ANALISA DISTRIBUSI TEGANGAN PADA PERMUKAAN INSULATOR GANTUNG DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI MATLAB

ANALISA DISTRIBUSI TEGANGAN PADA PERMUKAAN INSULATOR GANTUNG DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI MATLAB Protus P. Kalatiku1 dan Yuli Asmi Rahman2 ABSTRACT This paper present the result of simulation about voltage distribution on insulator surface using Finite Elements Method in applied in PDE Matlab. The design process this simulation consists of 5 steps, there are draw menu, boundary menu, mesh menu, PDE menu, solve menu, also 2 potential electric variables are 20kV and 70 kV. Result of simulation show that the greatest voltage value distributed on surround of pin part which connected with line conductor. The small voltage value distributed on part which far from pin part. Keywords: Insulator, voltage distribution, PDE, potential electric

ABSTRAK Makalah ini menyajikan hasil simulasi tentang distribusi tegangan pada permukaan insulator dengan menggunakan Metode Elemen Hingga yang diaplikasikan pada PDE Matlab. Rancangan proses simulasi ini terdiri dari 5 tahap yaitu menu draw, menu boundary, menu mesh, menu PDE dan menu solve, juga menggunakan 2 variabel tegangan terpaan yaitu 20 kV dan 70 kV. Hasil simulasi yang diperoleh menunjukkan nilai tegangan terbsar terdistribusi pada bagian pin yaitu bagian insulator yang terhubung dengan saluran konduktor. Nilai tegangan yang kecil terdistribusi pada bagian yang jauh dari bagian pin. Kata Kunci : Insulator, distribusi tegangan, PDE, tegangan terpaan

1 2

Dosen Teknik Elektro Universitas Tadulako Dosen Teknik Elektro Universitas Tadulako

Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 4, November 2007

277

1.

PENDAHULUAN

Persoalan isolasi adalah salah satu dari beberapa persoalan yang terpenting dalam teknik tenaga listrik pada umumnya, dan teknik tegangan tinggi pada khususnya, oleh karena menyangkut persoalan pokok bidang teknik, yaitu ekonomi. Isolator (Insulator) yang dipakai dalam setiap peralatan tenaga listrik, terutama paralatan tegangan tinggi merupakan bagian terbesar dari pada biaya yang diperlukan untuk membuat peralatan tersebut. Insulator adalah alat yang berfungsi sebagai isolasi elektrik dan pemegang mekanis dari perlengkapan atau penghantar yang dikenai beda potensial. Dua sifat penting dari insulator yang harus diperhatikan yaitu sifat mekanis dan sifat teknis. Secara mekanis insulator harus cukup kuat untuk menahan beban yang diterimanya (berat penghantar), secara secara elektris insulator harus mampu memisahkan dua bagian yang bertegangan sehingga tidak terjadi kebocoran arus hubung singkat atau dalam gradient tegangan tinggi tidak terjadi lompatan api (flashover). Tegangan yang dikenakan pada insulator gantung jenis ball dan socket (insulator yang digunakan pada saluran transmisi tegangan tinggi) oleh konduktor saluran akan terdistribusi di sepanjang permukaan insulator. Besarnya nilai tegangan yang terdistribusi disetiap titik di sepanjang permukaan insulator gantung akan tergantung pada jarak titik tersebut dari sumber tegangan. Dengan demikian, titik yang berdekatan dengan bagian pin (bagian insulator gantung yang terhubung langsung dengan konduktor saluran) akan mendapatkan 278

nilai tegangan atau tekanan dielektrik terbesar jika dibandingkan dengan bagian permukaan (insulator gantung) lainnya. Distribusi tegangan yang tidak merata pada permukaan insulator gantung akan membatasi kemampuan insulator tersebut untuk menahan tegangan yang dikenakan padanya. 2.

