ANALISIS KARAKTERISTIK DIELEKTRIK MINYAK HIDROLIK SEBAGAI ALTERNATIF ISOLASI CAIR UNTUK TRANSFORMATOR DAYA Andy Martono1, Juningtyastuti2, Abdul Syakur3 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia 1
[email protected] [email protected] 3
[email protected]
2
Abstrak— Transformator daya merupakan salah satu peralatan tegangan tinggi yang mempunyai peranan cukup penting dalam Sistem Tenaga Listrik. Permasalahan terpenting pada transformator daya adalah isolasi atau dielektrik. Bahan dielektrik yang digunakan berbahan cair yaitu minyak isolasi, berfungsi sebagai media isolasi dan pendingin. Tiga sifat yang paling penting dari dielektrik cair adalah: kekuatan tegangan tembus (breakdown voltage), faktor rugi-rugi (tan δ), dan viskositas kinematik (kinematic viscosity). Kualitas dielektrik cair yang buruk akan menyebabkan kegagalan isolasi, dan berakibat tembus listrik (electrical breakdown). Untuk itu, penulis melakukan penelitian terhadap minyak hidrolik dengan tingkat kekentalan rendah, sebagai alternatif minyak isolasi transformator daya. Pengujian dimaksudkan untuk menganalisis karakteristik minyak hidrolik, dengan pembanding standar minyak isolasi transformator daya. Hasilnya menunjukkan bahwa: viskositas kinematik pada 200C adalah 27,38cSt, kekuatan tegangan tembus sebesar 16,80kV/2,5mm, dan faktor rugirugi (tan δ) bernilai 0,002-0,0032. Kata kunci – minyak hidrolik, sifat-sifat terpenting isolasi cair, transformator daya
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Pada transformator daya, menggunakan dielektrik cair yaitu minyak isolasi, berfungsi untuk memisahkan dua atau lebih penghantar listrik yang bertegangan, sehingga antara penghantar-penghantar bertegangan tersebut tidak terjadi lompatan api (flashover)[1]. Minyak isolasi memiliki kekentalan atau viskositas kinematik (kinematic viscosity) tertentu, yang memberi pengaruh dalam proses sirkulasi minyak isolasi sebagai pendingin. Minyak isolasi dengan kekentalan rendah akan lebih mudah bersirkulasi[11]. Selain viskositas kinematik, perlu juga diperhatikan kekuatan tegangan tembus dan nilai faktor rugi-rugi (tan δ)[8].. Menurut SPLN 49-1-1982, standar minyak isolasi transformator daya yang harus dipenuhi: viskositas kinematik pada suhu 200C adalah ≤40cSt, tegangan tembus ≥30kV/2,5mm, faktor rugi-rugi (tan δ) ≤ 0,05[11].
Dari penjelasan diatas, penulis mencoba melakukan penelitian terhadap minyak hidrolik yang memiliki kekentalan rendah sebagai alternatif minyak isolasi untuk transformator daya. Penelitian yang dilakukan, ditekankan pada karakteristik viskositas kinematik, karakteristik tegangan tembus, dan karakteristik nilai faktor rugi-rugi (tan δ) yang terdapat pada minyak hidrolik. B.
Batasan Masalah Berdasarkan uraian pada latar belakang tersebut, maka batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Sampel uji yang digunakan adalah minyak hidrolik DTE 10 Excel Series. 2. Pengujian tegangan tembus disesuaikan dengan metode IEC 156, menggunakan elektroda medan seragam setengah bola - setengah bola. Sela antara elektroda yang digunakan mulai 2mm sampai 3mm dengan interval 0,5mm. 3. Tegangan yang diterapkan untuk pengujian adalah tegangan AC (bolak-balik) frekuensi 50 Hertz. 4. Pengujian viskositas kinematik minyak menggunakan metode viskometer bola jatuh. Pengujian dimulai pada temperatur 100C sampai 500C dengan peningkatan temperatur sebesar 100C. 5. Pengukuran faktor rugi-rugi (tan δ), menggunakan peralatan AFG tipe GAG-809G, kapasitor sejajar (luas penampang 7,5cm x 3,2cm, jarak pelat 0,8cm), dan resistor 1kΩ. Input tegangan 5V sampai 11V. Metode pengukuran kapasitor sejajar RC seri. C. 1.
2.
3.
Tujuan Penelitian Penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut : Mengetahui kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik, kemudian menganalisis karakteristik tegangan tembus terhadap pengaruh sela elektroda. Mengetahui nilai viskositas kinematik minyak hidrolik pada temperatur 200C, kemudian menganalisis karakteristik viskositas kinematik minyak hidrolik terhadap pengaruh temperatur. Mengetahui karakteristik faktor rugi-rugi (tan δ) dari minyak hidrolik, terhadap kenaikan tegangan.
