BAB II ISOLATOR PENDUKUNG HANTARAN UDARA

BAB II ISOLATOR PENDUKUNG HANTARAN UDARA

Isolator memegang peranan penting dalam penyaluran daya listrik dari gardu induk ke gardu distribusi. Isolator merupakan suatu peralatan listrik yang berfungsi untuk memisahkan secara elektris dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan sehingga tidak terjadi aliran arus dari satu penghantar ke penghantar yang lain. Dalam bab ini, akan dijelaskan konstruksi, bahan dielektrik isolator hantaran udara dan karakteristik elektrik dan mekanik isolator.

II.1

KONSTRUKSI ISOLATOR HANTARAN UDARA Bagian utama suatu isolator hantaran udara terdiri dari konduktor logam,

bahan dielektrik, bahan perekat dan tonggak logam seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Konduktor logam (cap) Perekat semen Bahan dielektrik Perekat semen Tonggak logam (pin)

Gambar 2.1 Bagian Utama Isolator Hantaran Udara

Universitas Sumatera Utara

Semen digunakan untuk merekat tonggak logam dengan bahan dielektrik dan merekat konduktor logam dengan bahan dielektrik. Umumnya dielektrik isolator terbuat dari bahan porselin, gelas dan karet-silikon (silicon rubber). Dilihat dari konstruksinya isolator terdiri dari isolator pendukung dan isolator gantung (suspension). Isolator pendukung terdiri dari tiga jenis, yaitu : isolator pin, isolator post dan isolator pin-post. Konstruksi dari ketiga jenis isolator pendukung dapat dilihat pada Gambar 2.2[5].

a. isolator pin

b. isolator post

c. isolator pin-post

Gambar 2.2 Jenis Isolator Pendukung

Ada dua parameter isolator hantaran udara yang penting diketahui, yaitu jarak rambat (Lr) dan jarak percik (Lp) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3. Jarak rambat adalah jarak antar konduktor melalui bahan isolasi. Jarak percik adalah jarak antar konduktor melalui udara. Dilihat dari perbandingan jarak rambat dengan jarak percik

) isolator hantaran udara dibagi atas dua kelas,

yaitu sebagai berikut :

Universitas Sumatera Utara



Kelas A, dimana



Kelas B, dimana

Elektroda

Lr

Lp

Elektroda Gambar 2.3 Jarak rambat dan Jarak Percik pada Isolator Berikut ini akan dijelaskan secara umum mengenai penggunaan bahan dan sifat ketiga jenis isolator pendukung tersebut diatas. a) Isolator pin Isolator jenis pin merupakan isolator yang pertama kali dirancang sebagai penopang penghantar saluran. Isolator pin ini banyak digunakan pada jaringan distribusi tegangan menengah sebagai penyangga konduktor. Isolator jenis pin ini digunakan pada tiang pendukung jaringan distribusi hantaran udara. Isolator pin terdiri dari satu atau beberapa lapisan petticoats (rain shed) yang disemen, dipasang pada poros crossarm pada tiang pendukung. Isolator pin dilengkapi dengan lapisan-lapisan (rain shed) yang cukup panjang untuk memperpanjang jarak rambat isolator sehingga lewat denyar (flashover) tidak mudah untuk terjadi. Lapisan petticoats dirancang sedemikian rupa agar air hujan yang membasahi permukaan isolator tidak menempel pada isolator.

Universitas Sumatera Utara

Beberapa kelebihan dari isolator pin adalah sebagai berikut :  Berdasarkan perbandingan jarak rambat (creepage distance) dengan jarak percik (arching distance), isolator pin termasuk dalam kategori isolator kelas B.  isolator pin dirancang dengan profil yang sedemikian sehingga pada saat hujan membasahi permukaan isolator, maka air hujan dapat diteteskan dari permukaannya agar tidak terjadi penimbunan polusi pada permukaan isolator.  Isolator pin hanya dapat digunakan pada beban tekan. Artinya isolator pin ini didesain agar dapat menahan beban konduktor yang terpasang pada saluran udara tegangan menegah.

b) Isolator post Sama halnya dengan isolator pin, isolator post juga digunakan pada tegangan tinggi, khususnya pada jaringan distribusi tegangan menengah. Isolator jenis post digunakan pada tiang-tiang pendukung dan tiang sudut distribusi hantaran udara. Isolator post terdiri atas bahan isolator berbentuk silinder padat dengan sisi berlekukan untuk memperpanjang jarak rambat permukaan isolator. Semakin tinggi tegangan isolasinya makin banyak lekukan-lekukan tersebut. Untuk pengoperasian tegangan yang lebih tinggi lebih cocok digunakan isolator post karena harganya lebih murah jika dibandingkan dengan menggunakan isolator pin. Beberapa kelebihan dari isolator post adalah sebagai berikut:  Memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi dibandingkan dengan isolator pin  Isolator post termasuk dalam kategori isolator kelas. Artinya tegangan lewat denyar isolator post lebih tinggi dari tegangan lewat denyar isolator pin.

