BAB II
DASAR TEORI
2.1Isolasi Sistem Tenaga ListrikIsolasi merupakan bahan yang
dapat memisahkan secara elektris dua buah penghantar (atau lebih)
yang berdekatan sehingga tidak terjadi kebocoran arus, lompatan
bunga api (flashover), ataupun percikan api (sparkover). Isolator
merupakan alat listrik yang dipakai untuk mengisolasi penghantar
[tobing].Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu
dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tersebut tembus listrik
disebut kekuatan dielektrik.[tobing] Kekuatan dielektrik dari bahan
isolasi sangat penting dalam hal menentukan kualitas isolator yang
nantinya akan mendukung keseluruhan sistem tenaga listrik. Semakin
tinggi kekuatan dielektrik, maka bahan isolasi semakin baik
dipakai, terutama pada peralatan listrik tegangan tinggi. Suatu
bahan isolasi yang baik harus mempunyai faktor disipasi rendah,
resistansi isolasi tinggi, dan kekuatan dielektrik yang tinggi
sehingga sifat hantarannya dapat diminimalkan. [arismunandar]Fungsi
umum dari suatu bahan isolasi adalah sebagai berikut:1. Untuk
mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya.
2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang
diisolasi.
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dari reaksi
kimia. [tobing]Berdasarkan penggunaannya bahan isolasi dapat
digolongkan sebagai berikut:
1. Penyangga / penggantung (solid support) berupa bahan isolasi
berbentuk padat, misalnya porselin, keramik, polimer, kayu, kertas
pernis dan sebagainya.
2. Bahan pengisi (filling media) berupa bahan isolasi berbentuk
padat, cair atau gas, misalnya pasir silika, minyak, bitumen, aneka
gas dan udara.
3. Bahan penutup (covering material) yaitu bahan isolasi yang
biasanya terdapat pada bagian luar, berupa bahan isolasi berbentuk
padat atau cair, misalnya mika, pernis atau enamel.
[arismunandar]2.2Jenis Bahan Isolasi
Berdasarkan jenis bahan yang digunakan, bahan isolasi dapat
digolongkan menjadi tiga golongan, yaitu bahan isolasi padat, bahan
isolasi cair, dan bahan isolasi gas.2.2.1Bahan Isolasi PadatBahan
isolasi padat digunakan pada segala macam rangkaian dan peralatan
listrik untuk memisahkan satu konduktor dengan yang lainnya saat
dioperasikan pada tegangan yang berbeda. Suatu bahan isolasi yang
baik haruslah memiliki kerugian dielektrik yang rendah, kekuatan
mekanik yang baik, bebas dari gas dan uap air di dalam bahan
isolasi, serta tahan terhadap panas dan kimia.
Isolasi padat umumnya digunakan pada sistem yang terletak diluar
dan mempunyai space yang luas. Aplikasi isolasi padat diantaranya
sebagai bahan isolator pada tiang jaringan distribusi dan transmisi
dan sebagai bahan isolator trafo yang berfungsi sebagai pemisah
bagian bertegangan dengan tangki trafo.
Bahan isolasi padat yang umum digunakan selama ini adalah
porselin atau keramik dan kaca. Sekarang ini telah dikembangkan
bahan isolasi padat dari jenis polimer. Isolasi padat digunakan
secara luas dalam peralatan sistem tenaga listrik, terutama sebagai
isolator pasangan luar. Oleh sebab itu, bahan dielektrik isolator
padat pada isolator pasangan luar harus memiliki kekuatan
dielektrik yang tinggi dan tidak mudah terpengaruh oleh kondisi
sekitarnya.Bahan seperti porselin memiliki kekuatan dielektrik yang
tinggi, namun dari segi mekanik, isolator berbahan dasar porselin
memiliki beban yang cukup berat. Sedangkan isolator berbahan gelas
memiliki sifat higroskopis pada permukaan isolator, hal ini
dikarenakan adanya larutan alkali dalam komposisi gelas, sehingga
konduktifitas isolator menjadi lebih besar.
[arismunandar,abduh]2.2.2Bahan Isolasi Cair
Salah satu jenis bahan isolasi lain yang sering digunakan adalah
bahan isolasi cair. Keunggulan bahan isolasi cair yaitu dapat
mengisi seluruh volume bahan yang diisolasinya dan mendisipasikan
panas secara konveksi. Media minyak memiliki efisiensi 10 kali
lebih baik daripada udara atau nitrogen dalam hal kemampuan
disipasi panasnya saat digunakan pada transformator. Kekuatan
dielektrik dari minyak trafo bisa mencapai orde 100 kV/cm.
Isolasi zat cair merupakan campuran dari hidrokarbon. Saat
digunakan untuk isolasi listrik, isolasi cair sedapat mungkin
terbebas dari uap air, hasil oksidasi dan kontaminan lainnya.
