KARAKTERISTIK KORONA DAN TEGANGAN TEMBUS ISOLASI MINYAK PADA KONFIGURASI ELEKTRODA JARUMPLAT
KARAKTE RIS KARAKTERI STI K KORO KORONA DAN TE TEGA GANG NGAN AN TE TEMBUS MBUS I SOL AS ASII MI NYA NYAK K PAD P ADA A KONF KONFII GUR URAS ASII EL ELEK EKTRO TROD DA J AR ARUM-PLAT UM-PLAT DISUSUN UNTUK UNTUK MEMENUHI MATAKULIAH MATAKULIAH PROTEKSI PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK DisusunOleh :
Nama NIM Jurusan
: Lodien Hutapea : 5103331020 : Pend. Teknik Elektro Elektro
PENDII DI KAN TEKNIK EL PEND ELEKTRO EKTRO
F AKU AKUL L TAS TEKNI TEKNIK K
UNIVERS UNI VERSII TAS NEG NEGERI ERI ME MED DAN
2012
Abstrak Karakteristik korona dan tegangan tembus isolasi minyak pada konfigurasi elektroda jarum-plat merupakan suatu keadaan abnormal pada transformator di saat transformator tersebut dalam keadaan bekerja maupun beraktifitas. Untuk mengetahui karakteristik dari kasus ini makan akan diadakan pengujian yang objektif. Pengujian dilakukan di laboratorium untuk mengetahui karakteristik korona dan tegangan tembus dengan menggunakan elektroda jarum-plat (needle-plat). Hasil pengujian menunjukkan peristiwa korona (Corona Inception Voltage) dan tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage) meningkat seiring dengan semakin besarnya permukaan elektroda jarum dan jarak sela antar elektroda. Corona Stabilization Effect menunjukkan kestabilan dari peristiwa korona, di mana hasil h asil yang diperoleh dari pengujian yaitu semakin besar besa r permukaan elektroda maka semakin tidak efektif Corona Stabilization Effectny, hal ini disebabkan karena semakin besarnya muatan ruang menyebabkan pembentukan korona terhambat.
Abstrak Karakteristik korona dan tegangan tembus isolasi minyak pada konfigurasi elektroda jarum-plat merupakan suatu keadaan abnormal pada transformator di saat transformator tersebut dalam keadaan bekerja maupun beraktifitas. Untuk mengetahui karakteristik dari kasus ini makan akan diadakan pengujian yang objektif. Pengujian dilakukan di laboratorium untuk mengetahui karakteristik korona dan tegangan tembus dengan menggunakan elektroda jarum-plat (needle-plat). Hasil pengujian menunjukkan peristiwa korona (Corona Inception Voltage) dan tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage) meningkat seiring dengan semakin besarnya permukaan elektroda jarum dan jarak sela antar elektroda. Corona Stabilization Effect menunjukkan kestabilan dari peristiwa korona, di mana hasil h asil yang diperoleh dari pengujian yaitu semakin besar besa r permukaan elektroda maka semakin tidak efektif Corona Stabilization Effectny, hal ini disebabkan karena semakin besarnya muatan ruang menyebabkan pembentukan korona terhambat.
KATA PENGANTAR Puji dan syikur penulis panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa atas berkat dan kasihnya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas mata kuliah Proteksi Sistem Tenaga Listrik yaitu mengembangkan suatu jurnal menjadi sebuah karya tulis. Adapun judul dari karya tulis ini adalah Karakteristik korona dan Tegangan Tembus Isolasi Minyak pada Konfigurasi Elektroda Jarum-plat Adapun penulisan karya tulis ini dapat terselesaikan berkat bantuan dari segala pihak yang membantu terselesaikannya karya tulis ini. Maka dari itu penulis mengucapkan terima kasih kepada : Rekan se-profesi yang membantu dan mendorong serta memberikan informasi yang sangat diperlukan dalam penyusunan makalah ini sehingga dapat terselesaikan. Semua pihak yang telah ikut berpartisipasi, serta telah memberikan semangat dalam membantu menyelesaikan makalah ini. Penulis menyadari bahwa karya tulis ini masih banyak kesalahan dan kekurangan, maka dari itu penulis mengharapkan sumbangan pikiran, pendapat serta saran – saran yang berguna demi penyempurnaan makalah ini. Semoga karya tulis ini dapat berguna dan bermanfaat bagi pembaca.
Medan, 01 Juni 2012 Penulis
DAFTAR ISI Abstrak........................................................... .............................................. i Kata Pengantar............................................ ................................................. ii Daftar Isi....................................................................... ............................... iii Daftar Tabel...................................................... ........................................... v Daftar Grafik dan Diagram................................................................. ......... vi
BAB I PENDAHULUAN
I.
Latar Belakang Masalah......................................................... .... 1
II.
Rumusan Masalah.............................................................. ........ 1
III.
Batasan Masalah.................................................................... .... 1
IV.
Tujuan Penulisan........................................................................ 2
V.
Metode Penulisan............................................................. .......... 2
BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................ 3 BAB I II METODE PENULI SAN........................................................................... 19 BAB IV ANALI SI S DATA DAN PEMBAHASAN............................................. 20 BAB V KESIMPUL AN DAN SARAN................................................................ 38 DAFTAR PUSTAKA............................................. .................................... 39
Tabel Tabel Tabel Tabel
DAFTAR TABEL 1.......................................................................................................... 2.......................................................................................................... 3.......................................................................................................... 4..........................................................................................................