Universitas Sumatera Utara

 Isolator post dapat digunakan untuk menahan beban tarik dan beban tekuk.

c) Isolator pin post Isolator pin post digunakan pada jaringan distribusi hantaran udara tegangan menengah, dipasang pada tiang yang mengalami gaya tekuk. Beberapa kelebihan yang dimiliki oleh isolator pin post, antara lain: 1. Bebas dari cacat, karena semen dan tangkai besi (metal flange) dipasang di sisi luar bahan isolasi, sehingga tidak menyebabkan pemuaian. 2. Mempunyai sifat antikontaminasi yang baik dibandingkan dengan isolator jenis lain, karena : 

Mempunyai jarak rambat (creepage distance) yang besar (1.5 kali dari jarak percik) sehingga diklasifikasikan sebagai isolator kelas A.



Profil sedemikian rupa sehingga hujan dapat membersihkan isolator dari kontaminan.



Mempunyai jarak celah udara (air gap) yang besar antara bagian dalam sirip dengan permukaan isolator, sehingga air hujan tidak membentuk jembatan air antara satu sirip dengan sirip yang lain.

3. Pada saat terjadi lewat denyar (flashover) tidak mudah terbentuk jejak karbon atau tracking. II.2 Bahan Dielektrik Isolator Hantaran Udara Bahan dielektrik yang umum digunakan sebagai bahan dasar isolator pasangan luar (outdoor insulator) adalah porselin (keramik) dan gelas. Berikut akan dijelaskan bahan dasar, kelebihan dan kekurangan isolator porselin dan gelas. a) Bahan porselin (keramik) Porselin terbuat dari tanah liat china (china clay) yang mengandung aluminium silikat. Aluminium silikat ini dicampur dengan plastik kaolin, feldspar dan kuarsa. Campuran ini dipanaskan pada tempat pembakaran dengan suhu yang dapat diatur. Bagian luarnya dilapisi dengan bahan glazur

Universitas Sumatera Utara

agar bahan isolator tersebut tidak berpori-pori. Dengan lapisan glazur ini permukaan isolator menjadi licin dan mengkilat, sehingga tidak dapat menghisap air. Kelebihan dari isolator porselin antara lain : 1. Tahan terhadap berbagai kondisi lingkungan sehingga tidak mudah mengalami degradasi dan tahan lama. 2. Mempunyai kekuatan dielektrik dan mekanik yang baik. 3. Biaya pembuatan lebih murah. 4. Dapat dipakai dalam ruangan yang lembab maupun di udara terbuka.

Disamping kelebihannya, isolator porselin mempunyai beberapa kekurangan, yaitu : 1. Mudah pecah, sehingga perlu hati-hati ketika membawa dan memasangnya. 2. Berat, oleh karena itu biaya yang dikeluarkan untuk pengiriman dan instalasi lebih besar. 3. Berpori-pori akibat pembuatan yang kurang sempurna. Pada pori-pori ini dapat terjadi tembus internal (internal dielectric breakdown) atau peluahan parsial. 4. Mudah terpolusi. Permukaan porselin bersifat hidrophilik sehingga permukaan porselin mudah untuk menangkap air. Pada lingkungan yang berpolusi, polutan mudah melekat pada permukaan isolator. Untuk membersihkannya perlu dilakukan pembersihan isolator secara berkala.

b) Bahan gelas Selain bahan porselin, bahan gelas juga banyak digunakan sebagai isolator pasangan luar (outdoor insulator) atau isolator saluran udara

Universitas Sumatera Utara

(overhead insulator). Pada umumnya isolator gelas terbuat dari campuran SiO2, B2O3, Al2O3, PbO, BaO dan CaO. Bahan gelas mempunyai kelebihan-kelebihan antara lain : 1. Kekuatan dielektriknya tinggi. 2. Koefisien muainya rendah. 3. Mudah dibentuk. 4. Kuat tekannya lebih besar daripada bahan porselin. 5. Karena sifatnya yang tembus pandang, maka jika ada keretakan, ketidakmurnian bahan dan gelembung udara, hal-hal tersebut mudah diketahui. 6. Bahan menyebar merata (homogen) sehingga tidak berpori-pori. 7. Harga isolator gelas lebih murah daripada isolator porselin.