4.
Mengetahui kelayakan minyak hidrolik sebagai isolasi cair transformator daya, yang berdasar pada standar minyak isolasi SPLN 49-1-1982.
minyak organik meliputi minyak jarak, minyak kelapa sawit, minyak kelapa murni, dan minyak kedelai. b. Minyak mineral Minyak mineral adalah minyak yang berasal dari minyak bumi dan diproses secara destilasi. Minyak mineral tersusun atas senyawa hidrogen dan karbon. c. Minyak sintetis Minyak sintetis adalah minyak yang terbuat dari campuran bahan kimia sintetis agar didapat struktur yang lebih baik. Kelompok minyak sintetis diantaranya: minyak askeral, silikon cair, flourinasi cair, dan ester sintetis.
II. LANDASAN TEORI Kapasitor dan Dielektrik[1,11,18] Konstruksi dari suatu kapasitor secara sederhana adalah dua elektroda (pelat) sejajar yang dipisahkan oleh dielektrik, atau secara umum disebut sebagai kapasitor pelat sejajar seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1 dibawah ini.
A.
D. Syarat Minyak Isolasi[11]
Gambar 2.1 Kapasitor pelat sejajar
Apabila kapasitor pelat sejajar dengan luas penampang (A) dipisahkan oleh dielektrik dengan jarak (d), kemudian pelat tersebut diberi tegangan (V), maka akan timbul medan listrik (E) yang bekerja didalam dielektrik. Akibat adanya medan elektrik, maka muatan yang terkandung didalam dielektrik akan terpolarisasi. Ditinjau dari fungsinya, dielektrik merupakan sifat atau bahan yang dapat memisahkan secara elektris dua buah penghantar yang bertegangan, sehingga antar penghantar yang bertegangan tersebut tidak terjadi hubung singkat yang dapat mengakibatkan lompatan api (flashover). Maka dielektrik dapat disebut juga sebagai bahan isolasi.
B. 1.
2.
3.
C.
Macam Bahan Isolasi[1,8] Bahan isolasi dapat digolongkan menjadi tiga macam: Bahan gas Udara/gas termasuk bahan isolasi yang banyak digunakan untuk mengisolasi peralatan listrik tegangan tinggi. Selain udara, gas yang digunakan untuk media isolasi adalah nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), freon (CCl2F2) dan sulfur hexafluoride (SF6). Bahan padat Isolasi padat digunakan secara luas dalam peralatan sistem tenaga listrik, terutama untuk isolator pasangan luar. Bahan isolasi padat yang selama ini digunakan yaitu bahan porselin atau keramik dan kaca. Bahan cair Bahan isolasi cair digunakan pada peralatan tegangan tinggi transformator daya, sebagai bahan pengisi yang berfungsi untuk media isolasi dan pendingin. Bahan isolasi cair yang digunakan adalah minyak isolasi transformator (minyak trafo). Jenis minyak isolasi[7,9] jenis minyak isolasi diantaranya : a. Minyak organik Minyak organik adalah minyak yang berasal dari ekstraksi biji (buah) hasil tanaman. Kelompok
Agar minyak isolasi dapat menjalankan fungsinya sebagai isolasi cair yang baik pada transformator daya, maka minyak isolasi perlu memenuhi beberapa persyaratan sebagai berikut: a. Mempunyai kekuatan elektrik yang tinggi b. Mempunyai daya hantar panas yang baik c. Mempunyai berat jenis yang rendah. d. Memiliki kekentalan yang rendah. e. Memiliki titik tuang rendah. f. Mempunyai titik nyala yang tinggi. g. Tidak merusak material isolasi. h. Unsur kimia harus stabil Faktor Penyebab Kegagalan Isolasi Cair [2,3,8] Faktor penyebab kegagalan isolasi cair yang terjadi pada minyak isolasi meliputi: 1. Kegagalan elektronik Merupakan perluasan dari teori kegagalan pada gas, artinya proses kegagalan yang terjadi dalam bahan isolasi cair disebabkan karena adanya banjiran elektron (electron avalanche) seperti pada gas. 2. Kegagalan karena adanya gelembung gas. Kegagalan ini disebabkan karena adanya tidak murnian pada minyak isolasi (misalnya gelembung udara/gas). 3. Kegagalan partikel padat. Partikel debu atau serat selulosa yang ada disekeliling isolasi padat (kertas) seringkali ikut tercampur dengan minyak isolasi. Selain itu partikel padat ini pun dapat terbentuk ketika terjadi pemanasan dan tegangan lebih. 4. Kegagalan bola cair. Kegagalan ini disebabkan adanya air dan uap air yang terdapat pada minyak isolasi.
E.