Faktor penting yang berdampak pada kekuatan dielektrik dari isolasi
cair adalah keberadaan kontaminan. Keberadaan kontaminan pada
minyak trafo dapat menurunkan kekuatan dielektrik dari keadaan
sebelum adanya kontaminan pada minyak. [arismunandar]2.2.3Bahan
Isolasi Gas
Udara merupakan bahan dielektrik yang paling sederhana dan
paling banyak ditemukan. Udara pada tekanan atmosfer merupakan
media isolasi gas yang umum digunakan. Selain udara, gas yang
digunakan untuk media isolasi adalah nitrogen (N2), karbon dioksida
(CO2), freon (CCl2F2) dan sulfur hexafluoride (SF6).
Berbagai fenomena dapat terjadi pada isolasi gas saat suatu
tegangan diterapkan. Saat tegangan yang diterapkan rendah, arus
lemah mengalir diantara elektroda (namun tegangan listrik ini masih
dapat ditahan). Akan tetapi, bila tegangan yang diterapkan tinggi,
arus yang mengalir naik secara tajam, dan terjadilah kegagalan
isolasi listrik. Lucutan api yang besar selama terjadi kegagalan
isolasi menyebabkan suatu short circuit diantara elektroda. Nilai
maksimum tegangan yang diterapkan pada media isolasi pada saat
terjadinya kegagalan isolasi disebut tegangan gagal.
Ketika terjadi proses ionisasi, perkembangan arus akan semakin
besar sehingga mengakibatkan kegagalan isolasi. Elektron dan ion
timbul dari atom-atom atau molekul-molekul netral, dan perpindahan
elektron dan ion menuju anoda dan katoda inilah yang menyebabkan
terjadinya arus yang besar. [arismunandar]2.3Klasifikasi Isolator
Sistem Tenaga ListrikBerdasarkan konstruksinya, isolator dibedakan
menjadi isolator gantung/suspension, dan isolator pendukung.
Isolator pendukung terdiri dari tiga jenis, yaitu isolator pin,
isolator post, dan isolator pin post.
Gambar 2.1 Isolator gantung ( suspension )
Gambar 2.2 Jenis jenis isolator pendukung Isolator jenis pin
digunakan pada jaringan distribusi hantaran udara tegangan
menengah. Isolator pin dipasang pada palang tiang tanpa beban tekuk
seperti ditunjukkan pada gambar 2.3.a. Isolator pin dapat juga
digunakan untuk tiang yang mengalami beban tekuk, pada kondisi ini
isolator dipasang ganda pada palang ganda, seperti ditunjukkan pada
gambar 2.3.b.Jenis pin-post digunakan untuk jaringan distribusi
tegangan menengah, dipasang pada tiang yang mengalami gaya tekuk.
Isolator jenis post digunakan untuk pasangan dalam, antara lain
sebagai penyangga rel daya pada panel tegangan menengah. Isolator
jenis post tidak bersirip seperti halnya pin post, karena isolator
ini dirancang untuk pemasangan dalam.
Gambar 2.3 Pemasangan isolator pin dan pin postBerdasarkan
bentuknya, isolator gantung dibedakan menjadi dua jenis yaitu
isolator piring (gambar 2.4.a) dan isolator silinder (gambar
2.4.b). Isolator gantung digunakan untuk jaringan tegangan menengah
dan tegangan tinggi. Pada jaringan tegangan menengah, isolator
piring digunakan pada tiang akhir dan tiang penyambung seperti
ditunjukkan pada gambar 2.5. Untuk transmisi tegangan tinggi,
isolator piring dirangkai berbentuk rantai, seperti ditunjukkan
pada gambar 2.4.c. Isolator rantai ada yang dilengkapi dengan
tanduk busur (arching horn) untuk melindungi isolator saat terjadi
lewat denyar akibat tegangan lebih pada jaringan. [tobing]
Gambar 2.4 Bentuk bentuk isolator gantung
Gambar 2.5 Pemasangan isolator gantung jenis piring Berdasarkan
lokasi pemasangan, isolator dibedakan menjadi isolator pasang dalam
(indoor) dan isolator pasang luar (outdoor). Isolator pasangan
dalam merupakan komponen isolator yang dipasang di dalam ruangan.
Isolator ini tidak memiliki sirip pada konstruksinya. Contoh dari
isolator pasangan dalam adalah isolator pin yang digunakan sebaga
penyangga rel daya pada panel tegangan menengah. Isolator pasangan
luar merupakan komponen isolator yang dipasang di luar ruangan.
