Pengaruh Banyaknya Tembus dan Variasi Tekanan Gas Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas Nitrogen
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Sifat-sifat Dielektrik Listrik.
Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi dibutuhkan
pengetahuan yang pasti mengenai jenis, besaran, dan durasi tekanan
dielektrik yang akan dialami bahan isolasi tersebut, dan disamping itu perlu
mempertimbangkan kondisi sekitar di mana isolasi akan ditempatkan.
Selain itu perlu juga diperhatikan sifat-sifat dari berbagai bahan isolasi
sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk untuk suatu sistem
isolasi. Sifat-sifat bahan isolasi ditentukan pada keadaan kondisi standar.
Adapun fungsi utama dari bahan isolasi adalah :
a) Untuk mengisolasi antara penghantar dengan penghantar yang lain.
Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau
konduktor fasa dengan tanah.
b) Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang
diisolasi.
c) Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Tekanan yang diakibatkan medan elektrik, gaya mekanik, thermal
maupun kimia dapat terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama
dari semua parameter tersebut. Dengan kata lain, suatu bahan isolasi
dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut dalam jangka waktu yang lama
dapat menahan semua tekanan tersebut. Adapun sifat dielektrik yang
dibutuhkan untuk suatu bahan isolasi yaitu:
4
Universitas Sumatera Utara
a) Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem
isolasi menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin
sedikit, sehingga harganya semakin murah.
b) Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar suhu bahan isolasi tidak
melebihi batas yang ditentukan.
c) Memiliki kekuatan kerak tinggi, agar tidak terjadi erosi karena
tekanan elektrik permukaan.
d) Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga
membuat arus pemuatan tidak melebihi yang diijinkan.
Bahan isolasi juga merupakan bahan konstruksi peralatan. Oleh
karena itu ia juga memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus
memenuhi persyaratan mekanis yang dibutuhkan. Sifat mekanis yang
dibutuhkan tergantung dengan pemakainnya. Peralatan-peralatan listrik
akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi baik pada kerja normal
maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan isolasi harus memiliki
sifat thermal sebagai berikut:
a) Kemampuan menahan panas tinggi (daya tahan panas).
b) Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
c) Konduktivitas panas yang tinggi.
d) Koefisien muai panas yang rendah.
e) Tidak mudah terbakar.
f) Tahan terhadap busur api.
5
Universitas Sumatera Utara
Tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah untuk meneliti sifatsifat listrik dielektrik baik yang telah digunakan sebagai bahan isolasi
peralatan listrik maupun masih dalam penelitian. Ada sifat-sifat listrik
dielektrik yang perlu diketahui, yaitu:
a) Kekuatan dielektrik
b) Rugi-rugi dielektrik
c) Tahanan isolasi
d) Kekuatan kerak isolasi
2.2. Kekuatan Dielektrik
Suatu
dielektrik
tidak
mempunyai
elektron-elektron
bebas,
melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang
membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.1 ditunjukkan suatu bahan
dielektrik yang ditempatkan diantara dua elektroda piring sejajar. Bila
tegangan diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) didalam
dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar
terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain,
medan elektrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar
berubah sifat dari isolator menjadi konduktor. Hal ini disbut sebagai tembus
listrik (electrical breakdown). [1]
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1. Medan Listrik di Antara Dua Elektroda
Hubungan antara tegangan (V), kuat medan listrik (E) dan jarak kedua
elektroda (s) adalah:
� ����
�= �
�
��
�
(2.1)
Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga Kuat medan elektrik,
satuannya dinyatakan dalam Volt/cm. Kuat medan elektrik tertinggi yang
dapat dipikul suatu bahan isolasi tanpa mengakibatkan tembus listrik disebut
kekuatan dielektrik [4].
2.3. Kekuatan Dielektrik Gas.
Bahan dielektrik gas mempunyai susunan molekul/ atom yang relatif
jarang dibandingkan dengan dielektrik cair atau padat. Untuk terjadinya
tembus perlu ada elektron awal. Elektron awal dapat muncul dalam gas
melalui berbagai cara seperti akibat radiasi kosmik,eksitasi thermal atau
elektron dari permukaan katoda akibat berbagai proses radiasi atau emisi
medan.
Bila suatau elektron awal telah tersedia di dalam gas maka bila
medan listrik dalam gas cukup besar maka elektron akan bergerak
7
Universitas Sumatera Utara
dipercepat dan akan memperoleh energi kinetik yang besar pula. Energi
kinetik yang besar yang dimiliki elektron memungkinkan mengionisasi
molekul/atom gas bila bertumbukan. Dengan adanya ionisasi gas ini maka
muncul elektron kedua. Kedua elektron akan memulai proses serupa untuk
menghasilkan dua elektron baru dan seterusnya. Sehingga di dalam gas akan
terjadi multiplikasi elektron secara eksponensial. Peristiwa ini disebut
avalanche.bila kenaikan elektron berjalan terus maka suatu ketika kedua
elektroda akan dijembatani oleh avalanche dan terjadilah tembus.
Tembus gas dipengaruhi oleh tekanan gas. Makin tinggi tekanan gas
maka kerapatan juga semakin tinggi. Hal ini mengakibatkan jarak rata-rata
antar molekul atau atom semakin kecil dan sebagai akibatnya energi kinetik
elektron lebih kecil dan ionisasi molekul atau atom gas semakin sulit.
Dengan demikian secara umum makin tinggi tekanan gas makin tinggi pula
kekuatan dielektriknya. Pada Tabel 2.1 ditunjukkan berbagai macam jenis
bahan dielektrik gas.
Tabel 2.1. Bahan dielektrik gas.
Massa Jenis
Konduktivitas Panas
Tegangan Tembus
[kg/m3]
[cal/sec/moC]
[kV/cm]
Udara
1,228
5 x 10-6
30
SF6
6,139
1,9 x 10-5
75
Nitrogen
1,191
5,4 x 10-6
30
Karbon Dioksida
1,867
3,2 x 10-6
27
Hidrogen
0,086
3,3 x 10-5
18
Jenis Gas
8
Universitas Sumatera Utara
2.4. Tegangan Tembus.
Tegangan tembus (Breakdown Voltage) adalah tegangan pada
elektroda yang menyebabkan suatu bahan isolasi tembus listrik.yang mana
didefinisikan sebagai nilai tegangan yang menimbulkan kuat medan elektrik
pada suatu beban isolasi sama dengan atau lebih besar dari pada kekuatan
dielektrik bahan isolasi tersebut. Untuk tegangan impuls, tegangan tembus
dinyatakan dalam nilai tegangan yang memberi probabilitas tembus listrik
50% (V0,5) yang artinya adalah jika suatu bahan isolasi diberi n kali tegangan
impuls sebesar V50%, bahan isolasi tersebut diperkirakan akan mengalami
tembus listrik sebanyak 0,5n kali.