DASAR TEORI

2.1. Insulator Insulator untuk saluran transmisi diklasifikasikan menurut penggunaan dan konstruksinya menjadi insulator gantung (suspension), insulator pasak (pin-type), insulator batang-panjang (long-road), dan insulator pos-saluran (line-pos). (lihat gambar 2.1 dan 2.2). Gandengan insulator gantung pada umumnya dipakai pada saluran transmisi tegangan tinggi, sedangkan insulator batang-panjang dipakai pada daerah dimana pengotoran udara karena garam dandebu banyak terjadi. Kedua jenis yang lain, yaitu insulator pasak dan insulator pos-saluran dipakai pada saluran transmisi dengan tegangan yangrelatif lebih rendah (kurang dari 2233 KV). Pada insulator gantung dikenal dua jenis, yaitu jenis clevis dan jenis ball & socket, yang masing-masing terbuat dari porselin dengan tutup (cap) dari besi tempaan (malleable iron) dan pasak baja, yang keduanya diikatkan pada porselin dengan semen berkualitas baik. Ukuran yang dikenal adalah insulator gantung dengan piringan bergaris tengah 250 mm (ukuran standar di Jepang), 18 mm, 280 mm, dan 320 mm, masingmasing dengan rating gaya mekanis 12.000 kg, 16.500 kg, 21.000 kg, dan Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.4, November 2007

30.000 kg. Insulator gantung digandenggandengkan menurut kebutuhan isolasi karena tegangannya. Insulator pasak dan pos saluran terbuat dari porselin, yang bagian bawahnya diberi tutup (cap) dari besi cor yang disemenkan pada porselen serta pasak baja yang disekrupkan. Oleh karena jenis insulator ini dipakai sendiri serta kekuatan mekanisnya rendah, maka tidak dibuat dalam ukuran yang besar. Insulator batang panjang mempunyai sedikit bagian logam sehingga tidak mudah menjadi rusak. Oleh karena rusuknya yang sederhana maka jenis insulator ini mudah dicuci oleh hujan sehingga insulator jenis ini cocok ditempatkan pada daerah yang banyak dikotori oleh garam dan debu. 2.2. Karakteristik Listrik Insulator Insulator terdiri dari badan porseli yang diapik oleh elektroda-elektroda. Dengan demikian, insulator merupakan sebuah kapasitansi. Kapasitansi ini diperbesar oleh terjadinya lapisan yang menghantarkan listrik karena kelembaban udara, debu, dan bahan-

bahan lainnya pada permukaan insulator, akibatnya distribusi tegangan pada sebuah gandengan insulator tidak seragam. Potensial pada bagian yang terkena tegangan (ujung saluran) adalah paling besar sesuai gambar 2.3. dengan memasang tanduk busur api (arcing horn) maka distribusi tegangan dapat diperbaiki sesuai gambar 2.4. Tegangan lompatan api pada insulator terdiri atas tegangan lompatan api pada frekuensi rendah dan tegangan impuls. Tegangan lompatan api frekuensi rendah terdiri atas Tegangan lompatan api frekuensi rendah basah dan Tegangan lompatan api frekuensi rendah kering. Tegangan lompatan api frekuensi rendah kering adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila tegangan dikenakan diantara kedua elektroda yang bersih dan kering permukaannya (nilainya konstan serta merupakan nilai dasar dari karakteristik insulator). Sedangkan, Tegangan lompatan api frekuensi rendah basah adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila tegangan dikenakan diantara kedua elektroda insulator yang basah karena hujan atau dibasahi untuk menirukan keadaan hujan.

Gambar 2. (a) insulator gantung 250 mm, (b) insulator gantung jenis ball & socket 250 mm Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 4, November 2007

279

Gambar 2.2 (a) insulator pasak, (b) insulator batang-panjang, (c) insulator pos-saluran

2.3. Pemburukan Insulator Insulator dapat berkurang daya isolasinya akibat pemakaian bertahuntahun, misalnya mengalami keretakan pada porselinnya. Proses ini dinamakan pemburukan (deterioration) insulator. Sebab-sebab utama penyebab pemburukan adalah proses kimiawi dan terbentuknya pembekuan semen karena panas diberbagai bagian akibat arus bocor pada permukaan insulator. Untuk mencegah proses pemburukan dilakukan hal-hal sebagai berikut : 1) Meninggikan kuat mekanis dari bagian porselin; 2) Membatasi pengembangan kimiawi dari bagian-bagian semen; 280