Disamping

kelebihan-kelebihannya,

isolator

gelas

juga

mempunyai

kekurangan-kekurangan sebagai berikut : 1. Isolator gelas memiliki sifat kondensasi (mengembun) sehingga debu dan kotoran mudah melekat di permukaan isolator tersebut. Kotoran basah ini dapat membuat permukaan isolator menjadi semakin konduktif sehingga arus bocor yang mengalir melalu permukaan isolator semakin besar. Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya lewat denyar pada isolator tersebut. 2. Memiliki tegangan tembus yang rendah, dan kekuatan dielektriknya berubah dengan cepat sesuai dengan perubahan suhu. 3. Isolator gelas mudah dipengaruhi oleh perubahan suhu disekelilingnya sehingga dapat menyebabkan pemuaian pada gelas. Pemuaian ini dapat menyebabkan isolator gelas rentan pecah. II.3

KARAKTERISTIK ELEKTRIK Suatu isolator dapat melaksanakan fungsinya dengan baik apabila

memiliki karakteristik elektrik sebagai berikut :

Universitas Sumatera Utara



Tahanan isolasi besar.



Kekuatan dielektrik tinggi.



Permitivitas relative tinggi.



Tahan terhadap busur api.



Faktor disipasi atau rugi-rugi dielektrik rendah.



Konduktivitas thermal tinggi.



Bebas dari pori yang berisi gas sehingga pada isolator tidak terjadi peluahan parsial. Suatu isolator dirancang sedemikian rupa sehingga tegangan tembusnya

jauh lebih tinggi daripada tegangan lewat denyarnya. Dengan demikian, kekuatan dielektrik suatu isolator ditentukan oleh tegangan lewat denyarnya. Kekuatan dielektrik dan nilai tegangan yang dapat dipikul isolator tanpa terjadi lewat denyar dapat diperkirakan dari tiga karakteristik dasar isolator, yaitu : tegangan lewat denyar bolak-balik pada keadaan kering, tegangan lewat denyar bolak-balik pada keadaan basah dan karakteristik tegangan-waktu yang diperoleh dari tegangan surja standar. a) Tegangan lewat denyar bolak-balik kering Tegangan lewat denyar bolak-balik kering merupakan karaktersitik utama dari isolator yang dipasang pada ruangan tertutup. Tegangan lewat denyar ditentukan pada keadaan permukaan isolator kering dan bersih. Tegangan lewat-denyar dinyatakan pada keadaan standar, yaitu pada saat suhu udara 20 ºC dan tekanannya 760 mmHg. Tegangan lewat denyar kering pada sembarang suhu dan tekanan udara dapat ditentukan dengan persamaan di bawah ini :

V = δ Vs

2.1

Di mana : V = Tegangan lewat denyar isolator pada sembarang keadaan udara.

Universitas Sumatera Utara

Vs = Tegangan lewat denyar isolator pada keadaan udara standar. δ = Faktor koreksi udara. δ = T = Suhu udara (ºC). P = Tekanan udara (mmHg). Persamaan 2.1 di atas merupakan persamaan umum dalam perhitungan faktor koreksi udara untuk menghitung tegangan lewat denyar standar ataupun tegangan lewat denyar pada suhu dan tekanan sembarang. Tegangan lewat denyar bolak-balik isolator juga dipengaruhi oleh kondisi kelembaban udara. Jika Vs adalah tegangan lewat denyar isolator pada keadaan udara standar dan kelembaban 11 gr/m3, tegangan lewat denyar isolator pada sembarang suhu, tekanan dan kelembaban udara adalah :

V=δ 2.2 Di mana Kh adalah faktor koreksi yang tergantung kepada kelembaban udara. b) Tegangan lewat denyar bolak-balik basah Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator merupakan gambaran kekuatan dielektrik isolator tersebut pada saat basah karena air hujan. Sifat air hujan yang membasahi suatu isolator dicirikan atas tiga hal, yaitu intensitas, arah dan konduktivitas air yang membasahi isolator tersebut. Oleh karena itu dalam pengujian tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator, air yang membasahi isolator perlu distandarisasi. Menurut IEC, ciri air yang membasahi isolator saat pengujian adalah sebagai berikut: intensitas penyiraman 3 mm/menit, resistivitas air (r) = 10.000 ohm-cm dan arah penyiraman air membentuk sudut 45º dengan sumbu tegak isolator.

