BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah proses perpindahan energi yang terjadi pada benda atau material yang bersuhu tinggi ke benda atau material yang bersuhu rendah, hingga pada satu saat akan tercapai kesetimbangan panas. Kesetimbangan panas terjadi jika panas dari sumber panas sama dengan jumlah panas yang dilepas oleh benda atau material tersebut ke lingkungan sekitarnya. Proses perpindahan panas berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu: [3] 1. Konduksi. 2. Konveksi. 3. Radiasi. Dalam prakteknya ketiga proses perpindahan panas tersebut sering terjadi secara bersama-sama. Dalam bab ini akan dijelaskan teori perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. 2.1.1

Konduksi

2.1.1.1 Laju Perpindahan Panas Konduksi adalah proses perpindahan panas dari suatu bagian benda padat atau material ke bagian lainnya. Perpindahan panas secara konduksi dapat berlangsung pada benda padat umumnya logam. Jika salah satu ujung sebuah batang logam diletakkan di atas nyala api, sedangkan ujung yang satu lagi dipegang, bagian batang yang dipegang ini suhunya akan naik, walaupun tidak kontak secara langsung dengan nyala api. Pada perpindahan panas secara konduksi tidak ada bahan dari logam yang berpindah. Yang terjadi adalah molekul-molekul logam yang diletakkan di atas nyala api membentur molekul-molekul yang berada di dekatnya dan memberikan sebagian panasnya. Molekul-molekul

terdekat

kembali membentur molekul-molekul terdekat lainnya dan memberikan sebagian panasnya, dan begitu seterusnya di sepanjang bahan sehingga suhu logam naik. 4 Universitas Sumatera Utara

Jika pada suatu logam terdapat perbedaan suhu, maka pada pada logam tersebut akan terjadi perpindahan panas dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Besarnya laju perpindahan panas (q) berbanding lurus dengan luas bidang (A) dan perbedaan suhu (𝜕𝑇⁄𝜕𝑥) pada logam tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Secara matematis dinyatakan sebagai :

𝑞=𝐴

𝜕𝑇 𝜕𝑥

2−1

Gambar 2.1 Perpindahan laju panas pada sebuah konduktor Dengan memasukkan konstanta kesetaraan yang disebut konduktifitas termal didapat persamaan berikut yang disebut juga dengan hukum Fourier tentang konduksi: 𝑞 = −𝑘𝐴

Dimana :

𝜕𝑇 𝜕𝑥

q

= Laju perpindahan panas (W)

k

= Konduktifitas termal (W/m 0C)

A

= Luas penampang (m2)

2−2

𝜕𝑇⁄𝜕𝑥 = Gradien suhu,yaitu laju perubahan suhu T

dalam arah aliran x(0C/m) Tanda minus (-) menunjukkan arah perpindahan panas terjadi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Nilai kondukitivitas thermal suatu bahan menunjukkan laju perpindahan panas yang mengalir dalam suatu bahan. thermal

Konduktifitas

kebanyakan bahan merupakan fungsi suhu, dan bertambah sedikit

kalau suhu naik, akan tetapi variasinya kecil dan sering kali diabaikan. Jika nilai konduktifitas thermal suatu bahan makin besar, maka makin besar juga panas yang mengalir melalui benda tersebut. Karena itu, bahan yang

5 Universitas Sumatera Utara

harga k-nya besar adalah penghantar panas yang baik, sedangkan bila k-nya kecil

bahan

itu

kurang

menghantar

atau

merupakan isolator. Nilai

Konduktifitas thermal berbagai bahan diberikan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Konduktifitas thermal berbagai bahan[1] Bahan

K(W/m.0C)

K(W/m.0C)

Bahan

Logam

Bukan logam

Perak

410

Kuarsa

41,6

Tembaga

385

Magnesit

4,15

Aluminium

202

Marmar

2,08 -

Nikel

93

Batu pasir

2,94

Besi

73

Kaca jendela

1,83

Baja karbon

43

Kayu

0,78

Timbal

35

Serbuk gergaji

0,08

16,3

Wol kaca

0,059

314

Karet

0,038

Baja kromnikel Emas

Polystyrene

0,2

Polyethylene

0,157

Polypropylene

0,33

Polyvinyl Chlorida Kertas

0,16 0,09 0,166

Zat Cair Air raksa

Gas 8,21

Hidrogen

0,175

Air

0,556

Helium

0,141

Amonia

0,540

Udara

0,024

Minyak lumas

0,147

Uap air (jenuh)

0,0206

0,073

Karbondioksida

0,0146

SAE 50 Freon 12


2.1.1.2 Konduksi pada bidang Datar [6] Perpindahan panas pada suatu dinding datar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2, dapat diturunkan dengan menerapkan Persamaan 2-2.