Parameter Kekuatan Isolasi Cair[8,10,12] 1. Kekuatan Tegangan Tembus Gambar 2.2 menunjukan tekanan elektrik (electrical stress) yang diterima suatu minyak isolasi. Jika tekanan elektrik melebihi batas dan berlangsung cukup lama, maka minyak isolasi akan mengalami tembus listrik (electrical breakdown)[10].
F.
Elektroda
V
isolasi Elektroda Gambar 2.2 Tekanan elektrik
Tekanan elektrik tertinggi yang dapat ditahan minyak isolasi tanpa menimbulkan tembus listrik disebut sebagai kekuatan isolasi. Dalam isolasi cair, kekuatan isolasi setara dengan kekuatan tegangan tembus yang terjadi[10]. Kekuatan tegangan tembus dipengaruhi oleh jarak elektroda, dengan persamaan[8]: Vb = Adn (1) 2. Faktor Rugi-rugi (Tan δ)[10,12] Salah satu karakteristik penting dalam bahan isolasi cair adalah rugi-rugi bahan isolasi. Rugi-rugi ini disebabkan oleh gesekan antar muatan-muatan didalam bahan isolasi sehingga mengakibatkan panas.
Gambar 2.3. Dampak medan elektrik (a). Muatan dari bahan isolasi (b). Polarisasi muatan bahan isolasi (c). Perubahan arah medan dan muatan
Gambar 2.3 menunjukan, didalam bahan isolasi terkandung muatan-muatan yang tidak beraturan (gambar a). Ketika bahan isolasi dikenai medan elektrik, muatan-muatan tersebut akan menjadi tertata (muatan negatif menuju kutub positif, dan sebaliknya), sehingga membentuk suatu dipole, yang disebut juga sebagai pengkutuban atau polarisasi (gambar b). Jika medan elektrik berubah arah, maka muatanmuatan akan berubah arah (posisi) seperti ditunjukan pada gambar (c). Karena medan elektrik berulang-ulang berubah arah, maka terjadi gesekan antar muatan secara berulang, dan menimbulkan panas. Panas inilah yang disebut sebagai rugirugi bahan isolasi. Pd = ω.C.V2. tan δ (2) Rugi-rugi bahan isolasi sebanding dengan faktor rugirugi (tan δ)[10]. Untuk menentukan faktor rugi-rugi (tan δ) dari suatu bahan isolasi terhadap tegangan AC, maka dapat dimodelkan dengan suatu rangkaian RC seri seperti ditunjukan pada gambar 2.4 dibawah ini[12].
Gambar 2.4. Rangkaian RC seri
Pada gambar 2.4, bagian riil merupakan tegangan pada resistor VR, sedangkan bagian imajinernya merupakan tegangan kapasitor, VC. Dalam penggambaran diagram phasornya adalah sebagai berikut :
Gambar 2.5. Diagram phasor
Dari pengambaran diagram phasor tersebut, faktor rugirugi didefinisikan sebagai : VR K" tan (3) 1/ 2 K' (Vi V R ) " tan (4) ' 3. Viskositas Kinematik[15] Ukuran kekentalan minyak isolasi untuk mengalir dinyatakan dengan viskositas kinematik dengan satuan cSt (centistoke). Nilai viskositas kinematik memegang peranan penting didalam proses sirkulasi pembuangan panas. Jika viskositas kinematik rendah, proses sirkulasi akan berlangsung dengan baik, sehingga akhirnya pendinginan dapat berlangsung dengan baik. Viskositas kinematik dapat diukur dengan metode viskometer bola jatuh, seperti ditunjukan pada gambar 2.6.
Gambar 2.6. Viskometer bola jatuh
Metode pengukuran ini terdiri dari peralatan gelas ukur dan bola ukur. Viskositas kinematik dapat ditentukan dengan persamaan : 2r 2 g ( 1 ) (5) 9v (6) V 1
Keterangan : η : viskositas dinamis (poise) r : jari-jari bola ukur (cm) g : gaya grafitasi v : kecepatan bola ukur (cm/s) ρ : massa jenis bola ukur (g/cm3) ρ1 : massa jenis minyak isolasi (g/cm3) V : viskositas kinematik (St) 1St : 100 cSt
G. Minyak Hidrolik Minyak hidrolik Mobil DTE 10 Excel Series dibuat dari bahan dasar pilihan untuk memberikan kinerja yang seimbang dalam berbagai aplikasi. Minyak hidrolik ini memiliki ketahanan oksidasi yang baik dan stabilitas thermal yang baik.
Minyak hidrolik Mobil DTE 10 Excel Series ditunjukan pada gambar 2.7, memiliki fungsi sebagai: a. Medium penerus daya, dan mudah mengalir. b. Pelumas semua komponen yang bergerak/komponen statis. c. Perapat antara bagian yang menerima tekanan/gesekan. d. Media pendingin pada komponen-komponen dengan sirkulasinya.
III. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian dilakukan sesuai pada gambar 3.1, dengan alur penelitian sebagai berikut: Mulai N
Pilih minyak literatur
Uji Viskosit as
[11]
H. Transformator Daya
Transformator daya adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain.
Uji Teg. Tembus
N
Uji tangen delta
Y
Y
Metode bola
Metode IEC 156
Metode Kapasitor
Data pengujia n
Data pengujia n
Data pengujia n
Y Gambar 2.7 Minyak hidrolik
N
Olah Data
Selesai Gambar 3.1 Diagram alur penelitian Gambar 2.8. Konstruksi Transformator
Konstruksi transformator seperti ditunjukan pada gambar 2.8, terdiri dari komponen : 1. Kumparan tegangan tinggi (primer) 2. Kumparan tegangan rendah (sekunder) 3. Inti 4. Minyak isolasi 5. Tangki / body transformator 6. Bushing tegangan rendah 7. Bushing tegangan tinggi Standar Isolasi Cair Transformator Daya[11] Menurut standar SPLN 49-1-1982, minyak isolasi yang digunakan sebagai isolasi cair transformator daya harus memenuhi spesifikasi sesuai ditunjukan pada tabel 2.1:
I.
Tabel 2.1 Standar isolasi cair transformator
Sifat bahan isolasi
Minyak isolasi transformator ≥ 30kV/2,5mm
Tegangan tembus Tan δ (50 Hz)
≤ 0,05 0
Berat jenis (density) 20 C
≤ 0,895gr/cm3
Viskositas kinematik 20 0C
≤ 40cSt
A.
Pengujian Viskositas Kinematik Minyak Hidrolik. Sistem pengujian viskositas kinematik Sistem Pengujian viskositas kinematik minyak hidrolik menggunakan metode viskometer bola jatuh, bahan dan peralatan sebagai berikut: a. Minyak hidrolik b. Micrometer c. Penggaris d. Gelas ukur e. Timbangan massa f. Thermometer g. Stopwatch h. Kelereng 2. Langkah pengujian viskositas kinematik Langkah pengujian viskositas kinematik sebagai berikut: a. Mempersiapkan alat dan bahan. b. Mengukur massa jenis minyak hidrolik dan bola ukur (kelereng). c. Menentukan jarak bola jatuh 10cm pada gelas ukur. d. Mengatur temperatur minyak hidrolik 100C - 500C (didinginkan dan dipanaskan), kemudian menuang minyak dalam gelas ukur. e. Menjatuhkan bola ukur pada jarak yang ditentukan. 1.
f. Mencatat waktu jatuh dari bola ukur sebanyak 5x (lima kali), dan diambil nilai rata-rata. g. Menghitung nilai viskositas kinematik minyak hidrolik (suhu 100C-500C). 3. Pengambilan data pengujian viskositas kinematik Data yang diambil adalah waktu jatuh dari kelereng pada temperatur 100C-500C. Pengambilan data ini dimaksudkan untuk mengetahui nilai viskositas kinematik minyak hidrolik pada temperatur 200C, dan menganalisis karakteristik viskositas kinematik minyak hidrolik terhadap perubahan temperatur dari 100C-500C.
B.
Pengujian Tegangan Tembus Pelumas Hidrolik Sistem Pengujian Tegangan Tembus Sistem pengujian tegangan tembus dari bahan isolasi minyak hidrolik ditunjukan oleh rangkaian pengujian pada gambar 3.2. 1.
f. Setelah terjadi tembus listrik minyak diaduk dengan suatu tangkai tipis dan bersih untuk menghilangkan gelembung gas yang timbul saat terjadi tembus listrik. g. Setelah terjadi tembus listrik elektroda juga harus diperiksa untuk memastikan bahwa elektroda tidak mengalami kerusakan pada permukaannya akibat tembus listrik. h. Selang waktu 2 menit pengujian diulang kembali sampai dengan enam kali pengujian. i. Tegangan tembus dari enam kali percobaan dijumlahkan dan diambil nilai tegangan tembus rata-rata. 3. Pengambilan data pengujian tegangan tembus Data yang diambil adalah kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik menggunakan elektroda setengah bolasetengah bola, dengan variasi jarak sela elektroda 2mm-3mm. Pengambilan data dimaksudkan untuk mengetahui kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik pada sela 2,5mm dan karakteristik kekuatan tegangan tembus terhadap variasi sela elektroda.
C.