Isolator pasang luar memiliki sirip pada konstruksinya. Contoh dari
isolator pasangan luar adalah isolator piring, pin atau pin-post
yang terdapat pada jaringan transmisi dan distribusi.2.4Isolator
Pasangan Luar (Outdoor)
Pada sistem tenaga listrik, isolator pasangan luar merupakan
salah satu komponen yang sangat penting seperti pada gardu induk,
jaringan transmisi dan distribusi. Bentuk isolator pasang luar
dibuat bersirip agar lintasan arus bocor menjadi semakin panjang
dan mencegah terbentuknya jembatan air ketika isolator dibasahi
oleh air hujan.2.4.1Karakteristik Elektrik Isolator Pasang
LuarIsolator dan udara membentuk suatu sistem isolasi yang
berfungsi mengisolir suatu konduktor bertegangan dengan kerangka
penyangga yang diketanahkan sehingga tidak ada arus yang mengalir
dari konduktor tersebut ke tanah. Seluruh isolator dirancang
sedemikian rupa agar tegangan tembusnya jauh lebih besar
dibandingkan tegangan lewat denyarnya (flashover). Dengan demikian,
kekuatan dielektrik suatu isolator ditentukan oleh tegangan lewat
denyarnya. Tegangan lewat denyar adalah nilai tegangan yang
mengakibatkan terjadinya lewat denyar (flashover) di permukaan
isolator. Tegangan tembus suatu sistem isolasi adalah nilai
tegangan yang mengakibatkan bahan dielektrik kehilangan sifat
isolasi untuk sementara atau selamanya melalui suatu proses
peluahan. [kind]Kekuatan dielektrik dan nilai tegangan yang dapat
dipikul isolator tanpa terjadi lewat denyar dapat diperkirakan dari
tiga karakteristik dasar isolator. Ketiga karakteristik tersebut
adalah :
1. Tegangan lewat denyar bolak-balik pada keadaan kering.
2. Tegangan lewat denyar bolak-balik pada keadaan basah.
3. Karakteristik tegangan-waktu yang diperoleh dari tegangan
surja standar.
Tegangan lewat denyar bolak balik digunakan untuk memperkirakan
kekuatan elektrik isolator jika memikul tegangan lebih internal.
Karakteristik tegangan-waktu digunakan untuk memperkirakan kekuatan
elektrik isolator jika memikul tegangan lebih surja akibat sambaran
petir.
Tegangan lewat denyar bolak-balik kering adalah karakteristik
utama dari isolator yang dipasang pada ruangan tertutup. Tegangan
lewat denyar ditentukan pada keadaan isolator kering dan bersih.
Tegangan lewat denyar dinyatakan pada keadaan standar yaitu pada
saat temperatur udara 20 0C dan tekanan udara 760 mmHg.Tegangan
lewat denyar kering di sembarang temperatur dan tekanan udara dapat
ditentukan dengan Persamaan 2.1.[tobing]V = Vs(2.1)dengan :
V = Tegangan lewat denyar isolator pada sembarang keadaan
udara
Vs = Tegangan lewat denyar isolator pada keadaan standar
= Faktor koreksi udara, dimana
T= Temperatur udara (oC)
P = Tekanan udara (mmHg)
Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator merupakan
karakteristik yang sangat penting jika isolator akan dipasang di
ruang terbuka. Tegangan lewat denyar bolak-balik suatu isolator
merupakan gambaran kekuatan dielektrik isolator tersebut pada saat
basah akibat air hujan. Sifat air yang membasahi suatu isolator
dicirikan atas tiga hal, yaitu intensitas, arah, dan konduktivitas
air yang membasahi isolator tersebut. Berdasarkan standar IEC No.
60-1, ciri ciri air yang membasahi isolator saat pengujian adalah
:
1. Intensitas penyiraman adalah 3 mm / menit
2. Resistivitas air adalah 104 /cm
3. Arah penyiraman air membentuk sudut 45o dengan sumbu tegak
isolator.
Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator juga
bergantung pada kondisi udara. [tobing]2.4.2 Karakteristik Mekanis
Isolator Pasang LuarKarakteristik mekanis suatu isolator ditandai
dengan kekuatan mekanisnya, yaitu beban mekanis terendah yang
mengakibatkan isolator tersebut rusak. Kekuatan mekanis ini
ditentukan dengan membebani isolator dengan beban yang bertambah
secara bertahap hingga isolator terlihat rusak. Kekuatan mekanis
suatu isolator dinyatakan dalam tiga keadaan beban, yaitu kekuatan
mekanis tarik, kekuatan mekanis tekan dan kekuatan mekanis tekuk.
[tobing]2.4.3Tujuan Penggunaan Isolator Pasangan Luar
Secara umum tujuan penggunaan isolator pasangan luar adalah
:
1. Sebagai penyangga atau penyokong penghantar saluran
udara.
Hal terpenting yang harus diperhatikan dalam memilih dan
mendesain isolator untuk penggunaan ini adalah kekuatan mekanisnya.
Isolator yang dipakai harus mampu menahan beban mekanis dari
saluran udara, seperti gaya berat dari massa penghantar serta gaya
gaya lainnya yang dapat diakibatkan oleh angin, tumpukan salju,
dsb.