3) Mengecek bagian-bagian semen; 4) Tidak menggunakan semen dalam lapisan porselin. Insulator pasak paling banyak mengalami proses pemburukan sehingga sering menyebabkan gangguan saluran transmisi, sedangkan pada insulator gantung, insulator batang-panjang, dan insulator pos-saluran jarang mengalami proses pemburukan. Sehingga gangguan pada saluran transmisi jarang terjadi. 2.4. PDE Matlab MATLAB adalah Matrix Laboratory. Matlab adalah merupakan suatu bahasa pemrograman yang mengJurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.4, November 2007

Gambar 2.3 Distribusi tegangan pada gandengan insulator (tanpa tanduk busur api)

Gambar 2.4 Distribusi tegangan pada gandengan insulator (dengan tanduk busur api)

Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 4, November 2007

281

integrasikan perhitungan, visualisasi, dan programming dalam suatu metode sederhana, dimana permasalahan dan penyelesaiannya dinyatakan dalam notasi matematika umum. Matlab memberikan suatu solusi aplikasi khusus yang disebut toolboxes yang memungkinkan menerapkan teknologi khusus toolboxes (M-Files) adalah fasilitas Matlab yang menyeluruh dan berfungsi memecahkan tingkat-tingkat permasalahan tertentu. Salah satunya adalah, toolbox Partial Differential Equation (PDE). PDE didiskritkan ke dalam metode elemen hingga (fem). Toolbox PDE dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah aplikasi : • Mekanikal structural; • Elektro statik; • Magnet statik; • Daya elektromagenitk AC; • Media konduktif DC; • Perpindahan panas, dll…. 2.5. Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga adalah metode pendekatan secara analisis numeric untuk mencari penyelesaian terhadap suatu persoalan fisika yang dirumuskan dalam suatu persamaan differensial berdasarkan syarat batasnya. Metode pendekatan dilakukan dengan membagi daerah yang ditinjau (domain) menjadi beberapa elemen dengan batasbatas tertentu. 3.

RANCANGAN SIMULASI

Insulator gantung jenis ball & socket dipilih sebagai obyek simulasi distribusi tegangan pada insulator gantung. Simulasi ini menggunakan perangkat PDE toolbox MATLAB yang 282

didalamnya telah terintegrasi aplikasi metode elemen hingga. Proses simulasi ini dapat dibagi dalam 5 tahap, yaitu 1) Menentukan geometri (menu draw); 2) Menentukan kondisi batas (menu boundary); 3) Menentukan persamaan differensial partial (menu PDE); 4) Membuat mesh segitiga (menu mesh); 5) Menyelesaikan persamaan differensial (menu solve). 3.1. Menu Draw Sebelum masuk ke menu draw, sebagai langkah awal dalam menggambar model Constructive Solid Geometry (CSG) dari insulator gantung pada PDE toolbox harus ditentukan dulu jenis aplikasi yang digunakan. Untuk masalah distribusi tegangan pada permukaan insulator gantung digunakan aplikasi electrostatics. Model CSG dari insulator gantung tampak pada Gambar 3.1. Setelah model CSG insulator gantung terbentuk. Kemudian dibuat formulasi dari label-label bangun elips dan persegi agar didapat bentuk geometriks dari insulator gantung pada bagian set formula yang berada di atas gambar. 3.2. Menu Boundary Tahap kedua adalah membuat bentuk batas insulator dengan memilih submenu boundary mode. Untuk menampilkan label batas tepi dipilih submenu show edge labels. Seperti terlihat pada gambar 3.2.

Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.4, November 2007

Gambar 3.1 model CSG insulator gantung

Gambar 3.2 bentuk batas insulator gantung Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 4, November 2007

283

Gambar 3.3 kotak dialog boundary condition

Gambar 3.4 PDE Mode

Untuk menentukan kondisi batas dari batas tepi, dipilih submenu specify boundary condition. Seperti tampilan gambar kotak dialog pada gambar 3.3. Pada koefisien r merupakan nilai tegangan terpaan, untuk tegangan terpaan 20 kV, r=20 dan untuk tegangan terpaan 70 kV r=70.

koefisien serta nilai PDE yang akan digunakan. Setelah memilih submenu PDE Mode maka akan tampil gambar 3.4. Untuk menentukan jenis PDE yang akan digunakan pilih submenu specification, sehingga muncuk kotak dialog seperti gambar 3.5.