Gambar 2.2 Konduktifitas pada bidang datar Jika Persamaan 2-2 diintegrasikan : ∫ 𝑞𝜕𝑥 = − ∫ 𝑘𝐴𝜕𝑇 Maka akan diperoleh 𝑄∆𝑥 = −𝑘𝐴∆𝑇 𝑄=− Dimana : T1

𝑘𝐴 (𝑇 − 𝑇1 ) ∆𝑥 2 = Suhu dinding sebelah kiri (0C)

T2

= Suhu dinding sebelah kanan (0C)

∆𝑥

= Tebal dinding (m)

Apabila

2−3

dalam sistem itu terdapat lebih dari satu macam bahan,

misalnya dinding berlapis rangkap seperti pada Gambar 2.3, maka aliran panas dapat dituliskan sebagai :


𝑄=−

𝑘𝐴 𝐴 ∆𝑥𝐴

( 𝑇2 − 𝑇1 ) = − =−

𝑘𝐶 𝐴 ∆𝑥𝐶

𝑘𝐵 𝐴 ∆𝑥𝐵

( 𝑇3 − 𝑇2 )

( 𝑇4 − 𝑇3 )

2−4

Gambar 2.3 Dinding konduktor yang yang terdiri dari tiga lapisan Persamaan tersebut mirip dengan hukum Ohm dalam aliran listrik. Dengan demikian perpindahan panas dapat dianalogikan dengan aliran arus listrik seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Q

Gambar 2.4 Analogi listrik aliran panas pada konduktor berlapis tiga Menurut analogi diatas, perpindahan panas sama dengan: 𝑄=

∆𝑇𝑘𝑒𝑠𝑒𝑙𝑢𝑟𝑢ℎ𝑎𝑛 𝑅𝑡ℎ

2−5

Jika ketiga Persamaan 2-4 dipecahkan serentak, maka aliran panas adalah: 𝑄=

𝑇1 − 𝑇4 ∆𝑥 ∆𝑥𝐴 ∆𝑥 ⁄𝑘𝐴 + 𝐵⁄𝑘𝐴 + 𝐶⁄𝑘𝐴 𝐴 𝐵 𝐶

2−6

Sehingga persamaan Fourier dapat dituliskan sebagai berikut : 𝐴𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑃𝑎𝑛𝑎𝑠 =

𝐵𝑒𝑑𝑎 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑎𝑙 𝑃𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑇𝑎ℎ𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑇𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙


Harga tahanan thermal total 𝑅𝑡ℎ tergantung pada susunan dinding penyusunnya, apakah bersusun seri atau paralel atau gabungan. 2.1.1.3 Konduksi pada Silinder [6] Arah perpindahan panas pada benda berbentuk silinder seperti tabung atau pipa adalah radial. Pada Gambar 2.5 ditunjukkan suatu pipa logam dengan jari- jari dalam 𝑟𝑖 , jari-jari luar 𝑟𝑜 , dan panjang L, perbedaan suhu permukaan dalam dengan permukaan luar adalah ∆𝑇 = 𝑇𝑖 − 𝑇𝑜 . Perpindahan panas pada elemen dr yang jaraknya r dan titik pusat adalah : 𝑞𝑟 = −𝑘𝐴𝑟

𝜕𝑡 𝜕𝑟

2−7

Gambar 2.5 Aliran radial panas di dalam silinder Luas bidang permukaan silinder berjari jari r adalah 𝐴𝑟 = 2𝜋𝑟𝐿

2−8

Sehingga

𝜕𝑡 2−9 𝜕𝑟 Perpindahan panas dari permukaan dalam ke permukaan luar silinder adalah : 𝑞𝑟 = −2𝜋𝑘𝑟𝐿

𝑄 = ∫ 𝑞𝑟 = −2𝜋𝑘𝐿 ∫ 𝑟

𝜕𝑇 𝜕𝑟

2 − 10

Batas integral suhu adalah Tt dan To, sedang batas integral r adalah ri dan ro. Dengan demikian penyelesaian Persamaan 2-10 adalah :


𝑄=

2𝜋𝑘𝐿(𝑇𝑖 − 𝑇𝑜 ) 𝑟 ln( 𝑜⁄𝑟𝑖 )

2 − 11

Menurut Persamaan 2-11 di atas: 2𝜋𝑘𝐿 1 = 𝑅𝑡ℎ ln(𝑟𝑜⁄𝑟 ) 𝑖 Maka tahanan thermal silinder adalah : 𝑅𝑡ℎ

𝑟 ln( 𝑜⁄𝑟𝑖 ) = 2𝜋𝑘𝐿

2 − 12

Dengan demikian, analogi listrik aliran panas pada silinder dapat dibuat seperti pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Analogi listrik aliran panas pada silinder

Konsep tahanan thermal dapat juga digunakan pada silinder berlapis seperti halnya dengan dinding datar berlapis. Pada Gambar 2.7 ditunjukkan silinder berlapis dan analogi listriknya. Q


Gambar 2.7 Silinder berlapis dan analogi listrik

Untuk silinder berlapis seperti pada Gambar 2.7 penyelesaiannya adalah :

𝑄=

2𝜋𝐿(𝑇1 − 𝑇4 ) 𝑟 𝑟2 𝑟 ln( ⁄𝑟1 ) ln( 3⁄𝑟2 ) ln( 4⁄𝑟3 ) + + 𝑘𝐴 𝑘𝐵 𝑘𝐶

Dimana : kA

= Konduktifitas termal bahan A

kB

= Konduktifitas termal bahan B

kC

= Konduktifitas termal bahan C

2 − 13

2.1.2 Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas oleh gerakan massa pada fluida dari suatu daerah ke daerah lainnya. Perpindahan panas konveksi merupakan mekanisme perpindahan panas antar permukaan benda padat dengan fluida. Pada Gambar 2.8 ditunjukkan sebuah plat panas yang suhunya Tw. Di atas plat datar mengalir fluida dengan kecepatan U∞ yang merata dengan suhu T∞. Dengan adanya perbedaan suhu maka panas akan terdistribusi dari plat ke fluida.