27 27 28 28
Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar
DAFTAR GAMBAR II.1.................................................................................................. 3 II.2.................................................................................................. 4 II.3.................................................................................................. 6 II.4.................................................................................................. 7 II.5.................................................................................................. 10 II.6.................................................................................................. 11 II.7.................................................................................................. 11 II.8.................................................................................................. 12 II.9.................................................................................................. 13 II.10................................................................................................ 13 II.11................................................................................................ 14 II.12................................................................................................ 16 II.13................................................................................................ 16 IV.1................................................................................................ 23 IV.2................................................................................................ 24 IV.3................................................................................................ 25 IV.4................................................................................................ 25 IV.5................................................................................................ 25 IV.6................................................................................................ 26 IV.7................................................................................................ 29 IV.8................................................................................................ 30 IV.9................................................................................................ 30 IV.10.............................................................................................. 30 IV.11.............................................................................................. 31 IV.12.............................................................................................. 31 IV.13.............................................................................................. 31 IV.14.............................................................................................. 32 IV.15.............................................................................................. 33 IV.16.............................................................................................. 33 IV.17.............................................................................................. 35 IV.18.............................................................................................. 35 IV.19.............................................................................................. 35 IV.20.............................................................................................. 35 IV.21.............................................................................................. 36 IV.22.............................................................................................. 36 IV.23.............................................................................................. 37
BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Masalah Transformator merupakan perangakat yang tidak bisa lepas dari tegangan tinggi, sebab tampa ada transformator khalayak ramai akan sangat kesusahan untuk mendapatkan energy listrik yang sangat diperlukan pada kehidupan sehari-hari manusia pada saat ini. Banyak orang hanya sebagai pengguna yang tidak mau tau akan proses suatu hal yang digunakannya pada setiap harinya. Pada saat transformator beroperasi ada kalanya transformator tersebut mengalami keadaan abnormal maupun gangguan baik dari dalam system maupun dari luar system. Gangguan pada transformator bukan hanya satu jenis, contohnya gangguan pada media pendinginnya, gangguan pada media proteksinya dan lain sebagainya. Pada kesempatan ini penulis akan mencoba mengulas tentang Korona dan tegangan tebus pada trafo.
I .2. Rumusan Masalah Pada penulisan karya tulis ini adapun masalah yang akan diulas adalah sekitar karakteristik korona dan tegangan tembus minyak pada konfigurasi elektroda jarum-plat yang adapa pada transformator dalam keadaan abnormal. Dan keadaan abnormal ini akan di rekayasa dengan percobaan yang sama dengan keadaan abnormal yang sebebarnya.
I .3. Batasan Masalah Adapun batasan masalah dari penulisan karya tulis ini adalah hanya akan membahas tentang karakteristik korona dan tegangan tembus minyak pada konfigurasi elektroda jarum-plat dan tidak akan membahas factor-faktor lain yang mungkin akan berpengaruh maupun tidak pada keadaan tersebut.
I .4. Tujuan Penulisan Adapun tujuan dari penulisan karya tulis ini adalah antara lain sebagi berikut: 1. Sebagai media belajar sendiri mahasiswa untuk mengembangkan pemahaman tentang materi tegangan tinggi
2. Mahasiswa dapat meningkatkan pengetahuan baik tentang teknik tegangan tinggi maupun membuet karya ilmiah maupun karya tulis 3. Mahasiswa setidaknya memiliki rasa ingin belajar teknik tegangan tinggi 4. Mahasiswa mengetahui bagaimana karakteristik dari korona yang terjadi pada transformator 5. Mahasiswa mengetahui proses terjadinya tegangan tembus pada minyak trafo.
I .5. MetodePenulisan Adapun metode yang digunaka penulis dalam membuat karya tulis ini adalah metode study pustaka dimana semua data maupun materi yang di muat didalamnya berasal dari jurnal, artikel, buku-buku dan media yang lainnya.
BAB II LANDASAN TEORI I I.1. Pengertian Transformator Transformer adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energy listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Gambar II-1 Transformasi Energi
I I.2. Sejarah Transformator
1831, Michael Faraday mendemonstrasikan sebuah koil dapat menghasilkan tegangan dari koil lain.
1832, Joseph Henry menemukan bahwa perubahan flux yang cepat dapat menghasilkan tegangan koil yang cukup tinggi
1836, Nicholas Callan memodifikasi penemuan Henry dengan dua koil.
1850 – 1884, era penemuan generator AC dan penggunaan listrik AC
1885, Georges Westinghouse & William Stanley mengembangkan transformer berdasarkan generator AC.
1889, Mikhail Dolivo-Dobrovolski mengembangkan transformer 3 fasa pertama
I I.3. Prinsip Dasar Transformator Prinsip dasar suatu transformator adalah induksi bersama(mutual induction) antara dua rangkaian yang dihubungkan oleh fluks magnet. Dalam bentuk yang sederhana, transformator terdiri dari dua buah kumparan induksi yang secara listrik terpisah tetapi secara magnet dihubungkan oleh suatu path yang mempunyai relaktansi yang rendah. Kedua kumparan tersebut mempunyai mutual induction yang tinggi. Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, fluks bolak-balik timbul di dalam inti besi yang dihubungkan dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan ggl (gaya gerak listrik) induksi ( sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday, Bila arus bolak balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl). Gambar II-2 Sejarah Perkembangan Trafo
II.4. J enis-jenis Transformator II.4.1. Trafo Radio Trafo yang biasa digunakan pada rangkaian radio dan televisi dengan tegangan input 220 v/110 v dan tegangan output 48 v – 24 v step down.Dimensi pada trafo ini sangat kecil dan efisiensi rendah. II.4.2. Trafo Pengukuran II.4.2.1. Current Transformer Current transformer mengukur aliran listrik dan memberikan masukan untuk kekuasaan transformer dan instrumen. Current transformer baik menghasilkan arus bolakbalik atau tegangan bolak-balik yang sebanding dengan arus yang diukur. Ada dua tipe dasar transformator saat ini: wound dan toroida. Transformer wound saat ini terdiri dari integral belitan primer yang dimasukkan secara seri dengan konduktor yang membawa arus yang diukur. Toroidal atau berbentuk donat transformer saat ini tidak mengandung belitan primer. Sebaliknya, kawat yang membawa arus threaded melalui jendela di transformator toroida. Beberapa CTS dibuat untuk engsel terbuka, memungkinkan insersi sekitar konduktor listrik konduktor tanpa mengganggu sama sekali. Standar industri untuk arus sekunder CT adalah kisaran 0 hingga 5 ampli AC. Seperti PTS, CTS dapat dibuat dengan rasio berliku kustom untuk memenuhi hampir semua aplikasi. Karena mereka "beban penuh" arus sekunder adalah 5 ampli, rasio CT biasanya digambarkan dalam hal beban penuh amp utama sampai 5 ampli. Gambar II-3 Metering Current transformer II.4.2.2. Potential Transformer Transformer juga dapat digunakan dalam sistem instrumentasi listrik. Karena transformer kemampuan untuk meningkatkan atau turun tegangan dan arus, dan listrik isolasi yang mereka berikan, mereka dapat berfungsi sebagai cara untuk menghubungkan peralatan listrik tegangan tinggi, sistem tenaga arus tinggi. Misalkan kita ingin secara akurat mengukur tegangan 13,8 kV sebuah power sistem. Gambar II-4 Aplikasi Instrumentasi: "Potensi transformator" skala tegangan tinggi ke nilai aman diterapkan pada voltmeter konvensional.