2. Untuk memisahkan secara elektris antara penghantar dan
penyangganya.
Hal terpenting yang perlu diperhatikan dalam mendesain isolator
untuk keperluan ini adalah kekuatan isolasinya, yaitu harus mampu
menahan beban elektris pada keadaan normal (tegangan kerjanya)
sehingga tidak terjadi kebocoran arus maupun dalam keadaan gangguan
(akibat petir, hubung singkat, dsb), sehingga tidak terjadi lewat
denyar (flashover) maupun sparkover. [suwarno]2.4.4Kegagalan
Isolator Pasangan Luar
Ada beberapa hal yang menyebabkan kegagalan pada isolator
pasangan luar, antara lain :
1. Ketidaksempurnaan proses pembuatan isolator, sehingga timbul
rongga rongga udara pada isolator yang dapat mengakibatkan
terjadinya peluahan muatan sebagian (partial discharge) dan
akhirnya terjadi tembus listrik melalui proses treeing.2. Degradasi
permukaan akibat aliran arus bocor maupun pengaruh lingkungan.3.
Akibat tegangan lebih yang dapat menyebabkan lewat denyar
(flashover) yang dapat berujung pada terjadinya kerusakan pada
permukaan isolator.
4. Isolator pecah akibat tekanan mekanis dari luar5. Menempelnya
polutan pada permukaan isolator yang dapat menjadi lintasan yang
bersifat konduktif.6. Ketidakmurnian bahan isolator
7. Kegagalan tembus (breakdown), biasanya disebabkan oleh faktor
luar seperti sambaran petir. Akibat kegagalan tembus (breakdown),
karakteristik elektrik isolator tidak dapat pulih seperti semula
dan sebagian isolator mengalami kerusakan mekanik sehingga tidak
dapat digunakan kembali. [suwarno]2.5Bahan Isolasi KacaKaca
merupakan salah satu jenis isolator pasang luar yang masih dipakai
dissistem kelistrikan Indonesia. Isolator kaca memiliki
karakteristik elektrik dan kmekanik yang tidak jauh berbeda dengan
porselen. Karakteristik elektrik dan mekanik kaca bergantung pada
komposisi kimiawi dari kaca.Kaca merupakan bahan kuat, tahan panas,
keras, dan secara biologi merupakan bahan yang tidak aktif, yang
dapat dibentuk menjadi permukaan yang tahan dan licin. Ciri-ciri
ini menjadikan kaca sebagai bahan yang sangat berguna. Komponen
utama kaca ialah silika. Silika ialah galian yang mengandungi
silikon dioksida. Nama IUPAC silikon dioksida ialah silikon(IV)
oksida. Wujud silika awalnya adalah pasir, yaitu pasir silika. Kaca
merupakan substansi kimia yang serupa dengan kuarsa. Silika
mempunyai titik lebur sekitar 2000 derajat celsius. Dua komponen
penting dalam pembuatan kaca yang baik adalah mencampurkan soda
(sodium karbonat Na2CO3), atau potasy dengan kalium karbonat, yang
dapat menurunkan titik lebur kaca menjadi sekitar 1000 derajat
celsius. Bahan soda menjadikan kaca larut, sedangkan kapur (kalsium
oksida, CaO) adalah bahan yang menyebabkan kaca sukar larut.Kaca
dibuat dengan pendinginan bahan-bahan yang dilelehkan, tidak
berbentuk kristal tetapi tetap pada kondisi berongga. Massa jenis
kaca berkisar antara 2 hingga 8,1 g/cm3, kekuatan tekannya 6000
hingga 21000 kg/cm2, kekuatan tariknya 100 hingga 300 kg/cm2.
Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kaca adalah bahan yang
regas.Walaupun kaca merupakan substansi berongga, tetapi tidak
mempunyai titik leleh yang tegas, karena pelelehannya adalah
perlahan-lahan ketika suhu pemanasan dinaikkan. Titik pelembekan
kaca berkisar antara 500 hingga 1700 C. Makin sedikit kandungan
Si02-nya makin rendah titik pelembekan suatu kaca. Demikian pula
halnya dengan muai panjang -nya, makin banyak kadar SiO2 yang
dikandungnya akan makin kecil -nya. Muai panjang untuk kaca
berkisar antara 55.107 hingga 150.107 per derajat celcius.Pada
pabrikasi kaca, asam fluorida digunakan untuk membuat kaca-embun.
Pada umumnya kaca tidak stabil terhadap pengaruh alkali.