Gambar 2.8 Perpindahan panas konveksi dari suatu plat Mekanisme fisis perpindahan panas konveksi berhubungan dengan proses konduksi. Guna menyatakan pengaruh konduksi secara menyeluruh digunakan hukum Newton tentang pendinginan : 𝑄 = ℎ𝐴(𝑇𝑤− 𝑇∞ ) Dimana

Q h A Tw T∞

2-14

= Laju perpindahan panas (W) = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC) = Luas permukaan (m2) = suhu dinding (oC) = Suhu fluida (oC)

Koeisien perpindahan panas konveksi diberikan pada Tabel 2.2. Tabel 2.2 Koefisien perpindahan panas konveksi[1] H(W/m2. oC)

Fluida-Kondisi Udara – konveksi bebas

6-30

Udara – konveksi paksa

30-300

Minyak – konveksi paksa

60-1.800

Air – konveksi bebas

170-1.500

Air – konveksi paksa

300-6.000

Didihan air

3.000-60.000

Kondensasi uap

6.000-120.000

Apabila fluida tidak bergerak (atau tanpa sumber penggerak) maka perpindahan panas tetap ada karena adanya pergerakan fluida akibat perbedaan massa jenis fluida. Peristiwa ini disebut dengan konveksi alami (natural convection) atau konveksi bebas (free convection). Lawan dari konveksi ini adalah konveksi paksa (Forced convection) yang terjadi apabila fluida dengan sengaja dialirkan (dengan suatu penggerak) di atas plat.

2.1.3 Radiasi Radiasi

adalah

perpindahan

panas

perantara (medium) tetapi dalam bentuk

tanpa

memerlukan

zat

gelombang elektromagnetik.

Sebagai contoh perpindahan panas dari matahari ke bumi. Panas dari


matahari tidak dapat mengalir melalui atmosfer bumi secara konduksi karena antara bumi dan matahari adalah hampa udara. Panas matahari tidak dapat sampai ke bumi melalui proses konveksi karena konveksi juga harus melalui pemanasan bumi terlebih dahulu. Selain itu, konduksi dan konveksi memerlukan medium sebagai perantara untuk membawa panas. Jadi walaupun antara bumi dan matahari merupakan ruang hanpa, panas matahari tetap akan sampai ke bumi melalui perpindahan panas secara radiasi. Besarnya laju perpindahan panas secara radiasi adalah: 𝑄 = 𝑒𝜎𝐴(𝑇14 − 𝑇24 ) Dimana:

Q e 𝝈 T1 T2

2-15

= Laju perpindahan panas (W) = Emisivitas benda yang terkena radiasi (0<e<1) = Konstanta Stefan-Bolztman = 5,67 x 10-5 W/m2K4 = Suhu benda (oK) = Suhu lingkungan (oK)

Emisivitas benda adalah besaran yang bergantung pada sifat permukaan benda. Benda hitam sempurna (black body) memiliki harga emisivitas (e = 1). Benda ini merupakan pemancar dan penyerap yang paling baik. Permukaan pemantul sempurna memilki nilai e = 0. 2.1.4 Perpindahan Panas Pada Kabel[6] Pada penghantar kawat telanjang yang dialiri arus listrik, arus akan menimbulkan panas pada penghantar. Perpindahan panas pada kawat telanjang yang dialiri arus listrik berlangsung dengan konveksi seperti di tunjukkan Gambar 2.9.


Gambar 2.9 Perpindahan panas pada kawat telanjang dan analogi listriknya

Perpindahan panas yang terjadi adalah : 𝑄 = ℎ𝐴(𝑇𝑖− 𝑇∞ ) Jika panjang kawat adalah L, maka luas permukaan kawat adalah 𝐴 = 2𝜋𝑟𝑖 𝐿 Sehingga 𝑄 = 2𝜋𝑟𝑖 𝐿ℎ(𝑇𝑖− 𝑇∞ ) Menurut persamaan diatas, sepertahanan termal adalah : 1 = 2𝜋𝑟𝑖 𝐿ℎ 𝑅𝑡ℎ Atau 𝑅𝑡ℎ =

1 2𝜋𝑟𝑖 𝐿ℎ

2 − 16

Perpindahan panas dapat dituliskan sebagai berikut:

𝑄=

Dimana:

𝑇𝑖 − 𝑇∞ 1 2𝜋𝑟𝑖 𝐿ℎ

Q


Ti

= Suhu kawat (oC)

T∞

= Suhu lingkungan (oC)

ri

= Jari-jari kabel (m)

L

= Panjang kabel (m)

2 − 17


= Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)

h

Perpindahan panas pada kabel yang dialiri arus listrik berlangsung dengan cara konduksi dan konveksi. Konduksi terjadi dari permukaan dalam isolasi (atau permukaan luar tembaga) ke permukaan luar isolasi. Sedangkan secara konveksi, dari permukaan luar isolasi ke lingkungan. Dengan demikian tahanan thermal yang dilalui panas adalah Rkonduksi dan Rkonveksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10.

