ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS

TUGAS AKHIR – TE 141599

ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS Rifqi Jauhari NRP 2213100061 Dosen Pembimbing Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, ST., M.Sc. Ir. Ni Ketut Aryani, MT. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

Halaman ini sengaja dikosongkan

FINAL PROJECT – TE 141599

PHYSICAL AND ELECTRICAL CHARACTERISTIC ANALYSIS FOR THE LIFE TIME ESTIMATION OF TRANSFORMER OIL USING ARRHENIUS LAW Rifqi Jauhari NRP 2213100061 Advisors Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, ST., M.Sc. Ir. Ni Ketut Aryani, MT. DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017




ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS Nama Pembimbing I Pembimbing II

: Rifqi Jauhari : Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, S.T., M.Sc. : Ir. Ni Ketut Aryani, MT. ABSTRAK

Studi ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik fisik dan elektrik dari isolasi minyak transformator disebabkan oleh tekanan termal, serta mengetahui estimasi umur dari isolasi minyak dalam tekanan termal. Eksperimen yang dilakukan adalah percepatan penuaan secara termal pada isolasi minyak menggunakan pemanas listrik dengan durasi waktu 168 jam dengan temperatur 1000C, 96 jam dengan temperatur 1150C, dan 48 jam dengan temperatur 1250C. Dari hasil eksperimen dilakukan analisa karakteristik fisik dengan cara pengamatan visual terhadap perubahan warna dan melakukan pengujian tegangan tembus untuk mengetahui karakteristik elektrik dari isolasi minyak. Kemudian dilakukan perhitungan untuk estimasi umur isolasi menggunakan pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus. Pada eksperimen dengan temperatur 1000C, 1150C, dan 1250C didapatkan karakteristik fisik dengan warna yang berubah menjadi semakin keruh (hitam) dan untuk karakteristik elektrik didapatkan dengan nilai tegangan tembus yang semakin menurun. Estimasi umur isolasi minyak menggunakan pendekatan Hukum Arrhenius didapatkan pada temperatur 1000C sebesar 25663.2 jam, 1150C sebesar 4300.57 jam, dan 1250C sebesar 1408.71 jam. Untuk estimasi umur menggunakan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus didapatkan pada temperatur 1000C sebesar 20064.96 jam, 1150C sebesar 1526.57 jam, dan 1250C sebesar 1106.76 jam. Kata Kunci : Minyak Transformator, Penuaan, Karakteristik Fisik, Karakteristik Elekrik, Hukum Arrhenius, Tegangan Tembus, Estimasi Umur

i


ii

PHYSICAL AND ELECTRICAL CHARACTERISTIC ANALYSIS FOR THE LIFE TIME ESTIMATION OF TRANSFORMER OIL USING ARRHENIUS LAW Name 1st Advisor 2nd Advisor

: Rifqi Jauhari : Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, S.T., M.Sc. : Ir. Ni Ketut Aryani, MT. ABSTRACT

This study was implemented to know the physical characteristics and electric from isolation oil transformer caused by thermal stress, and to know the life time estimation of isolation oil in thermal stress. This experiment was implemented with thermally accelerated aging in isolating oils using an electric oven with duration of time 168 hours at a temperature 1000C, 96 hours at a temperature 1150C, and 48 hours at a temperature 1250C. From the results of experiments, that can be conclude an analysis of physical characteristics can be observed by visual observation of the color change and perform tests to determine the breakdown voltage characteristics of the electrical isolation oil. Then calculate the life time estimation of isolation using the Law of Arrhenius and the electrical isolation voltage endurance. In experiments with a temperature of 100 0C, 1150C, and 1250C obtained with the physical characteristics of the color change is increasing turbid (black) and the electrical characteristics is obtained by decreasing the value of breakdown voltage. Life time estimation of isolation oil using the Law of Arrhenius at a temperature of 1000C is 25663.2 hours, temperature of 1150C is obtained 4300.57 hours, and temperature of 1250C is obtained 1408.71 2 hours. Estimation life time used Electrical Isolation Voltage Endurance at a temperature of 100 0C is obtained 20064.96 hours, at a temperature of 115 0C is obtained 1526.57 hours, and at a temperature of 1250C is obtained 1106.76 hours.

Keywords: Oil Transformer, Aging, Physical Charateristic, Electrical Characteristic, Arrhenius Law, Breakdown Voltage, Life Time Oil `

iii


iv

KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur, kehadirat Allah Subhanahu wa ta’ala yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya Shalawat serta salam tidak lupa penulis panjatkan kepada Rasulullah Muhammad shallallahu ‘alaihi wa sallam. Sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Analisa Karakteristik Fisik dan Elektrik untuk Estimasi Umur Minyak Transformator Menggunakan Hukum Arrhenius ”. Pengerjaan Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana pada bidang Teknik Sistem Tenaga, Jurusan Elektro, Fakultas Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Dalam pelaksanaan dan pembuatan Tugas Akhir ini tentunya sangat banyak bantuan yang penulis terima dari berbagai pihak. Melalui lembar ini, penulis ingin secara khusus menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Bapak I Made Yulistya Negara dan Ibu Ni Ketut Aryani atas segala pengetahuannya dan waktunya dalam membimbing penulis sampai terselesaikannya Tugas Akhir ini. 2. Kedua orang tua penulis, Bapak Lukman Hakim Jauhari dan Mama Sri Purwaning Untari yang telah memberikan nasihat, semangat, do’a dan dukungan materil kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan tepat pada waktunya. 3. Adik dan Kakak, serta keluarga besar yang selalu memberikan do’a, hiburan dan semangat kepada penulis selama mengerjakan Tugas Akhir 4. Seluruh dosen, staff, dan karyawan Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. 5. Teman–teman Angkatan 2013 atas semangat dan motivasi selama menempuh kuliah jurusan Teknik Elektro. 6. Teman-teman Laboratorium Tegangan Tinggi yang selalu membantu dan memberi hiburan kepada penulis selama mengerjakan Tugas Akhir. 7. Rahma Fida Fadhilah yang ada selalu untuk mengingatkan, memberi dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan Tugas Akhir. 8. Teman-teman Eclus yang telah menemani, memberikan semangat dan hiburan selama menempuh kuliah di jurusan Teknik Elektro. v

9.

Karyawan PT. Bambang Djaja yang telah membantu memberikan bantuan untuk Tugas Akhir. 10. Pihak-pihak lain yang belum bisa penulis sebutkan satu per satu yang ikut membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir.

Penulis berharap semoga Tugas Akhir ini bermanfaat dan berguna bagi penulis khususnya dan juga bagi para pembaca pada umumnya.

Surabaya, Januari 2017

Penulis

vi

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PERNYATAAN LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK ……………………………………………………... ABSTRACT…………………………………………………….. KATA PENGANTAR…………………………………………... DAFTAR ISI……………………………………………………. DAFTAR GAMBAR……………………………………………. DAFTAR TABEL……………………………………………….

i iii v vii xi xv

BAB I PENDAHULUAN………………………………………. 1.1 Latar Belakang……………………………………….. 1.2 Sistematika Laporan……………………………….....

1 1 4

BAB II TRANSFORMATOR DAYA DAN ISOLASI CAIR…... 2.1Transformator…………………………...……………. 2.1.1Transformator Daya……………………... ……. 2.1.2 Jenis Gangguan Internal pada Transformator…. 2.2 Isolasi Minyak pada Transformator………..………… 2.2.1 Jenis Isolasi Minyak Transformator…………… 2.2.2 Isolasi Minyak Mineral………………………… 2.2.3 Karakteristik Fisik Isolasi Minyak……………... 2.2.4 Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak…………. 2.2.5 Karakteristik Kimia Isolasi Minyak………...…. 2.2.6 Standar Pengujian Karakteristik Isolasi Minyak.. 2.3 Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair di Transformator... 2.3.1 Teori Kegagalan Zat Murni atau Elektronik...…. 2.3.2 Teori Kegagalan Gelembung Udara………...…. 2.3.3 Teori Kegagalan Bola Cair………..………...…. 2.3.3 Teori Kegagalan Butiran Padat…...………....…. 2.4 Penuaan Isolasi Minyak Transformator……..……….. 2.5 Proses Percepatan Penuaan Termal…..……..……….. 2.6 Standar Warna Minyak Transformator………………. 2.7 Dasar Pengujian Tegangan Tinggi…………………… 2.8 Penerapan Model Hukum Arrhenius………………… 2.9 Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus………

7 7 8 9 9 10 10 11 12 13 14 14 15 17 19 22 25 28 30 31 32 34

vii

BAB III EKSPERIMEN PERCEPATAN PENUAAN TERMAL, PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA………. 3.1 Identifikasi Masalah………………………………….. 3.2 Metodologi Penelitian ……………………………….. 3.3 Peralatan Eksperimen….…………………………….. 3.3.1 Pengkondisian Sampel Uji Isolasi Minyak ……. 3.3.2 Percepatan Penuaan Minyak Secara Termal…... 3.3.3 Pengamatan Visual untuk Karakteristik Fisik … 3.3.4 Pengujian Tegangan Tembus………………….. 3.4 Estimasi Umur Isolasi Minyak Transformator………. 3.4.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Menggunakan Pendekatan Hukum Arrhenius…………………. 3.4.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Menggunakan Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus ……………………………. BAB IV ANALISIS DATA……………………………………... 4.1 Analisa Pengaruh Penuaan terhadap Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Setelah Percepatan Penuaan Termal……………………………………………….. 4.1.1 Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Temperatur 1000C……………………………… 4.1.2 Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Temperatur 1150C……………………………… 4.1.2 Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Temperatur 1250C……………………………… 4.1.3 Perbandingan Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak ……………...…………………………. 4.2 Analisa Pengaruh Penuaan terhadap Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Setelah Percepatan Penuaan Termal ………………………………………………. 4.2.1 Analisa Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Temperatur 1000C……………………………… 4.2.2 Analisa Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Temperatur 1150C……………………………… 4.2.3 Analisa Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Temperatur 1250C……………………………… viii

37 37 38 39 39 42 45 46 49 49

51 55

55 56 58 61 63

65 65 67 68

4.2.4

Analisa Karakteristik Elektrik Tegangan Tembus Isolasi Minyak………………………… 4.3 Estimasi Umur Isolasi Minyak Transformator……….. 4.3.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Pendekatan Hukum Arrhenius……………………………… 4.3.2 Estimasi Umur Isolasi Minyak Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus... 4.3.3 Perbandingan Estimasi Menggunakan Pendekatan Hukum Arrhenius dengan Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus………………………………

70 72 72 77

85

BAB V PENUTUP………………………………………………. 5.1 Kesimpulan …………………………………………... 5.2 Saran ………………………………………………….

87 87 88

DAFTAR PUSTAKA …………………………………………... RIWAYAT HIDUP PENULIS ………………………………….

89 91

ix


x

TABLE OF CONTENTS TITLE STATEMENT SHEET APPROVAL SHEET ABSTRAK ……………………………………………………............... ABSTRACT …………………………………………………………….. PREFACE …………………………………………............................ TABLE OF CONTENT ……………………………………………….. LIST OF FIGURES …………………………………………………… LIST OF TABLES ……………………………………………………...

i iii v vii xi xv

CHAPTER I PREFACE ……………………………………………... 1.1 Background ……………………………………………….. 1.2 Systematic of Report Writing …………………...............

1 1 4

CHAPTER II POWER TRANSFORMER AND LIQUID INSULATION………………………………………………………….. 2.1 Transformer…………………………...………………….. 2.1.1 Power Transformer ……………………... ……….. 2.1.2 Disturbance Types On Transformer …………..… 2.2 Insulating Oil in Transformer………..………………….. 2.2.1 Type of Insulation Oil Transformer ……………... 2.2.2 Insulation Mineral Oil…………………………….. 2.2.3 Physical Characteristic of Insulation Oil ……..... 2.2.4 Electrical Characteristic of Insulation Oil …….. 2.2.5 Chemical Characteristic of Insulation Oil..…… 2.2.6 Standard Test Characteristic of Insulation Oil… 2.3 Failure Mechanisms of Liquid Insulation ……………... 2.3.1 Pure Substance or Electronic Failure...………… 2.3.2 Air Bubbles Failure ………...…………………….. 2.3.3 The Ball Liquid Failure ………..………...……….. 2.3.3 Granules Solid Failure …...………....……………

7 7 8 9 9 10 10 11 12 13 14 14 15 17 19 22

vii

CHAPTER III ACCELERATION OF AGING TERMAL EXPERIMENTAL, TESTING METHODS AND DATA PROCESSING…………………………………………………………. 3.1 Identification Problem …………………………………… 3.2 Research Methodology ………………………………….. 3.3 Equipment Experiment .………………………………….. 3.3.1 Conditioning a Test Sample of Insulation Oil ….. 3.3.2 The Acceleration of Aging Oil in Thermal …...... 3.3.3 The Visual Observation to The Physical Characteristics…………………………………...... 3.3.4 Breakdown Voltage Test………………………….. 3.4 Estimation Life Time Insulation Oil transformer……. 3.4.1 Estimation Life Time Oil Used Arrhenius Law... 3.4.1 Estimation Life Time Oil Used Insulation Voltage Endurance ……………………………….. CHAPTER IV DATA ANALYSIS…………………………………….. 4.1 Analysis The Influence of Aging to Characteristic of Physical Isolation Oil After The Acceleration of Aging Thermal …………………………………………………… 4.1.1 Analysis of The Physical Characteristics Isolation Oil at 1000C……………………………… 4.1.2 Analysis of The Physical Characteristics Isolation Oil at 1150C……………………………… 4.1.2 Analysis of The Physical Characteristics Isolation Oil at 1250C……………………………… 4.1.3 Comparison Analysis of The Physical Characteristics Isolation Oil …………………….. 4.2 Analysis The Influence of Aging to Characteristic of Electric Isolation Oil after The Acceleration of Aging Thermal …………………………………………………… 4.2.1 Analysis of The Electric Characteristics Isolation Oil at 1000C………………………… 4.2.2 Analysis of The Electric Characteristics Isolation 1150C…………………………………….. 4.2.3 Analysis of The Electric Characteristics Isolation 1250C…………………………………….. 4.2.4 Electric Characteristics Brekdown Voltage Analysis……………………………………………... viii

37 37 38 39 39 42 45 46 49 49 51 55

55 56 58 61 63

65 65 67 68 70

4.3 Estimation Life Time Isolation Oil Transformer ……… 4.3.1 Estimation Life Time Oil Used Arrhenius Law… 4.3.2 Estimation Life Time Oil Used Insulation Voltage Endurance.............................................. 4.3.3 Comparison Estimation Used The Arrhenius Law With The Insulation Voltage Endurance.…..

72 72

CHAPTER V CLOSING……………………………………………….. 5.1 Conclusion …………………………………………........... 5.2 Suggestions …………………………………………………

87 87 88

BIBLIOGRAPHY………… …………………………………………... CURRICULUM VITAE ……………………………………………….

89 91

ix

77 85


x

DAFTAR GAMBAR Hal Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3

Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6

Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 3.1 Gambar 3.2

Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9

Bagian dan Prinsip kerja transformator Transformator Daya Struktur hidrokarbon pada minyak mineral dari Parafins (a),struktur dari Neftinis (b), struktur dari Aromatik Kegagalan elektronik Kegagalan kavitas pada media isolasi cair Grafik perbandingan hasil perhitungan sesuai dengan teori kekuatan gagal medan gelembung dengan hasil percobaan Sferoida Grafik hubungan kuat medan listrik terhadap nilai γ Bola air yang memanjang memicu kegagalan Kegagalan butiran padat dalam media isolasi cair Mekanisme laju degradasi pada isolasi minyak Kurva bak mandi dari estimasi umur transformator Grafik Tegangan dan Waktu Pengujian merusak (destructive) Pengkondisian pemanasan pada gelas beaker 500 ml Katalis berupa kawat temabaga dengan panjang 10 cm (a). Sampel uji isolasi minyak Nynas Nytro Libra 500 ml dalam gelas beaker(b) Pengkondisian sampel uji isolasi minyak menggunakan katalis berupa kawat tembaga Kelompok sampel uji temperatur 1000C Proses pemanasan sampel isolasi minyak di dalam pemanas listrik (oven) Pengukuran temperatur pada 1000C Pengukuran temperatur pada 1150C Pengukuran temperatur pada 1250C Alat uji tegangan tembus Magger OTS80PB di Quality Control PT. Bambang Djaja xi

7 8 11

15 17

18 19 20 22 22 27 27 31 41

42 42 43 43 44 45 45 47

Gambar 3.10

Gambar 3.11 Gambar 3.12 Gambar 4.1

Gambar 4.2

Gambar 4.3

Gambar 4.4

Gambar 4.5

Gambar 4.6

Gambar 4.7

Gambar 4.8

Proses jalanya arah gelembung gas pada posisi elektroda vertikal(a). Proses jalanya arah gelembung gas pada posisi elektroda horisontal(b) Bejana pengujian tegangan tembus pada Magger OTS80PB Elektroda berbentuk jamur dengan jarak 2,5 mm Penampilan tampak depan sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 96 jam(d), 120 jam(e), dan 168 jam(f) pada temperatur 1000C Penampilan tampak atas sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 96 jam(d), 120 jam(e), dan 168 jam(f) pada temperatur 1000C Penampilan tampak depan sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 72 jam(d), dan 96 jam(e), pada temperatur 1150C Penampilan tampak atas sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 72 jam(d), dan 96 jam(e), pada temperatur 1150C Penampilan tampak bawah sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 72 jam (a) dan durasi waktu 96 jam (b) pada temperatur 1150C Penampilan tampak depan sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 6 jam (b), 12 jam (c), 24 jam(d), 36 jam(e), dan 48 jam(f) pada temperatur 1250C Penampilan tampak atas sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 6 jam (b), 12 jam (c), 24 jam(d), 36 jam(e), dan 48 jam(f) pada temperatur 1250C Penampilan tampak bawah sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 48 jam pada temperatur 1250C

xii

48 48 48

56

57

58

59

60

61

62

63

Gambar 4.9

Gambar 4.10

Gambar 4.11

Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16

Gambar 4.17

Gambar 4.18 Gambar 4.19 Gambar 4.20 Gambar 4.21

Penampilan visual sampel uji isolasi minyak dengan pengurutan sesuai durasi waktu pada temperature 1000C Penampilan visual sampel uji isolasi minyak dengan pengurutan sesuai durasi waktu pada temperature 1150C Penampilan visual sampel uji isolasi minyak dengan pengurutan sesuai durasi waktu pada temperature 1250C Grafik data tegangan tembus antara tegangan tembus dan durasi waktu pada temperatur 100 0C Grafik data tegangan tembus antara tegangan tembus dan durasi waktu pada temperatur 115 0C Grafik data tegangan tembus antara tegangan tembus dan durasi waktu pada temperatur 125 0C Gafik tren penurunan tegangan tembus isolasi minyak pada variasi temperatur yang berbeda Kurva Arrhenius pada percepatan penuaan sampel uji isolasi minyak transformator bejenis minyak mineral dalam variasi temperatur Kurva Estimasi Umur Isolasi Minyak pada variasi temperatur antara 850C-1500C dengan ∆T = 50C Kurva persamaan eksponensial tegangan tembus pada temperatur 1000C Kurva persamaan eksponensial tegangan tembus pada temperatur 1150C Kurva persamaan eksponensial tegangan tembus pada temperatur 1250C Grafik eksponensial perbandingan estimasi umur isolasi minyak transfomator