Pengujian Faktor Rugi-rugi (tan δ) Minyak Hidrolik Pengujian faktor rugi-rugi dari minyak hidrolik ini menggunakan metode kapasitor keping sejajar dengan rangkaian RC seri. Tegangan input melalui AFG, dan tegangan output diukur melalui resistor. 1. Sistem Pengujian Faktor rugi-rugi Sistem pengujian faktor rugi-rugi (tan δ) minyak hidrolik ditunjukan oleh rangkaian pengujian pada gambar 3.3:
Gambar 3.2 Rangkaian pengujian tegangan tembus (a). Bagan peralatan uji (b). Rangkaian elektronik
Peralatan dan bahan yang digunakan didalam pengujian sebagai berikut : a. Transformator teganga tinggi b. Kotak uji c. Elektroda uji d. Alat kontrol e. Unit pengukur f. Konektor g. Stik grounding h. Kondensator ukur i. Resistor 20 Mohm j. Minyak Hidrolik 2. Langkah pengujian tegangan tembus Langkah pengujian tegangan tembus minyak hidrolik adalah sebagai berikut[4,14]: a. Sebelum minyak dituang, kotak uji harus dalam keadaan bersih dan kering. b. Pada saat menuang minyak kedalam kotak uji dilakukan dengan hati-hati. Bila timbul gelembung gas, maka gelembung tersebut dihilangkan terlebih dahulu. c. Banyaknya minyak harus sedemikian rupa sehingga tingginya diatas puncak elektroda lebih dari 20mm. d. Kemudian minyak dibiarkan sekitar 10 menit untuk menghilangkan gelembung gas yang mungkin masih terjadi saat pengisian minyak kedalam kotak uji. e. Kemudian tegangan dinaikan secara bertahap kira-kira 2 kV/detik hingga terjadi tembus listrik.
Gambar3.3 Rangkaian pengujian faktor rugi-rugi
Pada sistem pengujian faktor rugi-rugi minyak hidrolik seperti ditunjukan pada gambar 3.3, terdiri dari komponen peralatan dan bahan sebagai berikut : a. AFG (Audio Function Generator) model GAG-809 b. Kapasitor sejajar dengan desain P = 75mm L = 32mm A = 2400mm2 d = 8mm c. Resistor 1KΩ d. Multimeter digital (Sanwa CD800a) e. Kabel konektor f. Minyak hidrolik 2. Langkah pengujian faktor rugi-rugi (tan Langkah pengujian faktor rugi-rugi minyak hidrolik adalah sebagai berikut: a. Mulai menyiapkan peralatan dan bahan
b. Mengisi tabung dengan pelumas kedalam kapasitor hingga bagian pelat tembaga tertutup pelumas. c. Merangkai alat seperti pada gambar 10, dengan resistor bernilai 1KΩ. d. Memasang tegangan input AFG skala 5Volt, F = 50Hz e. Mengukur tegangan output pada resistor, menggunakan multimeter. f. Mengulangi langkah pada point c dan d untuk kenaikan tegangan 5V-11V, dan data diambil sebanyak 3x (tiga kali) untuk masing-masing level tegangan. g. Menghitung faktor rugi-rugi (tan δ) minyak hidrolik. h. Pengujian selesai 3. Pengambilan data pengujian faktor rugi-rugi Data yang diambil adalah tegangan output resistor pada frekuensi 50Hz, dengan input tegangan 5V-11V. Pengambilan data dimaksudkan untuk mengetahui nilai faktor rugi-rugi minyak hidrolik, dan karakteristik faktor rugi-rugi terhadap kenaikan tegangan.
D. Analisis Data Penelitian Pada penelitian ini data yang diperoleh adalah data kuantitatif berupa angka hasil pengujian. Selanjutnya data diolah sehingga mampu menampilkan suatu data yang mudah untuk dipahami dalam bentuk tabel dan grafik untuk dilakukan analisis. IV. Hasil Penelitian dan Analisis A. Hasil pengujian dan analisis viskositas kinematik pelumas hidrolik. Untuk menentukan viskositas kinematik minyak hidrolik, dilakukan pengukuran waktu jatuh kelereng didalam minyak hidrolik. Hasil pengukuran ditunjukan pada tabel 4.1: Tabel 4.1 Pengukuran waktu jatuh kelereng
Dari data hasil pengujian pada tabel 4.2, dapat dibuat grafik hubungan antara viskositas kinematik minyak hidrolik terhadap kenaikan temperatur dari 100C-500C. Grafik ditunjukan pada gambar 4.1:
Gambar 4.1 Grafik viskositas kinematik pelumas hidrolik
Berdasarkan tabel 4.2 dan gambar 4.1, menunjukan bahwa hubungan antara viskositas kinematik minyak hidrolik dengan temperatur berbanding terbalik. Peningkatan temperatur 100C-500C, mengakibatkan penurunan nilai viskositas kinematik minyak hidrolik dari 36,32cSt menjadi 10,24cSt. Viskositas menurun maka minyak hidrolik lebih mudah atau cepat mengalir pada temperatur yang lebih tinggi. Hal ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik yang menyatakan, “dalam benda yang panas, molekul-molekul bergerak lebih cepat dibanding dengan molekul-molekul dalam benda yang lebih dingin”[15]. Hubungan antara penurunan viskositas kinematic minyak hidrolik dengan kenaikan temperatur memberi arti bahwa, minyak hidrolik mengalir atau bersirkulasi lebih cepat terhadap kenaikan temperatur. Proses sirkulasi minyak hidrolik bertujuan untuk pendinginan atau mendisipasikan panas (membuang panas). Jika panas tidak terdisipasi, maka kenaikan temperatur dapat merusak minyak hidrolik.