Sifat-sifat elektris dan kaca dipengaruhi oleh komposisi dan kaca
itu sendiri. Kaca yang digunakan untuk teknik listrik pada suhu
normal diperlukan syarat-syarat antara lain resistivitas berkisar
antara 10 hingga 17 cm, perinitivitas relatif r berkisar antara 3,8
hingga 16,2, kerugian sudut dielektniknya (tan ) 0,0003 hingga
0,01, tegangan break-down 25 hingga 50 kv/mm. Kaca silika mempunyai
sifat kelistrikan yang paling baik. Pada suhu kamar besarnya
resistivitas adalah 107 -cm, r 3,8 dan tan pada 1 MHz adalah
0.0003. Jika kaca silika ditambahkan natrium atau kalium, maka
resistivitasnya akan turun, tan nya akan naik sedikit.Seringkali
oksida logam alkali ditambahkan pada pembuatan kaca dengan maksud
agar sifat-sifat kaca menjadi lebih baik. Oksida-oksida tersebut
dimasukkan ke dalam kaca sebagai pemurnian bahan-bahan mentah.
Keberadaan natrium di dalam kaca adalah lebih tidak menguntungkan
dibanding kalium. Karena ion Na adalah sangat kecil ukurannya dan
sangat mudah bergerak di dalam medan listrik. Itulah sebabnya
mengapa Na dapat menambah konduktivitas kaca. Karakteristik
elektrik dan mekanik kaca bergantung pada komposisi kimiawi dari
kaca, khususnya pada kandungan alkali yang terdapat pada kaca.
Adanya larutan alkali dalam komposisi gelas akan menambah sifat
higroskopis permukaan isolator sehingga konduktivitas permukaan
isolator semakin besar. Akibatnya, sifat elektrik isolator kaca
alkali tinggi lebih buruk daripada kaca alkali rendah, juga lebih
buruk daripada porselen. Kekuatan elektrik kaca alkali tinggi
adalah 17,9 kVrms/mm dan kaca alkali rendah adalah 48kVrms/mm,
yakni dua kali lebih tinggi daripada kekuatan elektrik
porselen.Dilihat dari proses pembuatannya, isolator kaca terdiri
dari dua jenis, yaitu kaca yang dikuatkan (annealed glass) dan kaca
yang dikeraskan (hardened glass). Kekuatan mekanik sampel uji kaca
yang dikuatkan lebih besar daripada porselen, karena regangan
mekanik internal pada kaca mudah dihilangkan pada saat penguatan.
Kaca alkali tinggi memiliki koefisien pemuaian yang tinggi,
sehingga isolator kaca mudah pecah. Peristiwa ini sangat mungkin
terjadi jika isolator kaca dioperasikan pada suatu lokasi yang
temperaturnya berubah-ubah dengan tajam. Hal ini membuat kaca
alkali tinggi dibatasi pemakaiannya hanya untuk instalasi pasang
dalam, sedangkan untuk isolator pasang luar digunakan kaca jenis
alkali rendah.Isolator kaca alkali rendah yang dikeraskan dapat
menahan beban dinamis dengan baik, sehingga masih layak dipakai
sekalipun pernah jatuh dari tempat tinggi. Tetapi biaya
pembuatannya tinggi, karena pemanasan harus berlangsung sampai
temperatur kaca mencapai 780o C. Isolator ini hanya digunakan jika
dibutuhkan kekuatan mekanik yang tinggi dan stabil pada setiap
perubahan temperatur. [bonggas]2.6Lingkungan Tropis Kondisi
lingkungan tropis dengan curah hujan dan kelembaban yang tinggi
menurunkan kinerja isolator, terutama isolator pasangan luar
(outdoor insulator) yang secara langsung terpapar oleh kondisi
lingkungan ini. Umumnya polutan akan melekat pada air yang menempel
pada isolator, untuk itu diperlukan bahan isolator yang bersifat
hidrofilik untuk mengatasi permasalahan ini.
Wilayah beriklim tropis terletak pada batas 230 27 LU sampai 230
27 LS. Lingkungan ini hampir sepanjang tahun terkena radiasi
matahari. Ciri ciri lain lingkungan tropis adalah :
1. Suhu Udara
: 20-35 oC
2. Curah hujan tahunan : 1960-3185 mm
3. Kelembaban
: 50-98 %
Indonesia yang terletak di katulistiwa termasuk wilayah beriklim
tropis. Di Indonesia, temperatur maksimum berkisar antara 30-35 0C
di dataran rendah dan 20-25 0C di dataran tinggi. Temperatur
berkurang 5.33-6.01 0C setiap perubahan ketinggian 1000 m.
[soerjani]2.7Fenomena Arus Bocor (Leakage Current) Surface
discharge atau pelepasan muatan permukaan adalah pelepasan muatan
dari konduktor ke media gas dan terjadi pada permukaan isolasi
padat yang tidak tertutupi oleh konduktor.[syakur] Peluahan muatan
ini terjadi apabila tegangan yang diterapkan pada isolator mencapai
tingkat ketinggian tertentu, sehingga menyebabkan arus mengalir
pada permukaan isolator.[arismunandar] Arus yang mengalir pada
permukaan isolator disebut dengan arus bocor (leakage current).