xiii

63

64

64 66 68 69 71

75

77 82 83 84 86


xiv

DAFTAR TABEL Hal Tabel 2.1 Tabel 2.2 Tabel 2.3 Tabel 2.4 Tabel 3.1

Tabel 3.2 Tabel 3.3 Tabel 3.4 Tabel 4.1

Tabel 4.2

Tabel 4.3

Tabel 4.4

Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8

Karakteristik isolasi minyak dan standar metode pengujian Petunjuk untuk melihat warna minyak transformator Kategori peralatan berdasarkan tegangan operasinya Aplikasi dan interpretasi dari tes pengujian tegangan tembus Karakteristik dan spesifikasi isolasi minyak berjenis minyak mineral berlebel Nynas Nitro Libra Jadwal kelompok sampel uji isolasi minyak untuk eksperimen percepatan penuaan termal Penamaan sampel pada sampel uji isolasi minyak Standar dielectric strength minyak isolasi Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal pada temperatur 1000C Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal pada temperatur 1150C Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal pada temperatur 1250C Nilai hasil perhitungan dari eksperimen percepatan penuaan sesuai temperatur dan durasi waktu yang diterapkan Estimasi umur isolasi minyak secara ekesperimen Temperatur saat pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak pada saat 1000C Temperatur saat pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak pada saat 1150C emperatur saat pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak pada saat 1250C

xv

14 30 35 36

40 44 46 52

65

67

69

73 76 79 80 81


xvi

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang Pada sistem tenaga listrik menggunakan sistem tegangan AC (Alternating Current) mulai dari pembangkitan, transmisi hingga distribusi, transformator merupakan salah satu aset yang paling penting dan berharga dalam penyaluran tenaga listrik. Transformator berfungsi sebagai mentransformasikan tegangan tanpa mengubah frekuensi dari listrik yang dibangkitkan. Dalam operasi sistem tenaga listrik transformator tidak lepas dari fenomena kegagalan, baik berupa kegagalan termal, kegagalan mekanik, maupun kegagalan elektrik. Jika kegagalan terjadi secara terus menerus maka akan mengurangi dari umur transformator itu sendiri, bahkan dapat menyebabkan kerusakan yang fatal pada transformator. Kehandalan kerja transformator perlu dikontrol secara kontinu untuk kerja transformator efektif dan dapat dioperasikan secara kontinu. Jika terjadi kerusakan pada transformator, maka untuk perbaikannya, dibutuhkan waktu yang tidak singkat dan tidak mudah untuk diperbaiki. Hal ini nantinya akan berdampak pada kerugian finansial yang sangat besar. Transformator daya yang bekerja secara kontinu selama 24 jam akan memiliki suatu batasan umur yang efektif, dimana hal ini akan menunjukkan apakah transformator tersebut masih layak dan handal untuk dioperasikan ke dalam sistem tenaga listrik atau tidak memungkinkan untuk dioperasikan. Kelangsungan kinerja dari transformator sangat bergantung pada kualitas sistem isolasinya. Salah satu sistem isolasi pada transformator yang sering digunakan adalah pada kualitas isolasi minyak transfomator. Menurut standar pada IEEE, umur untuk pemakaian transformator daya hingga 180000 jam atau 20,55 tahun, sedangkan menurut standar IEC tidak dapat ditentukan secara spesifik, tetapi diperkirakan umur transformator hingga 30 tahun tergantung pada tingkat penuaan yang dipengaruhi oleh suhu hotspot. Terdapat beberapa fenomena kegagalan pada transformator yang salah satu penyebabnya adalah adanya panas berlebih yang sering terjadi pada sistem isolasi transformator. Terdapat beberapa faktor yang menimbulkan panas pada transformator, seperti: pembebanan berlebih pada transformator, pelepasan beban muatan, pemanasan dielektrik, Arus Eddy, rugi histerisis, adanya proses oksidasi yang menghasilkan karat, lingkungan sekitar dengan suhu yang tinggi, dan lain sebagainya. 1

Suhu yang tinggi ini menjadi parameter yang paling banyak berpengaruh terhadap penuaan pada sistem isolasi transformator, sehingga transformator memerlukan sistem pendingin untuk mengontrol suhu yang tinggi akibat berbagai faktor. Suhu yang tinggi akan memicu reaksi berantai yang akan mempercepat penurunan umur dan kualitas kerja dari sistem isolasi transformator, baik pada isolasi minyak maupun isolasi kertas pada transformator, dan menimbulkan turunnya efektifitas kerja sistem pendingin sehingga nantinya mengakibatkan transformator mengalami kerusakan. Penuaan isolasi minyak pada transformator akan menyebabkan penurunan terhadap kehandalan dan umur transformator. Selain berdampak pada kerugian finansial yang besar, hal ini juga akan berpengaruh terhadap kualitas tenaga listrik yang disuplai kepada pelanggan. Dalam studi ini, dilakukan analisa dan estimasi umur minyak transformator dengan melakukan percepatan penuaan termal pada isolasi minyak transformator melalui eksperimen dan menganalisis pengaruh percepatan penuaan termal terhadap karakteristik fisik dan elektrik isolasi minyak serta mengestimasi umur isolasi minyak transformator menggunakan Hukum Arrhenius. Melalui studi ini, hasil yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat dalam dunia tenaga listrik, khususnya pada pengkajian estimasi umur minyak transformator sehingga dapat mengambil langkah-langkah efektif dan preventif dalam menangani permasalahan yang berkaitan dengan isolasi minyak transformator, baik dalam penggantian maupun purifikasi minyak transformator. Berdasarkan uraian di atas penelitian ini berjudul “Analisa Karakteristik Fisik dan Elektrik Untuk Estimasi Umur Minyak Transformator Menggunakan Hukum Arrhenius” Permasalahan yang akan dibahas dalam studi ini yaitu menganalisa karakteristik fisik dan elektrik dari isolasi minyak transformator setelah dan sebelum dilakukan percepatan penuaan termal, serta melakukan estimasi umur minyak transformator menggunakan Hukum Arrhenius dan dibandingkan dengan menggunakan ketahan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan. Tujuan dari studi ini adalah mensimulasikan percepatan penuaan termal pada isolasi minyak transformator melalui eksperimen dan mengetahui karakteristik fisik dan elektrik pasca penuaan termal serta memprediksi estimasi umur dari isolasi minyak transformator menggunakan Hukum Arrhenius.

2

Dalam menyelesaikan permasalahan pada studi ini diperlukan batasan permasalahan. Objek yang diuji adalah minyak mineral jenis Nynas Nitro Libra sebagai isolasi minyak transformator. Dalam melakukan penuaan percepatan termal, dilakukan sesuai dengan standar IEC 61125. Dalam menganalisa pengaruh penuaan termal hanya dilakukan terhadap karakteristik fisik, yaitu pengamatan secara visual terhadap perubahan fisik minyak dan karakteristik elektrik, yaitu tegangan tembus minyak isolasi. Dalam pengolahan data estimasi umur minyak transformator menggunakan hukum Arrhenius yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std. 101-1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data” dan dibandingkan dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std 930 1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electricl Insulation Voltage Endurance Data”. Dalam studi ini, diperlukan metode penelitian yang tepat agar pelaksanaan studi sesuai dengan perencanaan. Metode penelitian pada studi ini meliputi studi literatur, persiapan dan pengkondisian sampel, eksperimen penuaan percepatan termal, pengambilan data, pengolahan data dan estimasi umur minyak transformator dan kesimpulan. Dalam studi literatur, pengumpulan dan mempelajari referensi dilakukan untuk mencari pengertian, definisi dan berbagai tulisan yang berhubungan dengan studi ini. Beberapa kata kunci untuk studi literatur seperti transformator, isolator minyak, karakteristik minyak sebagai isolasi cair pada tranformator, proses penuaan terhadap isolasi minyak, estimasi umur minyak isolasi berdasarkan pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan. Dari literatur yang didapat akan dijadikan sebagai pendukung dalam studi ini. Setelah studi literatur terlaksanakan, selanjutnya adalah persiapan dan pengkondisian sampel. Persiapan tahap pertama untuk memulai studi dengan mempersiapkan alat dan bahan untuk dilakukannya percepatan termal, serta sampel isolasi minyak yang ingin diuji. Dalam studi ini digunakan sampel minyak Nynas Nitro Libra yang didapat dari PT. Bambang Djaya. Setelah tahap persiapan alat dan bahan, dilakukan pengkondisian sampel dimana setiap sampel dibagi menjadi 16 dan diberi katalis tembaga sepanjang 10 cm. Setelah dilakukan persiapan dan pengkondisian sampel, dilanjutkan dengan eksperimen percepatan penuaan secara termal. 3

Dalam eksperimen percepatan penuaan secara termal dilakukan sesuai dengan standart IEC 61125. Sampel minyak mineral dipanaskan di dalam pemanas (oven) listrik selama 168 jam pada temperatur 100 0C, 90 jam pada temperatur 1150C, dan 48 jam pada temperatur 1250C. Pengambilan data dilakukan secara pengujian tegangan tembus pada setiap sampel isolasi minyak transformator menggunakan standar IEC 60156, dengan menggunakan elektroda berbentuk jamur dan jarak elektroda 2,5mm. Pengolahan data eksperimen dan estimasi umur isolasi minyak transformator dengan menerapkan model Hukum yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std. 101-1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data” dan dibandingkan dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std 930 1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electricl Insulation Voltage Endurance Data”. Memberikan kesimpulan bagaimana karakteristik fisik dan elektrik setelah dilakukan percepatan penuaan secara termal dan mendapatkan estimasi umur minyak transformator dengan pendekatan Hukum Arrhenius yang akan dibandingkan dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan. 1.2

Sistematika Laporan Penelitian studi ini terdiri dari lima bab. Setiap bab memiliki lingkup pembahasan tersendiri. Bab pertama merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan. Bab kedua menjelaskan transformator daya dan isolasi cair sebagai penunjang laporan studi meliputi, definisi transformator daya, minyak sebagai isolator cair pada transformator, mekanisme kegagalan isolasi cair pada transformator, Hukum Arrhenius dan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus. Bab ketiga akan membahas tentang metode pengujian dimana akan membahas dan menjelaskan mengenai penuaan minyak tranformator, proses percepatan penuaan termal, penerapan estimasi umur dalam model pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan.

4

Bab keempat akan dibahas mengenai hasil pengujian dan analisa data. Pengujian karakteristik fisik dengan dilakukan pengamatan secara visual dan karakteristik elektrik dengan dilakukan pengujian tegangan tembus pada isolasi minyak. Dilakukan analisa estimasi umur minyak transformator. Bab kelima merupakan penutup dari studi pengujian dan estimasi umur minyak transformator. Bab lima berisikan kesimpulan dari hasil pengujian yang telah dilakukan dan juga berisi saran-saran. Kesimpulan diambil melalui pengamatan, pengujian dan analisis pada sampel isolasi minyak transformator.

5


6

BAB 2 TRANSFORMATOR DAYA DAN ISOLASI CAIR 2.1

Transformator Transformator merupakan peralatan listrik yang statis. Transformator disebut sebagai peralatan listrik yang statis karena tidak ada bagian yang berputar ataupun bergerak, tidak seperti generator ataupun motor. Transformator dapat memindahkan energi listrik bolakbalik (AC) dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya dengan mengubah besaran tegangan tanpa mengubah frekuensi. Pengubahan besaran tegangan pada transformator memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik pada kumparan transformator. Fenomena induksi elektromagnetik yang terjadi pada transformator dalam satu waktu adalah induksi sendiri pada setiap belitan kumparan diikuti oleh induksi bersama yang terjadi antar belitan kumparan. Secara sederhana transformator dapat dibagi menjadi tiga bagian utama, yaitu belitan primer, belitan sekunder, dan inti besi yang terbuat dari besi berlapis yang berlaminasi. Belitan sekunder terhubung dengan sumber listrik bolak balik yang akan membangkitkan fluks magnet dan akan dihantarkan oleh inti besi ke belitan sekunder, fluks pada belitan sekunder akan menginduksikan gaya gerak listrik (GGL). Prinsip kerja dan bagian transformator dapat ditunjukan pada Gambar 2.1. [1]

Gambar 2.1 Bagian dan Prinsip kerja transformator

Dalam pengoperasian penyaluran tenaga listrik, transformator merupakan peralatan listrik yang sangat penting dalam sistem pembangkitan, transmisi dan distribusi. Karena itu, dalam kondisi ini 7

suatu transformator diharapkan dapat beroperasi dengan maksimal. Mengingat transformator bekerja secara terus menerus, maka pemeliharaan transformator diperhatikan dengan tepat dan sebaik mungkin. 2.1.1 Transformator Daya Salah satu peralatan listrik dalam sistem tenaga listrik adalah transformator yang dapat disebut transformator daya atau power transformer. Salah satu contoh transformator daya dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Transformator Daya

Gambar 2.2 merupakan transformator daya yang merupakan bagian dari sistem tenaga listrik, berfungsi mentransformasikan tegangan tinggi ke tegangan rendah ataupun sebaliknya. Berdasarkan fasa, transformator daya terdapat dua macam, yaitu transformator daya satu fasa dan transformator tiga fasa. Transformator tiga fasa dapat disusun dari tiga transformator satu fasa ataupun langsung dengan satu transformator tiga fasa. Berdasarkan pemakaian, transformator daya terdapat tiga macam, yaitu : 1. Transformator Step Up Transformator step up digunakan sebagai, mentransformasikan tegangan dari pembangkit atau generator ke saluran transmisi. 8

2. Transformator Transmisi Transformator transmisi digunakan sebagai mentransformasikan tegangan antar saluran transmisi. 3. Transformator control Transformator control berfungsi sebagai pengatur perbandingan transformasi tegangan untuk mendapatkan tegangan operasi yang diinginkan. Transformator control terdapat tap changer atau perubah tap, perubah tap terdapat di satu sisi ataupun dapat di kedua sisi[2]. 2.1.2 Jenis Gangguan Internal pada Transfomator Terdapat beberapa gangguan internal pada transformator yang dapat menimbulkan gas yang terlarut pada isolasi minyak saat transformator beroperasi yaitu : 1. Partial Discharge Munculnya peristiwa pelepasan atau loncatan bunga api listrik pada suatu bagian dari bahan isolasi padat transformator. 2. Arching Arching atau busur api yang terjadi pada isolasi minyak pada transformator. 3. Thermal Fault Pemanasan yang terjadi pada transformator mengakibatkan kenaikan suhu pada isolasi minyak dan selulosa transformator 4. Deterioration Pemburukan kertas penyekat pada transformator yang disebabkan panas pada sambungan[3]. 2.2

Isolasi Minyak pada Transormator Isolator atau isolasi merupakan suatu sifat bahan yang mampu untuk memisahkan dua buah penghantar atau lebih yang mempunyai jarak yang berdekatan untuk mencegahnya adanya kebocoran arus atau hubung singkat, dan dapat melindungi sebagai pelindung mekanik dari kerusakan diakibatkan oleh korosif atau tekanan, baik tekanan elektrik ataupun tekanan mekanik. Salah satu isolator pada transformator yaitu isolasi minyak transformator. Isolasi minyak transformator sebagai isolator cair pada transformator yang mempunyai beberapa tugas utama, yaitu sebagai media isolator, media pendingin, media untuk memadamkan busur api, dan media pelindung terhadap oksidasi maupun korosi. 9

2.2.1 Jenis Isolasi Minyak Transformator Berdasarkan pembuatan, Isolasi minyak pada transformator terdapat tiga jenis, yaitu minyak mineral, minyak sintetik, dan minyak organik. Isolasi minyak mineral merupakan minyak yang berasal dari minyak bumi yang diproses secara destilasi, untuk mendapatkan tahanan yang tinggi dan stabilitas panas yang baik diperlukan beberapa proses destilasi. Isolasi minyak sintetik merupakan minyak yang diproses secara kimia untuk mendapatkan karakteristik yang lebih baik dari isolasi minyak mineral namun isolasi minyak sintetik memiliki kekurangan, yaitu berbahaya terhadap lingkungan. Isolasi Minyak Organik merupakan minyak yang diperoleh dari ekstraksi beberapa tumbuhan seperti jarak, kedelai, dan kelapa[4]. 2.2.2 Isolasi Minyak Mineral Minyak bumi telah digunakan pada tahun 1891 oleh Sebastian de Ferranti pada isolasi minyak transformator. Minyak bumi merupakan campuran dari beberapa hidrokarbon yang terdapat dalam fase cair dalam reservoir di bawah permukaan tanah dan yang tetap cair pada tekanan atmosfer melalui fasilitas destilasi. Minyak bumi terdiri dari senyawa hidrokarbon dan sedikit sulfur. Berdasarkan susunan rantai hidrokarbon, maka senyawa inti dalam minyak bumi dibedakan menjadi beberapa kelompok utama, yaitu: 1. Linear (Senyawa Parafinis) Rumus umum pada senyawa Parafinis adalah CnH2n+2, misalnya metana CH4 dalam bentuk gas dan normal butana C4H10. Minyak bumi linear digolongkan sebagai fraksi hidrokarbon jenuh yang mempunyai titik didih relatif rendah. 2. Sikloalifatik (Senyawa Naftenis) Rumus umum pada senyawa Neftenis adalah CnH2n. Minyak bumi Sikoloafatik mempunyai struktur ikatan berbentuk lingkaran dengan enam atom karbon atau 14 atom karbon dengan tiga kelompok lingkaran. 3. Aromatik Minyak bumi aromatik merupakan senyawa yang mempunyai struktur enam atom karbon, terbagi menjadi dua golongan yakni monoaromatik (satu ikatan lingkaran) dan poliaromatik (dua atau lebih ikatan lingkaran). Minyak bumi Aromatik digolongkan dengan fraksi hidrokarbon paling berbahaya, dikarenakan mempunyai titik didih tinggi dan mudah terlarut dalam air laut. 10

Kelompok minyak bumi berdasarkan hidrokarbon dapat dilihat pada Gambar 2.3.