Ada dua syarat yang harus dipenuhi agar bahan isolasi mengalami
tembus listrik,yaitu:
1. Kuat medan elektrik yang dipikul bahan isolasi sama denganatau
lebih besar daripada kekuatan dielektrik bahan isolasi, dan
2. Lama berlangsungnya medan elektrik tersebut sama dengan atau
lebih besar dari pada waktu tunda tembus[1].
2.5. Kegagalan Isolasi Gas
Suatu peralatan listrik jika mengalami kegagalan pengisolasianmaka
akan mengakibatkan terjadinya tembus listrik. Berikut ini akan dijelaskan
secara singkat tentang peristiwa tersebut.
2.5.1. Proses ionisasi.
Ion merupakan atom atau gabungan atom yang memiliki
muatan listrik, ion terbentuk apabila pada peristiwa kimia suatu atom
unsur menangkap atau melepaskan elektron. Proses terbentuknya ion
9
Universitas Sumatera Utara
dinamai dengan ionisasi[5]. Proses ionisasi dapat dilihat pada
Gambar 2.2 sebagai berikut.
Gambar 2.2. Proses ionisasi
Pada Gambar ditunjukkan model dari suatu atom helium. Inti
atom ini terdiri dari dua proton bermuatan positif dan dua neutron
yang tidak bermuatan. Dua elektron bermuatan negatif berputar
mengelilingi inti atom dengan lintasan yang berbeda. Dalam keadaan
normal akan bersifat netral.
Oleh suatu proses, misalnya karena benturan suatu partikel
dari luar, maka elektron dapat keluar dari lintasannya dan terlepas
menjadi elektron bebas, sehingga partikel yang tersisa dalam atom
tinggal berupa dua proton, dua neutron dan satu elektron. Karena
muatan positif lebih banyak dari muatan negatif, maka total muatan
atom sekarang menjadi positif. Terlepasnya elektron dari ikatan atom
netral sehingga terjadi elektron bebas dan ion positif disebut ionisasi.
Ionisasi dalam gas dapat terjadi karena tiga hal, yaitu: karena adanya
radiasi sinar kosmis, adanya massa yang membentur gas (Ionisasi
benturan) dan karena kenaikan temperatur gas ( Ionisasi thermis).
10
Universitas Sumatera Utara
2.5.1.1.Radiasi Sinar Kosmis
Ruang di atas bumi secara terus-menerus dibombardir
dengan partikel-partikel-partikel submikroskopis yang berenergi
tinggi. Sebagian berasal dari matahari yang sering disebut dengan
sinar kosmis. Sebagian berasal dari pemisahan bahan radioaktif yang
setiap menit terjadi di dalam bumi, di langit dan didalam organisme
makhluk hidup. Partikel berenergi tinggi ini membentur elektron
molekul netral. Peristiwa ini membuat gas selalu mengandung
elektron-elektron bebas.
Gambar 2.3 Ionisasi karena radiasi sinar Kosmis
Dari Gambar 2.3 terlihat bahwa energi yang berasal dari
radiasi sinar kosmis yang menimbulkan partikel submikroskopis
yang berenergi tinggi yang disebut juga energi radiasi akan
membentur atom netral yang ada di bumi. Walaupun ada energi
ikat elektron pada atom tersebut atau disebut juga dengan energi
ikat elektron akan tetapi jika energi radiasi lebih besar dari energi
ikat elektron maka akan terjadi ionisasi yang disebut dengan
11
Universitas Sumatera Utara
ionisasi radiasi sinar kosmis. Dimana proses kimianya adalah
sebagai berikut:
A + Energi
A+ + e
Dimana
A
= Atom netral
A+
= ion Positif
e
= elektron bebas
2.5.1.2. Ionisasi karena benturan elektron.
Suatu gas berada diantara dua dua elektroda plat sejajar.
Kedua elektroda diberi tegangan searah, akibatnya timbul medan
listrik diantara kedua elektroda yang arahnya dari anoda ke katoda.
Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.4 sebagai berikut.
Gambar 2.4 Benturan ionisasi
12
Universitas Sumatera Utara
Didalam gas dimisalkan ada satu elektron bebas hasil radiasi
sinar kosmis (ea). Karena adanya medan listrik, elektron tersebut
akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda. Dalam
perjalanan menuju anoda, elektron itu membentur molekul-molekul
netral gas. Jika energi kinetis elektron pembentur lebih besar dari
energi ikat elektron gas, maka elektron gas akan keluar dari
lintasannya menjadi elektron bebas baru dan menyisakan ion positif.
Ion positif akan mengalami gaya dan bergerak menuju katoda
sedang elektron bebas baru akan bergerak menuju anoda. Elektron
baru ini akan mengadakan ionisasi benturan lagi, sehingga elektron
bebas dan ion positif didalam gas semakin banyak jumlahnya.
Pada proses pelepasan (discharge) pada udara dan gas dapat
dibagi menjadi 2 bagian yaitu pelepasan bertahan sendiri
(selfsustainingdischarge) dan pelepasan tak bertahan sendiri
(nonsustainingdischarge). Dalam hal ini mekanisme kegagalan gas
dan udara adalah suatu bentuk transisi dari keadaan pelepasan tak
bertahan menuju pelepasan bertahan sendiri[5].
2.5.1.3. Ionisasi thermis.
Jika temperatur gas dalam suatu bejana tertutup dinaikkan,
maka molekul-molekul gas akan bersirkulasi dengan kecepatan
tinggi sehingga terjadi benturan antar molekul dengan molekul. Jika
temperatur semakin tinggi, maka kecepatan molekul semakin tinggi,
sehingga benturan antar molekul semakin keras dan dapat membuat
13
Universitas Sumatera Utara
terlepasnya elektron dari molekul netral. Hal ini dapat dilihat pada
Gambar 2.5 sebagai berikut.
Gambar 2.5 Ionisasi thermis
2.5.2. Deionisasi
Jika suatu elektron bebas bergabung dengan suatu ion positif
akan dihasilkan suatu molekul netral. Peristiwa penggabungan ini
disebut dengan deionisasi. Deionisasi akan mengurangi partikel
bermuatan dalam suatu gas. Jika pada suatu gas terjadi aktivitas
deionisasi yang lebih besar dari aktivitas ionisasi, maka muatan-muatan
bebas didalam gas itu akan berkurang. Hal ini dapat dilihat pada Gambar
2.6 sebagai berikut.
Gambar 2.6 Proses deionisasi
14
Universitas Sumatera Utara
2.5.3. Emisi.
Emisi adalah peristiwa pelepasan elektron dari permukaan suatu
logam menjadi elektron bebas didalam gas. Ada dua proses emisi yang
berhubungan dengan pembentuk busur api pada pemutus daya, yaitu
emisi thermis dan emisi medan tinggi.
Gambar 2.7 Proses terjadinya emisi
2.6. Proses-proses dasar dalam kegagalan gas.
Mekanisme kegagalan dalam udara yang disebut percikan (spark
breakdown) adalah peralihan dari peluahan tak bertahan sendiri ke berbagai
jenis peluahan yang bertahan sendiri. Sifat mendasar dari kegagalan
percikan ini adalah tegangan pada (across) sela antara elektroda akan
menurun karena adanya proses yang menghasilkan konduktifitas tinggi
antara anoda dan katoda[5].