Kebocoran arus menimbulkan panas lokal pada bagian isolator
sehingga menyebabkan temperatur yang tinggi yang mengakibatkan
terjadinya penguraian bahan kimia dan membentuk berkas pada
permukaan isolator. [syakur]Pengukuran nilai arus bocor dapat
digunakan sebagai parameter untuk mengetahui kinerja dari isolator
pasang luar. Kelebihan dari metode ini adalah gelombang arus bocor
dapat memberikan informasi mengenai aktivitas yang terjadi pada
permukaan isolator, dari awal mengalirnya arus hingga terjadi suatu
flashover.[siderakis][suda] Berdasarkan karakteristik arus bocor
dari isolator, beberapa model telah diusulkan untuk mengetahui
karakteristik non-linear isolator pasang luar.[suwarno]
Karakteristik non-linear isolator akan menentukan nilai tahanan
permukaan dan nilai arus bocor yang mengalir pada permukaan
isolator. Oleh karena itu, identifikasi sifat arus bocor ini dapat
digunakan untuk deteksi dini kegagalan isolator tegangan
tinggi.Pengukuran arus bocor dimaksudkan untuk mendapatkan data
berupa nilai arus bocor dari isolator ketika diterapkan tingkat
tegangan tertentu. Pengukuran arus bocor dapat dilakukan dengan
alat bantu berupa osiloskop dan resistor pengukuran. Resistor
pengukuran dipasang pada bagian end-fitting elektroda uji
sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 2.6. Ketika diterapkan tingkat
tegangan tertentu, arus bocor akan mengalir di permukaan isolator
dan resistor pengukuran yang dihubung seri terhadap isolator. Arus
bocor permukaan isolator bernilai sama dengan arus bocor yang
mengalir pada reisistor ukur. Arus bocor yang mengalir pada
resistor dapat diperoleh melalui pengukuran drop tegangan pada
resistor. Drop tegangan pada resistor dapat diukur dengan bantuan
osiloskop. Nilai arus bocor yang mengalir di permukaan isolator
dapat ditentukan dengan Persamaan 2.2,
(2.2)denganI
= Nilai arus bocor yang mengalir di permukaan isolatorVdrop
= Nilai drop tegangan pada resistor ukurRresistor ukur= Nilai
tahanan resistor ukur = 1 M
Gambar 2.6. Resistor pengukuran2.8Pemodelan Arus Bocor Isolator
OutdoorJika pada permukaan isolator terdapat lapisan polutan yang
konduktif, arus bocor permukaan akan mengalir sehingga efek
pemanasan akan mengeringkan sebagian lapisan polutan. Pengeringan
lapisan polutan biasanya tidak seragam dan pada beberapa titik,
lapisan polutan konduktif akan terputus oleh pita kering
(dry-band). Tegangan pada pita kering berjarak sangat dekat. Hal
ini menyebabkan terjadi breakdown udara sehingga pita kering
dijembatani oleh arc. Arc yang terbentuk terhubung seri secara
elektrik dengan resistansi lapisan polutan yang tidak kering.
Lonjakan arus bocor terjadi setiap pita kering pada isolator
mengalami spark over. Jika resistansi polutan yang basah cukup
kecil, arc yang menjembatani pita kering akan mampu membakar dan
memanjang pada permukaan isolator sehingga merusak permukaan
isolator. Kejadian ini akan mengakibatkan turunnya resistansi yang
terhubung seri dengan arc. Akhirnya, isolator akan mengalami
kegagalan sehingga dapat terjadi kegagalan hubung singkat fasa ke
tanah. Peristiwa ini digambarkan pada Gambar 2.7. [waluyo]
Gambar 2.7. Model skematik representasi dry-band discharge dan
lapisan polutan konduktif pada isolator [waluyo]Dari penelitian
yang terdahulu, diusulkan beberapa model arus bocor isolator pasang
luar menggunakan program ATP/EMTP.[waluyo] Gambar 2.8 menunjukkan
model rangkaian ekivalen dari isolator bersih. Model rangkaian
ekivalen isolator bersih terdiri dari resistor linier dan
kapasitor. Elemen ini terhubung secara paralel dan murni bergantung
pada karakteristik internal isolator dan tegangan yang
diaplikasikan. Kapasitor C menggambarkan efek kapasitif yang umum
terjadi pada peralatan tegangan tinggi. Nilai arus bocor isolator
bersih memiliki orde microampere.[vosloo] Oleh sebab itu resistansi
R diasumsikan memiliki nilai dengan orde M.