(a)

(b)

struktur

molekul

(c)

Gambar 2.3 Struktur hidrokarbon pada minyak mineral dari Parafins (a),struktur dari Neftinis (b), struktur dari Aromatik [4]

Minyak bumi memerlukan proses penyulingan sehingga menjadi minyak yang mempunyai kegunaan untuk aplikasi tertentu. Proses minyak bumi menggunakan unit destilasi vakum melalui beberapa proses, yaitu ekstraksi, filtrasi, re-distalasi, dan hidrogenasi. Minyak mineral hasil penyulingan dari minyak bumi diketahui baik sebagai bahan isolator untuk peralatan listrik, khususnya pada peralatan listrik transformator, karena memiliki karakteristik fisik dan elektrik yang baik. Tetapi dalam permasalahan dalam penggunaan minyak mineral pada transformator dapat membahayakan lingkungan dan memicu ledakan pada transformator. Sehingga isolasi minyak harus memiliki beberapa karakteristik supaya dapat menjalankan fungsi sebagai bahan isolasi pada transformator. 2.2.3 Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Isolasi minyak transformator yang baik mempunyai karakteristik fisik diantaranya, yaitu : 1. Kejernihan penampilan Kejernihan penampilan dilihat dari warna minyak, warna minyak yang baik memiliki warna yang jernih, bersih, dan bebas endapan. Selama transformator dioperasikan, isolasi minyak akan melarutkan suspensi atau endapan. Semakin banyak isolasi minyak mengalami endapan yang terlarut, maka warna minyak akan semakin gelap. 2. Viskositas Kinematik Viskositas Kinematik merupakan nilai tahanan dari cairan untuk mengalir secara kontinu dan merata tanpa adanya gaya gesekan 11

ataupun gaya yang lain. Sebagai media pendingin, nilai viskositas memegang peranan penting dalam pendinginan, sebagai faktor pemindahan panas secara aliran konveksi. Semakin rendah nilai viskositas dari minyak, semakin bagus konduktivitas termalnya, sehingga semakin baik kualitas dari isolasi minyak transformator. 3. Massa Jenis Massa jenis merupakan perbandingan massa suatu volume cairan pada suhu 15,560C dengan massa volume air. Massa jenis isolasi minyak transformator harus lebih ringan dari pada massa jenis air. 4. Titik Nyala Titik nyala merupakan nilai batas isolasi minyak dapat dipanaskan sampai temperatur tertentu sebelum uap yang timbul menjadi api yang berbahaya. Semakin tinggi nilai titik nyala semakin baik isolasi minyak transformator. 5. Titik Tuang Titik tuang merupakan merupakan nilai batas isolasi minyak akan terus mengalir saat didinginkan pada temperatur di bawah normal. Semakin rendah nilai titik tuang semakin baik isolasi minyak transformator[5]. 2.2.4 Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Isolasi minyak transformator yang baik mempunyai karakteristik fisik diantaranya, yaitu : 1. Tegangan Tembus Tegangan tembus merupakan nilai batas kemampuan untuk menahan tekanan elektrik. Kandungan air dan partikel-partikel pada isolasi minyak dapat menurunkan nilai batas tegangan tembus. Sehingga isolasi minyak yang baik memiliki batas tegangan tembus yang tinggi. 2. Tahanan Jenis Nilai tahanan jenis sangat berpengaruh pada kontaminan yang bersifat konduktif, semakin banyak kontaminan konduktif maka semakin rendah tahanan jenis isolasi minyak. 3. Faktor Disipasi Dielektrik Faktor disipasi elektrik merupakan ukuran dari rugi-rugi dielektrik minyak. Tingginya nilai faktor disipipasi dilektrik menunjukkan adanya kontaminasi atau kerusakan disebabkan 12

oleh air, hasil oksidasi, koloid bermuatan, logam alkali, dan lainya. Faktor disipasi dielektrik berhubungan dengan tahanan jenis, sehingga tingginya faktor nilai disipasi dielektrik akan menunjukkan rendahnya tahanan jenis minyak. 4. Tegangan Antar Permukaan Hasil kerusakan isolasi minyak diantaranya ada kontaminasi dengan zat terlarut dan gas bebas umumnya akan menurunkan nilai tegangan antar permukaan. Penurunan tegangan permukaan sebagai pertanda bagi awal kerusakan isolasi minyak[5]. 2.2.5 Karakteristik Kimia Isolasi Minyak Isolasi minyak transformator yang baik mempunyai karakteristik kimia diantaranya, yaitu : 1. Angka Kenetralan Angka kenetralan merupakan angka yang menunjukkan kadar penyusun asam minyak isolasi, dapat mendeteksi kontaminasi minyak, menunjukkan kecenderungan perubahan kimia, dan cacat kimia atau terdapatnya indikasi perubahan kimia dalam penambahan bahan tambahan (additive). Angka kenetralan sebagai penunjuk umum untuk menentukan pergantian atau purifikasi isolasi minyak. 2. Stabilitas Oksidasi Stabilitas oksidasi merupakan nilai untuk mempertahankan dari proses oksidasi yang terjadi pada isolasi minyak. Proses oksidasi menyebabkan bertambahnya kecenderungan isolasi minyak untuk membentuk zat asam dan zat padat (pengotor) yang akan membentuk endapan. Zat asam yang dibentuk akan menyebabkan korosi pada logam dalam peralatan transformator sedangkan zat padat akan menyebabkan naiknya viskositan kinematik sehingga konduktivitas termal menjadi terganggu. Isolasi minyak diharapkan memiliki stabilitas oksidasi yang tinggi dan kemampuan pelarutan yang rendah sehingga presentase terjadinya proses oksidasi semakin kecil. 3. Kandungan Air Nilai kandungan air berpengaruh terhadap tegangan tembus dan tahanan jenis isolasi minyak. Naiknya temperatur akan menyebabkan air mengalir dari isolasi kertas menuju isolasi minyak dan menurunkan tegangan tembus. Isolasi minyak 13

yang baik mempunyai nilai kandungan air serendah mungkin[5]. 2.2.6 Standar Pengujian Karakteristik Isolasi Minyak Stanadar dan metode pengujian karakteristik fisik, elektrik dan kimia isolasi minyak transformator dapat mengacu pada standar di tabel berikut. Tabel 2.1 Karakteristik isolasi minyak dan standar metode pengujian[5].

No

Karakteristik

Standar IEC

1

Massa Jenis Viskositas Kinematik Titik Nyala Angka Kenetralan Kadar Air Korosi Belerang Stabilitas Oksidasi Angka per Oksidasi Tegangan Antarpermukaan Kandungan Gas Tegangan Tembus Resistivitas Faktor Disipasi Elektrik

296

Standar ASTM D 1298

296

D 445

296 A

D 92

296

D 974

ISO.R.760 296

D 1553 D 130

474

D 2440

-

D 1563

-

D 971

-

D 831

60156

D 877

93

D 1169

250

D 924

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2.3

Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair di Transfomator[6] Isolasi berfungsi sebagai pemisah antara bagian yang mempunyai beda potensial sehingga diantara bagian tersebut tidak terjadi percikan (spark over) atau lompatan listrik (flash over). Kegagalan isolasi pada peralatan listrik dapat menyebabkan kerusakan sehingga kontinuitas pada sistem tenaga listrik terganggu. Kegagalan isolasi cair berupa lompatan listrik pada media isolasi cair akan menyebabkan pembentukan 14

gelembung gas, pembentukan butiran zat padat hasil dekomposisi zat cair, dan pembentukan lubang pada konduktor. Terdapat empat jenis teori kegagalan pada media isolasi cair, yaitu teori kegagalan zat murni atau elektronik, teori gelembung udara atau kavitasi, teori kegagalan bola cair, dan teori butiran padat pada isolasi cair. 2.3.1 Teori Kegagalan Zat Murni atau Elektronik Teori kegagalan zat murni atau elektronik merupakan perluasan teori kegagalan pada media isolasi gas, sehingga kegagalan pada media isolasi cair dianggap serupa dengan media isolasi gas. Kegagalan zat murni atau elektronik diperlukan elektron awal yang dimasukkan ke dalam media isolasi cair, elektron awal inilah yang memulai proses kegagalan. Jika diantara kedua elektroda yang berbentuk runcing di berikan tegangan yang tinggi sehingga muncul kuat medan listrik yang tinggi di bagian runcing tersebut, sehingga kuat medan yang kuat tersebut akan mengeluarkan elektron e-1, awal terbentuknya banjiran elektron (avalnce) dapat dilihat di Gambar 2.4. .

Gambar 2.4. Kegagalan elektronik[6]

Dalam teori kegagalan elektronik dianggap bahwa elektronelektron akan mendapatkan energi dari kuat medan listrik sehingga elektron dapat membentur molekul-molekul. Proses pembenturan elektron dengan molekul dapat dikatakan proses ionisasi, sehingga proses ionisasi akan memperbanyak elektron yang akan menyebabkan banjiran elektron. 15

Elektron yang dihasilkan berupa e1,e2,e3,e4.......,en sehingga akan menyebabkan timbulnya arus konduksi dalam media isolasi cair pada kuat medan listrik tinggi. Menurut Schottky, arus yang timbul tersebut mempunyai kerapatan sebesar : 𝐽 = 𝐽𝑡 𝑒

𝐴 ] 𝑐𝑚2

4.4√𝐸 𝑇 [

(2.1)

dengan, ∅

dimana,

J Jt Ea M

𝐽𝑡 = 𝐴𝑇 2 𝑒 −𝑘𝑇

(2.2)

𝐸 = 𝑀𝐸𝑎

(2.3)

= Kereapatan arus konduksi [𝐴𝑐𝑚−2 ] = Kerapatan arus termionik [𝐴𝑐𝑚−2 ] = Kuat medan yang diterapkan [𝑉𝑐𝑚−1 ] = Faktor ketidakrataan permukaan (=10 untuk permukaan halus)

Persamaan diatas menunjukkan ketergantungan pada keadaan suhu pada media isolasi cair. Kondisi yang memungkinkan terjadinya banjiran elektron, didapatkan dengan menyamakan perolehan energi pada elektron yang menempuh lintasan besar rata-rata, yaitu 𝑈1 = 𝐹𝜆 = 𝑒 𝐸𝜆

(2.4)

Dengan energi yang diperlukan untuk mengionisasi molekul 𝑈2 = 𝑐ℎ dimana,

E U F 𝜆 ℎ 𝑐

(2.5)

= medan yang diterapkan [𝑉𝑐𝑚−1 ] = energi [𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒] = gaya [𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛] = lintasan bebas rata – rata [𝑐𝑚] = kuantum energi untuk mengionisasikan molekul [𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒] = konstanta 16

2.3.2 Teori Kegagalan Gelembung Udara Teori kegagalan Gelembung udara merupakan tidak kemurnian media isolasi cair yang bercampur dengan gelembung udara, gelembung udara merupakan pemicu dari tahap awal kegagalan total pada media cair. Menurutkan Kao dan Krasucki, sebab-sebab timbulnya gelembung udara adalah sebagai berikut : 1. Permukaan elektroda yang tidak rata, sehingga dapat menimbulkan kantong-kantong udara pada elektroda yang tidak rata pada permukaannya. 2. Adanya tabrakan elektron pada media isolasi cair sehingga menimbulkan produk berupa gelembung udara. 3. Penguapan cairan karena adanya tegangan tembus pada bagian elektroda yang tidak teratur 4. Media isolasi cair mengalami perubahan suhu dan tekanan Medan listrik dalam gelembung udara yang terdapat pada media isolasi cair dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut : 3𝜀1 𝐸0 (2.6) 𝐸𝑏 = 2𝜀1 + 1 dimana, 𝐸𝑏 = medan listrik dalam gelembung udara [𝑉𝑐𝑚−1 ] 𝜀1 = permitivitas media isolasi cair 𝐸0 = medan listrik dalam media cair tanpa gelembung [𝑉𝑐𝑚−1 ] Jika nilai 𝐸𝑏 sama dengan medan batas untuk ionisasi gas. Maka akan terjadi lompatan listrik dalam gelembung. Ini dapat mempercepat pembentukan gas karena dekomposisi media isolasi cair dan dapat menyebabkan terjadinya kegagalan.

Gambar 2.5 Kegagalan kavitas pada media isolasi cair[6]

17

Karena pengaruh medan listrik antara kedua elektroda, gelembung udara yang terdapat pada media isolasi cair antara kedua elektroda tersebut akan menjadi memanjang searah medan, lihat pada Gambar 2.5. Hal ini disebabkan oleh gelembung udara berusaha membuat energi potensial minimum. Gelembung-gelembung udara yang memanjang tersebut akan menyambung dan membentuk jembatan yang pada akhirnya akan menyebabkan terjadinya kegagalan. Guna mendapatkan kriteria kegagalan, volume gelembung selama berubah menjadi memanjang dianggap konstan. Kekuatan gagal medan gelembung udara adalah, sebagai berikut:

𝐸0 =

1 2𝜋𝜎(2𝜀1 + 𝜀2 ) 𝜋 𝑣𝑏 √ [ √ − 1] 𝜀1 − 𝜀2 𝑟 4 2𝑟𝐸0

(2.7)

Dimana, 𝜎 = gaya tegangan (tension) permukaan media cair [𝑁𝑚−1 ] 𝜀1 = permitivitas media cair 𝜀2 = permitivitas gelembung 𝜀2 = jari-jari awal gelembung(dianggap seperti bola) [𝑐𝑚] 𝑉𝑏 = jatuh tegangan dalam gelembung [𝑉] Persamaan diatas dapat diartikan implisit dan sangat berpengaruh terhadap jari-jari awal gelembung r. Oleh karena r adalah fungsi dari tekanan suhu luar media isolasi cair, maka jika r besar akan mengakibatkan kekuatan gagal 𝐸0 akan kecil sekali.

Gambar 2.6 Grafik perbandingan hasil perhitungan sesuai dengan teori kekuatan gagal medan gelembung dengan hasil percobaan. [6]

18

Gambar 2.6 diatas merupakan perbandingan antara perhitungan teoritis dengan percobaan menurut teori kekuatan gagal medan gelembung. Grafik tersebut menunjukkan bahwa teori tersebut kurang relevan pada aktual karena misalnya l untuk cairan n-heksana, ternyata terdapat perbedaan yang cukup besar antara perhitungan teori dengan percobaan. Sebab diakibatkan tidak memperhitungkan gelembung udara kecil awal sebelum terjadinya gelembung besar dengan jari-jari r. 2.3.3 Teori Kegagalan Bola Cair Jika suatu media isolai mengandung sebuah bola cair dari jenis cairan lain, maka akan menyebabkan kegagalan akibat ketidakstabilan bola cair tersebut dalam medan listrik. Medan listrik akan mempengaruhi bentuk bola cair. Bola cair yang diberikan medan listrik E akan merubah menjadi sferoida lihat pada Gambar 2.7 dengan medan didalamnya sebesar 𝐸2 , sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut:

Gambar 2.7 Sferoida[6]

𝐸2 = dimana,

𝐺=

1 𝛾2 −1

𝛾 cos−1 𝛾

{

(𝛾2 −1)

𝜀1 𝐸 𝜀1 − (𝜀1 − 𝜀2 )𝐺

− 1} dan 𝛾 =

𝑅2 𝑅1

𝑅2 = jari-jari panjang sferoida [cm] 𝑅1 = jari-jari pendek sferoida [cm] 𝜀1 = permitivitas media isolasi cair 𝜀2 = permitivitas bola cair

19

(2.8)

Persamaan kuat medan listrik dalam media isolasi cair, yaitu : 𝜋𝜎 𝜀1 𝐸 = 600 √( )( − 𝐺) 𝐻 𝜀1 𝑅 𝜀1 − 𝜀2 1

dimana,

𝐻 = 2𝛾 3 (2𝛾 − 1 −

1 𝛾2

(2.9)

)

3

𝑅= volume sferoida [cm3] 4𝜋 𝜎 = gaya tegangan permukaan [Nm-1] Kemudian bentuk persamaan di atas dapat ditulis menjadi : 𝐸 𝜋𝜎 600√ 𝜀1 𝑅

𝜀1 = √( − 𝐺) 𝐻 𝜀1 − 𝜀2

(2.10)

Persamaan 2.11 sebagai persamaan yang mempunyai hubungan fungsi 𝛾 terlihat pada Gambar 2.8 di bawah ini.

Gambar 2.8 Grafik hubungan huat medan listrik terhadap nilai 𝛾[6]

20

Pada Gambar 2.8 dapat dilihat bahwa untuk nilai

𝜀2 𝜀1

melebihi dari

20, maka nilai E akan melewati maksimum jika 𝛾 naik, sehingga dapat dikatakan tidak ada bentuk sferoida yang stabil diatas tekanan listrik 𝜀 kritis. Pada Gambar 2.8 juga dapat dilihat jika 2 kurang dari 20, maka 𝜀1

tidak ada medan kritis meskipun 𝛾 dapat melonjak cepat dengan kenaikan 𝜀 medan listrik. Untuk bola cair yang menghantarkan listrik, maka 2 = ∞ 𝜀1

sehingga persamaan menjadi :

𝐸 = 600 √(

𝜋𝜎 𝜀1 )( − 𝐺) 𝐻 [𝑉𝑐𝑚−1 ] 𝜀1 𝑅 𝜀1 − 𝜀2

(2.11)

Sehingga medan listrik kritis dimana bola cair menjadi tidak stabil dapat ditulis dalam persamaan : 𝜎 [𝑉𝑐𝑚−1 ] 𝐸𝑘 = 487,7√ 𝜀1 𝑅

(2.12)

Sebagai contoh untuk bola cair dalam media isolasi minyak dengan 𝜎 = 43 dyne/cm, 𝜀1 = 2 dan 𝑅 = 1 µm, maka medan listrik kritisnya adalah 𝐸𝑘 = 0,266 MVcm-1. Medan listrik kritis ini jauh lebih rendah daripada kekuatan gagal media isolasi cair yang bersih, sehingga merupakan sumber kegagalan pada media isolasi cair. Bola air yang sangat kecil pun, misal R = 0,05 µm masih dapat mengakibatkan terjadinya kegagalan pada medan listrik Ek=1 MVcm-1. Contoh kegagalan dielektrik diakibatkan bola cair pada media isolasi cair pada media silikon cair dapat kita lihat pada Gambar 2.9. Setelah terjadi bola cair dan keadaan tidak stabil maka bola cair air akan memanjang, sehingga jika bola cair sudah mencapai dua pertiga celah elektroda, maka saluran-saluran lecutan akan timbul sehingga akan terjadi kegagalan total.

