BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Isolator 2.1.1 Umum Penggunaan isolator banyak dijumpai pada transmisi hantaran udara. Pada jaringan distribusi hantaran udara, gardu induk, dan panel pembagi daya. Penggunaan isolator juga dipakai sebagai bahan isolasi antara yang bertegangan dengan yang tidak bertegangan. Pada gardu induk digunakan sebagai pendukung sakelar pemisah, pendukung konduktor penghubung dan penggantung rel daya. Pada panel pembagi daya, rel dengan rel dipisahkan oleh udara, sedangkan rel dengan kerangka pendukung dipisahkan oleh isolator. Bila isolator dibuat pada hantaran udara maka otomatis isolator akan terkena polutan dan juga terkena temperatur yang ada pada isolator tersebut dan suatu saat juga akan terjadi tegangan lewat denyar. Maka dari itu dilakukan penelitian dari pengaruh temperatur tersebut. 2.1.2 Isolator Piring Isolator jaringan tenaga listrik merupakan alat tempat menopang kawat penghantar jaringan pada tiang-tiang listrik yang digunakan untuk memisahkan secara elektris dua buah kawat atau lebih agar tidak terjadi kebocoran arus (leakage current) atau lewat-denyar (flashover) sehingga mengakibatkan terjadinya kerusakan pada sistem jaringan tenaga listrik. Adapun fungsi utama isolator adalah: 1. Untuk menyekat/mengisolasi penghantar dengan tanah dan antara penghantar dengan penghantar. 2. Untuk memikul beban mekanis yang disebabkan oleh berat penghantar atau gaya tarik penghantar. 3. Untuk menjaga agar jarak antar penghantar tetap (tidak berubah).
4
Universitas Sumatera Utara
2.1.3 Konstruksi Isolator Piring Isolator pada umumya memiliki tiga bagian utama yaitu bahan dielektrik seperti terlihat pada Gambar 2.1. Selain itu juga terdapat semen yang berfungsi sebagai bahan perekat yang merekatkan ketiga bagian ini.
Gambar 2.1 Konstruksi Isolator Piring Dilihat dari bentuknya, isolator piring dibagi menjadi 3 jenis seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2 (a), (b), dan (c).
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.2 (a) Isolator Piring Standar [1] (b) Isolator Piring Anti-fog [1](c) Isolator Piring Aerodinamis [1]
5
Universitas Sumatera Utara
•
Isolator dengan desain standar (Gambar 2.2a). Isolator ini digunakan pada daerah dengan bobot polusi rendah seperti di daerah yang kerapatan penduduknya sedang dan tidak ada industri.
•
Isolator piring dengan desain anti-fog (Gambar 2.2b). Isolator ini dirancang
memiliki
lekukan
yang
lebih
dalam
untuk
memperpanjang jarak rambat arus, digunakan pada daerah dengan bobot polusi tinggi seperti di daerah industry berat. •
Isolator piring dengan desain aerodinamis (Gambar 2.2c). Isolator ini dirancang memiliki permukaan yang licin sehingga polutan lebih sulit menempel pada permukaannya. Isolator ini biasa digunakan pada daerah gurun. Persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang isolator, antara lain adalah [2] :
•
Pada bahan isolasi, harus memiliki sumbu yang sejajar dengan sumbu memanjang atau sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperatur penempaan isolator.
•
Tidak memiliki lekukan yang runcing agar pada isolator tidak terjadi medan elektrik yang tinggi.
•
Permukaan isolator harus licin dan bebas dari bagian-bagian runcing.
•
Untuk menghindari terjadinya peluahan sebagian, maka isolator tidak boleh mengandung rongga udara.
•
Tidak ada resiko meledak dan pecah.
•
Dimensi sirip dan jarak rambat diatur sedemikian sehingga isolator mudah dibersihkan. Pembersihan dimaksud adalah pembersihan secara alami oleh hujan atau pembersihan rutin. Kedua pembersihan tersebut adalah dalam rangka membuang bahan polutan yang menempel pada permukaan isolator.