Gambar 2.8. Model rangkaian listrik ekivalen isolator bersih
yang direpresentasikan pada program ATP Draw Gambar 2.9 menunjukkan
model rangkaian ekivalen isolator terpolusi. Rangkaian tersebut
merupakan modifikasi dari rangkaian sebelumnya, dengan menambahkan
resistansi non-linear secara parallel, sebagai representasi dari
permukaan yang terpolusi dan basah. Kondisi ini digolongkan menjadi
dua yaitu permukaan yang terpolusi dan terbasahi secara ringan dan
berat. Permukaan isolator yang terkontaminasi dan terbasahi secara
ringan akan menghasilkan arus bocor dengan tipe short-burst,
sedangkan yang terpolusi dan terbasahi secara berat akan
menghasilkan arus bocor dengan tipe long-burst.
Gambar 2.9. Model rangkaian listrik ekivalen isolator terpolusi
yang direpresentasikan pada program ATP Draw
Gambar 2.10 menunjukkan model rangkaian ekivalen isolator
terpolusi dengan dry-band discharge. Rangkaian ini merupakan
modifikasi dari rangkaian isolator terpolusi, dengan menambahkan
resistor non-linear dan kapasitor yang terhubung parallel sebagai
representasi dry-band discharge, dan dihubungkan seri dengan
resistor non-linear pada model rangkaian ekivalen isolator
terpolusi. Ini menunjukkan bahwa dry-band discharge diasumsikan
menimbulkan pengaruh non-linear dan kapasitif pada bentuk arus
bocor dari isolator.
Gambar 2.10. Model rangkaian listrik ekivalen isolator terpolusi
dengan dry-band dischargeDari ketiga model rangkaian ekivalen
isolator di atas kemudian dimodifikasi,hal tersebut dilakukan agar
model rangkaian ekivalen dapat memodelkan gelombang arus bocor
simetris dan tidak simetris dengan discharge di permukaan isolator.
[suwarno]Gambar 2.11. menunjukkan model rangkaian listrik ekivalen
untuk gelombang arus bocor simetris dengan discharge di permukaan
isolator. Model rangkaian listrik ekivalen ini merupakan modifikasi
model rangkaian ekivalen pada gambar 2.10 dengan menambah rangkaian
arc untuk membentuk kondisi discharge. Rangkaian arc dihubung seri
dengan tahanan non-linear dry-band discharge. Rangkaian arc
berfungsi untuk merepresentasikan discharge pada permukaan isolator
dengan mengontrol tegangan spark dari saklar rangkaian arc.
[suwarno]
Gambar 2.11. Model rangkaian listrik ekivalen untuk gelombang
arus bocor simetris dengan dischargeGambar 2.12. menunjukan model
rangkaian listrik ekivalen untuk gelombang arus bocor asimetris
dengan discharge di permukaan isolator. Rangkaian ini berfungsi
untuk mensimulasikan gelombang arus bocor yang memiliki bentuk yang
tidak simetris. Rangkaian ini merupakan modifikasi dari rangkaian
untuk gelombang simetris yang ditunjukkan pada gambar 2.11.
Modifikasi dilakukan dengan membagi model rangkaian elektrik
ekivalen menjadi dua bagian dengan memanfaatkan penambahan dioda.
Bagian atas model berfungsi untuk mensimulasikan setengah siklus
positif sedangkan bagian bawah model berfungsi untuk mensimulasikan
setengah siklus negatif. [suwarno]
Gambar 2.12. Model rangkaian listrik ekivalen untuk gelombang
arus bocor asimetris dengan discharge2.9Pemodelan Rangkaian Arc
Universal
Simulasi keadaan arc secara detail sulit dilakukan akibat
ketidakteraturan karakteristik arc. Ada beberapa model yang
digunakan untuk mensimulasikan arc. Sebagian besar model digunakan
untuk memodelkan arc yang terjadi pada circuit breaker dan beberapa
model lain diaplikasikan untuk memodelkan long arc atau arcing
fault. Ada berbagai konsep yang digunakan untuk memodelkan arc.
Konsep yang paling sering digunakan adalah konsep thermal
equilibrium. Model thermal memiliki sejarah yang panjang sebagai
model arc dinamis. Persamaan dinamis ini telah diperbaiki dan
dimodifikasi untuk meningkatkan validitas dan mengurangi batasan
perhitungan. Persamaan yang digunakan dari model arc ditunjukkan
oleh Persamaan 2.3 dan 2.4, [elkhalashy]
(2.3)
(2.4)dengan :
g =konduktansi arc bergantung waktu (time variying arc
conductance)
G = konduktansi arc stasioner|i| = nilai absolute arus arcVarc =
konstanta parameter tegangan arc = konstanta waktu arc. Untuk
merepresentasikan arc sesuai dengan gangguan, nilai didefinisikan
dengan Persamaan 2.5, [elkhalashy]
(2.5)dimana A dan B adalah konstanta.[elkalashy] Pemodelan arc
dilakukan dengan menggunakan model rangkaian arc universal yang
ditunjukkan oleh gambar 2.13.