21

Gambar 2.9 Bola air yang memanjang memicu kegagalan

2.3.4 Teori Butiran Padat Kegagalan butiran padat merupakan jenis kegagalan yang disebabkan oleh adanya partikel atau butiran zat padat pada media isolasi cair yang akan menyebabkan terjadinya kegagalan. Butiran padat mempunyai sifat permitivitas berlainan dengan permitivitas zat isolasi cair. Jika butiran-butiran padat mempunyai permitivitas 𝜀2 dan permitivitas media isolasi cair adalah 𝜀1 , dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Kegagalan butiran padat dalam media isolasi cair[6]

22

Besarnya gaya yang bekerja pada butiran padat dalam medan yang tak seragam dapat dinyatakan dalam rumus, yaitu : 𝐹 = 𝑟 3 𝜀1

𝜀2 − 𝜀1 𝐸 𝑔𝑟𝑎𝑑 𝐸 𝜀2 + 𝜀1

(2.13)

Dimana, F = gaya [Newton] r = jari-jari butiran [cm] grad E = gradien tegangan [Vcm-1] Secara khusus, persamaan di atas dapat ditulis menjadi seperti: 1 𝜀2 − 𝜀1 2 𝐹 = ( 3) ( ) 𝐸 𝑔𝑟𝑎𝑑 2𝑟 𝜀2 + 𝜀1

(2.14)

Untuk persamaan di atas terdapat dua kemungkinan yang terjadi, yaitu : 1. Jika 𝜀2 > 𝜀1 , maka menyebabkan arah gaya yang bekerja pada butiran padat menjadi searah dengan tekanan elektrik maksimum (FA), sehingga butiran padat akan terdorong kearah medan yang paling kuat. 2. Jika 𝜀2 < 𝜀1 , maka arah gaya berlawanan dengan tekanan listrik maksimum (FB) Gaya F semakin besar jika 𝜀2 membesar. Untuk butiran yang mempunyai nilai 𝜀2 = ∞, maka akan menyebabkan gaya yang bekerja pada butiran padar dalam medan yang tak seragam menjadi : 1 𝐹 = ( 3 ) 𝐸 2 𝑔𝑟𝑎𝑑 2𝑟

(2.15)

Untuk medan yang seragam, seperti elektroda bola ataupun pada elektroda piringan sejajar dengan celah kecil, medan paling kuat bertempat pada tempat yang seragam. Dalam hal ini 𝐸 2 𝑔𝑟𝑎𝑑 = 0 dan butiran dalam keadaan seimbang. Karena itu, butiran akan ditarik oleh gaya ke tempat dimana medan seragam. Akibatnya butiran padat akan menempati antara kedua elektroda dan seakan membuat jembatan yang dapat disebut jembatan serat, kemudian jembatan serat ini yang akhirnya akan mengawali terjadinya kegagalan pada media isolasi cair. 23

Adanya butiran penghantar di antara elektroda akan mengakibatkan pembesaran medan dalam media isolasi cair di dekat butiran padat. Pembesaran medan ditentukan oleh bentuk butiran, yaitu : 1. Butiran padat bulat (𝛾 = 1) ; 𝐸1 = 3 𝐸 2. Butiran padat sferoida (𝛾 = 2) ; 𝐸1 = 5.8 𝐸 3. Butiran padat sferoida (𝛾 = 5) ; 𝐸1 = 18 𝐸 dimana, 𝛾 = perbandingan jari-jari pendek sferoida E = medan dalam cairan tanpa butiran [Vcm-1] E1 = medan dalam cairan pada ujung butiran [Vcm-1] Apabila E1 melebihi tegangan gagal cairan maka akan terjadi kegagalan setempat yang kemudian menimbulkan gelembunggelembung yang akhirnya dapat mengakibatkan kegagalan total pada cairan. Gerakan butiran yang disebabkan oleh gaya F akan dihambat oleh kekentalan medan isolasi cair. Dalam hubungan ini dapat dihitung dalam rumus waktu yang diperlukan terjadinya kegagalan menurut Kok-Corbey besarnya adalah : 𝑡𝑏 = dimana,

𝜂2 𝑐 𝑔4 𝑟 7 (𝐸𝑏2 − 𝐸02 )𝑁

(2.16)

𝐸𝑏 = kekuatan gagal untuk waktu penerapan tekanan listrik singkat [ Vcm-1] 𝐸0 = kekuatan gagal dalam waktu lama [ Vcm-1] g = faktor kekasaran (asperity) = 3 untuk kekasaran berbentuk setengah bola N = konsentrasi butiran 𝜂 = kekentalan (viskositas) [mm2s-1] r = jari-jari butiran [cm] c = konstanta 𝑡𝑏 = waktu kegagalan [s]

Untuk waktu penerapan tegangan yang lama akan merubah persamaan, sehingga persamaan lamanya waktu kegagalan diatas berubah menjadi : (𝑔1 − 1)𝑟 3 𝐸02 = 2𝑘𝑇

24

(2.17)

dimana 𝑘𝑇 adalah energi termal (Joule). Bila r = 3, yaitu bila kekasarannya berbentuk setengah bola, maka persamaannya menjadi: 1 (2.18) 𝑟 3 𝐸02 = 𝑘𝑇 4 2.4

Penuaan Isolasi Minyak Transformator Pada kondisi operasi normal bahan isolasi akan mengalami perubahan kondisi yaitu mengalami pemburukan atau penuaan. Tingkat perubahan kondisi penuaan bergantung kepada besarnya tekanan elektrik, termal dan mekanik yang diterapkan pada bahan isolasi. Selain itu, hal ini juga dipengaruhi oleh komposisi dan struktur molekul, seperti karakteristik fisik, elektrik dan kimia dari bahan isolasi. Kondisi dari lingkungan dimana tempat isolasi ditempatkan juga berpengaruh terhadap perubahan penuaan bahan isolasi. Tekanan termal disebabkan oleh gradien temperatur pada bahan isolasi selama waktu operasi jangka panjang, temperatur lingkungan (ambient) paling atas dan paling bawah, dan temperatur yang tinggi diakibatkan oleh operasi beban maksimum yang diizinkan selama operasi transformator. Tekanan elektrik disebabkan oleh peluahan muatan sebagian (partial discharge), jalur pohon (electrical treeing), dan tingkat pemanasan dielektrik sehingga menyebabkan rugi dielektrik atau kontaminasi material konduktif. Sedangkan untuk tekanan mekanik akan berbeda, proses penuaan isolasi akan bergantung pada torsi, kompresi, tegangan, dan faktor pembengkokan (bending). Tekanan lingkungan dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu tingkat kelembapan lingkungan, tingkat korosif, dan radiasi ultraviolet dari sinar matahari. Komposisi dan struktur dari bahan isolasi akan mengalami pemburukan oleh semua tekanan tersebut, menyebabkan suatu kondisi dimana akhirnya bahan isolasi akan mengalami kehilangan fungsi sebagai isolasi. Minyak isolasi pada transformator daya memiliki peran utama sebagai bahan isolasi dan media pendingin pada transformator. Mengingat kebutuhan akan kehandalan transformator daya dan tingginya harga minyak transformator, maka isolasi minyak transformator harus dijaga dalam keadaan karakteristik yang berkualitas baik secara terusmenerus. Minyak transformator dapat mengalami degradasi atau penurunan kualitas sebagai bahan isolasi Karena faktor temperatur yang tinggi serta reaksi kimia yang terjadi seperti oksidasi. Banyak karakteristik yang dapat diukur untuk menentukan kualitas dari minyak transformator, manfaat dari penentuan kondisi dan mengetahui seberapa 25

cepat penuaan pada minyak transformator, maka dapat mengestimasikan apakah isolasi minyak masih dapat digunakan dalam waktu yang selama mungkin. Kemudian dapat dilakukan tindakan preventif dengan mengganti atau mereklamasi isolasi minyak tersebut sebelum mengalami kerusakan yang serius pada isolasi atau material lain yang terdapat pada transformator daya. Isolasi minyak transformator berjenis minyak mineral merupakan hasil dari ekstrak dari minyak bumi yang dihasilkan dari proses penyulingan (refining), yakni proses secara kolektif sehingga mendapatkan hasil karakteristik minyak yang dapat menjadi isolasi minyak transformator. Selama beroperasi transformator daya, isolasi minyak mengalami oksidasi, terkena panas, dan pelepasan elektrik yang dapat menyebabkan degradasi isolasi minyak. Sehingga jika sudah terjadi degradasi karakteristik pada isolasi minyak transformator akan menyebabkan menurunnya fungsi kerja isolasi minyak sebagai isolasi dan pemindah panas, karena produk dari penuaan isolasi minyak akan mengurangi sifat elektrik dan efesiensi pendingin. Oleh sebab itu, pemantauan dan pemeliharaan kualitas minyak transformator sangat penting dilakukan untuk menjaminnya kehandalan operasi dari transformator daya. Laju degradasi isolasi minyak transformator memiliki faktor umum yang dapat mempercepat laju degradasi, yaitu faktor temperatur dan kelembapan. Isolasi minyak transformator akan mengalami penuaan pada temperatur tinggi dan kelembapan akan bertindak sebagai katalisator dalam penuaan isolasi minyak. Mekanisme utama dalam laju degradasi isolasi minyak adalah proses oksidasi yang akan membentuk asam dan senyawa polar lain. Pembentukan senyawa asam dan senyawa polar hasil proses oksidasi dalam minyak transformator akan menyebabkan penurunan kualitas dari isolasi minyak transformator. Secara singkat proses laju degraadasi pada isolasi minyak terjadi saat tekanan termal dan elektrik dalam suasana oksidasi, maka secara bertahap akan kehilangan stabilitas, menjadi terurai atau teroksidasi, meningkatkan keasaman dan akhirnya mulai menghasilkan endapan. Penuaan isolasi minyak yang menghasilkan senyawa asam akan memicu korosi pada komponen lain dalam transformator. Proses penuaan atau laju degradasi pada isolasi minyak dapat diilustrasikan pada Gambar 2.11, dimana dipengaruh oleh tekeanan termal dan tekanan elektrik pada isolasi minyak[7].

26

Gambar 2.11 Mekanisme laju degradasi pada isolasi minyak [7]

Pada Gambar 2.11 kita lihat proses laju degradasi isolasi minyak yang disebabkan oleh tekanan termal dan tekanan elektrik, oksigen yang terdapat pada isolasi minyak dapat dihasilkan dari udara yang terlarut ataupun tekanan termal dan tekanan elektrik yang dapat memulai terjadinya kegagalan pada transformator yang sedang beroperasi. Beberapa metode penelitian estimasi penilaian umur transformator telah ditetapkan untuk memprediksi umur optimum dari transformator. Salah satunya dengan mengestimasi umur transformator yang dapat ditentukan dari laju kegagalan pada isolasi transformator. Hubungan antara laju kegagalan transformator dengan waktu estimasi umur transformator ditunjukan dengan kurva bak mandi pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Kurva bak mandi dari estimasi umur transformator [7]

27

Pada Gambar 2.12 dapat dilihat kurva yang membentuk seperti bak mandi, terdapat tiga bagian yang menentukan fase dari estimasi umur minyak transformator, yaitu. a. Kurva fase A, pada masa ini umur transformator diantara 1-3 tahun atau dapat digolongkan delam keadaan baru. Tranformator keadaan baru akan dilakukan komisioning (commissioning) atau serangkaian pemeriksaan dan pengujian instalasi transformator yang hendak dioperasikan, sehingga penilaian dari transformator jika terjadi kegagalan dapat dilihat. Kebanyakan kegagalan disebabkan oleh produksi atau pabrikasi transformator yang kurang baik. b. Kurva fase B, pada masa ini transformator digolongkan pada umur 10-30 tahun atau tranformator bekerja dalam kondisi operasi normal. Kegagalan yang terjadi pada fasa ini terjadi secara acak seperti terjadi surja hubung, surja petir, atau kesalahan operator selama operasi transformator. c. Kurva fasa C, kegagalan secara signifikan meningkat pada transformator setelah beroperasi selama 20 tahun. Kegagalan terjadi disebabkan oleh degradasi atau pemburukan dari sistem isolasi transformator. 2.5

Proses Percepatan Penuaan Termal Isolasi minyak transformator akan mengalami kerusakan seiring dengan berjalannya waktu transformator beroperasi. Laju degradasi isolasi minyak transformator bergantung kepada tekanan elektrik, mekanik dan termal. Hal ini juga ditentukan oleh struktur molekul dan komposisi dari isolasi minyak. Prinsip dari percepatan penuaan termal diperoleh dari kondisi termal pada isolasi minyak itu sendiri. Kenaikan temperatur dalam durasi yang panjang akan mempengaruh sifat fisik, elektrik dan kimia dari isolasi minyak itu sendiri. Hal ini berpengaruh kepada laju degradasi serta oksidasi, dimana interaksi antara hidrokarbon dalam isolasi minyak dan oksigen yang terlarut dari udara, akan menimbulkan proses oksidasi dan membentuk senyawa asam serta endapan yang dapat memicu terjadinya kegagalan isolasi. Studi untuk menghitung dan mengestimasi umur dari transformator sudah banyak dilakukan terutama pada isolasi transformator karena isolasi transformator sangat berpengaruh terhadap umur dari suatu transformator. Seiring jalannya waktu isolasi pada transformator akan mengalami tekanan elektrik, termal dan mekanik 28

sehingga akan menyebabkan kegagalan elektrik pada transformator. Berbagai eksperimen telah dilakukan dengan mempercepat proses penuaan secara termal pada bahan isolasi. Contohnya, pada eksperimen percepatan termal pada isolasi minyak dan isolasi padat transformator oleh Mountsinger selama 70 minggu dengan suhu 7 0c-1100C, oleh Dakin selama 100 minggu dengan suhu 1000c-1350C, oleh Shroff selama 16 minggu dengan suhu 1100C-1400C, dan oleh Moser selama 57 minggu dengan 1000c-1350c. Kemudian Moser melakukan eksperimen kembali dengan waktu selama 3 minggu dengan suhu 1450C-1900C dan penelitian terakhir dilakukan oleh Oomen selama 1 minggu pada suhu 1200C1800C[8]. Dari penelitian eksperimental yang dilakukan oleh Thomas W. Daikin dengan memodifikasi persamaan laju degradasi pada bahan isolasi. Hukum Arrhenius yang digunakan oleh Thomas W. Daikin diformulasikan dalam persamaan berikut[8]: 𝐵

Umur isolasi(𝑡) = 𝐴𝑒 (𝑇 )

(2.19)

dimana, 𝑡 = waktu/umur bahan isolasi [jam] T = temperatur mutlak dari material isolasi [kelvin] A dan B = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi reaksi, dan sistem dari unit Berdasarkan standar IEC 61125, stabilitas oksidasi pada cairan isolasi dapat diukur menggunakan percepatan penuaan termal pada sampel uji, kemudian dipanaskan dalam temperatur yang dijaga konstan sebesar 1000c atau 1200c dan diberi katalis berupa kawat tembaga. Terdapat tiga pengkondisian yang dapat diterapkan sebagai percepatan penuaan termal, diantaranya adalah[7] : a.

b.

Metode A Metode ini diterapkan pada sampel uji isolasi cair dengan temperatur 1000c±0,50c selama 168 jam dan menggunakan katalis berupa kawat tembaga. Metode B Metode ini diterapkan pada sampel uji isolasi cair dengan temperatur 1200c±0,50c tanpa durasi pemanasan tertentu dan menggunakan katalis berupa kawat tembaga. 29

c.

Metode C Metode ini diterapkan pada sampel uji dengan temperatur 1200c±0,50c selama 168 jam dan menggunakan katalis berupa kawat tembaga. Pada cairan isolasi tertentu yang mempunyai karakteristik lebih kuat maka diperlukan waktu yang lebih lama. 2.6 Standar Warna Minyak Transformator[9] Penentuan layak atau tidaknya isolasi minyak transformator dapat dilihat dari warna minyak, penentuan warna minyak dapat dilihat pada Tabel 2.2 berikut ini : Tabel 2.2 Petunjuk untuk melihat warna minyak transformator

No

Warna

Diagnosa

1

Bagus Kuning pucat

Pendingin dan isolasi baik

2

Contoh A Kuning Muda

3

Umum Kuning Terang

4

Jelek Kuning Sawo

5

Amat Jelek Kuning Sawo

6

Sangat Jelek Coklat Kehitaman

7

Minyak Kelas 7 (crude oil) hitam

Terjadi endapan (sludge) yang membaur di minyak yang akan menyebabkan kekuatan kertas (IFT) menurun Terjadi endapan tipis pada lilitan, sludge. Hal ini akan menjadi penyebab gangguan Hampir semua trafo pada keadaan ini terdapat endapan sludge pada lilitan dan inti Endapan Sludge akan beroksidasi kemudian mengeras dan terjadi juga di isolasi kertas Sludge menyumbat sirip sirip pendingin yang menyebabkan kenaikan temperatur sampai 200C Diperlukan suatu cara untuk menghilangkan sludge. Pada kondisi ini transformator harus di-overhaul

30

2.7

Dasar Pengujian Tegangan Tinggi Pada teori pengujian peralatan listrik menggunakan tegangan tinggi dibagi menjadi dua metode, yaitu pengujian yang tidak merusak peralatan listrik (non-destructive) dan pengujian yang dapat merusak (destructive). Dalam kedua metode tersebut terdapat cara-cara untuk pengujian menggunakan tegangan tinggi, yaitu[2]: 1. Pengujian tak merusak (non-destructive) a. Pengukuran tahanan isolasi b. Pengukuran korona c. Pengukuran Faktor Daya Dielektrik ( Tan 𝛿) Pengukuran karakteristik tan 𝛿 untuk mengetahui kualitas dari kekuatan efisiensi dielektrik. Kenaikan nilai tan 𝛿 akan mengakibatkan pemanasan dielektrik. Sedangkan pengaruh tidak langsungnya mengakibatkan timbulnya korosi pada konduktor, laju degradasi dielektrik, larutan air, emulsifikasi air, dengan kecepatan oksidasi. Persamaan faktor rugi-rugi dielektrik tan 𝛿, yaitu: tan 𝛿 =

|𝐼𝑟 | 𝑉𝑜 1 = = |𝐼𝑐 | 𝑅𝑖 𝐶 𝜔 𝑈𝑜 𝑅𝑖 𝐶 𝜔

(2.20)

2. Pengujian merusak (destructive) a. Pengujian ketahanan (Withstand Test) Tegangan dinaikkan secara bertahap dengan ditahan dengan jangka waktu tertentu. Jika tidak terjadi kegagalan maka pegujian dianggap memuaskan. b. Pengujian Pelepasan (Discharge Test) Tegangan dinaikkan secara bertahap dengan ditahan dengan jangka waktu tertentu. Jika pada nilai tegangan tertentu terjadi pelepasan muatan maka nilai tersebut yang di ucari. c. Pengujian Kegagalan (Breakdown Test) Tegangan dinaikkan hingga terjadi kegagalan / breakdown.

31

Gambar 2.13 Grafik Tegangan dan Waktu Pengujian merusak (destructive)[2]

Gambar 2.13 merupakan grafik tegangan dan waktu untuk macam pengujian merusak (destructive), dimana : 1. Pengujian ketahanan pada tegangan bertahap V selama T (detik). 2. Pengujian lompatan dengan tegangan secara bertahap sampai mencapai tegangan lompatan Vd. 3. Pengujian kegagalan dengan tegangan secara bertahap sampai tegangan gagal Vb. 2.8

Penerapan dalam Model Hukum Arrhenius[10] Pada tahun 1889, Arrhenius mengusulkan sebuah persaman empiris dengan faktor pengaruh temperatur terhadap laju reaksi. Persamaan ini telah disesuaikan dengan memperkirakan hubungan antara umur isolasi dengan temperatur. Persamaan empiris yang diusulkan Arrhenius untuk menentukan laju reaksi kimia sebagaimana berikut ini: 𝐸

𝑘 = 𝐴𝑒 −𝑅𝑇

(2.21)

dimana, 𝑘 = konstanta laju reaksi E = energi aktivasi reaksi, yakni jumlah minimum energi yang diperlukan untuk mengawali reaksi kimia (diasumsikan konstan), [kalori/mol] atau [ J/mol] atau [eV] R = konstanta Boltzman(1.987 kalori/mol/K atau 8.314 J/mol/K) T = temperatur mutlak [Kelvin =273 + 0C) A = faktor frekuensi (diasumsikan konstan), tergantung pada besarnya tumbukan antar molekul yang bereaksi kemudian menghasilkan kerusakan secara kimia pada isolasi cair. 32

Terdapat beberapa faktor yang dapat mempengaruhi dari energi aktivitas, diantaranya adalah : a. Faktor Temperatur Fraksi molekul dapat bereaksi hingga dua kali lipat dengan kenaikan suhu 100C, hal ini akan menyebabkan laju reaksi akan menjadi berlipat ganda. b. Faktor frekuensi Dalam persamaan ini perubahan temperatur kurang lebih konstan atau perubahannya sangat kecil. Perlu dilihat bagaimana perubahan energi dari fraksi molekul sama atau lebih dari energi aktivitas. c. Faktor katalis Katalis akan menyebabkan reaksi berlangsung lebih cepat dengan energi aktivitas yang rendah. Umur dari bahan isolasi cair (𝑡) yang diuji diasumsikan mempunyai persamaan terbalik dengan laju reaksi kimia (𝑘), sehingga persamaan 2.22 dapat dituliskan dalam persamaan logaritma natural, sebagaimana berikut: 𝐸 ln 𝑘 = ln 𝐴 − ( ) 𝑅𝑇

(2.22)

𝐸 𝐼 ln 𝑘 = ( 𝑥 ) +ln 𝐴 𝑅 𝑇

(2.23)

Persamaan 2.23 dapat dinyatakan dalam bentuk aljabar sebagai berikut: 𝑚 = 𝑏(𝑋) + 𝑎

(2.24)

dimana, 𝑚 = ln 𝑡 1 𝑋 = 𝑇 𝑎 = intersep ln 𝐴, konstanta karakteristik dari populasi bahan isolasi cair yang diuji, metode pengujian, dan jenis kegagalan. 𝐸 𝑏 = , konstanta karakteristik lainnya dari populasi bahan 𝑅 isolasi cair yang di uji, metode pengujian, dan jenis kegagalan 33