Q

Q

Gambar 2.10 Perpindahan panas pada kabel berisolasi dan analogi listriksnya Dengan demikian perpindahan panas yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut : 𝑄=

𝑄=

𝑄=

Diman :

𝑇𝑖 − 𝑇∞ 𝑅𝑘𝑜𝑛𝑑 + 𝑅𝑘𝑜𝑛𝑣 𝑇𝑖 − 𝑇∞

r ln( 0⁄ri ) 1 + 2𝜋𝐿𝑘 2𝜋r0 𝐿ℎ 2𝜋𝐿(𝑇𝑖 − 𝑇∞ ) r ln( 0⁄ri ) 1 + 𝑘 r0 h

2 − 18

Q


Ti

= Suhu permukaan dalam isolasi (oC)

Ti

= Suhu lingkungan (oC)


ro

= Jari-jari luar isolasi (m)

ri

= Jari-jari kabel (m)

L

= Panjang kabel (m)

h

= Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)

Untuk kabel lapis rangkap dengan jenis isolasi yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11, maka perpindahan panas yang terjadi adalah : 𝑄=

2𝜋𝐿(𝑇𝑖 − 𝑇∞ ) r r ln( 2⁄r1 ) ln( 3⁄r2 ) 1 + + 𝑘𝐴 𝑘𝐵 r3 h

2 − 19

Q Gambar 2.11 Perpindahan panas pada kabel berisolasi rangkap dan analogi listriknya 2.2 BAHAN ISOLASI Bahan isolasi digunakan untuk memisahkan bagian-bagian peralatan listrik yang berbeda tegangan. Hal yang sangat penting diperhatikan pada suatu bahan isolasi adalah sifat kelistrikannya. Namun demikian sifat mekanis,

sifat

thermal, dan ketahanan terhadap bahan kimia perlu juga

diperhatikan. Dalam bab ini akan dijelaskan sifat kelistrikan, sifat mekanis, sifat thermal, dan ketahanan terhadap bahan kimia dari bahan isolasi. 2.2.1 Sifat Kelistrikan Berikut ini dijelaskan 4 hal sifat kelistrikan suatu bahan isolasi yakni: 1. Kekuatan dielektrik. 2. Konduktansi.


3. Rugi-rugi dielektrik 4. Tahanan isolasi 2.2.1.1. Kekuatan Dielektrik[2] Suatu

dielektrik

tidak

mempunyai

elektron-elektron

bebas,

melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2.12 ditunjukkan suatu bahan dilektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar.

+ Elektroda

E

V

Dielektrik Elektroda

2.12 Medan elektrik dalam dielektrik[2]

Gambar

Bila elektroda diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron- elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor. Beban yang dipikul dielektrik ini disebut terpaan medan elektrik (Volt/cm). Setiap

dielektrik

terpaan elektrik.

mempunyai

Jika terpaan

batas

elektrik

kekuatan

yang

dipikul

untuk

memikul

melebihi

batas

tersebut, dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantar arus

atau

gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini

dielektrik disebut tembus listrik atau breakdown. Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan tembus listrik pada dielektrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik mempunyai kekuatan dielektrik Ek, maka terpaan 17 Universitas Sumatera Utara

elektrik yang dapat dipikulnya adalah lebih kecil atau sama dengan Ek. Jika terpaan elektriknya melebihi Ek, maka di dalam dielektrik akan terjadai proses ionisasi berantai yang dapat membuat dielektrik mengalami tembus listrik. Proses ini membutuhkan waktu dan lamanya tidak tentu tetapi bersifat statistik. Waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadi ionisasi sampai terjadi tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag). Jadi, tidak selamanya terpaan elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi harus memenuhi dua syarat yaitu: 1. Terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan kekuatan dielektriknya, dan 2. Lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda tembus. Untuk tegangan sinusoidal frekuensi daya dan untuk tegangan searah, syarat kedua tidak berlaku, karena waktu puncak tegangan berlangsung dalam orde mili detik sedang waktu tunda tembus ordenya dalam mikro detik. Tetapi untuk tegangan impuls yang durasinya dalam orde mikro detik kedua syarat tersebut dipenuhi.

Untuk

tegangan

impuls,

sekalipun

tegangan yang diberikan telah menimbulkan terpaan elektrik yang lebih besar daripada kekuatan dielektrik, masih ada kemungkinan dielektrik tidak tembus listrik. Kemungkinan ini terjadi jika terpaan elektrik itu berlangsung lebih singkat daripada waktu tunda tembus. Tembus listrik terjadi jika terpaan elektrik yang melebihi kekuatan dielektrik itu berlangsung lebih lama daripada waktu tunda tembusnya. Lamanya waktu tunda tembus tidak tentu, oleh karena itu ditentukan dengan statistik. Jadi, tembus listrik suatu dielektrik bersifat statistik, sehingga terpaan elektrik yang menimbulkan tembus listrik dinyatakan dalam suatu harga statistik, yaitu harga yang memberikan probabilitas tembus 50%. Tegangan tembus yang menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut tegangan tembus atau breakdown voltage. Tegangan tembus adalah besar tegangan yang menimbulkan terpaan elektrik pada dielektrik sama dengan atau lebih besar daripada kekutan dielektriknya. Untuk tegangan impuls, tegangan tembus dinyatakan dalam harga tegangan yang


memberi probabilitas tembus 50% (V50%) yang artinya adalah: [2] 1.