Ada dua jenis mekanisme dasar yang berperan yaitu:
1) Mekanisme primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran
(avalanche) elektron.
15
Universitas Sumatera Utara
2) Mekanisme sekunder, yang memungkinkan terjadinya
peningkatan banjiran (avalanche) elektron.
Pada mekanisme primer, proses yang terpenting adalah katoda.
Dalam hal ini katoda akan melepas (discharge) elektron, yang akan
mengawali terjadinya suatu kegagalan percikan (spark breakdown).
Sehingga untuk hal ini elektroda yang mempunyai potensial yang lebih
rendah, yaitu katoda akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron.
Adapun fungsi katoda selaku elektroda pelepas elekton adalah [5]:
1) Menyediakan elektron awal yang harus dilepaskan
2) Mempertahankan pelepasan ( discharge )
3) Menyelesaikan pelepasan ( discharge )
2.7. Mekanisme tembus listrik pada gas.
Mekanisme tembus listrik yang digunakan adalah metode tembus
listrik townsend. Metoda ini digunakan untuk di daerah yang mempunyai
tekanan rendah dan jarak sela antara kedua plat sejajar yang sempit. Oleh
karena itu, akan diuraikan mekanisme tembus listrik townsend yaitu sebagai
berikut.
Gambar 2.8. Elektron-elektron bebas di udara
16
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.8 dapat dijelaskan bahwa didalam Udara terdapat
elektron bebas yang disebabkan karena peristiwa ionisasi foton radiasi sinar
ultraviolet dan juga terdapat molekul-molekul netral. Apabila kedua elektroda
dihubungkan dengan sumber tegangan, maka timbul medan listrik (E) yang
arahnya dari anoda ke katoda. Akibat adanya medan listrik, maka ea (elektron
bebas) akan mengalami gaya (F) yang arahnya berlawanan dengan arah
medan listrik (E). Karena adanya gaya (F) maka ea bergerak dari katoda ke
anoda. Dalam perjalanan menuju anoda, elektron bebas membentur atom
netral. Jika Energi kinetis elektron awal lebih besar dari energi ikat elektron
molekul netral maka akan terjadi ionisasi. Ionisasi benturan menghasilkan
satu elektron bebas baru (eb ) dan satu ion positif. Jadi, ea dan eb terus
bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju anoda ea dan eb
membentur lagi atom netral sehingga terjadi lagi ionisasi sehingga jumlah
elektron bebas dan ion positif semakin banyak. Ion positif bergerak menuju
katoda dan terjadilah benturan ion positif dengan dinding katoda sehingga
timbullah emisi benturan ion positif. Dari permukaan katoda muncul
elektron-elektron baru hasil emisi ion positif membentur lagi atom netral
sehingga terjadi lagi ionisasi sehingga jumlah elektron elektron bebas dan ion
positif semakin banyak. Selama medan listrik masih ada maka proses ionisasi
benturan dan emisi ion positif akan terus berlangsung sehingga terjadilah
banjiran elektron dan ion positif. Ion positif yang membentur katoda semakin
banyak sehingga elektron hasil emisi ion positif semakin banyak yang
menyebabkan banjiran muatan. Muatan yang berpindah dari katoda ke anoda
semakin besar yang dimana perpindahan muatan sebanding dengan arus dan
17
Universitas Sumatera Utara
dalam selang waktu tertentu perpindahan muatan akan terus bertambah yang
menyebabkan banjir muatan dan arus pun semakin besar yang kemudian
terjadilah tembus listrik. Dan dapat kita lihat pada Gambar 2.9 sebagai
berikut.
Gambar 2.9 Banjiran elektron menyebabkan tembus listrik.
2.8. Gas Nitrogen
Nitrogen ditemukan oleh dokter Skotlandia Daniel Rutherford pada
tahun 1772. Nitrogen adalah unsur kelima yang paling melimpah di alam
semesta dan terdapat sekitar 78% dari atmosfer bumi, yang berisi sekitar
4.000 triliun ton gas. Nitrogen diperoleh dari udara cair melalui proses yang
dikenal sebagai distilasi fraksional[3].
2.8.1. Struktur dan sifat gas Nitrogen.
Nitrogen merupakan unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki
lambang N dan nomor atom 7. Biasanya ditemukan sebagai gas tanpa warna,
tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas diatomik bukan logam yang stabil,
sangat sulit bereaksi dengan unsur atau senyawa lainnya[4].
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10. Bentuk Molekul Nitrogen[4].
Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas, tidak aktif
bereaksi dengan unsur lainnya. Nirogen merupakan senyawa penting
seperti asam amino, amoniak, asam nitrat, dan sianida. Nitrogen
mengembun pada suhu 77 oK (-196oC) pada tekanan 1 atmosfir dan
membeku pada suhu 63 oK (-210oC). Adapun sifat-sifat dari Nitrogen
yaitu:
1. Mempunyai massa atom 14,0067 sma
2. Mempunyai nomor atom 7
3. Titik didih -196 oC dan Titik beku -210 oC
4. Mempunyai volume atom 17,30 cm3 /mol
5. Mempunyai struktur heksagonal
6. Mempunyai massa jenis 1,2151 gram/cm3
7. Mempunyai kapasitas panas 1,042 J/goK
8. Mempunyai potensial ionisasi 14,534 Volt
9. Mempunyai nilai elektronegativitas 3,04
10. Mempunyai konduktivitas kalor 0,02598 W/mK
11. Tegangan tembus 30 kV/cm
12. Mempunyai harga entalpi pembentukan 0,36 kJ/mol
13. Mempunyai harga entalpi penguapaan 2,7928kJ/mol
19
Universitas Sumatera Utara
14. Berupa gas tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau, tidak
beracun,
Mudah
menguap,
Tidak
reaktif
dan
Bersifat
diamagnetik.
Kekuatan dielektrik dari gas nitrogen dipengaruhi oleh tekanan
dimana semakin besar tekanan suatu gas maka semakin besar pula
kekuatan dielektriknya. Untuk mendapatkan nilai kekuatan dielektrik
gas Nitrogen dari nilai tegangan tembusnya, maka dipergunakan
Persamaan 2.2 berikut.
���� =
Dimana
��
(2.2)
�η
Emax = Kuat Medan Listrik Tertinggi Di Antara Elektroda Bola-Bola
Vt = Tegangan Tembus Media Isolasi Di Antara Elektroda Bola-Bola
d
= Jarak Sela Elektroda Bola-Bola
η
= Faktor Efisiensi
Faktor efisiensi merupakan fungsi dari karakteristik-karakteristik
geometri
elektroda
bola-bola.