Dari persamaan 2.24, maka didapatkan persamaan hubungan antara umur isolasi terhadap temperatur dapat dianalisa dalam bentuk 1 𝐸 grafik ln 𝑡 dengan (berupa garis linear) dengan gradien 𝑏 = dan 𝑇 𝑅 intersep ln 𝐴. Koefisien a dan b diestimasikan dengan cara fitting persamaan 2.24 dengan data eksperimen. Fitting ini dapat dilakukan secara grafis, atau lebih tepatnya dengan metode kuadrat terkecil (last square). Secara teoritis didapatkan persamaan 3.4 dan 3.5 berlaku jika reaksi kimia dan kegagalan diterapkan dengan memberikan faktor tekanan termal pada bahan uji isolasi cair. Aplikasi persamaan Arrhenius seringkali digunakan dan berlaku secara praktik. Pada setiap bahan isolasi memiliki karakteristik sendiri sehingga titik temperatur tertentu untuk pengujian dapat berbeda untuk reaksi kimia dari bahan isolasi, sehingga pada kondisi reaksi kimia lainnya dengan rentang temperatur tertentu dan jenis kegagalan yang berbeda, maka hal ini memberikan dampak yang berbeda pada setiap bahan isolasi cair. Devisiasi dari hasil pemodelan Arrhenius terjadi karena perbedaan variasi temperatur, jenis kegagalan, dan rentang waktu yang diterapkan pada bahan isolasi yang diuji, sehingga hal ini juga akan berdampak pada estimasi umur bahan isolasi cair yang digunakan. 2.9

Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus Ketahan isolasi terhadap tegangan tembus mengacu pada standar IEC 60422 tentang Dielectric strength. Penerapan isolasi minyak pada peralatan listrik dibagi menjadi beberapa kategori berdasarkan penilaian tegangan kerja dari sebuah peralataan listrik. Kategori yang dibagi berdasarkan IEC 60422, adalah sebagai berikut:

34

Tabel 2.3 Kategori peralatan berdasarkan tegangan operasinya[11]

Kategori O A

B C

D E F G

Tipe Peralatan Transformator daya/reaktor dengan sistem tegangan nominal sama dengan dan diatas 400 kV Transfomator daya/reaktor dengan sistem tegangan nominal diatas 170 kV dan dibawah 400 kV. Juga untuk transformator yang dinilai untuk melayani beban penting. Transformator daya/reaktor dengan sistem tegangan nominal diatas 72.5 kV dan dibawah 170 kV Transformator daya/reaktor untuk aplikasi MV/LV misalanya sistem tegangan dengan nominal sampai dengan 72.5 kV Isolasi minyak pada circuit breaker dengan sistem tengan diatas 72.5 kV Isolasi minyak pada switch, seperti metal-enclosed switchgear dan perlengkapan kendali dengan sistem tegangan sama dengan atau lebih besar dari 16 kV Instrumen/proteksi transformator dengan sistem tegangan nominal diatas 170 kV Instrumen/proteksi transformator dengan sistem tegangan nominal sampai dengan 170 kV Diverter tanks pada on-load tap-changers (OLTC), termasuk combined selector/diverter tank Isolasi minyak pada circuit breaker dengan sistem tegangan sampai dengan 72.5 kV Isolasi minyak pada switch, seperti metal-enclosed switchgear dan perlengkapan kendali dengan sistem tegangan di bawah 16 kV

Dari Tabel 2.3 dapat ditentukan kategori untuk sistem isolasi minyak pada transformator daya sesuai dengan sistem tegangan nominal. Sedangkan untuk klasifikasi tes tegangan tembus dari kategori peralatan transformator, adalah sebagai berikut:

35

Tabel 2.4 Aplikasi dan interpretasi dari tes pengujian tegangan tembus10]

Jenis pengujian Tes tegangan tembus (kV)

Kategori O, A, D B, E C F

G

Batas rekomendasi Baik Sedang Buruk >60 50-60 <50 >50 40-50 <40 >40 30-40 <30 <30 kV untuk OLTC pada aplikasi titik belitan bintang <40 kV untuk OLTC pada aplikasi titik belitan delta <30

Ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan menggambarkan isolasi minyak akan terjadi kegagalan pada suatu waktu. Dalam keadaan umum isolasi minyak yang diuji dengan pengujujian tegangan tembus menghasilkan hasil yang terus menurun maka waktu durasi dari umur isolasi minyak tersebut akan berkurang. Dalam standar perhitungan sesuai ANSI/IEEE Std 930 -1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electricl Insulation Voltage Endurance Data”. Dalam bentuk eksponensial adalah sebagai berikut[12]. 𝐿𝑒 = 𝑐 𝑒 (−ℎ𝐺)

(2.25)

dimana, 𝐿𝑒 = Waktu untuk terjadi kegagalan pada waktu tegangan yang ditentukan c = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi reaksi, dan sistem dari unit h = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi reaksi, dan sistem dari unit G = nilai batas rekomendasi dari standar pengujian tegangan tembus

36

BAB 3 EKSPERIMEN PERCEPATAN PENUAAN TERMAL, PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA Dalam bab ini akan dijelaskan tentang identifikasi masalah, metodologi penelitian, dan eksperimen untuk mengetahui pengaruh percepatan penuaan termal terhadap karakteristik fisik dan elektrik dari bahan uji isolasi minyak transformator, serta mengestimasi umur minyak isolasi tersebut. 3.1

Identifikasi Masalah Permasalahan yang terjadi adalah terjadinya penuaan atau pemburukan isolasi minyak pada transformator akibat temperatur yang tinggi saat pembebanan berlebih selama proses transformator beroperasi pada sistem. Saat terjadinya pembebanan berlebih maka transformator akan menyuplai beban yang besar, sehingga arus yang di lewati pada transformator semakin besar. Kenaikan arus yang besar ini akan mengakibatkan hilangnya daya pada belitan kumparan transformator, yaitu berupa panas. Panas yang timbul secara terus menerus akan menaikkan temperatur pada transformator sehingga isolasi minyak transformator akan ikut mengalami kenaikan temperatur. Isolasi minyak akan mengalami degradasi kualitas sebagai bahan isolasi pada transformator Karena faktor temperatur yang tinggi serta mengalami reaksi kimia seperti proses oksidasi. Degradasi kualitas atau penuaan pada isolasi minyak transformator akan mempengaruh karakteristiknya, seperti karakteristik fisik berupa warna dan karakteristik elektrik berupa tegangan tembus. Karakteristik fisik berupa warna pada isolasi minyak transformator yang baik adalah dengan kejernihan warna, bersih dan bebas endapan merupakan beberapa indikator kualitas isolasi minyak yang baik. Selain itu, tegangan tembus juga dapat dijadikan salah satu indikator untuk karakteristik elektrik dari isolasi minyak, baik atau tidaknya kemampuan isolasi minyak dalam menjalankan fungsinya sebagai bahan isolasi cair pada tranformator. Isolasi cair berupa minyak tranformator memiliki nilai tegangan tembus yang tinggi. Ketika transformator diberi beban yang lebih dan temperatur naik, isolasi minyak akan mengalami pemanasan berlebih dalam waktu yang terus-menerus, maka senyawa hidrokarbon dalam minyak akan mengalami proses oksidasi dan mengalami dekomposisi sehingga akan terbentuk endapan. 37

Proses tersebut menjadikan karaktersitik fisik berupa warna pada isolasi minyak akan berubah, dan endapan yang ada pada isolasi minyak akan menurunkan nilai tegangan tembus. 3.2

Metodologi Penelitian Objek eksperimen yang diuji adalah isolasi minyak transformator daya yang dalam kondisi baru, isolasi minyak transformator diberikan oleh PT. Bambang Djaja berupa Nynas Nytro Libra. Pada eksperimen ini sampel uji dilakukan percepatan termal di dalam pemanas litrik berupa oven listrik selama 168 jam dengan temperatur 100 0C, 96 jam dengan temperatur 1150C, dan 48 jam dengan temperatur 125 0C. Penerapan temperatur pada sampel uji dipilih sesuai dengan standar IEC 61125 dengan metoda A yaitu dengan 1000C delama 168 jam menggunakan kawat tembaga sebagai katalis dan sampel uji dengan suhu 115 0C dan 1250C dipilih dibawah temperatur titik nyala minyak Nynas Nitro Libra yaitu pada suhu 1520C, hal ini dilakukan dengan mempertimbangkan faktor keamanan selama berjalannya eksperimen. Kenaikan suhu dengan nilai 100C-150C diharapkan fraksi molekul-molekul dalam sampel uji mampu bereaksi dua kali lipat sehingga hal ini dapat mengakibatkan laju rekasi pada sampe uji berlipat ganda. Setelah melakukan eksperimen percepatan penuaan secara termal, dilakukan observasi dan pengujian tegangan tembus pada setiap sampel isolasi minyak. Pengujian tegangan tembus pada isolasi minyak dilakukan dengan standart IEC 60156, dimana menggunakan dua buah elektroda berbentuk jamur dengan jarak 2.5 mm. Nilai tegangan tembus yang baik dalam isolasi minyak transformator memiliki nilai antara 40kV-60kV lebih tinggi dari nilai tersebut lebih baik. Setelah data diperoleh dari hasil observasi dan pengujian, maka dilakukan pengolahan data untuk mengestimasi umur dari minyak transformator menggunakan model Hukum Arrhenius pada IEEE Std. 101-1987 (Revisi IEEE Std. 101-1972) dan dilakukan perbandingan nilai dengan menggunakan pengolahan data pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan. Diharapkan Estimasi dari kedua metode didapatkan hasil yang sama. Setelah melakukan pengolahan data untuk mengestimasi umur minyak isolasi, maka menarik kesimpulan dari keseluruhan proses yang telah dilakukan.

38

3.3

Peralatan dan Prosedur Eksperimen Eksperimen perpceatan penuaan secara termal pada sampel uji isolasi minyak transformator dilakukan di labroatorium Tegangan Tinggi Elektro ITS dan pengujian sampel uji diambil di Quality Control PT. Bambang Djaja. Penggunaan peralatan yang dibutuhkan untuk eksperimen percepatan penuaan secara termal dan pengujian dibutuhken beberapa alat dan bahan. Adapun alat dan bahan yang diperlukan dalam eksperimen antara lain adalah: 1. Sampel uji isolasi minyak transformator dengan jenis minyak mineral berlabel Nynas Nytro Libra sebanyak 9 liter. 2. Gelas beaker berukuran 500 ml senamyak 17 buah 3. Kawat tembaga sebeagai katalis sepanjang 10 cm untuk setiap sampel isolasi minyak yang di uji 4. Satu unit pemanas listrik yaitu berupa oven listrik 5. Alat ukur termometer Fluke 63 IR Thermometer 6. Satu set alat ukur tegangan tembus dengan dua buah elektroda berbentuk jamur, dengan jarak 2.5 mm. Prosedur eksperimen dan pengujian yang dilakukan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa tahap, yaitu : 1. Pengkondisian sampel untuk bahan uji isolasi minyak transformator 2. Percepatan penuaan isolasi minyak transformator secara termal 3. Pengamatan visual terhadap karakteristik fisik dari sampel uji isolasi minyak transformator 4. Pengujian tegangan tembus pada setiap sampel uji isolasi minyak transformator 3.3.1 Pengkondisian Sampel Uji Isolasi Minyak Sampel yang ingin di uji dalam penelitian ini berjenis minyak mineral berlabel Nynas Nytro Libra, dimana isolasi minyak ini digolongkan dalam jenis minyak mineral ke dalam golongan Sikloalifatik (Neftinis) dan golongan standar. Berikut ini terdapa tabel karateristik dan spesifikasi untuk isolasi minyak berjenis minyak mineral berlabel Nynas Nytro Libra, sebagai berikut :

39

Tabel 3.1 Karakteristik dan spesifikasi isolasi minyak berjenis minyak mineral berlabel Nynas Nitro Libra[13]

Karakteristik

Satuan

Metode Pengujian

Tipikal Data

-

IEC 60296

Jernih, bebas dari endapan

b. Masa jenis (200C)

Kg/dm3

ISO 12185

0.875

c. Viskositas (400C)

mm2/s

ISO 3104

9.6

1. Fisik a. Penampilan

d. Titik Nyala

0

C

ISO 2719

152

e. Titik Tuang

0

C

ISO 3016

-51

a. Angka kenetralan

mg KOH/g

IEC 62021

<0.01

b. Stabilitas Oksidasi

-

IEC 61125

-

c. Kandungan Air

mg/kg

IEC 60814

<20

d. Korosif Sulfur

-

DIN 51353

Tidak korosif

wt %

-

0.18

%

IEC 60590

9

Sebelum perlakuan

kV

IEC 60156

40-60

Sesudah perlakuan

kV

-

>70

-

IEC 60247

<0.001

mN/m

EN 14210

48

2. Kimia

e. Endapan f. Kadar aromatik 3. Elektrik a. Tegangan Tembus

b. Faktor Disipasi Elektrik (900C) c. Tegangan antar permukaan

40

Prosedur pertama, pengkondisian sampel uji isolasi minyak transformator. Sampel isolasi minyak baru akan di bagi menjadi 17 sampel, dimana setiap sampel akan ditempatkan ke dalam gelas beaker dan volume pada setiap sampel pada gelas beaker adalah 500 ml. Sebelum sampel uji di tuangkan ke dalam gelas beaker, gelas beaker terlebih dahulu dipanaskan, untuk menghindari adanya air yang terkandung dalam gelas beaker dan menghindari adanya pengotor yang dapat bereaksi dengan sampel uji isolasi minyak.

Gambar 3.1 Pengkondisian pemanasan pada gelas beaker 500 ml

Setelah gelas beaker dipanaskan isolasi minyak dapat dituangkan kedalam gelas beaker. Temperatur yang digunakan untuk eksperimen percepetan penuaan termal adalah 1000C, 1150C, dan 1250C sehingga sempel uji di bagi menjadi 3 kelompok, dimana kelompok dengan temperatur 1000C terdapat 6 sampel uji, untuk temperatur 1150C terdapat 5 sampel uji, dan untuk temperatur 1250C terdapat 6 sampel uji. Pada setiap sampel diberi sebuah katalis berupa kawat tembaga sepanjang 10 cm, sebelum katalis dimasukkan ke dalam isolasi minyak uji dibersihkan dari pengotor menggunakan isolasi minyak uji yang sama.

41

(a)

(b)

Gambar 3.2 Katalis berupa kawat tembaga dengan panjang 10 cm (a). Sampel uji isolasi minyak Nynas Nytro Libra 500 ml dalam gelas beaker(b)

Gambar 3.3 Pengkondisian sampel uji isolasi minyak menggunakan katalis berupa kawat tembaga

3.3.2 Percepatan Penuaan Minyak Secara Termal Setelah pengkondisian sampel uji isolasi minyak transformator, maka dilakukan penuaan pada isolasi minyak dengan mensimulasikan dengan memanaskan sampel uji dalam pemanas listrik. Sampel secara langsung dibiarkan mendapat kontak dengan udara di dalam pemanas sebagai representasi sistem pernafasan pada transformator. Katalis yang sudah dimasukkan ke dalam sampel uji berfungsi sebagai mempercepat 42

terjadinya proses oksidasi pada isolasi minyak. Proses percepatan penuaan termal dilakukan selama 168 jam pada temperatur 1000C, 96 jam pada temperatur 1150C, dan 48 jam pada temperatur 125 0C. Sampel uji dimasukkan secara berkelompok mengikuti kelompok temperatur dan setiap jadwal dikeluarkan dari pemanas listrik hingga batas waktu yang sudah ditentukan.

Gambar 3.4 Kelompok sampel uji temperatur 1000C

Gambar 3.5 Proses pemanasan sampel isolasi minyak di dalam pemanas listrik (oven)

Berikut ini adalah jadwal setiap kelompok temperatur sampel uji isolasi minyak transformator :

43

Tabel 3.2 Jadwal kelompok sampel uji isolasi minyak untuk eksperimen percepatan penuaan termal

Eksperimen Durasi penuaan termal 1000C Durasi penuaan termal 1150C Durasi penuaan termal 1250C

Waktu percepatan penuaan termal (jam) 0

24

48

0

24

48

0

6, 12, 24

36, 48

96 72

120

168

96

Dari Tabel 3.2, perlu diketahui penerapan temperatur pemanasan pada sampel uji dipilih sesuai dengan IEC 61125 metode A dan untuk penerapan temperatur 1150C dan 1250C sebagai pembanding dan tetap diperhatikan dibawah titik nyala pada sampel uji isolasi minyak yaitu 1520C, hal ini dilakukan dengan mempertimbangkan faktor keamanan selama berjalannya ekperimen. Kenaikan temperatur 10 0C-150C diharapkan fraksi molekul-molekul dalam sampel uji isolasi minyak dapat bereaksi dua kali lipat sehingga hal ini akan mengakibatkan laju rekasi menjadi berlipat ganda. Dengan kenaikan laju reaksi menjadi berlipat ganda akan mempercepat durasi penuaan termal menjadi separuh dengan kenaikan temperatur. Kemudian dilakukan pemastian temperatur pada pemanas listrik menggunakan alat uji fluke 63 IR Thermometer.

Gambar 3.6 Pengukuran temperatur pada 1000C

44



3.3.3 Pengamatan Visual untuk Karakteristik Fisik Setelah sampel uji isolasi minyak dikeluarkan dari pemanas listrik sesuai jadwal, katalis berupa kawat tembaga yang ada pada sampel uji dikeluarkan dan sampel uji dibiarkan dingin secara alami selama ± 3-5 jam dengan temperatur ruangan 200C ± 50C. Kemudian dilakukan pengamatan secara visual pada sampel uji isolasi minyak terhadap perubahan fisik yang kemungkinan terjadi seperti perubahan warna dan endapan pada sampel uji pasca percepatan penuaan secara termal. Kemudian dibandingkan sampel uji pada setiap jadwal pengeluaran dari pemanas listrik 45

3.3.4 Pengujian Tegangan Tembus Setelah sampel uji minyak dingin secara alami pada temperatur ruang dan dilakukan pengamatan secara visual terhadap karakteristik fisik isolasi minyak, selanjutnya dilakukan pengujian tegangan tembus menggunakan alat ukur dengan berdasarkan standar IEC 60156. Pengujian tegangan tembus dilakukan di Quality Control PT. Bambang Djaja. Standar IEC 60156 dengan dua buah elektroda berbentuk jamur dan berjarak 2.5 ± 0.05 mm tetapi jika sudah batas tidak terjadi tegangan tembus maka jarak kedua elektroda 1.5 ± 0.05 mm. Pengisian pada wadah alat ukur, sampel uji isolasi minyak harus mengisi wadah pengujian dan menutupi seluruh bagian elektroda dengan temperatur yang sesuai dengan temperatur ruang. Sampel uji isolasi minyak yang sudah dilakukan percepatan secara termal dipindahkan dari gelas beaker menggunakan botol kaca karena untuk mengurangi reaksi kimia dari wadah jika menggunakan botol plastik. Setelah dipindahkan dalam botol maka perlu diberi nama pada setiap sampel uji agar mempermudah saat pengujian nanti di Quality Control PT. Bambang Djaja. Tabel 3.3 Penamaan sampel pada sampel uji isolasi minyak

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Nama Sampel A01 A02 A03 A04 A05 A06 B01 B02 B03 B04 C01 C02 C03 C04 C05

Temperatur 1000c 1000c 1000c 1000c 1000c 1000c 1150c 1150c 1150c 1150c 1250c 1250c 1250c 1250c 1250c

46

Waktu 0 jam 24 jam 48 jam 96 jam 120 jam 168 jam 24 jam 48 jam 72 jam 96 jam 6 jam 12 jam 24 jam 36 jam 48 jam

Berikut ini adalah tahap-tahap sebelum melakukan pengujian tegangan tembus menggunakan alat Magger OTS08PB, di antaranya adalah: a. Persiapan Umum - Siapkan sampel isolasi minyak transformator yang ingin diuji dan pastikan tidak ada gelembung udara - Buka pengait (hook) pada penutup Magger OTS08PB - Keluarkan kotak bejana uji isolasi cair - Pilih elektroda jamur sesuai standar IEC 60156 . - Atur jarak kedua buah elektroda sampai dengan 2.5 mm dengan memutar pengatur jarak maju mundur elektroda - kemudian pastikan jarak mengunakan alat ukur - Pilih jenis minyak mineral

Gambar 3.9 Alat uji tegangan tembus Magger OTS80PB di Quality Control PT. Bambang Djaja

Posisi elektroda dipasang secara horisontal. Karena jika elektroda dipasang secara vertikal sperti gambar 3.5(a), maka gelembung gas yang terbentuk setelah terjadi tegangan tembus akan mencoba terlepas dan melayang menuju ke udara, namun banyak dari gelembung gas ini justru akan terperangkap di dalam isolasi minyak karena dihalangi oleh pososisi elektroda bagian atas. Tetapi jika elektroda dipasang secara horisontal seperti gambar 3.5(b), maka gelembung gas yang terbentuk akan dengan mudah terlepas dan melayang ke udara tanpa ada halangan.