Jika suatu dielektrik diberi n kali tegangan impuls sebesar V50% , maka dielektrik tersebut akan mengalami tembus listrik sebanyak 0,5n kali.

2.

Jika ada sejumlah dielektrik yang sama, masing-masing diberi tegangan impuls V50%, maka setengah dari dielektrik itu akan tembus listrik.

2.2.1.2 Konduktansi[2] Pada Gambar 2.13.a ditunjukkan suatu dielektrik yang ditempatkan diantara dua elektroda piring sejajar. Kedua elektroda dan dielektrik merupakan suatu kondensator.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.13 Konduksi pada suatu dielektrik[2] Jika kondensator ini merupakan kondensator murni dan dihubungkan ke sumber arus searah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.13.a, maka muatan mengalir ke kondensator sehingga tegangan kondensator naik. Aliran muatan akan berhenti ketika tegangan kondensator telah sama

dengan

tegangan sumber. Dengan perkataan lain, arus mengalir melalui dieletrik hanya selama berlangsung pengisian muatan ke kondensator dan arus ini berlangsung

hanya

dalam

waktu

yang

sangat

singkat.

Kurva

pengisian ditunjukkan pada Gambar 2.13.b. Jika kondesator yang dibentuk dielektrik dengan kedua elektroda adalah berupa kondensator komersial, maka kurva arus adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.13.c. arus pengisian terjadi selama waktu t1. kemudian arus berkurang perlahan-lahan selama waktu t2, arus ini disebut absorpsi. Akhirnya arus mencapai suatu harga tertentu (ik) arus ini disebut arus konduksi. Arus konduksi k selalu ada karena tahanan dari dielektrik tidak benar-


benar tak berhingga. Beda tegangan (V) diantara kedua elektroda menimbulkan terpaan elektrik (E) dalam

dielektrik.

Terpaan

elektrik

ini

menggerakkan

molekul-molekul dielektrik sampai semuanya terpolarisasi. Molekul-molekul tersebut ada yang bergerak cepat dan ada yang bergerak lamban. Molekulmolekul yang bergerak cepat terpolarisasi dengn cepat yang menimbulkan arus pengisian. Sedangkan molekul-molekul

yang

bergerak

lamban,

terpolarisasi dengan lambat yang menimbulkan arus absorpsi.[2]

2.2.1.3. Rugi-Rugi Dielektrik[2] Tegangan

yang

diterapkan

pada

suatu

dilektrik

menimbulkan

tiga komponen arus, yaitu: arus pengisian, arus absorpsi dan arus konduksi. Oleh karena

itu

rangkaian

ekivalen

suatu

dielektrik

harus

dapat

menampilkan adanya ketiga komponen arus tersebut diatas. Rangkaian ekivalen yang mendekati ditunjukkan pada Gambar 2.14.

a

b

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen suatu dielektrik[2] Keterangan:

Cg

= Kapasitansi geometris

Rk

= Tahanan dielektrik

Ra

= Tahanan arus absorbsi

Ca

= Kapasitansi arus absorsi

Jika terminal a-b

dihubungkan ke sumber tegangan searah maka ada

ketiga komponen arus mengalir pada terminal a-b. Arus ip yang mengisi kondensator Cg, arus ia yang mengisi kondensator Ca dan arus ik yang mengalir


melalui tahanan Rk. Karena adanya tahanan Ra , maka arus ia berlangsung lebih lambat dari arus ip. Arus ip berlangsung dengan cepat dan berhenti jika tegangan kondensator telah sama dengan tegangan sumber. Ketika arus pengisian ip berhenti, ia masih mengalir mengisi kondensator Ca dan arus ini juga akan berhenti ketika tegangan kondensator Ca telah sama dengan tegangan sumber. Akhirnya arus yang tersisa adalah arus konduksi yang mengalir melalui tahanan Rk, dan rangkaian dapat disederhanakan menjadi Gambar 2.15 berikut dan terminal a-b dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik.

a

b

Gambar 2.15 Rangkaian ekivalen penyederhanaan Maka arus tiap komponen: 𝐼𝑅 =

𝑉 𝑅𝑒

𝐼𝐶 = 𝜔𝐶𝑒 𝑉

2 − 20 2 − 21

Arus total yang diberikan sumber tegangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.16 adalah: 𝐼 = √𝐼𝑅2 + 𝐼𝐶2

2 − 22


I

Gambar 2.16 Komponen arus dielektrik Arus IR menimbulkan rugi-rugi daya pada tahanan Re. Rugi-rugi ini disebut rugi-rugi dielektrik. Rugi-rugi dielektrik adalah rugi-rugi pada dielektrik yang berbentuk panas karena adanya arus yang mengalir pada dielektrik dan adanya tahanan dielektrik. Besarnya rugi-rugi dielektrik adalah perkalian V dan IR atau: 𝑃𝑑 = 𝑉𝐼𝑅 = 𝑉𝐼 𝐶𝑜𝑠 𝜑 = 𝑉𝐼 𝑆𝑖𝑛 𝛿