Karakteristik-karakteristik
geometri
elektroda bola-bola tersebut adalah :
�=
�=
�+�
(2.3)
�
(2.4)
�
�
Untuk elektroda bola-bola yang identik, maka nilai q sama
dengan satu. Sehingga faktor efisiensi adalah :
η = f(p, q)
(2.5)
20
Universitas Sumatera Utara
Gas Nitrogen tepat akan tembus listrik pada saat kuat medan
listrik maksimum yang menerpanya sama dengan kekuatan dielektriknya.
Sehingga dapat dinyatakan dalam persamaan :
KDgas nitrogen = Emax
(2.6)
Dalam hal ini :
KD = Kekuatan Dielektrik
Berikut ini disajikan nilai faktor efisiensi η untuk berbagai nilai
karakteristik geometri elektroda bola-bola yang identik yang dapat
dilihat pada Tabel 2.2 sebagai berikut.
Tabel 2.2. Nilai faktor efisiensi Ƞ
p
q=1
1
1
1,5
0,924
2
0,861
3
0,760
4
0,684
5
0,623
6
0,574
8
0,497
10
0,442
15
0,349
21
Universitas Sumatera Utara
20
0,291
50
0,1574
100
0,094
300
0,038
500
0,025
800
0,0168
1000
0,0138
2.8.2. Proses produksi Nitrogen.
Dalam memproduksi nitrogen,diperlukan dua alat yaitu Generator
Nitrogen
dan
kompresor
bertekanan
tinggi.
Dalam
proses
produksi,kompresor berfungsi sebagai penyuplai ke mesin generator
nitrogen. Kompresor bertekanan tinggi akan mendorong udara dimana
terdiri dari 79% nitrogen,20% oksigen dan gas lain serta 1% uap air.
Didalam mesin,dengan sistem PSA (Pressure Swing Absorber),angin yang
masuk akan disaring menggunakan CMS (Carbon Molecular Sieve). Fungsi
dari CMS adalah untuk memisahkan gas nitrogen dengan gas oksigen dan
yanga lainya. Sistem PSA pada mesin menjamin kemurnian nitrogen
mencapai 95-99,5%. Indikator kemurnian dapat dilihat langsung pada mesin
generator Nitrogen. Proses produksi dapat dilihat pada Gambar 2.11 sebagai
berikut.
22
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Proses produksi Nitrogen[6].
2.8.3. Pengaplikasian Gas Nitrogen pada Peralatan Listrik.
Beberapa pengaplikasian gas Nitrogen pada peralatan listrik yaitu:
1. High Voltage Gas Pressure Cable
Kabel tegangan tinggi ini menggunakan gas nitrogen sebagai
penguat isolator. Pada Gambar 2.12 dapat kita lihat,bahwa nitrogen
akan diisi pada bagian pipa besi diluar kabel dengan tiga inti. Didalam
pipa besi,diisi gas nitrogen dengan tekanan 200 p.s.i. Kabel ini
biasanya dipasang dibawah tanah. Kabel ini digunakan pada jaringan
tegangan tinggi eropa [7].
Dengan tekanan gas yang bekerja inti kabel berbentuk oval,
pembentukan void dicegah, memberikan kekuatan listrik yang
dibutuhkan kabel [8].
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12. High Voltage Gas Pressure Cable [7].
2. Penggunaan nitrogen sebagai fire protection Transformator.
Kegagalan fungsi dari sistem isolasi trafo dapat menyebabkan
gangguan pada trafo itu sendiri. Kegagalan isolasi tersebut dapat
berdampak pada terbakarnya trafo dikarenakan besarnya energi
gangguan yang menyebabkan suhu tinggi yang melewati titik bakar
sistem
isolasi
(minyak
dan
kertas).
Untuk
meminimalisir/mengeliminasi dampak gangguan yang berpotensi
membakar trafo, dilengkapilah trafo tersebut dengan fire protection.
Prinsip dasar sebuah sistem fire protection adalah dengan
menguras dan memutar minyak trafo dengan menggunakan aliran gas
nitrogen (N2) yang bersifat tidak terbakar.
Pada saat terjadi kegagalan fungsi isolator pada isolator,gas
nitrogen diinjeksikan pada main tank trafo. Gas ini akan melingkupi
bagian atas permukaan minyak trafo dan dengan cepat menurunkan
temperatur minyak sampai mencapai di bawah temperatur titik
nyalanya sehingga dengan sendirinya api akan padam. Nitrogen
24
Universitas Sumatera Utara
diinjeksikan terus menerus selama 45 menit sehingga trafo akan
dingin dan tercegah dari kemungkinan menyalanya api kembali [9].
Proses ini dapat dilihat pada Gambar 2.13 sebagai berikut.
Gambar 2.13. Gas Nitrogen pada Main Tank Trafo [9].
3. Penggunaan
nitrogen
sebagai
bantal
gas
minyak
tertutup
(Hermatically Oil with nitrogen gas cushion)
Gas Nitrogen pada
trafo type tertutup (hermatically)
mempunyai fungsi sama dengan konservator. Udara sifatnya
kompresible sedangkan juga nitrogen sifatnya kompresible. Sifat
kompresible nitrogen ini sama dengan fungsi udara dan breather
pada konservator.
Pada trafo konservator,breather berfungsi sebagai lubang
pernafasan dari transformator sehingga tidak ada tekanan pada
transformator karena tekanan (akibat pengembangan volume
minyak) akan dibuang lewat breather dan jika temperatur minyak
turun maka udara luar masuk kedalam konservator trafo melalui
25
Universitas Sumatera Utara
breather dan disaring oleh silica gell pada breather. Silica gell saat
baru berwarna ungu,jika sudah jenuh berisi air akan berubah warna
menjadi merah muda dan rusak akan berwarna coklat atau hitam.
Pada trafo tipe tertutup ini, gas nitrogen yang kompresible
menggantikan prinsip konservator. Tangki tidak diisi oli penuh,
sebagian diisi gas nitrogen. Sewaktu ada tekanan, oli akan ekspansi
ke atas dan menekan nitrogen, nitrogen akan mampat dan memberi
ruang pada oli untuk ekspansi. Pada Gambar 2.14 ditunjukkan jenis
trafo bertipe hermetically sealed.
Gambar 2.14. Trafo tipe Hermetically sealed [11].
Jika terjadi over pressure, akan diamankan oleh pengaman
pressure seperti seperti vacuum bleeder. Fungsi vacuum bleeder
adalah menyeimbangkan tekanan yang ada di tangki. Maka jika
26
Universitas Sumatera Utara
tekanan di dalam tangki melebihi setting bleeder
karena
pengembangan volume minyak, maka tekanan bleader akan
membuang tekanan tersebut. Pada saat temperatur udara dingin maka
volume minyak akan menyusut sehingga terjadi tekanan minus
dibawah setting (vacuum pada tangki trafo)
untuk mencegah
kerusakan tangki maka melalui bleeder udara luar akan masuk ke
dalam tangki. Sebagaimana diketahui, udara dari luar ada
kemungkinan kandungan H2O yang bisa merusak minyak trafo [10]
[11].