Sekarang voltmeter membaca fraksi yang tepat, atau rasio, dari sistem yang sebenarnya tegangan, mengatur skala untuk membaca seolah-olah mengukur tegangan secara langsung. Transformator instrumen menjaga tegangan pada tingkat yang aman dan mengisolasi listrik dari sistem , sehingga tidak ada hubungan langsung antara saluran listrik dan instrumen atau kabel instrumen. Ketika digunakan dalam kapasitas ini, trafo disebut Potensi Transformer, atau hanya PT. Potensial transformer dirancang untuk memberikan seakurat tegangan rasio stepdown . Untuk membantu dalam regulasi tegangan yang tepat, beban seminimal mungkin: voltmeter dibuat untuk memiliki impedansi masukan yang tinggi sehingga menarik sedikit arus dari PT . Seperti yang anda lihat,pada gambar 6. sumbu telah terhubung secara seri dengan gulungan primer PT,untuk keselamatan dan kemudahan memutus tegangan dari PT. Standar tegangan sekunder untuk sebuah PT adalah 120 volt AC, untuk full-rated tegangan listrik. Rentang voltmeter standar untuk menemani PT adalah 150 volt, skala penuh. PTS dengan rasio berliku kustom dapat dibuat sesuai dengan aplikasi apapun. Ini cocok baik untuk standarisasi industri voltmeter yang sebenarnya instrumen sendiri, karena PT akan menjadi ukuran untuk langkah sistem tegangan ke tingkat instrumen standar ini. II.4.3. Trafo Tenaga Trafo ini biasanya digunakan pada pemakaian daya dari rumah tangga, sampai pembangkit , transmisi dan distribusi tenaga listrik. Beberapa alasan digunakannya transformer, antara lain : 1. Tegangan yang dihasilkan sumber tidak sesuai dengan tegangan pemakai, 2. Biasanya sumber jauh dari pemakai sehingga perlu tegangan tinggi (pada jaringan transmisi),dan 3. Kebutuhan pemakai/beban memerlukan tegangan yang bervariasi. Selain kapasitas daya, dalam pemilihan transformator distribusi kita juga harus mengetahui: a. Bushing Bushing merupakan salah satu komponen pada transformator sebagai tempat penghubung antara transformator dengan jaringan luar. Bushing terbuat dari porselin, dimana porselin ini berfungsi sebagai penyekat antara konduktor (penghantar yang bertegangan) dengan tangki transformator. b. Sistem Pendinginan Dalam memilih transformator kita harus mengetahui system pendinginan yang digunakan transformator tersebut.
c. Peralatan Proteksi Transformator Distribusi yang digunakan harus memiliki peralatan proteksi. d. Indikator Indikator dalam transformator digunakan untuk mengetahui tinggi dari permukaan minyak dan temperature / suhu minyak. e.
Tap Changer Tap Changer adalah perubahan tegangan dari satu tegangan ke tegangan lain dilakukan dalam keadaan tanpa beban (tegangan off) dan dilakukan secara manual melalui sebuah tuas.
f.
Spesifikasi Teknis Transformator Untuk pemilihan transformator perlu melihat spesifikasi teknisnya, apakah transformator tersebut Step Up atau transformator Step Down Dari spesifikasi tersebut kita akan mengetahui : 1. Type 2. Standar menurut IEC dan SPLN 3. Rating 4. Vektor grup 5. Sifat kelistrikan 6. Berat dan dimensi
I I.5. Prinsip Kerja Prinsip kerja suatu transformator adalah induksi bersama (mutual induction) antara dua rangkaian yang dihubungkan oleh fluks magnet. Dalam bentuk yang sederhana, transformator terdiri dari dua buah kumparan yang secara listrik terpisah tetapi secara magnet dihubungkan oleh suatu alur induksi. Kedua kumparan tersebut mempunyai mutual induction yang tinggi. Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, fluks bolak-balik timbul di dalam inti besi yang dihubungkan dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan ggl (gaya gerak listrik) induksi ( sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday. Gambar II.5 Rangkaian transformer Berdasarkan hukum Faraday yang menyatakan magnitude dari electromotive force (emf) proporsional terhadap perubahan fluks terhubung dan hukum Lenz yang menyatakan rah dari emf berlawanan dengan arah fluks sebagai reaksi perlawanan dari perubahan fluks tersebut didapatkan persaman :
e
= emf sesaat (instantaneous emf)
Ψ = fluks terhubung (linked flux) Dan pada transformer ideal yang dieksitasi dengan sumber sinusoidal berlaku persamaan: E = 4,44 Φm N f E = Tegangan (rms) N
= jumlah lilitan
Φm = fluks puncak (peak flux) f
= frekuensi
dan persamaan: Dikarenakan pada transformer ideal seluruh mutual flux yang dihasilkan salah satu kumparan akan diterima seutuhnya oleh kumparan yang lainnya tanpa adanyaleakage flux maupun loss lain misalnya berubah menjadi panas. Atas dasar inilah didapatkan pula persamaan:
Gambar II.6 Grafik arus, tegangan dan fluks yang terjadi
I I.6. Rangkaian ekuivalen transformer Untuk mempermudah analisis dalam pengujian, rangkaian primer dan sekunder dibuat menjadi sebuah rangkaian yang disebut rangkaian equivalent. Pada rangkaian ini rugi tembaga pada sisi sekunder diubah menjadi nilai ekuivalennya dan dilihat dari arah primer.