2 − 23

𝐼

Menurut Gambar 2.16, cos 𝛿 = 𝐼𝑐, sehingga arus sumber adalah : 𝐼=

𝐼𝑐 cos 𝛿

2 − 24

Dengan mensubstitusi Persamaan 2-21 ke Persamaan 2-24 maka diperoleh: 𝐼=

𝜔𝐶𝑒 𝑉 cos 𝛿

2 − 25

Dari Persamaan 2-25 dan Persamaan 2-23, maka dieroleh: 𝑃𝑑 =

𝜔𝐶𝑒 𝑉 𝑉 𝑆𝑖𝑛 𝛿 = 𝜔𝐶𝑒 𝑉 2 tan 𝛿 cos 𝛿

2 − 26

Rugi-rugi dielektrik menimbulkan panas yang dapat menaikkan temperatur dielektrik dan pada akhirnya dapat mempercepat penuaan dielektrik. Rugi-rugi dielektrik tergantung kepada frekuensi tegangan sumber. Oleh karena itu, rugi- rugi dielektrik tidak terjadi jika dielektrik dihubungkan ke sumber tegangan searah. Rugi-rugi dielektrik sebanding dengan faktor rugi-rugi dielektrik (Tan δ). Jika Tan δ besar, maka rugi-rugi dielektrik makin besar.[2]. 2.2.1.4. Tahanan Isolasi[2]


Jika suatu dielektrik diberi tegangan searah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.17, maka arus yang mengalir pada dielektrik terdiri atas dua komponen yaitu: 1. Arus yang mengalir pada permukaan dielektrik (arus permukaan, Is ). 2. Arus yang mengalir melalui volume dielektrik (arus volume, Iv). Sehingga arus sumber adalah : 𝐼𝑎 = 𝐼𝑠 + 𝐼𝑣

2 − 30

Hambatan yang dialami arus permukaan disebut tahanan permukaan (Rs) sedang hambatan yang dialami arus volum disebut tahanan volume (Rv).

V

A

Gambar 2.17 Arus pada suatu dielektrik[2] Dalam prakteknya, hasil pengukuran tahanan isolasi tergantung kepada besar dan polaritas tegangan pengukuran serta jenis bahan isolasi. Pada Gambar 2.18 ditunjukkan pengaruh tegangan terhadap hasil pengukuran tahanan isolasi, masing-masing untuk bahan isolasi gas, cair, dan bahan isolasi padat. Untuk keperluan evaluasi, didefenisikan suatu faktor yang disebut faktor titik lemah, yaitu perbandingan tahanan pada tegangan V1 dengan tahanan pada tegangan V2 , dimana V2 lebih nggi daripada V1 .


a. Isolasi cair dan gas

b. Isolasi padat

Gambar 2.18 Pengaruh tegangan terhadap tahanan isolasi Jika faktor titik lemah semakin besar, merupakan pertanda bahwa isolasi semakin buruk. 𝛼𝑡1 =

𝑅𝑣1 𝑅𝑣2

2 − 31

Akibat adanya arus absorpsi, maka hasil pengukuran tergantung juga pada waktu pengukuran. Pada Gambar 2.19 ditunjukkan perubahan tahanan isolasi terhadap waktu. Perbandingan tahanan pada saat 1 menit dan 10 menit disebut indeks polarisasi. 𝛼𝑝 =

𝑅10 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 𝑅1 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

2 − 32

Indeks polarisasi untuk dielektrik kelas isolasi A>1,5 dan kelas isolasi B>2,5. Tahanan dielektrik juga tergantung kepada temperature, kelembapan, dan bentuk benda uji. RIsolas R

i

1 0

R 1

1

1 0

t(me nit)

Gambar 2.19 Perubahan tahanan terhadap waktu[2]


2.2.2. Sifat Terhadap Panas Suatu bahan isolasi dapat rusak disebabkan oleh panas dalam kurun waktu tertentu. Waktu tertentu disebut sebagai umur-panas bahan isolasi. Sedangkan kemampuan bahan menahan suatu panas tanpa terjadi kerusakan disebut ketahanan panas (heat resistance). Klasifikasi

bahan

isolasi

menurut

IEC

(International

Electrotechnical Commision) didasarkan atas batas suhu kerja bahan, seperti di tunjukkan pada Tabel 2.3. Tabel 2.3 Klasifikasi bahan isolasi[1] Suhu kerja

Kelas

Bahan

Y

Katun, sutera alam, wol sintetis, rayon, serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen, polivinil, karet

90 OC

A

Bahan kelas Y yang telah dicelup dalam vernis, aspal, minyak trafo. Email yang dicampur dengan vernis dan poliamid.

105 OC

E

Email kawat yang terbuat dari : polivinil formal, poli urethan dan damar, bubuk plastik, bahan selulosa pengisi pertinaks, tekstolit, triasetat, polietilen tereftalat.

120 OC

B

Bahan non organik (mika, fiberglas, asbes) dicelup atau direkat menjadi satu dengan pernis atau kompon, bitumen, bakelit, poli monochloro tri flour etilen, poli etilen tereftalat, poli karbonat, sirlak.

130 OC

F

Bahan-bahan anorganik yang dicelup atau direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan atau vernis dengan ketahanan panas yang tinggi.