27
Universitas Sumatera Utara
LANDASAN TEORI
2.1. Sifat-sifat Dielektrik Listrik.
Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi dibutuhkan
pengetahuan yang pasti mengenai jenis, besaran, dan durasi tekanan
dielektrik yang akan dialami bahan isolasi tersebut, dan disamping itu perlu
mempertimbangkan kondisi sekitar di mana isolasi akan ditempatkan.
Selain itu perlu juga diperhatikan sifat-sifat dari berbagai bahan isolasi
sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk untuk suatu sistem
isolasi. Sifat-sifat bahan isolasi ditentukan pada keadaan kondisi standar.
Adapun fungsi utama dari bahan isolasi adalah :
a) Untuk mengisolasi antara penghantar dengan penghantar yang lain.
Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau
konduktor fasa dengan tanah.
b) Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang
diisolasi.
c) Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Tekanan yang diakibatkan medan elektrik, gaya mekanik, thermal
maupun kimia dapat terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama
dari semua parameter tersebut. Dengan kata lain, suatu bahan isolasi
dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut dalam jangka waktu yang lama
dapat menahan semua tekanan tersebut. Adapun sifat dielektrik yang
dibutuhkan untuk suatu bahan isolasi yaitu:
4
Universitas Sumatera Utara
a) Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem
isolasi menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin
sedikit, sehingga harganya semakin murah.
b) Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar suhu bahan isolasi tidak
melebihi batas yang ditentukan.
c) Memiliki kekuatan kerak tinggi, agar tidak terjadi erosi karena
tekanan elektrik permukaan.
d) Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga
membuat arus pemuatan tidak melebihi yang diijinkan.
Bahan isolasi juga merupakan bahan konstruksi peralatan. Oleh
karena itu ia juga memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus
memenuhi persyaratan mekanis yang dibutuhkan. Sifat mekanis yang
dibutuhkan tergantung dengan pemakainnya. Peralatan-peralatan listrik
akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi baik pada kerja normal
maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan isolasi harus memiliki
sifat thermal sebagai berikut:
a) Kemampuan menahan panas tinggi (daya tahan panas).
b) Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
c) Konduktivitas panas yang tinggi.
d) Koefisien muai panas yang rendah.
e) Tidak mudah terbakar.
f) Tahan terhadap busur api.
5
Universitas Sumatera Utara
Tujuan dari pengujian tegangan tinggi adalah untuk meneliti sifatsifat listrik dielektrik baik yang telah digunakan sebagai bahan isolasi
peralatan listrik maupun masih dalam penelitian. Ada sifat-sifat listrik
dielektrik yang perlu diketahui, yaitu:
a) Kekuatan dielektrik
b) Rugi-rugi dielektrik
c) Tahanan isolasi
d) Kekuatan kerak isolasi
2.2. Kekuatan Dielektrik
Suatu
dielektrik
tidak
mempunyai
elektron-elektron
bebas,
melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang
membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.1 ditunjukkan suatu bahan
dielektrik yang ditempatkan diantara dua elektroda piring sejajar. Bila
tegangan diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) didalam
dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar
terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain,
medan elektrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar
berubah sifat dari isolator menjadi konduktor. Hal ini disbut sebagai tembus
listrik (electrical breakdown). [1]
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1. Medan Listrik di Antara Dua Elektroda
Hubungan antara tegangan (V), kuat medan listrik (E) dan jarak kedua
elektroda (s) adalah:
� ����
�= �
�
��
�
(2.1)
Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga Kuat medan elektrik,
satuannya dinyatakan dalam Volt/cm. Kuat medan elektrik tertinggi yang
dapat dipikul suatu bahan isolasi tanpa mengakibatkan tembus listrik disebut
kekuatan dielektrik [4].
2.3. Kekuatan Dielektrik Gas.
Bahan dielektrik gas mempunyai susunan molekul/ atom yang relatif
jarang dibandingkan dengan dielektrik cair atau padat. Untuk terjadinya
tembus perlu ada elektron awal. Elektron awal dapat muncul dalam gas
melalui berbagai cara seperti akibat radiasi kosmik,eksitasi thermal atau
elektron dari permukaan katoda akibat berbagai proses radiasi atau emisi
medan.
Bila suatau elektron awal telah tersedia di dalam gas maka bila
medan listrik dalam gas cukup besar maka elektron akan bergerak
7
Universitas Sumatera Utara
dipercepat dan akan memperoleh energi kinetik yang besar pula. Energi
kinetik yang besar yang dimiliki elektron memungkinkan mengionisasi
molekul/atom gas bila bertumbukan. Dengan adanya ionisasi gas ini maka
muncul elektron kedua. Kedua elektron akan memulai proses serupa untuk
menghasilkan dua elektron baru dan seterusnya. Sehingga di dalam gas akan
terjadi multiplikasi elektron secara eksponensial. Peristiwa ini disebut
avalanche.bila kenaikan elektron berjalan terus maka suatu ketika kedua
elektroda akan dijembatani oleh avalanche dan terjadilah tembus.
Tembus gas dipengaruhi oleh tekanan gas. Makin tinggi tekanan gas
maka kerapatan juga semakin tinggi. Hal ini mengakibatkan jarak rata-rata
antar molekul atau atom semakin kecil dan sebagai akibatnya energi kinetik
elektron lebih kecil dan ionisasi molekul atau atom gas semakin sulit.
Dengan demikian secara umum makin tinggi tekanan gas makin tinggi pula
kekuatan dielektriknya. Pada Tabel 2.1 ditunjukkan berbagai macam jenis
bahan dielektrik gas.
Tabel 2.1. Bahan dielektrik gas.
Massa Jenis
Konduktivitas Panas
Tegangan Tembus
[kg/m3]
[cal/sec/moC]
[kV/cm]
Udara
1,228
5 x 10-6
30
SF6
6,139
1,9 x 10-5
75
Nitrogen
1,191
5,4 x 10-6
30
Karbon Dioksida
1,867
3,2 x 10-6
27
Hidrogen
0,086
3,3 x 10-5
18
Jenis Gas
8
Universitas Sumatera Utara
2.4. Tegangan Tembus.
Tegangan tembus (Breakdown Voltage) adalah tegangan pada
elektroda yang menyebabkan suatu bahan isolasi tembus listrik.yang mana
didefinisikan sebagai nilai tegangan yang menimbulkan kuat medan elektrik
pada suatu beban isolasi sama dengan atau lebih besar dari pada kekuatan
dielektrik bahan isolasi tersebut. Untuk tegangan impuls, tegangan tembus
dinyatakan dalam nilai tegangan yang memberi probabilitas tembus listrik
50% (V0,5) yang artinya adalah jika suatu bahan isolasi diberi n kali tegangan
impuls sebesar V50%, bahan isolasi tersebut diperkirakan akan mengalami
tembus listrik sebanyak 0,5n kali.