B.
( C)
t1
t2
t3
t4
t5
t rata-rata
1
10
2,15
2,15
2,33
2,35
2,37
2,56
2
20
1,94
1,91
1,78
1,97
2,03
1,93
3
30
1,25
1,25
1,2
1,18
1,22
1,22
Hasil pengujian dan analisis kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik. Untuk mengetahui kekuatan bahan isolasi dari minyak hidrolik, dilakukan dengan menguji kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik. Hasil pengujian kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik dengan variasi jarak (sela) elektroda 2mm-3mm, ditunjukan tabel 4.3:
4
40
0,91
0,88
0,90
0,94
0,84
0,894
Tabel 4.3 Hasil pengujian tegangan tembus minyak hidrolik
5
50
0,75
0,75
0,75
0,72
0,66
0,7265
No
Temp 0
Waktu jatuh kelereng (s)
Berdasarkan tabel 4.1, viskositas kinematik minyak hidrolik pada temperatur 100C-500C dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (5) dan persamaan (6), hasil pengukuran viskositas kinematik ditunjukan pada tabel 4.2,: Tabel 4.2 Hasil pengujian viskositas kinematik
No
temperatur 0C
Kec. Waktu jatuh (s)
Viskositas kinematic
1.
10
2,56
36,32 cSt
2.
20
1,93
27,38 cSt
3.
30
1,22
17,31 cSt
4.
40
0,894
12,69 cSt
5.
50
0,7265
10,24 cSt
No
Pengujian
1
1
2 3 4 5 6
2 3 4 5 6 Rata-rata
Medan elektrik (kV/mm)
Kekuatan Tegangan Tembus (kV) Sela 2mm Sela 2,5mm Sela 3mm 15,10 17,20 19,80 15,00 14,80 14,50 14,20 14,00 14,60kV/2 mm 7,30kV/mm
17,20 16,80 17,00 16,60 16,60 16,80kV/2,5 mm 6,72kV/mm
20,00 19,10 19,30 18,80 18,80 19,30kV/3 mm 6,43kV/mm
Tabel 4.3 menunjukan kekuatan tegangan tembus (breakdown strength) yang terjadi pada minyak hidrolik adalah 14,60kV/2mm, 16,80kV/2,5mm, dan 19,30kV/3mm. Untuk mengetahui karakteristik tegangan tembus terhadap jarak elektroda, dibuat grafik yang ditunjukan gambar 4.2:
Gambar 4.2 Kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik
Berdasar tabel 4.3 dan gambar 4.2, kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik meningkat terhadap peningkatan sela elektroda. Pada kondisi sela elektroda yang semakin jauh, dibutuhkan tegangan yang lebih besar untuk mencapai tembus listrik. Hal ini dikarenakan elektron membutuhkan energi yang besar untuk proses ionisasi, agar elektron tersebut terlepas dari ikatan atomnya dan menjadi elektron bebas. Banyaknya elektron bebas ini membentuk suatu jembatan yang menghubungkan anoda dan katoda dari elektroda, untuk mencapai tembus listrik (electrical breakdown). Hubungan antara kekuatan tegangan tembus terhadap sela elektroda ditunjukan dengan persamaan (1). Dari persamaan (1) dapat dihitung kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik secara manual, ditunjukan pada tabel 4.4 berikut: Tabel 4.4 Perbandingan kekuatan tegangan tembus uji dan manual
No
1 2 3
Sela (mm) 2 2,5 3
Hasil pengujian (kV) 14,60 16,80 19,30
Hasil perhitungan (kV) 14,59 17,02 19,28
Konst A
Konst n
9,068
0,687
Dari perhitungan kekuatan tegangan tembus terhadap sela elektroda dengan menggunakan persamaan (1) telah membuktikan bahwa, kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik semakin meningkat terhadap peningkatan sela elektroda yang bertambah jauh.
C.