47

(a)

(b)

Gambar 3.10 Proses jalannya arah gelembung gas pada posisi elektroda vertikal(a). Proses jalannya arah gelembung gas pada posisi elektroda horisontal(b).[7]

Gambar 3.11 Bejana pengujian tegangan tembus pada Magger OTS80PB

Gambar 3.12 Elektroda berbentuk jamur dengan jarak 2.5 mm

48

b.

Prosedur pengujian tegangan tembus - Hidupkan peralatan uji yaitu Magger OTS80PB dengan menekan tombol daya ON pada panel kontrol sehingga peralatan uji akan menyala menggunakan baterai internal. - Pada layar tampilan akan menunjukkan menu utama, gambar elektroda, jarak eletroda 2.5 mm dan kemudian peralatan uji akan melakukan pengujian sendiri (self-test) selama 15 detik - Pilih menu dan arahkan kursor ke standart IEC 156/1995 05 dengan menggunakan tanda panah turun ↓ atau tanda panah naik ↑ pada panel kontrol. - Tekan tombol TEST, maka setelah 5 menit peralatan uji tegangan tembus akan bekerja secara otomatis.

3.4

Estimasi Umur Isolasi Minyak Transfromator Setelah data hasil eksperimen dan pengujian telah diperoleh, kemudian melakukan estimasi umur isolasi minyak dengan pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan metode kegagalan dari hasil pengujian tegangan tembus. Lalu dari kedua pendekatan tersebut dibandingkan hasil estimasi umur untuk isolasi minyak transfromator. 3.4.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Menggunakan Pendekatan Hukum Arrhenius Estimasi umur isolasi minyak transformator dapat dilakukan dengan pendekatan Hukum Arrhenius yang menunjukkan hubungan antara laju reaksi kimia dengan temperatur. Hal ini sudah dijelaskan pada Bab 2 berdasarkan formula dari penelitian eksperimental Thomas W. Dakin, diamana formula tersebut adalah sebagai berikut ini : 𝐵

𝐿𝑡 = 𝐴𝑒 (𝑇 )

(3.1)

dimana, 𝐿𝑡 = waktu/umur bahan isolasi [jam] T = temperatur mutlak dari material isolasi [kelvin] A dan B = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi reaksi, dan sistem dari unit 49

Dari persamaan 3.1, estimasi umur dari isolasi minyak dapat 1 ditentukan dan menerapkan fungsi linear antara ln(𝑡) terhadap . Selain 𝑇 itu, dari formula 3.1 estimasi umur isolasi minyak merupakan fungsi eksponensial terhadap temperatur isolasi minyak. Berikut ini adalah langkah-langkah pengolahan data secara eksperimental berdasarkan standar ANSI/IEEE Std. 101-1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data”[9], sebagaimana berikut ini : 1.

Konversi data ke variasi waktu fungsi log dan ubah temperatur celcius kedalam bentuk temperatur kelvin 

Konversi temperatur celcius pada bahan isolasi uji kedalam temperatur kelvin. 1 (3.2) (𝑇 + 273) Konversi variasi waktu (t) ke dalam fungsi ln untuk penuaan bahan isolasi uji. 𝑋=



(3.3)

𝑌 = ln(𝑡) 2.

Akumulasi nilai 𝑋 dan ∑ 𝑋; ∑ 𝑌 ; ∑ 𝑋 2 ; ∑ 𝑌 2 ; ∑(𝑋𝑌)

3.

Estimasi koefisien Arrhenius 

meliputi

:

Kemiringan atau gradien kurva: 𝑏=



𝑌,

𝑁 ∑(𝑋𝑌) − (∑ 𝑋)(∑ 𝑌) 𝑁 ∑(𝑋 2 ) − (∑ 𝑋)2

(3.4)

(∑ 𝑌 − 𝑏(∑ 𝑋)) 𝑁

(3.5)

Intersep ln 𝐴: 𝑎=

Dimana N adalah jumlah dari sampel yang dihitung. 50

4.

Persamaan kurva regressi Arrhenius: 

Persamaan kurva Arhenius, Tc sebagai keadaan temperatur yang dipilih : 1 (3.6) 𝑚(𝑇𝑐) = 𝑏 [ ]+𝑎 (273 + 𝑇𝑐



Untuk estimasi umur isolasi minyak transformator :

𝐿𝑡 = 𝑒 2.303𝑚(𝑇𝑐)

(3.7)

3.4.2 Estimasi umur Isolasi Minyak Menggunakan Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus Setelah didapatkan hasil dari pengujian tegangan tembus pada sampel uji isolasi minyak transformator, estimasi menggunakan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std 930 -1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electricl Insulation Voltage Endurance Data”. Hasil pengujian tegangan tembus menggunakan persamaan eksponensial dari grafik hasil tegangan tembus antara tegangan (kV) dengan waktu pengujian. Persamaan eksponensial laju degradasi tegangan tembus sebagai berikut :

𝐿𝑒 = 𝑐 𝑒 (−ℎ𝐺)

(3.8)

dimana, 𝐿𝑒 = Waktu untuk terjadi kegagalan pada waktu tegangan yang ditentukan [jam] c = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi reaksi, dan sistem dari unit h = konstanta eksperimen yang berdasarkan material yang bereaksi, kondisi reaksi, dan sistem dari unit G = nilai batas rekomendasi dari standar pengujian tegangan tembus Untuk nilai batas rekomendasi dari standar pengujian tegangan tembus dilakukan pemilihan pada peralatan transformator daya dengan

51

sistem tegangan nominal yang sesuai dengan standar IEC 60422. Dapat dilihat dari tabel dibawah ini : Tabel 3.4 Standar dielectric strength minyak isolasi

Kategori Tegangan (kV)

Tegangan Tembus Isolasi (kV/2,5 mm) Baik Sedang Buruk >60

50-60

<50

>50

40-50

<40

>40

30-40

<30

500 150 70

Berikut ini adalah langkah-langkah pengolahan data secara eksperimental berdasarkan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan, berikut ini[14] : 1.

Estimasi yang dilakukan disebabkan oleh dua tekanan termal dan tekanan elektrik tembus sehingga dilakukan persamaan untuk mendapatkan hubungan antara kedua faktor 

Perhitungan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan dalam bentuk eksponensial sehingga ubah persamaan pendekatan Hukum Arrhenius ka dalam bentuk eksponensial. 𝐵

(3.9)

𝑡 = 𝐴𝑒 𝑇𝑐+273 𝐴 = 𝑒𝑎 𝐵=𝑏

52

(3.10) (3.11)



Lalu didapatkan konstanta hubungan antara tekanan termal dan tekanan elektrik

𝐿𝑡 = 𝐿0 𝑒 (𝐵∆𝑇)

(3.12)

dimana, 𝐿𝑡 = umur dari estimasi isolasi minyak berdasarkan Hukum Arrhenius 𝐿0 = konstanta estimasi umur isolasi minyak yang disebabkan oleh gabungan tekanan termal dan tekanan elektrik yang berupa tegangan tembus 𝐵 = konstanta 

Untuk ∆𝑇 adalah ∆𝑇 =

𝑇 − 𝑇0 𝑇𝑇0

(3.13)

dimana, 𝑇 = temperatur eksperimen percepatan penuaan termal 𝑇0 = temperatur saat pengujian tegangan tembus dilakukan 2.

Setelah didapat konstanta hubungan antara tekanan termal dan tekanan elektrik maka didapatkan estimasi menggunakan pendekatan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan, dari persamaan berikut: 

Persamaan estimasi umur isolasi minyak pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan

𝐿𝑒 = 𝐿𝑜 𝑒 (−ℎ𝐺) 

(3.14)

Untuk mencari konstanta h dilakukan curve fitting pada data tegangan tembus hasil pengujian menggunakan program matlab sehingga didapatkan persamaan eksponensial 53


54

BAB IV ANALISA DATA Data yang sudah didapatkan dari hasil eksperimen, observasi, dan pengujian tegangan tembus dikumpulkan dan disajikan dalam gambar dan tren grafik yang kemudian dianalisa untuk mengetahui pengaruh penuaan secara termal terhadap karakteristik fisik dan karakteristik elektrik pada isolasi minyak transformator. Selanjutnya diestimasikan umur isolasi minyak transformator menggunakan pendekatan hukum Arrhenius dan dibandingkan dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan. 4.1

Analisa Pengaruh Penuaan terhadap Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Setelah Percepatan Penuaan Termal Isolasi minyak mineral yang baik untuk sistem isolasi pada peralatan tegangan tinggi khususnya transformator diharuskan memiliki karakteristik yang baik sehingga dapat menjalankan fungsinya sebagai isolasi. Salah satunya adalah karateristik fisik yang berupa kejernihan secara penampilan pada isolasi minyak. Minyak mineral berlabel Nynas Nytro Libra yang masuk kelas dengan spesifikasi standar, dalam kondisi awal memiliki karkateristik fisik berupa jernih, bebas endapan dan berwarna putih sedikit pucat. Tentunya dengan karakteristik fisik seperti ini yang sesuai standar IEC 60296 minyak berlabel Nynas Nitro Libra layak menjadi sistem isolasi pada transformator. Jika suatu transformator memiliki sistem isolasi yang baik maka transformator dapat beroperasi dengan baik dan menjaga kehandalannya dalam menyuplai tenaga listrik. Namun dengan berjalannya waktu dalam pengoprasian transformator yang berjalan secara kontinu dan diberikan beban berlebih, tentunya akan muncul penuaan yaitu berupa faktor tekanan termal yang dapat mempengaruhi sistem isolasi dari transformator. Faktor tekanan termal ini dapat mempengaruhi karakteristik fisik isolasi minyak transformator dari kondisi awal. Sampel uji isolasi minyak yang telah dikeluarkan dari pemanas listrik setelah dilakukan proses percepatan penuaan secara termal sesuai jadwal pada tabel 3.2. Kemudian dilakukan observasi secara visual terhadap sampel uji isolasi minyak, didapatkan perubahan warna pada sampel uji isolasi minyak setelah dilakukan percepatan penuaan secara termal sehingga eksperimen penuaan dengan faktor tekanan termal mempunyai pengaruh terhadap karakteristik fisik secara penampilan.

55

4.1.1 Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Temperatur 1000C Berikut ini adalah gambar dari sampel uji isolasi minyak yang diurutkan sesuai dengan jadwal percepatan penuaan secara termal pada temperatur 1000C.

(a)

(d)

(b)

(e)

(c)

(f)

Gambar 4.1 Penampilan tampak depan sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 96 jam(d), 120 jam(e), dan 168 jam(f) pada temperatur 1000C

56

(a)

(b)

(d)

(e)

(c)

(f)

Gambar 4.2 Penampilan tampak atas sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 96 jam(d), 120 jam(e), dan 168 jam(f) pada temperatur 1000C

Dari Gambar 4.1 dapat dilihat jelas perubahan karakteristik fisik penampilan berupa warna pada sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal selama 24 jam, 48 jam, 96 jam , 120 jam, dan 168 jam dengan temperatur 1000C yang dijaga konstan. Dapat dilihat perubahan warna pada sampel uji isolasi minyak dari warna putih pucat pada saat 0 jam menjadi warna kuning pucat hingga menjadi warna coklat gelap pada 168 jam. Perubahan warna dari 0 jam ke 24 jam hanya berubah sedikit tambah pucat, dari 24 jam ke 48 jam warna sampel uji menjadi kuning pucat, dari 48 ke 96 dengan jarak waktu 48 jam terlihat jelas perubahan warna menjadi kuning terang, dari 96 ke 120 dengan jarak waktu 48 jam terlihat perubahan warnanya menjadi kuning sawo, dan yang terakhir dari 120 ke 168 perubahan warnanya berubah sangat jelas dari kuning gelap menjadi coklat. Dari gambar 4.2 dapat dilihat sampel uji isolasi masih tidak ada endapan setelah percepatan penuaan termal 57

mapun di waktu 168 jam masih tidak ada endapan pada isolasi minyak transformator. 4.1.2 Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Temperatur 1150C Berikut ini adalah gambar dari sampel uji isolasi minyak yang diurutkan sesuai dengan jadwal percepatan penuaan secara termal pada temperatur 1150C.

(a)

(c)

(b)

(d)

(e)

Gambar 4.3 Penampilan tampak depan sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 72 jam(d), dan 96 jam(e), pada temperatur 1150C

58

(a)

(c)

(b)

(d)

(e)

Gambar 4.4 Penampilan tampak atas sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 72 jam(d), dan 96 jam(e), pada temperatur 1150C

Dari Gambar 4.3, perubahan karakteristik fisik penampilan secara visual dengan temperatur 1150C yang di jaga konstan terlihat jelas perubahan warna pada sampel uji mulai dari 0 jam ke 24 jam perubahan warna dari putih pucat ke kuning terang, setelah itu dari 24 jam ke 48 jam perubahan warna dari kuning terang ke kuning sawo, kemudian dari 48 jam ke 72 jam perubahan warna dari kuning sawo ke coklat kehitaman lalu yang terakhir dari 72 jam ke 96 jam perubahan warna dari coklat kehitaman ke warna hitam pada sampel uji. Ketika temperatur yang di naikan 150C dari 1000C ternyata semakin cepat pemburukan pada sampel uji isolasi minyak, dapat dilihat dari warna sampel uji isolasi minyak pada durasi percepatan penuaan termal yang sama semisal dari durasi 24 jam pada 1000C dan durasi 24 jam pada 1150C perubahan warna yang berubah lebih cepat jika dibandingkan dengan warna sampel uji isolasi minyak pada durasi 0 jam.

59

Dilihat pada Gambar 4.4 endapan pada sampel uji isolasi minyak dari durasi 0 jam hingga 48 jam dapat dilihat tidak terjadi endapan yang terjadi pada sampel uji isolasi minyak, tetapi pada saat 72 jam dan 96 jam tidak dapat dilihat dari tampak atas karena warna yang terlalu pekat. Setelah observasi visual secara tampak bawah pada Gambar 4.5 terdapat endapan pada sampel uji isolasi minyak.

(a)

(b)

Gambar 4.5 Penampilan tampak bawah sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 72 jam (a) dan durasi waktu 96 jam (b) pada temperatur 1150C

Dari Gambar 4.5 endapan yang terjadi pada durasi waktu 96 jam lebih banyak dibandingkan dengan durasi waktu 72 jam. Sehingga lebih lama isolasi minyak diberi tekanan termal maka semakin banyak endapan yang terjadi pada isolasi minyak. Terbentuknya endapan dapat menjadi pertanda bahwa isolasi minyak tersebut sudah mengalami penuaan atau penurunan kualitas sebagai bahan isolasi yang berfungsi sebagai isolasi, terbentuknya diakibatkan proses oksidasi dan dari penerapan tekanan termal yang diberikan pada sampel uji isolasi minyak dengan percepatan penuaan secara termal. Sehingga jika dibandingkan dengan temperatur 1000C tidak terjadi endapan yang terjadi sampel uji isolasi minyak, maka lebih tingginya temperatur yang diterapkan maka semakin cepat penuaan yang terjadi pada sampel uji isolasi minyak.

60

4.1.3 Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Temperatur 1250C Berikut ini adalah gambar dari sampel uji isolasi minyak yang diurutkan sesuai dengan jadwal percepatan penuaan secara termal pada temperatur 1250C.

(a)

(d)

(b)

(e)

(c)

(f)

Gambar 4.6 Penampilan tampak depan sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 6 jam (b), 12 jam (c), 24 jam(d), 36 jam(e), dan 48 jam(f) pada temperatur 1250C

61

(a)

(d)

(b)

(c)

(e)

(f)

Gambar 4.7 Penampilan tampak atas sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 6 jam (b), 12 jam (c), 24 jam(d), 36 jam(e), dan 48 jam(f) pada temperatur 1250C

Dari Gambar 4.6, telihat jelas perubahan karakteristik fisik secara penampilan melalui cara visual dengan perubahan warna yang terjadi pada sampel uji isolasi minyak pada temperatur 125 0C yang dijaga konstan. Perubahan warna pada durasi wakut 0 jam ke 6 jam, perubahan warna dari putih pucat ke warna kuning terang, setelah itu dari 6 jam ke 12 jam perubahan warna dari kuning terang ke kuning sawo, lalu dari 12 jam ke 24 jam perubahan warna ke coklat , kemudian dari 24 jam ke 36 jam perubahan warna dari coklat ke coklat kehitaman setalah itu dari 36 jam ke 48 jam perubahan warna dari coklat kehitaman ke warna hitam. Jika dibandingkan dengan temperatur 1150C pada durasi waktu yang sama semisal 24 jam dibandingkan dengan durasi waktu 0 jam maka lebih cepat terjadi penuaan pada sampel uji isolasi minyak dengan dibuktikan bewarna coklat pada temperatur 1250C.

62

Dilihat dari Gambar 4.7 endapan yang terjadi pada sampel uji isolasi minyak pada durasi waktu 0 jam hingga 24 jam dapat dilihat tidak adanya endapan pada sampel uji isolasi minyak tetapi pada durasi waktu 36 jam dan 48 jam tidak dapat dilihat karena terhalang oleh warna yang terlalu gelap, kemudian dilakukan observasi ternyata yang terjadi endapan hanya pada waktu durasi 48 jam dapat dilihat pada gambar 4.8.

Gambar 4.8 Penampilan tampak bawah sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 48 jam pada temperatur 1250C

4.1.4 Perbandingan Analisa Karakter Fisik Isolasi Minyak Sehingga secara teori kenaikan temperatur 10 0C akan meningkatkan laju reaksi menjadi dua kali lipat, maka akan menyebabkan percepatan penuaan waktu pemburukan sampel menjadi separuhnya. Pemburukan yang terjadi dapat dilihat secara visual dengan melihat warna dari sampel uji isolasi minyak. Dapat lihat perbandingan warna setelah percepatan penuaan secara termal antara temperatur 100 0C, 1100C, dan 1250C dibawah ini.