Universitas Sumatera Utara

Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator juga tegantung pada kondisi udara. Jika lewat denyar terjadi pada suatu isolator basah, maka peluahan melintasi permukaan isolator yang basah dan celah udara. Oleh karena itu, kenaikan tegangan lewat denyar bolak-balik basah akibat kenaikan tekanan udara terhadap tegangan lewat denyar basah semakin besar. Umumnya setengah dari lintasan peluahan merupakan celah udara. Dengan anggapan ini, tegangan lewat denyar basah pada sembarang tekanan udara dapat ditentukan sebagai berikut :

V = 0.5 VS (

2.3

Di mana VS adalah tegangan lewat denyar basah pada tekanan udara standar. c) Karakteristik tegangan-waktu Karakteristik

tegangan-waktu

digunakan

untuk

memperkirakan

kekuatan dielektrik isolator jika memikul tegangan lebih surja akibat sambaran petir pada jaringan. Karakteristik tegangan-waktu ditentukan hanya pada keadaan isolator kering dan permukaannya bersih, karena penurunan kekuatan dielektrik isolator akibat air dapat diabaikan, hanya sekitar 2 - 3%. Karakteristik tegangan-waktu diperoleh melalui pengujian isolator dengan tegangan impuls standar baik polaritas positif maupun polaritas negatif. Tegangan lewat denyar impuls pada sembarang suhu dan tekanan udara dihitung dengan persamaan 2.1.

II.4

KARAKTERISTIK MEKANIK Suatu isolator dapat melaksanakan fungsinya dengan baik apabila

memiliki karakteristik mekanik sebagai berikut : 

Kekuatan mekanis tinggi.

Universitas Sumatera Utara



Bahan isolator harus bebas dari bahan kotoran, tidak retak dan tidak berpori.



Material isolator tidak mudah terbentuk jejak karbon atau disebut juga tracking.



Penyebaran panas rendah.



Tahan terhadap panas.



Tidak mudah terjadi korosi pada isolator. Karakteristik mekanis suatu isolator ditandai dengan kekuatan mekanisnya,

yaitu beban mekanis terendah yang dapat mengakibatkan isolator tersebut rusak/pecah. Suatu isolator harus memiliki kekuatan mekanis yang tinggi agar mampu memikul konduktor. Kekuatan mekanis dari suatu isolator dinyatakan dalam tiga keadaan beban, yaitu kekuatan mekanis tarik, kekuatan mekanis tekan dan kekuatan mekanis tekuk. Isolator porselin mempunyai kekuatan mekanis yang lebih baik dibandingkan dengan isolator gelas. Kekuatan mekanis porselin standar berdiameter 2-3 cm adalah 4.500 kg/cm2 untuk beban tekan, 700 kg/cm2 untuk beban tekuk dan 300 kg/cm2 untuk beban tarik. Pada Tabel 2.1 akan diperlihatkan perbandingan sifat mekanik dan elektrik dari isolator porselin dan gelas.

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.1 Karakteristik Elektrik dan Mekanis Bahan Dielektrik Isolator Dielektrik Gelas Karakteristik

Porselin

Alkali

Alkali

rendah

tinggi

Tegangan tembus sampel uji (kVrms/mm)

22 - 28

48

17.9

Permeabilitas (e)

5.5 - 7

5.5

10

2-4

2-3

6-7

3 x 1013

4 x 1014

1.5 x 1012

1013

4.5 x 1014

4 x 1012

4 x 10-6

5 x 10-6

9 x 10-6

4500

7000

7000

Tg δ pada suhu 22 ºC (%) Tahanan permukaan pada kelembaban 65% (ohm) Tahanan volume pada suhu 20 ºC (ohm-cm) Koefisien pemuaian Kekuatan mekanis tekan (kg/cm2)

6500 Kekuatan mekanis tekuk (kg/cm2)

700

(pengerasan 2500)

-

Kekuatan mekanis tarik (kg/cm2)

300

600

500

Universitas Sumatera Utara