Gambar 2.13. Model rangkaian arc universal yang
direpresentasikan pada program ATP Draw Rangkaian model arc
universal yang ditunjukkan oleh gambar 2.13 bekerja berdasarkan
persamaan arc dinamis yang ditunjukkan pada persamaan 2.3. Arus arc
digunakan sebagai masukan dari sistem Transient Analysis Control
System (TACS) yang ditunjukkan oleh gambar 2.14. Nilai arus arc
absolut dibagi dengan parameter Varc. Hasil pembagian tersebut
dikurangi oleh nilai konduktansi arc dari time-step sebelumnya.
Hasil pengurangan yang diperoleh dibagi oleh konstanta waktu arc
yang diperoleh dari persamaan 2.5. Resultan perhitungan yang
diperoleh digunakan sebagai masukan dari Controlled Integrator tipe
58 untuk menyelesaikan persamaan 2.3. Konduktansi arc akan
diperbarui untuk setiap waktu. Nilai inverse keluaran integrator
diumpan balik ke rangkaian tenaga menggunakan TACS Controlled
Resistance tipe 91. Keluaran integrator akan bernilai sama dengan
keluaran sinyal reset RES ketika nilai sinyal control CTRL bernilai
low. Pilihan ini berguna untuk menggambarkan kejadian reignition
setelah terjadi zero crossing. Dengan demikian, interaksi arc
dengan jaringan sistem tenaga dapat diperoleh. [elkhalashy]
Gambar 2.14. Diagram alir sistem TACS dari Rangkaian
Arc[elkhalashy]2.10Deret Fourier Trigonometri
Analisis Fourier mampu memodelkan fenomena periodik yang sering
muncul di bidang teknik, seperti bagian mesin yang berputar, arus
tak searah (AC) atau pergerakan planet. Fungsi periodik dari
fenomena tersebut dapat berupa fungsi yang rumit. Dengan analisis
fourier, fungsi tersebut direpresentasikan dengan fungsi periodik
trigonometri sederhana, yaitu berupa fungsi sinus dan cosinus.
Representasi yang digunakan berupa deret tak hingga yang disebut
deret fourier.Deret fourier adalah deret tak terhingga yang
merepresentasikan fungsi periodik dalam bentuk fungsi sinus dan
cosinus. Sebuah fungsi f(x) disebut fungsi periodik jika f(x)
terdefinisi untuk semua bilangan real x, kecuali pada beberapa
titik dan apabila terdapat bilangan positif T, yang disebut periode
dari fungsi f(x) sehingga persamaan 2.6 terpenuhi untuk semua x.
Contoh fungsi periodik yang umum adalah fungsi sinus, cosinus,
tangent, dan cotangent. [kreyzig]
(2.6)Apabila terdapat suatu fungsi f(x) dengan periode T, maka
fungsi tersebut dapat dijabarkan dalam persamaan deret Fourier yang
ditunjukkan oleh persamaan 2.7.
(2.7)Bentuk deret fourier pada persamaan 2.7. dapat diringkas
menjadi persamaan 2.8,
(2.8)dengan adalah frekuensi dasar dari fungsi f(t) yang
dijabarkan dalam persamaan 2.9.
(2.9)Pada persamaan 2.8, dan menyatakan komponen fundamental
dari fungsi f(t). Sedangkan dan merupakan komponen harmonik ke-n
dari fungsi f(t). Apabila n bernilai ganjil maka komponen harmonik
tersebut disebut komponen harmonik ganjil dan bila n bernilai genap
maka komponen harmonik tersebut disebut komponen harmonik genap.
Pada persamaan 2.8, terdapat koefisien yang belum diketahui
nilainya, yaitu a0, an dan bn. Ketiga koefisien tersebut disebut
koefisien fourier yang dapat dicari dengan formula Euler yang
dinyatakan dalam Persamaan 2.10, 2.11, dan 2.12.
(2.10)
(2.11)
(2.12)Persamaan 2.8 dapat dinyatakan dalam bentuk lain yang
ditunjukkan oleh Persamaan 2.13 dan Persamaan 2.14.
(2.13)
(2.14)dengan :
= Fasa Spektrum harmonik ke-n (2.15)
= Amplitudo Spektrum harmonik ke-n (2.16)Berdasarkan persamaan
2.14, jika terdapat data nilai amplitudo dan fasa spektrum harmonik
dari suatu gelombang, maka model persamaan deret fourier dari
gelombang tersebut dapat dibentuk. Model persamaan deret fourier
tersebut dapat menghasilkan bentuk gelombang dan spektrum harmonik
yang mirip dengan bentuk gelombang dan spektrum harmonik dari
gelombang awal.
[hasibuan]_1469526607.vsdTeganganMasukanOsiloskop
I
ResistorUkur 1 M
Dihubungkan pada End-Fitting Elektroda Uji
Dihubungkan pada Ground