Gambar 4.9 Penampilan visual sampel uji isolasi minyak dengan pengurutan sesuai durasi waktu pada temperatur 1000C

63



Dari Gambar 4.9, 4.10, dan 4.11 terjadi perubahan warna yang signifikan dibandingkan antara durasi waktu sampel uji isolasi minyak 0 jam atau baru dengan akhir dari durasi penuaan secara termal pada setiap variasi temperatur. Pada temperatur 1000C penuaan untuk mencapai warna coklat dibutuhkan waktu 168 jam, tetapi pada temperatur 115 0C dengan kenaikan 150C dibutuhkan waktu 72 jam sudah mencapai warna coklat kehitaman sehingga dengan kenaikan 100C-150C akan meningkatkan laju reaksi menjadi dua kali lipat, maka percepatan waktu penuaan menjadi separuhnya, berlaku pula dengan 1250C penuaan sampel uji. Jika dibandingkan pada temperatur 125 0C dibutuhkan durasi waktu 48 jam untuk mencapai warna yang sama dengan waktu 96 jam pada temperatur 1150C, hanya dibutuhkan separuh waktu untuk penuaan pada sampel uji isolasi minyak jika dinaikkan 10-150C.

64

4.2

Analisa Pengaruh Penuaan terhadap Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Setelah Percepatan Penuaan Termal Karakateristik elektrik yang dilihat pada sampel uji isolasi minyak menggunakan nilai tegangan tembus atau breakdown voltage (BdV). Tegangan tembus merupakan satu indikator yang baik untuk menentukan kemampuan isolasi minyak dalam menjalankan fungsinya sebagai bahan isolasi cair pada peralatan transformator. Tegangan tembus juga menentukan seberapa jauh kekuatan suatu bahan isolasi menahan tegangan tinggi sampai terjadinya kegagalan tegangan tembus. Pada pengujian tegangan tembus pada penelitian ini, menggunakan alat ukur tegangan tembus yaitu magger OTS80PB dengan dua buah elektroda berbentuk jamur dengan jarak 2.5 mm. Pegujian tegangan tembus dilakukan enam kali pada setiap sampel uji untuk mendapatkan nilai rata rata tegangan tembus yang lebih akurat. 4.2.1 Analisa Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Temperatur 1000C Berikut ini hasil pengujian tegangan tembus pada sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan secara termal pada temperatur 1000C yang disajikan dalam Tabel 4.1 berikut ini: Tabel 4.1 Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal pada temperatur 1000C

No

Drajat termal (0C)

Tegangan tembus (kV) 0 jam

24 jam

48 jam

96 jam

120 jam

168 jam

1

48.5

36.9

38.7

21.2

21.4

11.6

2

36.4

27.5

29.9

27.2

24.3

12.8

34.3

27.7

26.3

19.2

17.5

14.9

4

32.3

25.9

27.7

26.7

17.4

34.8

5

32.5

33.2

25.2

25.9

20.0

12.7

6

35.4

35.7

26.5

22.5

24.7

33.0

36.6

31.2

29.1

23.8

20.9

20.0

3

1000C

Rata-rata

65

Dari nilai yang didapatkan dari hasil pengujian tegangan tembus sebanyak 6 kali, dibuat dalam grafik pada Gambar 4.12 menggunakan program Microsoft excel, sebagai berikut :

Gambar 4.12 Grafik data tegangan tembus antara tegangan tembus dan durasi waktu pada temperatur 1000C

Dari Tabel 4.1, data tegangan tembus yang didapat dan dilihat dari nilai rata-rata selalu mengalami penurunan. Durasi waktu 0 jam atau isolasi minyak yang baru mempunyai tegangan tembus 36.6 kV di bawah nilai karakteristik dari isolasi minyak Nynas Nitro Libra keadaan ini dapat terjadi karena proses pemindahan isolasi minyak ke dalam botol yang terkena kontaminan atau terkena udara langsung karena isolasi minyak sangat sensitif terhadap faktor tersebut, faktor lain yang mempengaruhi nilai di bawah karakteristik karena terlalu lama disimpan dalam botol yang keadannya tutup botol tersebut kurang rapat dengan menunggu pengujian yang dilakukan oleh Quality Control PT. Bambang Djaja. Nilai tegangan tembus setelah percepatan penuaan secara termal mengalami penurunan dilihat dari nilai rata-rata dari hasil pengujian, dari durasi waktu 0 jam dengan nilai 36.6 kV ke durasi waktu 24 jam turun dengan nilai 31.2 kV, kemudian dari durasi waktu 24 jam ke durasi waktu 48 jam turun menjadi 29.1 kV, setelah itu kedurasi waktu 96 jam turun menjadi 23.8 kV, niali tegangan tembus turun menjadi 20.9 kV, dan di

66

periode akhir turun menjadi 20 kV. Dilihat dari Gambar 4.12 grafik yang dilihat dari garis biru yang menunjukan nilai rata-rata, selalu mengalami penurunan dari durasi waktu ke periode berikutnya. Sehingga dapat diketahui isolasi minyak setelah mengalami percepatan penuaan secara termal pada temperatur 1000C akan mengalami penurunan karakteristik elektrik yang ditunjukan dengan penurunan nilai dari tegangan tembus. 4.2.2 Analisa Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Temperatur 1150C Berikut ini hasil pengujian tegangan tembus pada sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan secara termal pada temperatur 1150C yang disajikan dalam Tabel 4.2 berikut ini: Tabel 4.2 Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal pada temperatur 1150C

No

Drajat termal (0C)


24 jam

48 jam

72 jam

96 jam

1

48.5

28.0

17.6

14.4

19.7

2

36.4

21.9

26.2

26.2

17.8

34.3

33.4

16.6

15.3

17.7

4

32.3

19.7

24.6

28.2

17.7

5

32.5

36.1

22.3

12.8

18.0

6

35.4

35.9

23.5

19.7

17.3

36.6

29.2

21.8

19.4

17.9

3

1150C

Rata-rata


67


Dari Tabel 4.2, nilai tegangan tembus rata-rata pada temperatur 1150C selalu mengalami penurunan. Dari durasi waktu 0 jam dengan nilai 36.6 kV ke durasi waktu 24 jam mengalami penurunan menjadi 29.2 kV, setelah itu ke durasi waktu 48 jam menjadi 21.8 kV, kemudian ke duasi waktu 72 jam 19,4 kV, dan periode terakhir menjadi 17.9 kV. Dilihat dari Gambar 4.13 grafik garis biru yaitu nilai rata-rata selalu mengalami penurunan dari durasi waktu ke periode durasi waktu selanjutnya dengan demikian percepatan penuaan termal pada temperatur 115 0C sampel uji isolasi minyak mengalami penurunan karakteristik elektrik yang dilihat dari nilai tegangan tembus. Jika temperatur 115 0C dibandingkan dengan temperatur 1000C pada durasi waktu yang sama semisal 24 jam, maka nilai tegangan tembus lebih kecil di temperatur 1150C. 4.2.3 Analisa Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Temperatur 1250C Berikut ini hasil pengujian tegangan tembus pada sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan secara termal pada temperatur 1250C yang disajikan dalam Tabel 4.3 berikut ini:

68

Tabel 4.3 Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal pada temperatur 1250C

No

Drajat termal (0C)


6 jam

12 jam

24 jam

36 jam

48 jam

1

48.5

26.7

15.0

28.0

22.0

13.6

2

36.4

24.8

17.7

18.0

13.2

13.5

34.3

21.1

20.3

17.9

16.1

12.5

32.3

22.0

19.4

18.1

13.8

14.2

5

32.5

16.9

19.2

18.0

17.9

13.2

6

35.4

20.9

17.7

18.5

18.6

15.2

36.6

22.1

18.2

19.8

16.9

13.7

3 4

1250C

Rata-rata



69

Dari Tabel 4.3, nilai tegangan tembus rata-rata pada temperatur 1250C pada durasi waktu 0 jam memiliki nilai 36.6 kV, kemudian pada durasi waktu 6 jam turun menjadi 22.1 kV, setelah itu turun menjadi 18.2 kV pada dusari waktu 12 jam, setelah itu pada durasi 24 jam naik menjadi 19.8 kV, pada periode berikutnya pada durasi 36 jam mengalami penuruna kembali menjadi 16.9 kV, dan yang terakhir mengalami penurunan menjadi 13.7 kV. Kenaikan yang terjadi dari periode durasi waktu 12 jam ke 24 jam dapat terjadi dikarenakan pada sampel uji isolasi 12 jam lebih banyak kadar air ataupun lebih terpapar dengan udara bebas saat setelah percepatan termal dilakukan karena pengujian tidak langsung dilaksanakan dikarenakan menunggu pengujian dari Quality control PT. Bambang Djaja. Tetapi jika dibandingkan pada temperatur 1150C dengan temperatur 1250C pada durasi waktu yang sama, semisal durasi waktu 24 jam pada temperatur 1150C didapatkan nilai 29.2 kV kemudian di temperatur 1250C didapatkan nilai 19.8 kV, maka dengan kenaikan temperatur nilai tegangan tembus pada durasi waktu yang sama akan mengalami penurunan nilai. Kemudian dilihat dari Gambar 4.14, grafik mengalami penurunan dilihat dari garis biru yaitu nilai rata-rata dari keenam nilai pengujian yang dilakukan. Sehingga semakin lama durasi waktu yang diterapkan pada sampel uji isolasi minyak pada temperatur 125 0C, maka sampel uji isolasi minyak akan mengalami laju degradasi atau penuaan yang dapat mengakibatkan penurunan kualitas sebagai bahan isolasi yang berfungsi sebagai isolasi pada transformator. 4.2.4 Analisa Karakteristik Elektrik Tegangan Tembus Isolasi Minyak Dari hasil pengujian tegangan tembus yang dilakukan setelah penerapan percepatan penuaan secara termal pada isolasi minyak maka didapatkan nilai tegangan tembus yang semakin menurun pada periode durasi waktu yang semakin lama, yang berarti penurunan pada karakteristik elektrik pada isolasi minyak jika diberi tekanan termal dengan durasi yang lama. Semakin tinggi penerapan temperatur yang dilakukan untuk percepatan penuaan maka semakin menurun nilai yang didapatkan untuk tegangan tembus isolasi minyak, yang berarti jika tekanan termal yang dialami isolasi minyak semakin tinggi temperatur maka semakin cepat penuaan yang terjadi pada isolasi minyak yang ditent1ukan dengan nilai tegangan tembus yang semakin menurun.

70

Selanjutnya dari ketiga nilai tegangan tembus dengan variasi temperatur yang dapat disajikan dalam grafik tren penurunan tegangan tembus seperti terlihat pada Gamabar 4.15 berikut ini:

Gambar 4.15 Gafik tren penurunan tegangan tembus isolasi minyak pada variasi temperatur yang berbeda

Dilihat dari Gambar 4.15, grafik tren penurunan tegangan tembus dibuat dengan pendekatan regresi non linear eksponensial menggunakan program matlab 2015b dengan aplikasi curve fitting. Sumbu X adalah waktu karena sebagai variabel independen atau variabel bebas dan sumbu Y sebagai variabel dependen atau variabel terikat karena tegangan tembus dipengaruh oleh waktu percepatan penuaan secara termal. Sehingga didapatkan fungsi eksponensial untuk temperatur 1000C = 35.37𝑒 −0.003925𝑥 , untuk temperatur 1150C = 35.79𝑒 −0.008355𝑥 , dan untuk temperatur 1250C = 30.06𝑒 −0.0192𝑥 . Dilihat dari ketiga grafik semakin lama durasi waktu pemanasan maka semakin menurun nilai dari tegangan tembus isolasi minyak dan semakin tingginya penerapan tekanan termal pada isolasi minyak maka semakin menurun nilai dari tegangan tembus, dapat dilihat grafik 115 0C di bawah grafik 1000C dan grafik 1250C di bawah grafik 1150C. Tingginya temperatur akan mempengaruh laju tren tegangan tembus dimana semakin tinggi temperatur maka akan menyebabkan grafik

71

berbentuk lebih curam. Sehingga tingginya temperatur dan durasi waktu mempengaruhi dari tegangan tembus isolasi minyak. 4.3

Estimasi Umur Isolasi Minyak Transformator Dari data eksperimen yang sudah dilakukan maka dapat dihitung estimasi umur isolasi minyak transformator menggunakan pendekatan hukum Arrhenius yang berkaitan dengan waktu dan temperatur pada eksperimen yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std. 101-1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data”. Kemudian akan dibandingkan perhitungan estimasi dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std 930 -1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electricl Insulation Voltage Endurance Data”. 4.3.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Pendekatan Hukum Arrhenius Pada perhitungan estimasi umur isolasi minyak pendekatan hukum Arrhenius secara eksperimen, maka parameter yang digunakan adalah variabel temperatur dan variabel durasi waktu penuaan termal yang diterapkan pada setiap isolasi minyak yang diuji pada eksperimen. Variabel temperatur sebagai variabel independen atau bebas dan variabel durasi waktu sebagai variabel dependen atau terikat dikarenakan penelitian akan menghitung estimasi umur isolasi minyak sehingga variabel durasi waktu atau yang sebagai umur isolasi minyak akan dipengaruhi oleh variabel temperatur yang akan diterapkan pada isolasi minyak. Perhitungan pendekatan Hukum Arhhenius menggunakan regresi linear. Dengan mengambil contoh pada pengujian temperatur (Tc) 1000C dengan durasi waktu (t) 24 jam, maka didapatkan nilai X, Y, X2, Y2, dan XY sebagai berikut: 𝑋=

1 (𝑇+273)

1

= (100+273) = 0.002680965

𝑌 = ln(𝑡) = ln(24) = 3.17805383 𝑋 2 = (0.002680965)2 = 7.18757x10−6 𝑌 2 = (3.17805383)2 = 10.10003 𝑋𝑌 = 0.002680965 𝑥 3.17805383

= 0.00852

72

Sehingga didapatkan perhitungan seperti tabel 4.4, sebagai berikut: Tabel 4.4 Nilai hasil perhitungan dari eksperimen percepatan penuaan sesuai temperatur dan durasi waktu yang diterapkan

Tc 0 C

N 1 2

100

3 4 5

t jam 24 48 96 120 168

115

24

X2

0.00268

3.17

7.18x10-6

3.87

7.18x10

-6

7.18x10

-6

7.18x10

-6

7.18x10

-6

-5

6.64x10

-6 -6

0.00268 0.00268 0.00268 0.00268 0.00257

4.56 4.78 5.12 21.5 3.17

3.5 x10

Y2

XY

10.1

0.00852

14.98

0.01037

20.83

0.01223

22.92

0.01283

26.25

0.01373

95.09

0.05770

10.10

0.00819

48

0.00257

3.87

6.64x10

14.98

0.00997

8

72

0.00257

4.27

6.64x10-6

18.28

0.01102

9

96

0.00257

4.56

6.64x10-6

20.83

0.01176

15.8

2.65x10

-5

64.2

0.04095

6.31x10

-6

3.21

0.00450

6.31x10

-6

6.17

0.00624

6.31x10

-6

10.1

0.00798

6.31x10

-6

12.84

0.00900

6.31x10

-6

14.98

0.00972

3.15x10

-5

47.31

0.03746

9.40x10

-5

206.6

0.13612

7

0.01031

Jumlah 115 10 11 125

Y

0.01340

Jumlah 100 6

X

12 13 14

6 12 24 36 48

Jumlah 125 Jumlah total

0.00251 0.00251 0.00251 0.00251 0.00251 0.01256 0.03628

1.79 2.48 3.17 3.58 3.87 14.9 52.3

Kemudian menghitung estimasi kemiringan kurva : 𝑏=

𝑁 ∑(𝑋𝑌)−(∑ 𝑋)(∑ 𝑌) 𝑁 ∑(𝑋 2 )−(∑ 𝑋)2

73

𝑏=

(14∗0.136123)−(0.036277∗52.32476781) (14∗9.4073E−05)−(0.0362772)

= 7484.982045

Mengitung estimasi dari intersep garis Arrhenius: 𝑎= 𝑎=

(∑ 𝑌−𝑏(∑ 𝑋)) 𝑁 (52.32476781−(7484.982045∗0.036277)) 14

= −15.65766523

Sehingga didapatkan persamaan garis linear : 𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥 𝑦 = −15.65766523 + 7484.982045𝑥 Dimana sumbu 𝑦 adalah waktu atau umur dari isolasi minyak 1 dan 𝑥 sebagai variabel temperatur dimana 𝑥 = (𝑇𝑐+273) dan 𝑇𝑐 sebagai temperatur yang diterapkan pada isolasi minyak, sehingga dapat dimasukan untuk estimasi umur isolasi minyak dalam persamaan 3.6 : 𝑚(𝑇𝑐) = 𝑏 [

1 (273+𝑇𝑐

]+𝑎

𝑚(𝑇𝑐) = 7484.982045 [

1

] − 15.65766523

(273+𝑇𝑐)

Dari persamaan di atas maka dapat dihitung estimasi umur dari isolasi minyak secara eksperimen, misalnya diambil satu contoh pada temperatur 1000C. 𝑚(𝑇𝑐) = 7484.982045 [

1 (273+100

] − 15.65766523

𝑚(𝑇𝑐) = 4.409310759 𝐿𝑡 = 𝑒 2.303 𝑥 4.409310759 𝐿𝑡 = 25663.1971 jam

74

Berikut ini gambar kurva Arrhenius yang dapat diinterpretasikan dari hasil eksperimen percepatan penuaan termal pada sampel uji isolasi minyak:

Gambar 4.16 Kurva Arrhenius pada percepatan penuaan sampel uji isolasi minyak transformator berjenis minyak mineral dalam variasi temperatur

Dari Gambar 4.16, kurva Arrhenius dapat diketahui bahwa hubungan antara ln (t) terhadap 1/T(Kelvin) adalah linear, dengan mengikuti persamaan : 𝑦 = −15.65766523 + 7484.982045𝑥 Karena hubungan antara ln (t) berbanding terbalik dengan temperatur, sehingga dapat diketahui jika temperatur yang diterapkan untuk tekanan termal terhadap isolasi minyak dinaikan maka umur isolasi minyak akan berkurang.

75

Sehingga untuk variasi temperatur yang terjadi pada isolasi minyak disebabkan oleh tekanan termal dapat ditentukan estimasi umur dari isolasi minyak. Estimasi umur isolasi minyak pada setiap kenaikan temperatur minyak (∆𝑇𝑐) sebesar 50C seperti tabel di bawah ini: Tabel 4.5 Estimasi umur isolasi minyak secara ekesperimen

Estimasi Umur 𝒎(𝑻𝒄) Isolasi Jam 5.25 177871.2

Estimasi Umur Isolasi Hari 7411.30

Estimasi Umur Isolasi Tahun 20.30

91647.37

3818.64

10.46

4.68

48079.49

2003.31

5.49

0.0027

4.40

25663.20

1069.30

2.93

105

0.0026

4.14

13927.54

580.31

1.59

6

110

0.0026

3.88

7680.13

320.01

0.88

7

115

0.0026

3.63

4300.57

179.19

0.49

8

120

0.0025

3.38

2443.94

101.83

0.28

9

125

0.0025

3.14

1408.71

58.70

0.16

10

130

0.0025

2.91

823.17

34.30

0.09

11

135

0.0025

2.68

487.39

20.31

0.06

12

140

0.0024

2.46

292.27

12.18

0.03

13

145

0.0024

2.24

177.42

7.39

0.02

2.03 108.98 = Estimasi

4.54

0.01

No

𝑻𝒄 0 C

𝟏 (𝟐𝟕𝟑 + 𝑻𝒄)

1

85

0.0028

2

90

0.0027

4.96

3

95

0.0027

4

100

5

14

150 0.0024 = Eksperimen

Dari Tabel 4.5, estimasi umur isolasi minyak selalu mengalami penurunan jika temperatur yang diterapkan semakin tinggi. Batas tertinggi estimasi umur menggunakan temperatur 1500C karena batas dari titik nyala karakteristik Nynas Nitro Libra dan batas bawah 850C dikarenakan di bawah temperatur didapatkan nilai estimasi umur yang lebih dari standar IEEE, sehingga didapatkan jika isolasi minyak bekerja di bawah temperatur 850C dapat dikatakan aman, dan tidak merusak isolasi minyak transformator.