•
Jarak rambat isolator harus diperbesar, jika isolator dipasang pada kawasan yang dihuni banyak burung.
6
Universitas Sumatera Utara
•
Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.
2.1.4 Bahan Dielektrik Isolator Suatu isolator yang baik mempunyai bahan
yang tidak dapat
menghantarkan arus listrik. Walaupun ada yang sanggup menghantarkan arus listrik namun relatif kecil sehingga bisa diabaikan. Bahan-bahan isolasi yang dipakai untuk isolator jaringan kebanyakan terbuat dari bahan padat, seperti bahan porselin, gelas, mika, ebonit, keramik, parafin, kuarts, dan veld spaat. Persyaratan bahan isolator adalah [2] : a. Bahan isolasi yang ekonomis, tanpa mengurangi kemampuannya sebagai isolator. Sebab makin berat dan besar ukuran isolator tersebut akan mempengaruhi beban penyangga pada sebuah tiang listrik. b. Bahan yang terbuat dari bahan padat, seperti : porselin, gelas, mika, ebonit, keramik, parafin, kuarts, dan veld spaat. Ada dua jenis bahan isolator yang paling sering digunakan pada isolator yaitu berbahan porselin/keramik dan gelas/kaca seperti pada Gambar 2.3 [2]. 1. Porselen Bahan isolator porselin terdiri dari bahan campuran tanah porselin, kwarts, dan veld spat, yang bagian luarnya dilapisi dengan glazuur agar bahan isolator tidak berpori. Dengan lapisan glazuur permukaan isolator menjadi licin dan berkilat, sehingga tidak menghisap air. Kekuatan mekanik dari isolator porselin ini bergantung terhadap cara pembuatannya. Kemampuan mekanis suatu porselen standar dengan diameter 2-3 cmadalah 45.000 kg/cm2 untuk beban tekan; 700kg/cm2 untuk beban tekuk dan 300 kg/cm2 untuk beban tarik. Sehingga dapat disimpulkan bahwa porselen adalah bahan yang memiliki kemampuan mekanik yang sangat baik pada beban tekan. Kekuatan mekanik dari porselen akan berkurang jika dilakukan penambahan luas penampang porselen. Sedangkan kemampuan dielektrik porselin dengan tebal 1,5 mm memiliki kekuatan dielektrik sebesar 22-28 kVrms/mm. Jika tebal
7
Universitas Sumatera Utara
dielektrik bertambah maka kemampuan dielektrik bahan berkurang. Hal ini terjadi karena medan elektriknya tidak seragam. Bila tebal bertambah dari 10 mm menjadi 30 mm kekuatan dielektrik berkurang dari 80 kVrms/mm menjadi 55 kVrms/mm. Kekuatan dielektrik porselen pada tegangan impuls adalah 50- 70 % lebih tinggi daripada kekuatan dielektrik pada frekuensi daya. Keuntungan dari penggunaan isolator berbahan porselin ini adalah : a. Terbuat dari dari bahan campuran tanah porselin, kwarts, dan veld spaat, b. Bagian luarnya dilapisi dengan bahan glazuur agar bahan isolator tersebut tidak berpori-pori. Dengan lapisan glazuur ini permukaan isolator menjadi licin dan berkilat, sehingga tidak dapat mengisap air. c. Dapat dipakai dalam ruangan yang lembab maupun di udara terbuka. d. Memiliki sifat tidak menghantar (non conducting) listrik yang tinggi, dan memiliki kekuatan mekanis yang besar. e. Dapat menahan beban yang menekan serta tahan akan perubahanperubahan suhu. f. Memiliki kualitas yang lebih tinggi dan tegangan tembusnya (voltage gradient) lebih besar, sehingga banyak disukai pemakaiannya untuk jaringan distribusi primer.