155 OC

H

Mika, fiberglas, dan asbes yang dicelup dalam silicon tanpa campuran bahan

180 OC

maksimum


berserat, karet poliamid murni.

C

silikon,

email

kawat

Bahan-bahan anorganik yang tidak dicelup dan tidak terikat dengan substansi organik misalnya mika, mikanit yang tahan panas, mikaleks, gelas, keramik, Teflon (politetra fluoroetilen) adalah satu-satunya substansi organik.

Diatas 180 O

C

2.2.3. Sifat Kimia Beberapa sifat kimia yang dibahas adalah: sifat kemampuan larut, resistansi kimia, higroskopisitas, permeabilitas uap, pengaruh tropis dan resistansi radio aktif. 2.2.3.1. Sifat Kemampuan Larut Sifat ini diperlukan untuk menentukan macam bahan pelarut suatu bahan, misalnya: vernis, plastik dan sebagainya. Sifat ini juga diperlukan untuk menguji kemampuan ketahanan bahan isolasi di dalam cairan selama diimpregnasi dan selama pemakaiannya (bahan isolasi minyak trafo). Kemampuan larut bahan padat dapat dievaluasi berdasarkan banyaknya bagian permukaan bahan yang dapat larut setiap satuan waktu jika diberi bahan pelarut. Kemampuan larut suatu bahan akan lebih besar jika suhunya dinaikkan. Umumnya bahan pelarut komposisi kimianya sama dengan bahan yang dilarutkan. Contohnya : hidro karbon (parafin, karet alam) dilarutkan dengan cairan hidro karbon atau phenol formaldehida.

2.2.3.2. Resistansi Kimia Bahan isolasi mempunyai kemampuan yang berbeda ketahanannya terhadap korosi yang disebabkan oleh: gas, air, asam, basa dan garam. Hal ini perlu diperhatikan untuk pemakaian bahan isolasi yang digunakan di daerah yang konsentrasi kimianya aktif, suhu di atas normal. Karena kecepatan korosi dipengaruhi pula oleh kenaikan suhu.


Bahan isolasi yang digunakan pada instalasi tegangan tinggi harus mampu menahan terjadinya ozon. Artinya, bahan tersebut harus mempunyai resistansi ozon yang tinggi. Karena ozon dapat menyebabkan isolasi berubah menjadi regas. Pada prakteknya, bahan isolasi anorganik mempunyai ketahanan terhadap ozon yang baik. 2.2.3.3. Higroskopisitas Beberapa bahan isolasi ternyata mempunyai sifat higroskopisitas, yaitu sifat menyerap air di sekelilingnya. Uap air ternyata dapat mengakibatkan perubahan mekanis–fisik dan memperkecil daya isolasi. Untuk itu selama penyimpanan atau pemakaian bahan isolasi agar tidak terjadi penyerapan uap air oleh bahan isolasi, maka hendaknya ditambahkan bahan penyerap uap air yaitu senyawa P2O5 atau CaCl2. 2.2.3.4. Permeabilitas Uap Kemampuan bahan isolasi untuk dilewati uap disebut permeabilitas uap bahan tersebut. Faktor ini perlu diperhatikan bagi bahan yang digunakan untuk: isolasi kabel, rumah kapasitor. Banyak uap M dalam satuan mikro-gram, selama t jam, melalui permukaan S meter persegi, dengan beda tekanan pada kedua sisi bahan P dalam satuan mm-Hg, adalah: 𝐴. ℎ. 102 𝑀= 𝑆. 𝑡. 𝑃

6 − 33

Dimana : A = Permeabilitas uap yang disebut juga konstanta difusi 𝑔 g = Permeabilitas uap air ( ⁄𝑐𝑚. 𝑗𝑎𝑚. 𝑚𝑚𝐻𝑔) Pada Tabel 2.4 ditunjukkan permeabilitas uap beberapa bahan Tabel 2.4 Permeabilitas beberapa bahan[1] A No.

Nama Bahan

𝒈 ( ⁄𝒄𝒎. 𝒋𝒂𝒎. 𝒎𝒎𝑯𝒈)

1

Parafin

0,007


2

Polistirin

0,03

3

Karet

0,03-0,08

4

Selulosa triasetat

1

5

Cellophane

5

6

Kaca atau logam

0

2.2.3.5. Pengaruh Tropis Terdapat 2 macam daerah tropis yaitu tropis yang basah (termasuk Indonesia) dan daerah tropis yang kering. Di daerah tropis basah memungkinkan tumbuhnya jamur dan serangga dapat hidup dengan baik. Suhu yang cukup tinggi disertai kelembaban yang terjadi dalam waktu lama dapat menyebabkan turunnya resistivitas isolasi, menambah besarnya sudut rugi dielektrik, menambah permitivitas dan mengurangi kemampuan kelistrikan bahan. Pada penggunaan bahan isolasi di daerah tropis harus diperhatikan 2 hal yaitu: perubahan sifat kelistrikan setelah bahan direndam dan kecepatan pertumbuhan jamur pada bahan tersebut. Karena hal-hal tersebut maka bahan isolasi sebaiknya dilapisi dengan bahan anti jamur, antara lain: paranitro phenol, penthachloro phenol. 2.2.3.6. Resistansi Radiasi Sifat bahan isolasi sering dipengaruhi energi radiasi yang menerpa bahan isolasi tersebut, pengaruh ini dapat mengubah sifat bahan isolasi. Radiasi sinar matahari mempengaruhi umur bahan isolasi, khususnya jika bahan tersebut bersinggungan langsung dengan oksigen. Sinar ultra violet dapat merusak beberapa bahan organik yaitu menurunnya kekuatan mekanik, elastisitas dan retak-retak. Sinar X, sinar-sinar dari reaktor nuklir misalnya: sinar α, β,dan γ partikelpartikel radio isotop, mempunyai pengaruh sangat besar pada bahan isolasi. Bahan polimer organik akan menjadi lebih keras dan akan menjadi lebih