76

Berikut kurva estimasi umur isolasi minyak pada setiap kondisi temperatur yang terjadi pada tekanan termal pada isolasi minyak, sebagai berikut:

Gambar 4.17 Kurva Estimasi Umur Isolasi Minyak pada variasi temperatur antara 850C1500C dengan ∆T = 50C

Dari kurva estimasi umur isolasi minyak Gambar 4.17 di atas, dalam skala eksprimen yang dilihat dari penerapan temperatur pada tekanan termal isolasi minyak. Umur isolasi minyak akan berkurang secara eksponensial mengikuti persamaan : 𝑦 = 4.624𝑥108 𝑒 −0.1299𝑥 Dimana x adalah temperatur minyak isolasi dalam satuan 0C dan y adalah umur dari isolasi minyak dalam satuan hari. Sehingga dapat diketahui semakin tinggi temperatur pada isolasi minyak maka akan menyebabkan penurunan umur secara eksponensial, sehingga temperatur sangat berpengaruh terhadap umur dari isolasi minyak. 4.3.2 Estimasi Umur Isolasi Minyak Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus Pada perhitungan estimasi umur isolasi minyak menggunakan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan secara eksperimen, variabel yang digunakan mengambil data

77

dari hasil pengujian tegangan tembus dan variabel durasi watu percepatan penuaan secara termal, setelah itu menghubungkan antara estimasi umur isolasi minyak pendekatan Hukum Arrhenius secara termal. Variabel tegangan tembus sebagai variabel independen atau variabel bebas dan durasi waktu atau umur isolasi minyak sebagai variabel dependen atau terikat dikarenakan variabel tegangan tembus akan mempengaruhi estimasi umur dari isolasi minyak yang akan ditentukan. Dikarenakan bentuk persamaan estimasi umur isolasi minyak menggunakan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan dalam bentuk eksponensial, maka persamaan Hukum Arrhenius dirubah menjadi bentuk eksponensial, sebagai berikut: 𝐴 = exp(𝑎) = exp(−15.65766523) = 1.58476𝑥10−7

𝐵 = 𝑏 = 7484.982045 𝐵

𝑡 = 𝐴𝑒 𝑇𝑐+273

𝑡 = 1.58476𝑥10−7 𝑒

7484.982045 𝑇𝑐+273

Sehingga didapatkan persamaan Hukum Arrhenius berbentuk eksponensial yang berartikan t adalah tingkat penuaan termal (Thermal aging rate) Setelah itu dilanjutkan perhitungan konstanta estimasi umur isolasi minyak yang disebabkan oleh gabungan tekanan termal dan tekanan elektrik yang berupa tegangan tembus ( 𝐿0 ). Dengan persamaan sebagai berikut: 𝐿𝑡 = 𝐿0 exp (𝐵∆𝑇) dimana ∆𝑇adalah terdiri dari 𝑇 sebagai temperatur percepatan penuaan termal dan 𝑇0 sebaga temperatur saat pengujian tegangan tembus dilakukan. Persamaan ∆𝑇 sebagai berikut :

78

∆𝑇 =

𝑇−𝑇0 𝑇𝑇0

Temperatur saat pengujian tegangan tembus pada sampel uji isolasi minyak pada temperatur 1000C didapatkan dalam Tabel 4.5. Sehingga perhitungan kontanta 𝐿0 pada temperatur 1000C, sebagai berikut: Tabel 4.6 Temperatur saat pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak pada saat 1000C

No

Temperatur eksperimen

1

1000C

Temperatur isolasi minyak saat pengujian tegangan tembus 0C 0 24 48 96 120 168 Ratajam jam jam jam jam jam rata 28 27 27 27 27 27 27.167

dari Tabel 4.6 dapat dihitung ∆𝑇, sebagai berkut: ∆𝑇 =

(100+273)−(27.167+273) (100+273)(27.167+273)

∆𝑇 = 0.000650514 kemudian didapatkan konstanta persamaan 𝐿0 : 𝐿𝑡 = 𝐿0 exp (7484.982045𝑥0.000650514 ) dimana 𝐿𝑡 adalah estimasi umur isolasi minyak pada saat

temperatur 1000C berdasarkan pendekatan Hukum Arrhenius yang didapatkan. 𝐿𝑡 = 25663.1971 25663.1971 = 𝐿0 exp (7484.982045𝑥0.000650514 ) 𝐿0 =

25663.1971 130.2014785

= 197.1037302

79

Temperatur saat pengujian tegangan tembus pada sampe uji isolasi minyak pada temperatur 1150C didapatkan dalam tabel 4.6 Sehingga perhitungan kontanta 𝐿0 pada temperatur 1150C adalah sebegai berikut: Tabel 4.7 Temperatur saat pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak pada saat 1150C

No


1

1150C

Temperatur isolasi minyak saat pengujian tegangan tembus 0C 0 jam 24 jam 48 96 Rata-rata jam jam 28 26 27 27 27

dari Tabel 4.7 dapat dihitung ∆𝑇, sebagai berkut: ∆𝑇 =

(115+273)−(27.+273) (115+273)(27+273)

∆𝑇 = 0.000756014 kemudian didapatkan konstanta persamaan 𝐿0 : 𝐿𝑡 = 𝐿0 exp (7484.982045𝑥0.000756014 ) dimana 𝐿𝑡 adalah estimasi umur isolasi minyak pada saat

temperatur 1150C berdasarkan pendekatan Hukum Arrhenius yang didapatkan. 𝐿𝑡 = 4300.565881 4300.565881 = 𝐿0 exp (7484.982045𝑥0.000756014 )

𝐿0 =

4300.565881 286.7897339

= 14.99553635

80

Temperatur saat pengujian tegangan tembus pada sampe uji isolasi minyak pada temperatur 1250C didapatkan dalam tabel 4.7. Sehingga perhitungan kontanta 𝐿0 pada temperatur 1250C adalah sebegai berikut: Tabel 4.8 Temperatur saat pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak pada saat 1250C

No


1

1250C

Temperatur isolasi minyak saat pengujian tegangan tembus 0C 0 6 12 24 36 48 Ratajam jam jam jam jam jam rata 28 27 28 27 27 28 27.5

dari tabel 4.8 dapat dihitung ∆𝑇, sebagai berkut: ∆𝑇 =

(100+273)−(27.5+273) (100+273)(27.5+273)

∆𝑇 = 0.000646822 kemudian didapatkan konstanta persamaan 𝐿0 : 𝐿𝑡 = 𝐿0 exp (7484.982045𝑥 0.000646822) dimana 𝐿𝑡 adalah estimasi umur isolasi minyak pada saat

temperatur 1250C berdasarkan pendekatan Hukum Arrhenius yang didapatkan. 𝐿𝑡 = 1408.712336 1408.712336 = 𝐿0 exp (7484.982045𝑥 0.000646822) 𝐿0 =

1408.712336 275.1276768

= 5.120213103

81

Setelah didapatkan konstanta 𝐿0 , selanjutnya melakukan pencarian persamaan eksponensial tegangan tembus untuk 100 0C, yang dilakukan dengan program matlab 2015b dengan aplikasi curve fitting. Variabel x sebagai variabel independen adalah tegangan tembus dan variabel ya adalah durasi waktu yang akan menjadi perhitungan estimasi umur isolasi minyak dikarenakan umur isolasi minyak dipengaruhi tegangan tembus yang terjadi pada isolasi minyak.

Gambar 4.18 Kurva persamaan eksponensial tegangan tembus pada temperatur 1000C

Dari Gambar 4.18 didapatkan persamaan eksponensial untuk tegangan tembus, sebagai berikut: 𝑦 = 3441 𝑒𝑥𝑝(−0.1541 ) Sehingga didapatkan persamaan estimasi umur isolasi minyak : 𝐿𝑒 = 𝐿0 𝑒 (−ℎ𝐺) ℎ = 𝑏 = −0.1541 82

dimana 𝐿0 untuk temperatur 1000C adadalah 197.1037302 sehingga dapat dihitung untuk estimasi umur isolasi minyak pada sampel uji 1000C. sebagai berikut : 𝐿𝑒 = 197.1037302

exp (−0.1541 𝐺)

untuk nilai G dalam satuan kV yang berdasarkan standar IEC 60422, dimana Nynas Nytro Libra adalah standart grade sehingga digunakan pada transformator sistem 20 kV. Transformator 20 kV mempunyai standar terburuk untuk tegangan tembus adalah 30 kV, sehingga nilai G adalah 30 kV. 𝐿𝑒 = 197.1037302

exp (−0.1541 x 30)

𝐿𝑒 = 20064.95699 jam Persamaan eksponensial untuk tegangan tembus pada sampel uji isolasi minyak dari temperatur 1150C.

Gambar 4.19 Kurva persamaan eksponensial tegangan tembus pada temperatur 1150C

83

Dari Gambar 4.18 didapatkan persamaan eksponensial untuk tegangan tembus, sebagai berikut: 𝑦 = 1476 𝑒𝑥𝑝( −0.1541

)

Sehingga didapatkan persamaan estimasi umur isolasi minyak : 𝐿𝑒 = 𝐿0 exp (−ℎ𝐺) 𝐿𝑒 = 14.99553635 exp (0.0.1541𝐺) 𝐿𝑒 = 14.99553635

exp (−0.1541 x 30)

𝐿𝑒 = 1526.577375 jam Persamaan eksponensial untuk tegangan tembus pada sampel uji isolasi minyak dari temperatur 1250C.

Gambar 4.20 Kurva persamaan eksponensial tegangan tembus pada temperatur 125 0C

84

Dari Gambar 4.18 didapatkan persamaan eksponensial untuk tegangan tembus, sebagai berikut: 𝑦 = 575.8 𝑒𝑥𝑝( −0.1792 ) Sehingga didapatkan persamaan estimasi umur isolasi minyak : 𝐿𝑒 = 𝐿0 exp (−ℎ𝐺) 𝐿𝑒 = 5.120213103 exp (0.1792𝐺) 𝐿𝑒 = 5.120213103 exp ((0.1792 x 30) 𝐿𝑒 = 1106.765866 jam 4.3.3 Perbandingan Estimasi Menggunakan Pendekatan Hukum Arrhenius dengan Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus Perbandingan perbedaan estimasi umur isolasi minyak antara pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan secara eksperimen, perbandingan dilihat dari sesama temperatur 1000C, 1150C, dan 1250C yang dilakukan setelah percepatan penuaan secara termal. Perbandingan diantara keduanya diharapkan kecil sehingga Hukum Arrhenius dapat digunakan sebagai estimasi minyak isolasi transformator. Perbandingan perbedaan estimasi umur isolasi minyak transformator pada temperatur 1000C didapatkan sebagai berikut : %𝐸 = %𝐸 =

𝐿𝑡−𝐿𝑒 𝐿𝑡

𝑥 100%

25663.1971 −20064.95699

𝑥 100% = 21.81427391 % Didapatkan perbandingan perbedaannya sebesar 21.8143 %, perbedaan ini disebabkan karena pendekatan Hukum Arrhenius hanya melihat dari tekanan termal, sedangkan dari pendekatan ketahanan isolasi dilihat dari tegangan tembus, dimana tegangan tembus dipengaruhi beberapa faktor diantaranya kandungan air, udara dan endapan pada isolasi minyak. 25663.1971

85

Perbandingan perbedaan estimasi umur isolasi minyak transformator pada temperatur 1150C didapatkan sebagai berikut : %𝐸 =

4300.57 − 1526.577375 4300.57

𝑥 100% = 55.03177482 %

Didapatkan perbedaannya sebesar 55.03177482 %, perbedaan yang cukup besar ini didapatkan karena keadaan isolasi minyak pada eksperimen percepatan secara termal dilakukan pertama kali percobaan sehingga terlalu lama didiamkan dan terpapar udara yang cukup lama. Perbandingan perbedaan estimasi umur isolasi minyak transformato pada temperatur 1250C didapatkan sebagai berikut : %𝐸 =

1408.71 − 1106.76586 1408.71

𝑥 100% = 21.4340875 %

Didapatkan perbedaannya sebesar 21.4340875 %, perbedaan yang didapatkan mendekati sama dengan temperatur 100 0C, sehingga pengaruh perbedaannya sama pada temperatur 1000C. Dari kedua pendekatan untuk estimasi umur isolasi minyak transformator dapat dibuat grafik antara waktu dengan temperatur, ditambahkan hasil percobaan estimasi umur pada penelitian IEEE Std.101-1987.

Gambar 4.21 Grafik eksponensial perbandingan estimasi umur isolasi minyak transfomator

86

BAB V PENUTUP 5.1

Kesimpulan Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari eksperimen dan analisa dari isolasi minyak transformator berdasarkan karakteristik fisik dan karakteristik elektrik beserta estimasi dari umur isolasi minyak transformator adalah sebagai berikut : 1. Eksperimen percepatan penuaan secara termal pada isolasi minyak tranformator dapat menyebabkan penuaan atau penurunan kualitas fungsi sebagai bahan isolasi pada isolasi minyak transformator. 2. Semakin tinggi temperatur yang diterapkan pada percepatan penuaan termal akan menyebabkan penuaan menjadi lebih cepat. 3. Eksperimen percepatan penuaan secara termal yang dilakukan pada isolasi minyak transformator akan mengubah karakteristik fisik yang ditandai dengan perubahan warna, didapatkan semakin lama isolasi minyak dipanaskan maka perubahan warna akan semakin gelap warna dibandingkan dengan isolsi minyak baru, serta terdapat endapan. Semakin tinggi temperatur yang diterapkan maka semakin cepat warna isolasi minyak berubah. 4. Eksperimen percepatan penuaan secara termal akan menyebabkan perubahan karakteristik elektrik yang ditandai dengan menurunya nilai tegangan tembus, didapatkan jika semakin lama durasi pemanasan, maka nilai tegangan tembus akan semakin turun dan jika semakin tinggi temperatur yang diterapkan maka tegangan tembus akan menurun lebih cepat. 5. Berdasarkan pendekatan Hukum Arrhenius untuk estimasi umur isolasi minyak transformator didapatkan pada temperatur 100 0C sebesar 25663.2 jam, temperatur 1150C sebesar 4300.57 jam, dan temperatur 1250C sebesar 1408.71 jam

87

6.

7.

Berdasarkan pendekatan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan untuk estimasi umur isolasi minyak transformator didapatkan pada temperatur 1000C sebesar 20064.96 jam, temperatur 1150C sebesar 1526.57 jam, dan temperatur 1250C sebesar 1106.76 jam Perbandingan perbedaan estimasi umur isolasi minyak, didapatkan pada temperatur 1000C sebesar 21.8 %, temperatur 1150C sebesar 55.03%, dan temperatur 1250C sebesar 21.4 %

5.2 Saran Eksperimen percepatan penuaan secara termal dapat menurunkan kualitas fungsi isolasi minyak dan penuaan yang ditandai dengan berubahnya karakteristik fisik dan elektrik pada isolasi minyak transformator. Tetapi, isolasi minyak transformator mudah beraksi dengan udara sehingga perlu meminimalisir isolasi minyak kontak langsung dengan udara bebas. Perlunya pengujian DGA (Disolve Gas Analysis) sehingga diketahui kandungan gas yang terlarut pada sampel uji isolasi minyak.

88

DAFTAR PUSTAKA [1] [2]

[3]

[4]

[5] [6] [7]

[8]

[9] [10]

[11]

Chapman, Stephen. J., “Electric Machinary Fundamentals: Fourth Edition”, McGraw-Hill Education, New York, Ch. 2, 2005. Febrina, Dewi Cahya, Tugas Akhir, “Pengaruh Temperatur Terhadap Tegangan Tembus dan Usia Kerja Berbagai Jenis Minyak Transformator di PT.PLN (Persero) P3B JB APP Surabaya”, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Elektro, ITS, 2016. Solikhudin, M,.” Studi Gangguan Interbus Transformer (IBT-1) 500/150 kV di Gitet 500 kV Kembangan – Jakarta Barat”, Thesis, Fakultas Teknik Program Pasca Sarjana Departemen Teknik Elektro, UI, Bab 2, 2010. F. Husnayain, M. Latif, O, dan I. Garniwa, “Transformer Oil Lifetime Prediction Using the Arrhenius Law based on Physical and Electrical Characteristics”, IEEE 2015 International Conference on Quality in Research, pp. 115 – 120, Aug, 2015. Arigayota, Abdul Rahman, “Memantau Kualitas Minyak Trafo”. Teknologi dan Energi Vol.2 No.4: Halaman 392, Oktober 2012. Arismunandar, Artono, ”Teknik Tegangan Tinggi Suplemen”, Jakarta: Ghalia Indonesia, 1983. Yuliastuti, Endah, Morshuis, P.H.F, and Chen, X, “Analysis of Dielectric Properties Comparison between Mineral Oil and Synthetic Ester Oil”, Master Thesis, Delft University of Technology, Oktober 2010. Taghikhani, M.A, “Power Transformer Insulation Lifetime Estimation Methods”, IEEE International Journal of Energy Engineering 2011; 1(1): Sep 2011. PT. PLN (Persero), Diktat,“Panduan Pemeliharaan Transformator”, SPLN, 2003. Institute of Electrical and Electronics Engineers. “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data”, ANSI/IEEE Std. 101-1987. New York, Des 2010. International Electrotechnical Commission. “Mineral insulating oils in electrical equipment – Supervision and maintenance guidance”, IEC 60422 Ed.4 2013-01, Jan 2013.

89

[12]

[13] [14]

Institute of Electrical and Electronics Engineers. “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electrical Insulation Voltage Endurance Data”, ANSI/IEEE Std. 930-1987. New York, 1987. Nynas Nitro.”Standart Grade Nytro Libra Electrical Insulating Oil”, Ed.4, 2012. Simoni, L., “A General Approuch To The Eendurance Of Electrical Insulation Under Temperature And Voltage”, IEEE Transaction on electrical insulation Vol. E1 No. 4, Agustus 1981.

90

Riwayat Hidup Penulis Rifqi jauhari, Penulis biasa dipanggil dengan sapaan Jo dilahirkan di Jombang pada tanggal 10 Januari 1995, anak ke dua dari empat bersaudara dari orang tua Lukman Hakim Jauhari dan Sri Purwaning Untari. Penulis memulai pendidikan dari TK Ibunda pada tahun 1999-2001, kemudian melanjutkan pendidikan di SD IT Auliya pada tahun 2001-2007, selanjutnya menempuh pendidikan di SMP N 177 Jakarta pada tahun 2007-2010, setalah itu melanjutkan di SMA N Cahaya Madani Banten Boarding School pada tahun 2010-2013, dan penulis melanjutkan studi di S1 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Penulis mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga sebagai fokus studinya. Selain itu penulis aktif dalam pengurusan organisasi Himpunan Mahasiswa Elektro sebagai staf Hubungan Luar dan staf ahli Hubungan Luar, penulis juga aktif dalam kepengurusan kepanitian event atau pelatihan yang dilaksanakan di jurusan Teknik Elektro Maupun tingkat universitas, sebagai panitia display ITS EXPO pada tahun 2014, panitia dekorasi ee event pada tahun 2014. Saat ini penulis aktif sebagai asisten Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi jurusan Teknik Elektro-ITS. Penulis dapat dihubungi melalui email : [email protected]

91


92

ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS

Recommend Documents