Kadang-kadang kita jumpai isolator
porselin ini pada jaringan distribusi sekunder, tetapi ukurannya lebih kecil. Kelemahan dari penggunaan isolator berbahan porselin ini adalah : a. Tidak tahan akan kekuatan yang menumbuk atau memukul. b. Ukuran isolator porselin ini tidak dapat dibuat lebih besar, karena pada saat pembuatannya terjadi penyusutan bahan. Walaupun ada yang berukuran lebih besar namun tidak seluruhnya dari bahan porselin, akan tetapi dibuat rongga di dalamnya, yang kemudian akan di isi dengan bahan besi atau
baja tempaan sehingga kekuatan
8
Universitas Sumatera Utara
isolator porselin bertambah. Cara yang demikian ini akan menghemat bahan yang digunakan. c. Harganya lebih mahal tetapi lebih memenuhi persyaratan yang diinginkan. 2. Gelas Bahan penyusun dari isolator gelas terdiri dari bahan campuran antara pasir silikat, dolomit, dan phospat. Isolator gelas memiliki sifat mengkondensir (mengembun) kelembapan udara, sehingga debu lebih mudah melekat dipermukaan isolator. Kekuatan mekanik dan dielektrik dari isolator gelas bergantung pada kandungan alkali pada isolator tersebut. Kekuatan dielektrik gelas alkali tinggi adalah 17,9 kVrms/mm sedangkan kemampuan dielektrik gelas alkali rendah adalah 48kVrms/mm. Keuntungan dari penggunaan isolator gelas ini adalah : a. Terbuat dari bahan campuran antara pasir silikat, dolomit, dan phospat. Komposisi bahan tersebut dan cara pengolahannya dapat menentukan sifat dari isolator gelas ini. b. Lebih banyak dijumpai pemakaiannya pada jaringan distribusi sekunder. c. Isolator gelas ini harganya lebih murah bila dibandingkan dengan isolator porselin. Kelemahan dari penggunaan isolator gelas ini adalah : a. Memiliki sifat mengkondensir (mengembun) kelembaban udara, sehingga lebih mudah debu melekat dipermukaan isolator tersebut. b. Makin tinggi tegangan sistem makin mudah pula terjadi peristiwa kebocoran arus listrik (leakage current) lewat isolator tersebut,yang berarti mengurangi fungsi isolasinya. c. Memiliki kualitas tegangan tembus yang rendah, dan kekuatannya berubah dengan cepat sesuai dengan perubahan temperatur.
9
Universitas Sumatera Utara
d. Saat terjadi kenaikan dan penurunan suhu secara tiba-tiba, maka isolator gelas ini akan mudah retak pada permukaannya. Berarti isolator gelas ini bersifat mudah dipengaruhi oleh perubahan suhu disekelilingnya. Tetapi bila isolator gelas ini mengandung campuran dari bahan lain, maka suhunya akan turun.