Gambar II.7 Rangkaian ekuivalen transformer
Dimana a adalah rasio perbandingan lilitan kumparan sekunder terhadap kumparan primer sehingga resistansi sekunder didapatkan :
dan reaktansi sekunder didapatkan:
Dari persamaan sebelumnya dapat digambarkan rangkaian ekuivalen transformer menjadi:
Gambar II.8 Rangkaian ekuivalen yang telah disederhanakan
I I.7. Transformer Praktis Pada dasarnya rangkaian ekuivalen transformer praktis sama dengan transformer ideal, hanya saja ditambahkan rugi-rugi inti yaitu rugi hysterisis dan rugi arus pusar (eddy current). Rugi-rugi ini digambarkan sebagai induktansi dan resistansi yang terhubung secara
parallel dengan kumparan primer, pada gambar dilambangkan sebagai Xm untuk induktansi dan Rm untuk resistansi.
Gambar II.9 Rangkaian ekuivalen transformer praktis Selain memperhitungkan rugi-rugi inti, transformer praktis juga memasukkan unsure fluks bocor (leakage flux). Untuk menghitung tegangan induksi akibat fluks bocor ini dapat dilakukan dengan memodifikasi Φm menjadi Φl leakage pada persamaan
I I.8. Rugi-Rugi Pada Transformer II.8.1. Rugi Arus Pusar (eddy current) Arus pusar adalah arus yang mengalir pada material inti karena tegangan yang diinduksi oleh fluks. Arah pergerakan arus pusar adalah 90o terhadap arah fluks seperti terlihat pada Gambar
Gambar II.10 Arus pusar yang berputar pada material inti Dengan adanya resistansi dari material inti maka arus pusar dapat menimbulkan panas sehingga mempengaruhi sifat fisik material inti tersebut bahkan hingga membuat transformer terbakar. Untuk mengurangi efek arus pusar maka material inti harus dibuat tipis dan dilaminasi sehingga dapat disusun hingga sesuai tebal yang diperlukan
Rugi arus pusar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
pe = Rugi arus pusar [w/kg] ke = Konstanta material inti f
= frekuensi [Hz]
t
= ketebalan material [m]
Bmax = Nilai puncak medan magnet [T] II.8.2. Rugi Hysterisis Rugi hysterisis terjadi karena respon yang lambat dari material inti. Hal ini terjadi karena masih adanya medan magnetik residu yang bekerja pada material, jadi saat arus eksitasi bernilai 0, fluks tidak serta merta berubah menjadi 0 namun perlahan-lahan menuju 0. Sebelum fluks mencapai nilai 0 arus sudah mulai mengalir kembali atau dengan kata lain arus sudah bernilai tidak sama dengan 0 sehingga akan membangkitkan fluks kembali. Grafik hysterisis dapat dilihat pada Gambar
Gambar II.11Grafik hysterisis Iex terhadap Φ Rugi hysterisis ini memperbesar arus eksitasi karena medan magnetik residu mempunyai arah yang berlawanan dengan medan magnet yang dihasilkan oleh arus eksitasi.
Untuk mengurangi rugi ini, material inti dibuat dari besi lunak yang umum digunakan adalah besi silikon. Besarnya rugi hysterisis dapat dihitung dengan menggunaka n Persamaan
ph
= Rugi arus pusar [w/kg]
kh
= Konstanta material inti
f
= frekuensi [Hz]
Bmax = Nilai puncak medan magnet [T] n
= Nilai eksponensial, tergantung material dan Bmax Rugi hysteris maupun rugi arus pusar bernilai tetap, tidak bergantung pada besarnya
beban. II.8.3 Rugi Tembaga Rugi tembaga adalah rugi yang dihasilkan oleh konduktor/tembaga yang digunakan sebagai bahan pembuat kumparan. Rugi ini diakibatkan oleh adanya resistansi bahan. Nilai resistansi konduktor dapat dihitung dengan Persamaan
R = Tahanan (Ohm) ρ
= Tahanan jenis (Ohm.m)
l
= Panjang (m)
A = Luas penampang (m2)
I I.9. J enis – J enis Pendingin Pada Transformator Terdapat dua jenis pendingin pada transformator, diantaranya adalah: 1. Tipe Kering a. AA : Pendingin udara natural b. AFA : Pendinginan udara terpompa 2. Tipe Basah a.
ONAN : Oil Natural Air Natural Pada tipe ini udara dan oli akan bersikulasi dengan alami. Perputaran oli akan dipengaruhi oleh suhu dari oli tersebut.
Gambar II-12 Pendinginan Tipe ONAN b. ONAF : Oil Natural Air Forced Pada tipe ini oli akan bersikulasi dengan alami namun saat oli melalui radiator oli akan didinginkan dibantu dengan kipas/fan.
Gambar II-13 Pendinginan Tipe ONAF c.
OFAF : Oil Forced Air Forced Pada tipe ini oli akan didinginkan dengan bantuan pompa agar sirkulasi semakin cepat dan juga dibantu kipa/fan pada radiatornya. Khusus jenis trafo tenaga tipe basah, kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak-trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai media pemindah panas dan bersifat pula sebagai isolasi ( tegangan tembus tinggi ) sehingga berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi. Untuk itu minyak trafo harus memenuhi persyaratan sbb. :
Ketahanan isolasi harus tinggi ( >10kV/mm )
Berat jenis harus kecil, sehingga partikel-partikel inert di dalam minyak dapat mengendap dengan cepat.
Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan pendinginan menjadi lebih baik.
Titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yg dapat membahayakan Tidak merusak bahan isolasi padat ( sifat kimia ‘y’ )
I I.10. Minyak Transformator Minyak transformator merupakan salah satu bahan isolasi cair yang dipergunakan sebagai isolasi dan pendingin pada transformator. Sebahagian bahan isolasi minyak harus memiliki kemampuan untuk menahan tegangan tembus, sedangkan sebagai pendingin minyak transformator harus mampu meredam panas yang ditimbulkan, sehingga dengan kedua kemampuan ini maka minyak diharapkan akan mampu melindungi transformator dari gangguan. Minyak transformator mempunyai unsur atau senyawa hidrokarbon yang terkandung dalam minyak transformator ini adalah senyawa hidrokarbon parafinik, senyawa hidrokarbon naftenik dan senyawa hidrokarbon aromatik. Selain ketiga senyawa diatas minyak transformator masih mengandung senyawa yang disebut zat aditif meskpun kandungan nya sangat kecil . Minyak transformator adalah cairan yang dihasilkan dari proses pemurnian minyak mentah. Selain itu minyak ini juga berasal dari bahan bahan organik, misalnya inyak piranol dan silikon, berapa jenis minyak transformator yang sering dijumpai dilapangan adalah minyak transformator jenis Diala A, diala B dan Mectrans. Kenaikan suhu pada transformator akan menyebabkan terjadinya proses hidrokarbon pada minyak, nilai tegangan tembus dan kerapatan arus konduksi merupakan beberapa indicator atau variable yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu minyak transformator memiliki ketahanan listrik yang memahami persyaratan yang berlaku . Secara analisa kimia ketahanan listrik suatu minyak transformator dapat menurun akibat adanya pengaruh asam dan pengaruh tercampurnya minyak dengan air. Untuk menetralisir keasaman suatu minyak transformator dapat mengunakan potas hidroksida(KOH). Sedangkan untuk menghilangkan kandungan air yang terdapat dalam minyak tersebut yaitu dengan cara memberikan suatu bahan higroskopis yaitu selikagel. Dalam menyalurkan perannya sebagai pendingin, kekentalan minyak transformator ini tidak boleh terlalu tinggi agar mudah bersikulasi, dengan demikian proses pendinginan dapat berlangsung dengan baik. 0
Kekentalan relatif minyak transformator tidak boleh lebih dari 4,2 pada suhu 20 C dan 1,8 dan 0
1,85 dan maksimum 2 pada suhu 50 C. Hal ini sesuai dengan sifat minyak transformator yakni semakin lama dan berat operasi suatu minyak transformator, maka minyak akan akan semakin kental . Bila kekentalan minyak tinggi maka sulit untuk bersikulasi sehingga akan menyulitkan proses pendinginan transformator.
BAB II I METODE PENULISAN Adapun metode dalam penulisan karya tulis yang berjudulkan karakteristik korona dan tegangan tembus minyak pada konfigurasi elektroda jarum-plat adalah metode study pustaka yang dimana sumber maupun data yang dimuat dalam tulisan ini adalah berasal dari artikel, jurnal, buku-buku dan media yang lainnya. Adapun materi yang diulas dalam tulisan ini adalah pengembangan dari jurnal yang sudah ada dan yang sudah banyak yang membacanya. Pada pengumpulan data, penulis mencari dari sumber materi baik dari media online maupun non-online. Penulis kemudian menggabungkan materi yang saling mendukung dalam suatu tulisan walaupun penulis mengetahui bahwa tulisan ini masih jauh dari kesempurnaan.
BAB IV PEMBAHSAN MASALAH Isolasi memiliki peranan yang sangat penting dalam sistem tenaga listrik. Isolasi diperlukan untuk memisahkan bagian yang bertegangan dengan yang tidak bertegangan sehingga tidak terjadi lompatan listrik atau percikan diantaranya. Bahan isolasi akan menunjukkan sifatnya bila dipengaruhi medan listrik. Minyak merupakan salah satu bahan isolasi yang termasuk dalam bahan ielektrik. Tegangan tembus isolasi merupakan tegangan yang mampu merusak ketahanan isolasi dari suatu bahan isolasi. Begitu juga dengan peristiwa korona yang merupakan salah satu fenomena dari tegangan tinggi. Selain itu juga, untuk mengetahui karakteristik dari kedua permasalahan tersebut yaitu peristiwa tegangan tembus dan korona maka dilakukan pengujian dengan menggunakan elektroda jarum-plat. Dengan sumber tegangan tinggi AC (Alternating Current) dan tegangan tinggi DC (Direct Current). Pemilihan elektroda jarum untuk memudahkan pengamatan saat pengujian.
I V.1. F ENOMENA PRE-BREAKDOWN IV.1.1. Isolasi Cair Isolasi cair memiliki dua fungsi yaitu sebagai pemisah antara bag ian yang bertegangan dan juga sebagai pendingin sehingga banyak digunakan pada peralatan seperti transformator, pemutus tenaga, switch gear. IV.1.1.1. Karakteristik Isolasi Cair Pada dasarnya dielektrik cair harus memiliki sifat dielektrik yang baik, mempunyai karakteristik perpindahan panas yang bagus dan memiliki struktur kimia yang stabil saat pengoperasian. a.
Sifat Listrik Sifat-sifat listrik yang sangat penting dalam menentukan kinerja dielektrik dari dielektrik cair adalah :
Withstand Breakdown kemampuan untuk tidak mengalami ketembusan dalam kondisi tekanan listrik (electric stress) yang tinggi.