Ada dua syarat yang harus dipenuhi agar bahan isolasi mengalami
tembus listrik,yaitu:
1. Kuat medan elektrik yang dipikul bahan isolasi sama denganatau
lebih besar daripada kekuatan dielektrik bahan isolasi, dan
2. Lama berlangsungnya medan elektrik tersebut sama dengan atau
lebih besar dari pada waktu tunda tembus[1].
2.5. Kegagalan Isolasi Gas
Suatu peralatan listrik jika mengalami kegagalan pengisolasianmaka
akan mengakibatkan terjadinya tembus listrik. Berikut ini akan dijelaskan
secara singkat tentang peristiwa tersebut.
2.5.1. Proses ionisasi.
Ion merupakan atom atau gabungan atom yang memiliki
muatan listrik, ion terbentuk apabila pada peristiwa kimia suatu atom
unsur menangkap atau melepaskan elektron. Proses terbentuknya ion
9
Universitas Sumatera Utara
dinamai dengan ionisasi[5]. Proses ionisasi dapat dilihat pada
Gambar 2.2 sebagai berikut.
Gambar 2.2. Proses ionisasi
Pada Gambar ditunjukkan model dari suatu atom helium. Inti
atom ini terdiri dari dua proton bermuatan positif dan dua neutron
yang tidak bermuatan. Dua elektron bermuatan negatif berputar
mengelilingi inti atom dengan lintasan yang berbeda. Dalam keadaan
normal akan bersifat netral.
Oleh suatu proses, misalnya karena benturan suatu partikel
dari luar, maka elektron dapat keluar dari lintasannya dan terlepas
menjadi elektron bebas, sehingga partikel yang tersisa dalam atom
tinggal berupa dua proton, dua neutron dan satu elektron. Karena
muatan positif lebih banyak dari muatan negatif, maka total muatan
atom sekarang menjadi positif. Terlepasnya elektron dari ikatan atom
netral sehingga terjadi elektron bebas dan ion positif disebut ionisasi.
Ionisasi dalam gas dapat terjadi karena tiga hal, yaitu: karena adanya
radiasi sinar kosmis, adanya massa yang membentur gas (Ionisasi
benturan) dan karena kenaikan temperatur gas ( Ionisasi thermis).
10
Universitas Sumatera Utara
2.5.1.1.Radiasi Sinar Kosmis
Ruang di atas bumi secara terus-menerus dibombardir
dengan partikel-partikel-partikel submikroskopis yang berenergi
tinggi. Sebagian berasal dari matahari yang sering disebut dengan
sinar kosmis. Sebagian berasal dari pemisahan bahan radioaktif yang
setiap menit terjadi di dalam bumi, di langit dan didalam organisme
makhluk hidup. Partikel berenergi tinggi ini membentur elektron
molekul netral. Peristiwa ini membuat gas selalu mengandung
elektron-elektron bebas.
Gambar 2.3 Ionisasi karena radiasi sinar Kosmis
Dari Gambar 2.3 terlihat bahwa energi yang berasal dari
radiasi sinar kosmis yang menimbulkan partikel submikroskopis
yang berenergi tinggi yang disebut juga energi radiasi akan
membentur atom netral yang ada di bumi. Walaupun ada energi
ikat elektron pada atom tersebut atau disebut juga dengan energi
ikat elektron akan tetapi jika energi radiasi lebih besar dari energi
ikat elektron maka akan terjadi ionisasi yang disebut dengan
11
Universitas Sumatera Utara
ionisasi radiasi sinar kosmis. Dimana proses kimianya adalah
sebagai berikut:
A + Energi
A+ + e
Dimana
A
= Atom netral
A+
= ion Positif
e
= elektron bebas
2.5.1.2. Ionisasi karena benturan elektron.
Suatu gas berada diantara dua dua elektroda plat sejajar.
Kedua elektroda diberi tegangan searah, akibatnya timbul medan
listrik diantara kedua elektroda yang arahnya dari anoda ke katoda.
Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.4 sebagai berikut.
Gambar 2.4 Benturan ionisasi
12
Universitas Sumatera Utara
Didalam gas dimisalkan ada satu elektron bebas hasil radiasi
sinar kosmis (ea). Karena adanya medan listrik, elektron tersebut
akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda. Dalam
perjalanan menuju anoda, elektron itu membentur molekul-molekul
netral gas. Jika energi kinetis elektron pembentur lebih besar dari
energi ikat elektron gas, maka elektron gas akan keluar dari
lintasannya menjadi elektron bebas baru dan menyisakan ion positif.
Ion positif akan mengalami gaya dan bergerak menuju katoda
sedang elektron bebas baru akan bergerak menuju anoda. Elektron
baru ini akan mengadakan ionisasi benturan lagi, sehingga elektron
bebas dan ion positif didalam gas semakin banyak jumlahnya.
Pada proses pelepasan (discharge) pada udara dan gas dapat
dibagi menjadi 2 bagian yaitu pelepasan bertahan sendiri
(selfsustainingdischarge) dan pelepasan tak bertahan sendiri
(nonsustainingdischarge). Dalam hal ini mekanisme kegagalan gas
dan udara adalah suatu bentuk transisi dari keadaan pelepasan tak
bertahan menuju pelepasan bertahan sendiri[5].
2.5.1.3. Ionisasi thermis.
Jika temperatur gas dalam suatu bejana tertutup dinaikkan,
maka molekul-molekul gas akan bersirkulasi dengan kecepatan
tinggi sehingga terjadi benturan antar molekul dengan molekul. Jika
temperatur semakin tinggi, maka kecepatan molekul semakin tinggi,
sehingga benturan antar molekul semakin keras dan dapat membuat
13
Universitas Sumatera Utara
terlepasnya elektron dari molekul netral. Hal ini dapat dilihat pada
Gambar 2.5 sebagai berikut.
Gambar 2.5 Ionisasi thermis
2.5.2. Deionisasi
Jika suatu elektron bebas bergabung dengan suatu ion positif
akan dihasilkan suatu molekul netral. Peristiwa penggabungan ini
disebut dengan deionisasi. Deionisasi akan mengurangi partikel
bermuatan dalam suatu gas. Jika pada suatu gas terjadi aktivitas
deionisasi yang lebih besar dari aktivitas ionisasi, maka muatan-muatan
bebas didalam gas itu akan berkurang. Hal ini dapat dilihat pada Gambar
2.6 sebagai berikut.
Gambar 2.6 Proses deionisasi
14
Universitas Sumatera Utara
2.5.3. Emisi.
Emisi adalah peristiwa pelepasan elektron dari permukaan suatu
logam menjadi elektron bebas didalam gas. Ada dua proses emisi yang
berhubungan dengan pembentuk busur api pada pemutus daya, yaitu
emisi thermis dan emisi medan tinggi.
Gambar 2.7 Proses terjadinya emisi
2.6. Proses-proses dasar dalam kegagalan gas.
Mekanisme kegagalan dalam udara yang disebut percikan (spark
breakdown) adalah peralihan dari peluahan tak bertahan sendiri ke berbagai
jenis peluahan yang bertahan sendiri. Sifat mendasar dari kegagalan
percikan ini adalah tegangan pada (across) sela antara elektroda akan
menurun karena adanya proses yang menghasilkan konduktifitas tinggi
antara anoda dan katoda[5].