Hasil Pengujian Dan Analisis Faktor Rugi-rugi (tan δ) Minyak Hidrolik Hasil pengujian faktor rugi-rugi (tan δ) dari minyak hidrolik dengan menggunakan rangkaian RC seri (gambar 3.3), ditunjukan oleh tabel 4.5 sebagai berikut : Tabel 4.5 Hasil pengujian tan δ minyak hidrolik
No
Vin
1 2 3 4 5 6 7
5V 6V 7V 8V 9V 10V 11V
Vout (Volt) 1 2 3 0,005 0,005 0,006 0,006 0,007 0,008 0,010
0,004 0,006 0,006 0,007 0,008 0,009 0,010
0,005 0,005 0,006 0,008 0,008 0,010 0,010
Vout ratarata 0,0047 0,0053 0,006 0,007 0,0077 0,009 0,010
Tan δ
0,002107 0,002172 0,002273 0,002473 0,002655 0,002848 0,0032
Gambar 4.3. Grafik tan δ minyak hidrolik
Gambar 4.3 menunjukan peningkatan nilai faktor rugirugi (tan δ) minyak hidrolik dari 0,0021 hingga 0,0032, terhadap pengaruh kenaikan tegangan 5V sampai 11V. Nilai faktor rugi-rugi (tan δ) yang semakin meningkat memberi arti bahwa kehilangan daya atau rugi-rugi bahan isolasi (minyak hidrolik) dalam bentuk panas (dissipation losses) menjadi besar. Rugi-rugi bahan isolasi (minyak hidrolik) dalam bentuk panas akan menaikan temperatur, dan pada akhirnya dapat mempercepat penuaan (memperburuk kualitas isolasi) minyak hidrolik sebagai isolasi cair[10]. Dengan demikian, peningkatan tegangan akan mengakibatkan rugi-rugi minyak hidrolik dalam bentuk panas menjadi semakin besar.
D. Analisis Kelayakan Minyak Hidrolik Sebagai Isolasi Transformator Daya Dari hasil pengujian minyak hidrolik sebagai alternatif isolasi cair transformator daya, dengan memperhatikan: nilai viskositas kinematik, nilai tegangan tembus dan nilai faktor rugi-rugi (tan δ). Selanjutnya dibuat tabel perbandingan kekuatan isolasi cair antara minyak hidrolik dengan standar minyak isolasi transformator (minyak trafo), ditunjukan pada tabel 4.6 sebagai berikut : Tabel 4.6 Perbandingan kekuatan isolasi
Sifat dielektrik
Minyak hidrolik
Tegangan tembus Viskositas kinematik 200C Tan δ
16,80 kV/2,5mm 27,38 cSt
Standar minyak isolasi >30 kV/2,5mm ≤40 cSt
0,0021-0,0032
≤0,05
Massa jenis
3
0,83gr/cm
0,895gr/cm3
Tabel 4.6 menunjukan hasil pengujian minyak hidrolik yang dibandingkan dengan standar minyak isolasi transformator daya menurut SPLN 49-1-1982. Selanjutnya dapat dibuat grafik perbandingan:
Dari hasil pengujian pada tabel 4.5, menunjukan bahwa minyak hidrolik memiliki faktor rugi-rugi (tan δ) yang meningkat dengan kenaikan tegangan. Untuk mengetahui karakteristik tersebut, maka data dari tabel 4.4 dibuat grafik hubungan antara tan δ terhadap peningkatan tegangan, seperti ditunjukan pada gambar 4.3 sebagai berikut : Gambar 4.4. Perbandingan minyak hidrolik dengan standar minyak isolasi
Berdasarkan tabel 4.6 dan gambar 4.4, menunjukan bahwa nilai tegangan tembus minyak hidrolik lebih rendah dari standar (yaitu 16,8kV/2,5mm, sedangkan standar diijinkan ≥30kV/2,5mm), viskositas kinematik minyak hidrolik memenuhi standar (yaitu 27,38cSt, standar diijinkan ≤ 40cSt), dan faktor rugi-rugi (tan δ) minyak hidrolik masih masih memenuhi standar (yaitu 0,0021-0,0032, standar diijinkan ≤0,05). Bila ditinjau dari viskositas kinematiknya, minyak hidrolik tersebut memiliki tingkat kekentalan lebih rendah, sehingga memenuhi standar minyak isolasi menurut SPLN 491-1982. Dengan viskositas kinematik yang rendah, minyak hidrolik lebih mudah bersirkulasi dengan baik, sehingga proses pendinginan transformator daya dapat berlangsung dengan baik. Berdasarkan pengujian tiga parameter sifat-sifat terpenting dari suatu isolasi cair, kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik DTE 10 Excel Series belum memenuhi persyaratan SPLN 49-1-1982. Dengan demikian minyak hidrolik ini belum layak digunakan sebagai alternatif isolasi cair untuk transformator daya. V. Kesimpulan Kesimpulan Dari hasil pengujian dan analisis data, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Temperatur memberi pengaruh terhadap nilai viskositas kinematik minyak hidrolik. Viskositas kinematik menurun dari 36,32cSt menjadi 10,24cSt terhadap kenaikan temperatur 100C-500C. 2. Nilai kekuatan tegangan tembus minyak hidrolik meningkat terhadap peningkatan jarak elektroda yaitu: 14,60kV pada jarak 2mm, 16,80kV pada jarak 2,5mm, dan 19,30kV pada jarak 3mm. 3. Nilai faktor rugi-rugi (tan δ) dipengaruhi oleh tegangan, maka faktor rugi-rugi dalam bentuk panas (dissipation factor) minyak hidrolik meningkat dengan kenaikan tegangan. 