Resistivitas : suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi cair bila resistivitasnya lebih 9
besar dari 10 ohm-meter. Resistivitas yang diperlukan pada system tegangan tinggi untuk material isolasi adalah 10
16
ohm-meter atau lebih
b. Karakteristik Perpindahan Panas Pada peralatan yang terisi oleh isolasi cair (transformer, kabel, circuit breaker, dll) perpindahan panas biasanya dipengaruhi oleh konveksi. faktor utama yang mengontrol perpindahan panas adalah konduktivitas termal dan viskositas. Semakin tinggi nilai dari konduktivitas termal maka semakin dapat digunakan pada peralatan sebagaimana dapat dioperasikan secara berkelanjutan pada temperatur yang tinggi. Pada penggunaan yang lain, nilai konduktivitas termal yang rendah dan nilai viskositas yang tinggi dapat menjadi penyebab terjadinya pemanasan berlebihan pada area tertentu. c. Kestabilan Kimiawi Pada penggunaannya, isolasi cair yang terkena tekanan termal dan listrik karena adanya material seperti O2, air, serat dan hasil-hasil dari pemisahan bahan isolasi padat. Hal tersebut bisa mempengaruhi kestabilan dari rantai kimia dari isolasi cair. IV.1.1.2. Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan, antara lain yang pertama adalah isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut hukum Paschen. Kedua isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi. Ketiga isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi. Terdapat beberapa macam faktor yang diperkirakan mempengaruhi kegagalan minyak transformator seperti luas daerah elektroda, jarak celah (gap spacing), pendinginan, perawatan sebelum pemakaian (elektroda dan minyak), pengaruh kekuatan dielektrik dari minyak transformator yang diukur serta kondisi pengujian atau minyak transformator itu sendiri juga mempengaruhi kekuatan dielektrik minyak transformator. Kegagalan isolasi (insulation breakdown, insulation failure) disebabkan karena beberapa hal antara lain isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya kekuatan dielektrik dan karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada prinsipnya tegangan pada isolator merupakan uatu tarikan atau tekanan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar supaya isolator tidak tembus. Dalam struktur molekul material isolasi, elektron -elektron terikat erat pada molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka sifat isolasi pada tempat itu
hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan tegangan akan terjadi perpindahan elektronelektron dari suatu molekul ke molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik isolator akan berubah bila material tersebut kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan tembus. Mekanisme Streamer Breakdown menjelaskan mengenai pengembangan pelepasan percikan langsung dari banjiran tunggal di mana muatan ruang (space charge) yang terjadi karena banjiran itu sendiri mengubah banjiran tersebut menjadi streamer plasma. Sesudah itu kehantaran naik dengan cepat, dan kegagalan terjadi dalam alur banjiran ini. Ciri utama teori kegagalan streamer adalah postulasi sejumlah besar fotoionisasi molekul dalam ruang di depan streamer dan pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada ujung elektroda.
Gambar I V.1. Distribusi Bidang Listrik pada Bidang Gap Non-Uniform I V.2. Fenomena Korona Korona merupakan proses dimana arus, mungkin diteruskan, muncul dari sebuah elektroda berpotensial tinggi di dalam sebuah fluida yang netral, dengan mengionisasi fluida hingga menciptakan plasma di sekitar elektroda. Bila dua kawat sejajar yang penampangnya kecil dibandingkan dengan jarak antar kawat tersebut diberi tegangan, maka akan terjadi korona. Pada tegangan yang cukup rendah tidak terlihat apa-apa, bila tegangan dinaikkan maka akan tejadi korona secara bertahap. Pertama kali, kawat kelihatan bercahaya yang berwarna ungu muda, mengeluarkan suara erdesis (hissing) dan berbau ozon. Jika tegangan dinaikkan terus, maka karakteristik diatas akan terlihat semakin jelas, terutama pada bagian yang kasar, runcing atau kotor serta cahaya bertambah besar dan terang. Bila tegangan masih terus dinaikkan akan terjadi busur api.
Korona bisa bermuatan positif atau negatif. Hal ini ditentukan oleh polaritas tegangan di elektroda yang kelengkungannya tinggi. Jika elektroda bemuatan positif berkenaan dengan elektoda rata terciptalah korona positif, api jika negatif yang tercipta adalah korona negatif. Inception Voltage korona atau tegangan awal korona didefinisikan sebagai tegangan yang terukur pada saat terjadi lucutan pertama kali saat pengujian dilakukan. Definisi ini sebagai acuan untuk mendapatkan nilai inception voltage secara langsung, dikarenakan pada pengujiannya tidak digunakan oscilloscope untuk mendapatkan sinyal yang menunjukkan awal terjadi korona.
I V.3. Pengujian IV.3.1. Elektroda Elektroda yang digunakan dalam pengujian ini adalah elektroda jarum-plat. Elektroda ini terbuat dari bahan stainless steel. Elektroda jarum di manfaatkan sebagai anoda sedangkan elektroda plat sebagai katodanya. Diameter dari elektroda jarum yang digunakan yaitu 1.0, 1.5 dan 2.0 mm. IV.3.2. Minyak Isolasi Jenis minyak isolasi yang digunakan sebagai bahan uji pada penelitian ini adalah TRANSFORMER OIL POWEROIL TO 1020 60U yang di produksi oleh APAR INDUSTRIES LTD. Dibutukan 3 liter minyak trafo untuk mengisi tempat pengujian.
Gambar I V.2. Elektroda Jarum dan Elektroda Plat
Gambar I V.3. Elektroda Set
Gambar I V.4. Rangkaian Pengujian Tegangan Tinggi AC
Gambar I V.5. Rangkaian Pengujian Tegangan Tinggi DC
Gambar I V.6. Skema Pengujian I V.4. Rangkaian Pengujian Rangkaian pembangkitan yang digunakan adalah rangkaian pengujian tegangan AC dan DC (gambar 4 dan 5). Rangkaian tersebut yang digunakan untuk mengetahui tegangan tembus dan nilai korona (inception Voltage) agar dapat diketahui karakteristiknya. Elektroda plat dan jarum di susun pada elektroda set seperti gambar 3.