Ada dua jenis mekanisme dasar yang berperan yaitu:
1) Mekanisme primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran
(avalanche) elektron.
15
Universitas Sumatera Utara
2) Mekanisme sekunder, yang memungkinkan terjadinya
peningkatan banjiran (avalanche) elektron.
Pada mekanisme primer, proses yang terpenting adalah katoda.
Dalam hal ini katoda akan melepas (discharge) elektron, yang akan
mengawali terjadinya suatu kegagalan percikan (spark breakdown).
Sehingga untuk hal ini elektroda yang mempunyai potensial yang lebih
rendah, yaitu katoda akan menjadi elektroda yang melepaskan elektron.
Adapun fungsi katoda selaku elektroda pelepas elekton adalah [5]:
1) Menyediakan elektron awal yang harus dilepaskan
2) Mempertahankan pelepasan ( discharge )
3) Menyelesaikan pelepasan ( discharge )
2.7. Mekanisme tembus listrik pada gas.
Mekanisme tembus listrik yang digunakan adalah metode tembus
listrik townsend. Metoda ini digunakan untuk di daerah yang mempunyai
tekanan rendah dan jarak sela antara kedua plat sejajar yang sempit. Oleh
karena itu, akan diuraikan mekanisme tembus listrik townsend yaitu sebagai
berikut.
Gambar 2.8. Elektron-elektron bebas di udara
16
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.8 dapat dijelaskan bahwa didalam Udara terdapat
elektron bebas yang disebabkan karena peristiwa ionisasi foton radiasi sinar
ultraviolet dan juga terdapat molekul-molekul netral. Apabila kedua elektroda
dihubungkan dengan sumber tegangan, maka timbul medan listrik (E) yang
arahnya dari anoda ke katoda. Akibat adanya medan listrik, maka ea (elektron
bebas) akan mengalami gaya (F) yang arahnya berlawanan dengan arah
medan listrik (E). Karena adanya gaya (F) maka ea bergerak dari katoda ke
anoda. Dalam perjalanan menuju anoda, elektron bebas membentur atom
netral. Jika Energi kinetis elektron awal lebih besar dari energi ikat elektron
molekul netral maka akan terjadi ionisasi. Ionisasi benturan menghasilkan
satu elektron bebas baru (eb ) dan satu ion positif. Jadi, ea dan eb terus
bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju anoda ea dan eb
membentur lagi atom netral sehingga terjadi lagi ionisasi sehingga jumlah
elektron bebas dan ion positif semakin banyak. Ion positif bergerak menuju
katoda dan terjadilah benturan ion positif dengan dinding katoda sehingga
timbullah emisi benturan ion positif. Dari permukaan katoda muncul
elektron-elektron baru hasil emisi ion positif membentur lagi atom netral
sehingga terjadi lagi ionisasi sehingga jumlah elektron elektron bebas dan ion
positif semakin banyak. Selama medan listrik masih ada maka proses ionisasi
benturan dan emisi ion positif akan terus berlangsung sehingga terjadilah
banjiran elektron dan ion positif. Ion positif yang membentur katoda semakin
banyak sehingga elektron hasil emisi ion positif semakin banyak yang
menyebabkan banjiran muatan. Muatan yang berpindah dari katoda ke anoda
semakin besar yang dimana perpindahan muatan sebanding dengan arus dan
17
Universitas Sumatera Utara
dalam selang waktu tertentu perpindahan muatan akan terus bertambah yang
menyebabkan banjir muatan dan arus pun semakin besar yang kemudian
terjadilah tembus listrik. Dan dapat kita lihat pada Gambar 2.9 sebagai
berikut.
Gambar 2.9 Banjiran elektron menyebabkan tembus listrik.
2.8. Gas Nitrogen
Nitrogen ditemukan oleh dokter Skotlandia Daniel Rutherford pada
tahun 1772. Nitrogen adalah unsur kelima yang paling melimpah di alam
semesta dan terdapat sekitar 78% dari atmosfer bumi, yang berisi sekitar
4.000 triliun ton gas. Nitrogen diperoleh dari udara cair melalui proses yang
dikenal sebagai distilasi fraksional[3].
2.8.1. Struktur dan sifat gas Nitrogen.
Nitrogen merupakan unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki
lambang N dan nomor atom 7. Biasanya ditemukan sebagai gas tanpa warna,
tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas diatomik bukan logam yang stabil,
sangat sulit bereaksi dengan unsur atau senyawa lainnya[4].
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10. Bentuk Molekul Nitrogen[4].
Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas, tidak aktif
bereaksi dengan unsur lainnya. Nirogen merupakan senyawa penting
seperti asam amino, amoniak, asam nitrat, dan sianida. Nitrogen
mengembun pada suhu 77 oK (-196oC) pada tekanan 1 atmosfir dan
membeku pada suhu 63 oK (-210oC). Adapun sifat-sifat dari Nitrogen
yaitu:
1. Mempunyai massa atom 14,0067 sma
2. Mempunyai nomor atom 7
3. Titik didih -196 oC dan Titik beku -210 oC
4. Mempunyai volume atom 17,30 cm3 /mol
5. Mempunyai struktur heksagonal
6. Mempunyai massa jenis 1,2151 gram/cm3
7. Mempunyai kapasitas panas 1,042 J/goK
8. Mempunyai potensial ionisasi 14,534 Volt
9. Mempunyai nilai elektronegativitas 3,04
10. Mempunyai konduktivitas kalor 0,02598 W/mK
11. Tegangan tembus 30 kV/cm
12. Mempunyai harga entalpi pembentukan 0,36 kJ/mol
13. Mempunyai harga entalpi penguapaan 2,7928kJ/mol
19
Universitas Sumatera Utara
14. Berupa gas tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau, tidak
beracun,
Mudah
menguap,
Tidak
reaktif
dan
Bersifat
diamagnetik.
Kekuatan dielektrik dari gas nitrogen dipengaruhi oleh tekanan
dimana semakin besar tekanan suatu gas maka semakin besar pula
kekuatan dielektriknya. Untuk mendapatkan nilai kekuatan dielektrik
gas Nitrogen dari nilai tegangan tembusnya, maka dipergunakan
Persamaan 2.2 berikut.
���� =
Dimana
��
(2.2)
�η
Emax = Kuat Medan Listrik Tertinggi Di Antara Elektroda Bola-Bola
Vt = Tegangan Tembus Media Isolasi Di Antara Elektroda Bola-Bola
d
= Jarak Sela Elektroda Bola-Bola
η
= Faktor Efisiensi
Faktor efisiensi merupakan fungsi dari karakteristik-karakteristik
geometri
elektroda
bola-bola.
Karakteristik-karakteristik
geometri
elektroda bola-bola tersebut adalah :
�=
�=
�+�
(2.3)
�
(2.4)
�
�
Untuk elektroda bola-bola yang identik, maka nilai q sama
dengan satu. Sehingga faktor efisiensi adalah :
η = f(p, q)
(2.5)
20
Universitas Sumatera Utara
Gas Nitrogen tepat akan tembus listrik pada saat kuat medan
listrik maksimum yang menerpanya sama dengan kekuatan dielektriknya.
Sehingga dapat dinyatakan dalam persamaan :
KDgas nitrogen = Emax
(2.6)
Dalam hal ini :
KD = Kekuatan Dielektrik
Berikut ini disajikan nilai faktor efisiensi η untuk berbagai nilai
karakteristik geometri elektroda bola-bola yang identik yang dapat
dilihat pada Tabel 2.2 sebagai berikut.
Tabel 2.2. Nilai faktor efisiensi Ƞ
p
q=1
1
1
1,5
0,924
2
0,861
3
0,760
4
0,684
5
0,623
6
0,574
8
0,497
10
0,442
15
0,349
21
Universitas Sumatera Utara
20
0,291
50
0,1574
100
0,094
300
0,038
500
0,025
800
0,0168
1000
0,0138
2.8.2. Proses produksi Nitrogen.
Dalam memproduksi nitrogen,diperlukan dua alat yaitu Generator
Nitrogen
dan
kompresor
bertekanan
tinggi.
Dalam
proses
produksi,kompresor berfungsi sebagai penyuplai ke mesin generator
nitrogen. Kompresor bertekanan tinggi akan mendorong udara dimana
terdiri dari 79% nitrogen,20% oksigen dan gas lain serta 1% uap air.
Didalam mesin,dengan sistem PSA (Pressure Swing Absorber),angin yang
masuk akan disaring menggunakan CMS (Carbon Molecular Sieve). Fungsi
dari CMS adalah untuk memisahkan gas nitrogen dengan gas oksigen dan
yanga lainya. Sistem PSA pada mesin menjamin kemurnian nitrogen
mencapai 95-99,5%. Indikator kemurnian dapat dilihat langsung pada mesin
generator Nitrogen. Proses produksi dapat dilihat pada Gambar 2.11 sebagai
berikut.
22
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Proses produksi Nitrogen[6].
2.8.3. Pengaplikasian Gas Nitrogen pada Peralatan Listrik.
Beberapa pengaplikasian gas Nitrogen pada peralatan listrik yaitu:
1. High Voltage Gas Pressure Cable
Kabel tegangan tinggi ini menggunakan gas nitrogen sebagai
penguat isolator. Pada Gambar 2.12 dapat kita lihat,bahwa nitrogen
akan diisi pada bagian pipa besi diluar kabel dengan tiga inti. Didalam
pipa besi,diisi gas nitrogen dengan tekanan 200 p.s.i. Kabel ini
biasanya dipasang dibawah tanah. Kabel ini digunakan pada jaringan
tegangan tinggi eropa [7].
Dengan tekanan gas yang bekerja inti kabel berbentuk oval,
pembentukan void dicegah, memberikan kekuatan listrik yang
dibutuhkan kabel [8].
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12. High Voltage Gas Pressure Cable [7].
2. Penggunaan nitrogen sebagai fire protection Transformator.
Kegagalan fungsi dari sistem isolasi trafo dapat menyebabkan
gangguan pada trafo itu sendiri. Kegagalan isolasi tersebut dapat
berdampak pada terbakarnya trafo dikarenakan besarnya energi
gangguan yang menyebabkan suhu tinggi yang melewati titik bakar
sistem
isolasi
(minyak
dan
kertas).
Untuk
meminimalisir/mengeliminasi dampak gangguan yang berpotensi
membakar trafo, dilengkapilah trafo tersebut dengan fire protection.
Prinsip dasar sebuah sistem fire protection adalah dengan
menguras dan memutar minyak trafo dengan menggunakan aliran gas
nitrogen (N2) yang bersifat tidak terbakar.
Pada saat terjadi kegagalan fungsi isolator pada isolator,gas
nitrogen diinjeksikan pada main tank trafo. Gas ini akan melingkupi
bagian atas permukaan minyak trafo dan dengan cepat menurunkan
temperatur minyak sampai mencapai di bawah temperatur titik
nyalanya sehingga dengan sendirinya api akan padam. Nitrogen
24
Universitas Sumatera Utara
diinjeksikan terus menerus selama 45 menit sehingga trafo akan
dingin dan tercegah dari kemungkinan menyalanya api kembali [9].
Proses ini dapat dilihat pada Gambar 2.13 sebagai berikut.
Gambar 2.13. Gas Nitrogen pada Main Tank Trafo [9].
3. Penggunaan
nitrogen
sebagai
bantal
gas
minyak
tertutup
(Hermatically Oil with nitrogen gas cushion)
Gas Nitrogen pada
trafo type tertutup (hermatically)
mempunyai fungsi sama dengan konservator. Udara sifatnya
kompresible sedangkan juga nitrogen sifatnya kompresible. Sifat
kompresible nitrogen ini sama dengan fungsi udara dan breather
pada konservator.
Pada trafo konservator,breather berfungsi sebagai lubang
pernafasan dari transformator sehingga tidak ada tekanan pada
transformator karena tekanan (akibat pengembangan volume
minyak) akan dibuang lewat breather dan jika temperatur minyak
turun maka udara luar masuk kedalam konservator trafo melalui
25
Universitas Sumatera Utara
breather dan disaring oleh silica gell pada breather. Silica gell saat
baru berwarna ungu,jika sudah jenuh berisi air akan berubah warna
menjadi merah muda dan rusak akan berwarna coklat atau hitam.
Pada trafo tipe tertutup ini, gas nitrogen yang kompresible
menggantikan prinsip konservator. Tangki tidak diisi oli penuh,
sebagian diisi gas nitrogen. Sewaktu ada tekanan, oli akan ekspansi
ke atas dan menekan nitrogen, nitrogen akan mampat dan memberi
ruang pada oli untuk ekspansi. Pada Gambar 2.14 ditunjukkan jenis
trafo bertipe hermetically sealed.
Gambar 2.14. Trafo tipe Hermetically sealed [11].
Jika terjadi over pressure, akan diamankan oleh pengaman
pressure seperti seperti vacuum bleeder. Fungsi vacuum bleeder
adalah menyeimbangkan tekanan yang ada di tangki. Maka jika
26
Universitas Sumatera Utara
tekanan di dalam tangki melebihi setting bleeder
karena
pengembangan volume minyak, maka tekanan bleader akan
membuang tekanan tersebut. Pada saat temperatur udara dingin maka
volume minyak akan menyusut sehingga terjadi tekanan minus
dibawah setting (vacuum pada tangki trafo)
untuk mencegah
kerusakan tangki maka melalui bleeder udara luar akan masuk ke
dalam tangki. Sebagaimana diketahui, udara dari luar ada
kemungkinan kandungan H2O yang bisa merusak minyak trafo [10]
[11].
27
Universitas Sumatera Utara