4. Berdasarkan standar SPLN 49-1-1982, tegangan tembus yang harus dipenuhi oleh minyak isolasi untuk transformator daya pada jarak elektroda 2,5mm sebesar ≥ 30kV. Tegangan tembus minyak hidrolik pada jarak 2,5mm hanya sebesar 16,80kV. Tegangan tembus minyak hidrolik belum memenuhi standar yang diijinkan SPLN 49-1-1982, maka minyak hidrolik belum layak digunakan sebagai alternatif isolasi cair untuk transformator daya. B. Saran Saran yang dapat diberikan dalam penelitian adalah sebagai berikut : 1. Karena tegangan tembus minyak hidrolik belum memenuhi persyaratan SPLN 49-1-1982, maka perlu dilakukan pengolahan minyak hidrolik dengan menghilangkan kontaminan yang mungkin masih terdapat didalam minyak hidrolik. A.
DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8] [9]
[10] [11] [12]
[13] [14] [15] [16] [17] [18]
Arismunandar, A., Teknik Tegangan Tinggi, Cetakan ketujuh, Pradnya Paramita, Jakarta, 1994. Arismunandar,A., Teknik Tegangan Tinggi Suplemen, Ghalia Indonesia, Jakarta, 1983. Abdul syakur., M, Facta., Perbandingan Tegangan Tembus Media Isolasi Udara Dan Media Isolasi Minyak Trafo Menggunakan Elektroda Bidang-Bidang, Transmisi, Vol. 10, No. 2, Desember 2005. David Supriyanto., Analisis Karakteristik Tegangan Tembus Minyak Trafo Sebelum Dan Sesudah Dipurifikasi Dengan Fenol, Tugas Akhir 2008, Undip, Semarang. IEEE, A Survey Of Aging Characteristics Of Cellulose Insulation in Natural Ester And Mineral Oil, Electrical Insulation Magazine, Volume 27 Number 5, September/Oktober, 2011. IEEE, Preparation of a Vegetable Oil-Based Nanofluid and Investigation of Its Breakdown and Dielectric Properties, Electrical Insulation Magazine, Volume 28 Number 5, September/Oktober, 2012. Manjang, S.,Utina, A., Analisa Ketidakmurnian Minyak Trafo Terhadap Kekuatan Isolasinya Pada Berbagai Kondisi Penuaan, Makalah seminar Nasional Ketenagalistrikan 2005 – Semarang. Naidu, M.S., and Karamaju, V., High Voltage Engineering, McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, 1982. Salam, Abdul M., A. Hussein., El-Morshedy. Ahdab, and R. radwan., High-voltage Engineering: Theory and Practice, Marcel Dekker, Inc., 2000. Tobing, Bonggas L., Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2003. Tobing, Bonggas L., Peralatan Tegangan Tinggi, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2003. Toifur,M.,Setiawan., Profil Rugi Dielektrik Minyak Minyak Pelumas Mesran Dan Minyak Pelumas TOP-1 Pada Rentang Frekuensi 1-1000Khz, Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010. Wahyu Kunto,W., Analisis Karakteristik Breakdown Voltage Pada Dielektrik Minyak Shell Diala B Pada Suhu 300C-1300C, Tugas Akhir 2008 – Undip, Semarang. ---, IEC-156, Insulating Liquid Determinan of Breakdown Voltage at Power Frequency Tes Method, 1995. ---, Viskositas, kimia fisika, AAK Nasional, Surakarta, 2012. ---, Bab II Tinjauan Pustaka., Transformator., 2012. http://en.wikipedia.org/wiki/Stokes_law, diakses Mei 2012. http://id.wikipedia.org/wiki/Kapasitansi, diakses Mei 2012.
BIODATA MAHASISWA Andy Martono (L2F 309 041) lahir di Semarang, 29 September 1986. Mahasiswa Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Semarang konsentrasi Teknik Tenaga Listrik. Mengetahui / Mengesahkan : Pembimbing I Pembimbing II
Ir. Juningtyastuti, M.T. NIP.195209261983032001
Abdul Syakur, ST. MT. NIP.197204221999031004