I V.5. Langkah-Langkah Pengujian Pengujian dilakukan di laboratorium Tegangan Tinggi milik Teknik Elektro ITS, dengan menggunakan tegangan tinggi AC dan DC. Langkah-langkah pengujian dibagi menjadi 3 (tiga) tahap yaitu tahap persiapan, tahap pengujian dan tahap akhir pengujian, dimana prosesnya yaitu: Menyiapkan peralatan test ( elektroda set, perlengkapan utama pembangkitan tegangan tinggi), kemudian menyusunnya menjadi rangkaian seperti gambar 6 yaitu rangkaian pembangkitan tegangan tinggi. Sebelum dilakukan pengujian maka sebaiknya peralatan test dibersihkan dari kotoran dan debu,. Setelah dipastikan bersih maka jarak sela kedua elektroda dapat di atur. Setelah persiapan selesai maka akan dilakukan pengujian dengan langkahlangkah yaitu Mengatur Test Method dari kontrol box pada posisi AC atau DC dengan menggunakan bat-handle switch, kemudian menempatkan charging range pengatur tegangan pada kedudukan 0%. Aktifkan kontrol box. Kemudian mengatur tegangan melalui transformator pengatur tegangan secara perlahan sampai didapatkan nilai inception Voltage korona dan tegangan tembus (Streamer breakdown voltage). Catat nilai tegangan tembusnya.
I V.6. Hasil Pengujian Pengujian dilakukan sebanyak 5 kali untuk setiap jarak sela yang dibuat berbeda dan dengan ukuran elektroda yang berbeda-beda juga. Hasil dari pengujian diperoleh rata-rata nilai inception voltage dan tegangan tembus (streamer breakdown) adalah sebagai berikut :
Tabel 1. Rata-rata Nilai Inception Voltage Korona Tegangan Tinggi AC
Tabel 2. Rata-rata Nilai Inception Voltage Korona Tegangan Tinggi DC
Tabel 3. Rata-rata Nilai Tegangan Tembus Tegangan Tinggi AC
Tabel 4. Rata-rata Nilai Tegangan Tembus Tegangan Tinggi DC
I V.7. Analisis Hasil Pengujian Pada gambar 7-10 adalah salah satu contoh hasil pengujian untuk memperoleh karakteristik korona dan Tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage). Elektroda set mulai diberikan tegangan, disini akan terlihat arus minyak yang berputar disekitar elektroda karena pengaruh medan yang kuat. Tegangan semakin dinaikkan dan pada tegangan
terukur
30
kV
muncul flashover untuk
pertama
kali
atau
dikenal
dengan
istilah Inception Voltage. Pada saat Inception Voltage, maka pada saat itulah kekuatan dielektrik cair untuk menahan tegangan tembus seperti pada gambar 8. Pada saat tegangan semakin diperbesar menjadi 34 Kv maka terjadi peristiwa tembus atau Streamer Breakdown Voltage. Tegangan saat terjadi peristiwa tembus dicatat sebagai tegangan tembus seperti terlihat pada gambar 9. Setelah terjadi flashover akan muncul gelembunggelembung
gas (Gambar 10),
Gelembung ini muncul akibat proses ionisasi dalam isolasi minyak. Gelembung-gelembung ini juga akan mempengaruhi Streamer Breakdown Voltage. Berdasarkan grafik Gambar 11 dan gambar 12 maka dari hasil pengujian grafik bergerak secara linear, grafik ini juga menunjukkan pengaruh besarnya ujung permukaan elektroda yaitu untuk elektroda jarum dengan ukuran 1.0 ; 1.5 dan 2.0 mm terhadapInception Voltage korona. Dimana semakin besar ukuran ujung permukaan elektroda maka makin besar tegangan yang diperlukan untuk mencapai peristiwa korona, begitu juga semakin besar jarak sela maka
semakin besar juga nilai Inception Voltage, hal ini berarti bahwa nilaiinception voltage korona dipengaruhi oleh 1. Besar ujung permukaan (tip) dari elektroda 2. Jarak sela elektroda dengan elektroda lainnya Perbedaannya pada nilai Inception Voltage tegangan tinggi DC lebih tinggi dari nilai Inception Voltage tegangan tinggi AC. Hal itu disebabkan oleh perbedaan muatan, dimana pada tegangan tinggi DC hanya muatan positif, sedangkan pada tegangan tinggi AC terdapat muatan positif dan negatif.
Gambar I V.7. Elektroda Set dalam Minyak Isolasi
Gambar I V.8. Inception Voltage Corona
Gambar I V.9. Streamer Breakdown Voltage
Gambar I V.10. Gelembung-Gelembung Gas
Gambar IV.11. Grafik Karakteristik Inception Voltage Korona dengan Tegangan Tinggi AC
Gambar I V.12. Grafik Karakteristik Inception Voltage Korona dengan Tegangan Tinggi DC
Gambar I V.13. Grafik Karakteristik Tegangan Tembus (Streamer Breakdown Voltage) dengan Tegangan Tinggi AC
Gambar I V.14. Grafik Karakteristik Tegangan Tembus (Streamer Breakdown Voltage) dengan Tegangan Tinggi DC
Sedangkan berdasarkan grafik Gambar 12 dan 13 dapat diketahui bahwa tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage) pada isolasi minyak dengan ukuran elektroda yang berbeda-beda yaitu 1.0 mm, 1.5 mm dan 2.0 mm cenderung meningkat. Dimana elektroda dengan ukuran diameter lebih besar (2.0 mm) memerlukan tegangan yang lebih besar untuk mencapai peristiwa kegagalan begitu juga halnya jika jarak sela ditambahkan maka peristiwa untuk mencapai tegangan tembusnya juga membutuhkan tegangan semakin besar. Hal ini terjadi karena semakin besar jarak sela maka semakin tebal juga kerapatan minyak sebagai media isolasinya.