tahan terhadap panas jika terkena sinar-sinar tersebut, misalnya: politetra flouroethilen. Kemampuan suatu bahan isolasi untuk menahan pengaruh radiasi tanpa mengalami kerusakan disebut resistansi radiasi. 2.2.4. Sifat-sifat Mekanis Kekuatan mekanis bahan-bahan isolasi maupun logam adalah kemampuan menahan beban dari dalam atau luar. Beberapa sifat mekanis yang dibahas adalah: Kekuatan (strength), modulus elastisitas, kekerasan. 2.2.4.1. Kekuatan (Strength) Kekuatan adalah kemampuan bahan untuk tahan terhadap gaya-gaya luar tanpa mengalami kerusakan. Kekuatan bahan isolasi terbagi menjadi 4 jenis yaitu kekuatan regangan, kekuatan tekuk, kekuatan tekanan, dan kekuatan tekanan dadakan Kekuatan bahan isolasi merupakan salah satu sifat mekanis terpenting dalam isolasi. Jenis kekuatan bahan isolasi yang dibutuhkan tergantung pada pemakaiannya, seperti yang diberikan pada Tabel 2.4. Tabel 2.5 Contoh isolator dan sifat mekanis terpenting[2] No.

Pemakaian Bahan Isolasi

Jenis

kekuatan

yang

paling

dibutuhkan 1

Isolator hantaran udara

Kekuatan regangan

2

Isolator pendukung pada gardu

Kekuatan tekuk

3 4

induk Isolator antenna

Kekuatan tekanan Ketahanan tekanan dadakan

Pemutus daya

2.2.4.2. Modulus Elastisitas Elastisitas adalah sifat dari suatu bahan dalam batas tegangan tertentu yang memungkinkan bahan kembali ke bentuk semula setelah gaya yang mengubah bentuknya dihilangkan. Batas elastisitas adalah tegangan satuan dimana di luar tegangan tersebut suatu bahan isolasi tidak kembali lagi ke bentuk semula. Set


permanen adalah perubahan bentuk yang tetap yang dialami suatu bahan elastisitas akibat mengalami tegangan di luar batas elastis. Ukuran elastisitas suatu bahan tertentu disebut modulus elasitisitas yang merupakan ukuran dari kekauan suatu bahan elastis atau ketahanannya terhadap perubahan bentuk akibat pembebanan. 2.2.4.3. Kekerasan Kekerasan adalah kemampuan suatu bahan untuk tahan terhadap penetrasi. Pengujian derajat kekerasan dapat dilakukan dengan penggoresan atau penumbukan dengan benda lancip terhadap bahan yang dapat mengalami deformasi plastis yaitu logam dan plastik. Satuan derajat kekerasan bahan dengan penggoresan adalah Moh dengan intan sebagai bahan terkeras nilainya 10 dan kapur sebagai yang terlunak dengan nilai 1. Sedangkan untuk mengukur derajat kekerasan berdasarkan tumbukan digunakan metode-metode: Brinell, Rockwell dan Vickres. Pada cara pengujian dengan metode Brinell, sebuah bola baja dengan diameter 10 mm dan sudah diperkeras, ditekankan ke permukaan bahan yang diuji dengan beban statis sehingga menimbulkan lekukan pada permukaan bahan yang diuji. Derajat kekerasan dapat dihitung dengan persamaan: 𝐾𝑒𝑘𝑒𝑟𝑎𝑠𝑎𝑛 =

𝐺𝑎𝑦𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑒𝑟𝑖𝑘𝑎𝑛 (𝑘𝑔) 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑏𝑖𝑑𝑎𝑛𝑔 𝑙𝑒𝑘𝑢𝑘𝑎𝑛 (𝑚𝑚2 )

2 − 34

Derajat kekerasannya dinyatakan dengan satuan Brinell (HG). Pada pengujian derajat kekerasan metode Vickres menggunakan intan yang berbentuk piramid. Pengujian dengan cara ini lebih menguntungkan dibanding dengan metode Brinell, karena pada intan tidak akan terjadi deformasi plastis. Untuk menetukan derajat kekerasannya digunakan p Persamaan 2-34 yang membedakan di sini, lekukannya tidak berbentuk bidang bola. Pada pengujian dengan metode Vickres satuannya dalah Vickres (HD). Pada pengujian kekerasan dengan metode Rockwell hasil pengujiannya dapat langsung terbaca pada alat pengujian. Sehingga pengujian dengan metode ini lebih mudah dan cepat. Mata penumbuk yang digunakan adalah intan bebentuk kerucut untuk bahan yang keras atau bola baja jika bahan yang diuji lunak.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents