dan
hambatan yang dialami arus tersebut disebut tahanan volume. Besarnya tahanan
volume dipengaruhi oleh bahan isolator yang digunakan. Sedangkan besarnya
tahanan permukaan dipengaruhi oleh kondisi dari permukaan isolator. Jumlah arus
volume dan arus permukaan disebut arus bocor [3].
Jika tegangan yang dipikul isolator adalah tegangan AC, maka selain kedua
jenis arus tersebut, pada isolator juga mengalir arus kapasitif. Arus kapasitif
terjadi karena adanya kapasitansi yang dibentuk isolator dengan elektroda. Pada
Gambar 2.6 ditunjukkan arus permukaan, arus volume dan arus kapasitif yang
mengalir pada suatu isolator.
Gambar 2.6 Komponen arus bocor pada isolator.
Rangkaian listrik ekivalen suatu isolator ditunjukkan pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Rangkaian ekuivalen arus bocor isolator.
11
Universitas Sumatera Utara
Keterangan:
Ip
= arus permukaan isolator.
IV
= arus volume isolator.
Ic
= arus kapasitif yang timbul pada isolator.
IB
= arus bocor isolator.
Rp
= tahanan permukaan pada isolator.
Rv
= tahanan volume pada isolator.
C
= kapasitansi disekitar isolator.
Adapun arus bocor yang mengalir melalui suatu isolator adalah :
=
+
+
(2.1)
Karena tahanan volume relatif besar dibandingkan dengan tahanan
permukaan, maka menyebabkan arus volume dapat diabaikan. Sehingga, arus
bocor total menjadi :
=
+
(2.2)
Dengan demikian, rangkaian ekuivalen isolator menjadi seperti pada
Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Rangkaian ekuivalen isolator mengabaikan arus volume.
12
Universitas Sumatera Utara
Tahanan permukaan isolator dapat bervariasi, bergantung pada material
yang menempel pada permukaan isolator. Keadaan iklim, daerah pemasangan
isolator serta kelembaban udara menjadi faktor yang mempengaruhi besar dari
tahanan permukaan isolator. Polutan yang menempel pada permukaan isolator
akan menyebabkan tahanan permukaan isolator turun dan meningkatkan besar
arus permukaan yang mengalir pada permukaan isolator sehingga arus bocor
semakin besar.
2.1.5 Kerusakan pada Isolator Piring
Secara garis besar isolator tegangan tinggi mempunyai dua fungsi mekanik
dan elektrik. Secara mekanik, isolator berfungsi untuk mendukung atau menahan
konduktor pada tegangan tinggi, sedangkan secara elektrik isolator berfungsi
sebagai pemisah, yaitu untuk mencegah mengalirnya arus dari penghantar ke
tanah atau ke menara penopang saluran udara.
Pada saluran transmisi atau distribusi, kegagalan isolasi dapat disebabkan
oleh hal-hal sebagai berikut:
- Isolator pecah, disebabkan pemuaian yang tidak merata dan kontraksi
yang terjadi di dalam semen, baja, dan bahan dielektrik. Kegagalan ini
juga bisa disebabkan pergantian musim yang mencolok dan pemanasan
lebih.
- Bahan isolasi berlubang-lubang. Lubang terjadi karena bahan porselen
diproses pada suhu rendah hingga mudah menyerap air. Kejadian ini
menurunkan kekuatan isolasi dan arus merembes melalui isolator.
- Ketidakmurnian
bahan
isolasi.
Di
tempat
yang
mengalami
ketidakmurnian bahan isolasi pun akan terjadi kebocoran.
- Bahan tidak dapat mengkilap, sehingga air akan tetap tinggal padanya,
lalu meyebabkan penimbunan debu dan kotoran membentuk lapisan yang
bersifat menghantar dan memperpendek jarak rayap (creepage distance).
- Tekanan secara mekanis, misalnya karena penumpukan isolator. Jika
bahannya kurang kuat dapat menyebabkan isolator pecah.
13
Universitas Sumatera Utara
- Tembus listrik (break down) dan lewat denyar (flashover). Lewat denyar,
yaitu pelepasan muatan destruktif (bersifat merusak) yang melintasi pada
seluruh bagian permukaan isolator. Pelepasan muatan ini disebabkan
pembebanan medan elektrik pada permukaan isolator melebihi harga
ketahanan elektriknya. Lewat denyar menimbulkan pemanasan dan dapat
merusak isolator. Penyebabnya dikarenakan pengotoran permukaan
isolator, surja hubung, dan surja petir. Seperti terlihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Peristiwa flashover (lewat denyar).
2.1.6 Stub
Pada isolator piring ditemukan bahwa apabila terjadi peristiwa abnormal
akan mengakibatkan kerusakan pada isolator tersebut. Kerusakan yang terjadi
pada isolator berbahan porselen menyebabkan lempeng piring akan terkelupas
sedangkan untuk isolator berbahan gelas dapat mengakibatkan lempeng piring
akan pecah. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Kerusakan isolator rantai saluran transmisi
14
Universitas Sumatera Utara
Isolator piring gelas ketika telah pecah akan meninggalkan bongkol isolator
yang disebut dengan istilah stub. Peristiwa ini meyebabkan jarak rambat yang
semakin dekat antar dua lempengan logam pemisah sehingga tahanan permukaan
isolasi yang menjadi berkurang. Tahanan isolasi tersebut akan menyebabkan
kenaikan arus bocor pada permukaan isolator sehingga memungkinkan terjadinya
external arc [5].
Gambar 2.11 Peristiwa lewat denyar pada isolator gelas.
Nilai kapasitansi isolator piring gelas hampir konstan dan hanya sedikit
bergantung pada ukuran dari gelas yang berada di dalam kap isolator. Nilai ratarata dari C berkisar 70 pF dengan isolator piring gelas dalam kondisi normal.
Tahanan permukaan isolator sebagian besar dipengaruhi oleh kondisi lingkungan,
maka tahanan permukaan dianggap sebagai sesuatu yang nilainya tidak tetap.
Rangkaian ekuivalen pada kondisi kering dan bersih dapat digambarkan pada
Gambar 2.12a, dan dikarenakan tahanan isolator sangat tinggi, maka rangkaian
ekivalen dapat digambarkan pada Gambar 2.12b.
(a) Full circuit.
(b)Simplified circuit.
Gambar 2.12 Rangkaian ekuivalen pada isolator piring.
Nilai kapasitansi dan resistansi dari stub akan berubah berdasarkan fakta
yang terjadi ketika isolator rusak. Dapat diperkirakan bahwa nilai C dan R akan
membuat rangkaian ekuivalen menjadi berubah seperti pada Gambar 2.13.
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Rangkaian ekuivalen dari stub kondisi kering dan bersih.
Isolator yang mengalami kerusakan akan meyebabkan timbulnya, CS yaitu
kapasitansi tambahan dan R S yaitu tahanan yang timbul di dalam isolator.
Sehingga besar komponen C dan R didefenisikan menjadi:
+
=
1
2.2
=
1
+
(2.3)
1
(2.4)
KAPASITANSI
Kapasitor sering juga disebut dengan kondensator. Elemen ini mempunyai
fungsi menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Nilai suatu kapasitansi dari
suatu kapasitor tergantung dari nilai permitivitas bahan pembuat kapasitor, luas
penampang, dan jarak antara dua keping penyusun kapasitor tersebut [6]. Seperti
terihat pada 2.14.
Konduktor
V
d
Dielektrik
Konduktor
Gambar 2.14 Kapasitansi pada logam sejajar.
16
Universitas Sumatera Utara
Secara matematis,
=
Besarnya nilai reaktansi kapasitif ditentukan dengan,
=
Dimana:
2
1
(2.5)
(2.6)
C
=
nilai kapasitansi (F)
ε
=
permitivitas bahan dielektrik (F/m)
A
=
luas penampang konduktor (m2 )
d
=
jarak dua keping (m)
XC
=
Reaktansi kapasitif ( Ohm )
f
=
frekuensi kapasitansi (Hz)
Tabel 2.1 Permitivitas bahan dielektrik
No
Jenis bahan
Konstanta dielektrik
1
Mika
2,5 – 7
2
Gelas
4–7
3
Air
80
4
Lilin
2,25
5
Udara
1
17
Universitas Sumatera Utara
Jika sebuah kapasitor dilewati oleh sebuah arus, maka pada kedua ujung
kapasitor tersebut akan muncul beda potensial atau tegangan. Secara matematis
dinyatakan:
=
(2.7)
=
Sedangkan,
(2.8)
(2.9)
=
= .
Sehingga,
.
= .
=
2.3
(2.10)
(2.11)
(2.12)
DISTRIBUSI TEGANGAN
Dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu dielektrik atau susunan
“konduktor-dielektrik-konduktor” merupakan suatu susunan kapasitor. Semua
isolator merupakan dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu medium dielektrik.
Oleh karena itu, suatu isolator merupakan suatu kapasitor. Pin isolator dengan
menara dan pin dengan konduktor transmisi membentuk susunan kapasitor.
Kehadiran kedua kapasitansi terakhir mengakibatkan distribusi tegangan rantai
tidak merata. Pada Gambar 2.15 diperlihatkan suatu isolator piring. Isolator
tersebut membentuk suatu susunan “konduktor-dielektrik-konduktor” [2][3].
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 Komponen kapasitansi isolator piring.
Jika beberapa isolator piring disusun menjadi isolator rantai (Gambar 2.16),
maka akan dijumpai tiga kelompok susunan “konduktor-dielektrik-konduktor”,
masing-masing dibentuk oleh :
a. Kap isolator-dielektrik-fitting. Susunan ini membentuk kapasitansi
sendiri isolator (C1).
b. Kap isolator-udara-menara. Susunan ini membentuk kapasitansi kap
isolator dengan menara yang dibumikan (C2) yang disebut kapasitansi
tegangan rendah.
c. Kap isolator-udara-konduktor transmisi. Susunan ini membentuk
kapasitansi kap isolator dengan konduktor tegangan tinggi (C3) yang
disebut kapasitansi tegangan tinggi.
Sehingga jika isolator dianggap bersih maka akan didapatkan suatu
rangkaian kapasitansi.
Logam
Logam
Logam
Logam
Menara
Logam
Gambar 2.16 Susunan isolator piring membentuk kapasitansi.
19
Universitas Sumatera Utara
Seperti yang terlihat pada gambar karena timbulnya C2 dan C3 maka
tegangan pada setiap unit isolator yang seharusnya sama menjadi berbeda-beda
dimana dapat dilihat bahwa unit isolator rantai yang paling dekat dengan kawat
penghantar adalah unit yang menerima tegangan paling besar dibandingkan
dengan unit lain. Dan tegangan akan semakin kecil untuk unit yang semakin jauh
dari konduktor penghantar.Metode untuk menghitung distribusi tegangan pada
isolator rantai, yaitu dengan metode Hukum Kirchoff. Rangkaian ekuivalen
isolator rantai untuk menghitung distribusi tegangan diperlihatkan pada Gambar
2.17.
Gambar 2.17 Rangkaian distribusi tegangan menggunakan metode kirchoff.
20
Universitas Sumatera Utara
Hukum kirchoff pada titik (1) adalah sebagai berikut:
+
=
+
(2.13)
Jika tegangan pada suatu kapasitor C adalah V dan frekuensi tegangan itu
adalah f, maka arus pada suatu kapasitor adalah ic =2πfCV. Dengan demikian,
persamaan dapat dituliskan sebagai berikut:
(
+ 2
2
(
+
−
−
)=
)= 2
+ 2
+
(2.15)
Hukum kirchoff pada titik (2) adalah:
+
Atau,
(
+
=
−
+
)=
−
(2.16)
(
)+
+
Hukum Kirchoff pada titik (n-1) adalah sebagai berikut:
(
Atau,
(
)
)
+
+
(
=
)
−
(
=
(
−
+
(2.14)
)
+
−⋯−
+⋯+
(2.17)
(2.18)
(
(
)
)
+
(2.19)
Jika jumlah isolator piring adalah n, maka hukum Kirchoff akan
memberikan (n-1) persamaan. Di samping (n-1) persamaan itu masih ada satu
persamaan tegangan yang diperoleh, yaitu:
=
+
+
+⋯+
(2.20)
Sehingga ada n persamaan dengan n tegangan (V) yang tidak diketahui. Dengan
demikian, V1, V2, V3,..........,V(n-1) dan Vn dapat dihitung.
21
Universitas Sumatera Utara