3.3. Menu PDE

3.3. Menu Mesh

Tahap menentukan

Tahap selanjutnya adalah membuat mesh segitiga dengan memilih submenu

284

berikutnya adalah jenis PDE dan nilai

Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.4, November 2007

Gambar 3.6 Mesh segitiga pada insulator gantung

Gambar 3.7 kotak dialog mesh parameters Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 4, November 2007

285

Gambar 3.8 kotak dialog solve parameters

inizialize mesh dan mengisi nilai parameter seperti masing-masing tampak pada gambar 3.6 dan gambar 3.7.

Tahap terakhir adalah menyelesaikan PDE yaitu distribusi tegangan pada permukaan insulator gantung dengan memilih submenu parameter sesuai gambar 3.8.

yaitu tahap menu solve. Setelah memasukkan nilai parameter pada kotak dialog solve parameter selanjutnya memasukkan perintah pada submenu solve PDE sehingga pada layar munculan tampilan seperti gambar 4.1 dan gambar 4.2. Perintah ini dilakukan 2 kali yaitu untuk tegangan terpaan 20 kV dan 70 kV. Distribusi tegangan pada permukaan insulator ditunjukkan dalam bentuk distribusi warna.

4.

4.2. Analisa

3.4. Menu Solve

HASIL SIMULASI DAN ANALISA

4.1. Hasil Simulasi Hasil simulasi distribusi tegangan pada permukaan insulator dapat ilihat pada tahap akhir rancangan simulasi 286

Dari gambar 4.1 dan gambar 4.2 dapat dilihat bahwa, distribusi tegangan pada permukaan insulator gantung baik dengan nilai tegangan terpaan 20 kV dan 70kV tidak merata. Nilai tegangan yang terbesar, dapat terlihat pada sekitar Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.4, November 2007

Gambar 4.2 simulasi distribusi tegangan pada permukaan insulator gantung dengan tegangan terpaan 70 kV

bagian tengah bawah (bagian pin) yaitu bagian yang terhubung langsung dengan konduktor saluran dari insulator gantung, sedangkan pada bagian permukaan lainnya nili tegangannya lebih rendah. Besarnya nilai tegangan yang terdistribusi di setiap titik di sepanjang permukaan insolator gantung bergantung pada jarak titik tersebut dari bagian pin. Demikian, untuk titik yang berdekatan dengan bagian pin akan mendapatkan nilai tegangan atau tekanan dielektrik terbesar jika dibandngkan dengan bagian permukaan insolator gantung lainnya. Distribusi tegangan yang tidak merata pada permukaan insulator gantung akan membatasi kemampuan insultor untuk menahan tegangan yang diterpakan pada insulator tersebut.

Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 4, November 2007

5.

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan 1) Nilai tegangan terbesar pada permukaan isolator terletak pada bagian yang berdekatan dengan pin, sedagkan yang terkecil pada bagian kapya; 2) Tegangan yang tidak terdistribusi secara merata pada permukaan tegangan yang menerpanya. 5.2. Saran Penggunaan perangkat lunak Partial Differential Equation Toolbox dari Matlab yang didalamnya telah terintegrasi aplikasi Metode Elemen Hingga (FEM) dapat dikembangkan untuk masalah : 287

1) Elektrostatis dari elektrik dan media konduktif; 2) Aliran potensial; 3) Perambatan gelombang harmonis dan transient dalam bentuk gelombang suara dan medan listrik; 4) Media konduktif DC medan static; 5) Dan lain-lain.

DAFTAR PUSTAKA Arismunandar, A. dan S. Kuwara (1979), Buku Pegangan Teknik

288

Tenaga Listrik, jilid II, PT. Pradnya Paramita, Jakarta Gunaidi, Abdi Away (2006), the Shortcut of MATLAB Programming, Informatika Bandung Hutauruk, T.S. (1996), Transmisi Daya Listrik, Jurusan Elektroteknik, Fakultas Teknologi Industri, Erlangga,. Gonen, Turan (1986), Electric Power Distribution System Engineering, McGraw-Hill Theodore, Wildi (1991), electrical machiner driver and power systems, Prentice hall

Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.4, November 2007