I V.8. Efek Kestabilan Korona (Corona Stabilization Effect) Efek kestabilan korona dapat diketahui dengan membandingkan antara nilaiInception Voltage korona dengan nilai tegangan tembus (Streamer Brea kdown Voltage) pada kondisi masing-masing elektroda. IV.8.1. Efek Kestabilan Korona (Corona Stabilization Effect) dengan Tegangan Tinggi AC
Gambar IV.15. Grafik Perbandingan nilai Inception Voltage Korona dengan nilai Tegangan Tembus Elektroda 2.0 mm Tegangan Tinggi AC IV.8.2. Efek Kestabilan Korona (Corona Stabilization Effect) dengan Tegangan Tinggi DC
Gambar I V.16. Grafik Perbandingan Inception Voltage Korona dengan nilai Tegangan Tembus Elektroda 2,0 mm Tegangan Tinggi DC Berdasarkan grafik Gambar 15 dan 16; Pada elektroda 2.0 mm mempunyai rentang yang cukup kecil pada sela 1 cm, lalu rentang jarak semakin besar seiring dengan bertambahnya jarak sela. Jadi semakin memiliki rentang yang lebih besar maka corona stabilization effect semakin tidak efektif, hal itu berarti bahwa distribusi medan makin tidak uniform menyebabkan muatan ruangnya semakin besar sehingga menekan perkembangan korona atau memerlukan lebih besar lagi tegangan untuk terjadinya korona dan tegangan tembusnya. Hal ini juga berlaku pada elektroda 1.0 mm dan 1.5 mm.
I V.9. Mekanisme Streamer Breakdown Voltage Saat elektroda diberikan tegangan maka akan terjadi medan disekitar elektroda, semakin besar tegangan yang di berikan maka medan akan semakin kuat. Bila tegangan yang diberikan sudah melampaui batas kekuatan isolasi minyak, maka akan muncul lucutan korona yang pertama kali (Inception Voltage) seperti dalam gambar 17. Setelah terjadi Inception Voltage, maka akan terbentuk gelembung-gelembung gas di sekitar elektroda. Gelembung ini tercipta akibat dari reaksi kimia yang terjadi didalam minyak. Karena pengaruh tegangan yang kuat maka beberapa molekul minyak akan terionisasi, dan melepas gas. Ternyata gelembung gas tersebut tidak menghilang dengan cepat, tetapi masih terpencar di kedua ujung elektroda. Dan gelembung-gelembung tersebut pecah menjadi gelembung yang lebih kecil lagi (micro-bubles). Hal ini akan menyebabkan semakin cepatnya timbul Steamer Breakdown Voltage.
Karena pengaruh medan yang kuat diantara elekroda maka gelembung-gelembung gas dalam cairan tersebut akan berubah menjadi memanjang searah dengan medan. Gelembung gelembung tersebut akan saling sambung menyambung dan membentuk jembatan yang akhirnya akan mengawali terjadinya kegagalan seperti dalam gambar 18. Jika sudah terbentuk jembatan gelembung tersebut, maka untuk lucutan korona berikutnya
akan
menjadi
lebih
cepat
lagi
sehingga
terjadilah Streamer
Breakdown
Voltageseperti gambar 19. Jika sudah terbentuk jembatan gelembung tersebut, maka untuk lucutan korona berikutnya
akan
menjadi
lebih
cepat
lagi
sehingga
terjadilah Streamer
Voltageseperti gambar 19.
Gambar IV.17. Inception Voltage Corona
Gambar I V.18. Lucutan Korona pada Gelembung
Gambar IV.19. Streamer Breakdown Voltage
Breakdown
Gambar I V.20. Streamer Breakdown pada elektroda 1 mm tegangan AC
Gambar I V.21. Streamer Breakdown pada elektroda 2 mm tegangan DC
Gambar 22. Cacat pada Elektroda I V. IV.10. Efek Mekanik Korona
Selain menimbulkan gelembung-gelembung gas, korona juga menghasilkan beberapa efek mekanik, yaitu terjadinya lubang pada elektroda datar yang bisa dilihat pada gambar 22. Pada gambar tersebut sangat terlihat jelas goresan-goresan bulat yang terjadi karena terkena korona. Dari gambar 22 dapat diketahui juga bahwa korona tidak mengarah pada satu titik saja, lucutan korona bisa terjadi di beberapa titik.
Gambar IV.23. Perbedaan Elektroda Sebelum dan Sesudah Percobaan Jika dibandingkan dengan elektroda datar yang belum terkena korona. Maka perbandingan permukaannya akan sangat terlihat jelas, dimana elektroda datar yang belum terkena korona masih terlihat sangat halus dan elektroda datar yang sudah terkena korona penuh akan goresan seperti yang ada pada gambar 23.
BAB V KESI MPULAN DAN SARAN V.1. Kesimpulan Semakin besar diameter ujung elektroda maka semakin besar juga nilai Inception Voltage dan Streamer Breakdown Voltage. Efek kestabilan korona atau corona stabilization effect ipengaruhi juga oleh besarnya permukaan elektroda tersebut. Dimana semakin besar permukaannya makacorona stabilization effect semakin tidak efektif , hal ini disebabkan karena semakin besar muatan ruangnya sehingga menghambat terjadinya korona. Gelembung-gelembung gas mempunyai pengaruh pada peristiwa terjadinya tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage) dimana gelembung tersebut akan mempercepat proses terjadinya Streamer Breakdown, karena gelembung-gelembung gas tersebut memilki kekuatan dielektrik yang lebih rendah dari minyak.
V.2. Saran Dapat dijadikan dasar perbandingan pengujian dengan solasi yang sama namun dengan memperhatikan kondisi suhu dan temperatur yang berbeda Pada pengujian dilakukan untuk 3 jarak sela yang berbeda, selanjutnya dapat dilakukan pengujian dengan lebih banyak variasi jarak untuk mengetahui lebih detail gejala prebrekdown pada isolasi minyak.