Gambar 2.3 Isolator (a) Porselen (b) Kaca
Suatu isolator yang baik mempunyai bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Walaupun ada yang sanggup menghantarkan arus listrik namun relatif kecil sehingga bisa diabaikan. Bahan-bahan isolasi yang dipakai untuk isolator jaringan kebanyakan terbuat dari bahan padat, seperti bahan porselin, gelas, mika, ebonit, keramik, parafin, kuarts, dan veld spaat. Persyaratan bahan isolator adalah [2] : a. Bahan isolasi yang ekonomis, tanpa mengurangi kemampuannya sebagai isolator. Sebab makin berat dan besar ukuran isolator tersebut akan mempengaruhi beban penyangga pada sebuah tiang listrik. b. Bahan yang terbuat dari bahan padat, seperti : porselin, gelas, mika, ebonit, keramik, parafin, kuarts, dan veld spaat. 2.1.5 Isolator Terpolusi Isolator baik yang terpasang di ruang terbuka maupun tertutup, akan dilapisi oleh polutan yang terkandung di udara. Polutan ini dapat mempengaruhi konduktivitas permukaan dari isolator tersebut sehingga dapat 10
Universitas Sumatera Utara
menyebabkan kegagalan isolasi. Beberapa jenis polutan yang sangat berpengaruh terhadap tahanan permukaan isolator adalah [1] : 1. Limbah pabrik dalam bentuk gas seperti karbon dioksida, klorin dan sulfur oksida dari pabrik kimia dan sebagainya. 2. Kotoran burung. 3. Pasir di daerah gurun. Kondisi cuaca akan mempengaruhi polusi pada permukaan isolator ini. Angin dapat membawa garam dan pasir sampai ke permukaan isolator. Hujan deras dapat membersihkan polutan terutama di bagian atas permukaan isolator sedangkan gerimis, kelembaban yang tinggi, dan kabut akan membuat lapisan polutan menjadi basah. IEC menggolongkan bobot polusi isolator menjadi 3 tingkatan seperti Tabel 2.1. Metode yang digunakan adalah metode ESDD (equivalent salt deposit density). Metode ESDD dilakukan dengan mengukur konduktivitas polutan kemudian
disetarakan
dengan
bobot
garam
dalam
larutan
air
yang
konduktivitasnya sama dengan konduktivitas polutan tersebut. Tabel 2.1 Penggolongan Bobot Polusi Berdasarkan IEC 60050-815: 2000 Edisi 01 [1] Tingkat Pengotoran
ESDD
Ringan
0.03-0.06
Sedang
0.06-0.1
Berat
>0.1
Selain standar diatas, IEC 815 juga menentukan bobot polusi dengan metode ESDD dan tinjauan lapangan. Penentuan Tabel 2.2 Tingkat Polusi Dilihat dari Lingkungannya Berdasarkan IEC 815.
11
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Tingkat Polusi [1] Tingkat
Contoh Lingkungan
ESDD (mg/cm2)
Polusi Ringan
-
Wilayah dengan sedikit industri dan rumah
0.03-0.06
penduduk dengan sarana pembakaran rendah. -
Wilayah pertanian (penggunaan pupuk dapat meningkatkan bobot polusi) dan pegunungan.
-
Wilayah dengan jarak 10km atau lebih dari laut dan tidak ada angin laut yang berhembus.
Cat : Semua kawasan terletak paling sedikit 10 – 20 km dari laut dan bukan kawasan terbuka bagi hembusan angin langsung dari laut. Sedang
-
Wilayah
dengan
industri
yang
tidak
0.06-0.1
menghasilkan polusi gas. -
Wilayah dengan kepadatan tinggi dan/atau kawasan industri kepadatan tinggi yang sering hujan dan/atau berangin.
-
Wilayah yang tidak terlalu dekat dengan pantai kira kira beberapa kilometer.
Berat
-
Sangat dekat pantai
>0.1
-
Sangat dekat dengan kawasan Industri
-
Wilayah padang pasir dengan tidak adanya hujan untuk jangka waktu yang lama.
12
Universitas Sumatera Utara
2.1.6 Parameter Isolator Isolator piring memiliki parameter sebagai berikut [9]: a. Kekuatan Tarik Isolator piring digantungkan pada lengan menara transmisi ataupun pada tiang distribusi. Oleh karena itu isolator piring menerima gaya tarik yang diakibatkan oleh berat konduktor. Isolator piring harus mampu menahan gaya tarik Kemampuan
menahan
gaya
tarik
suatu
tersebut.
isolator
disebut
kekuatan mekanik. Kekuatan mekanik dari isolator piring dirancang mulai dari 70 kN sampai lebih dari 500 kN. b. Jarak Rambat Spesifik atau Gradien Permukaan Jarak rambat spesifik adalah pedoman untuk menentukan jarak rambat isolator yang akan digunakan tergantung dari tingkat bobot polusi daerah di mana isolator akan dipasang. Jarak rambat spesifik merupakan perbandingan dari jarak rambat dalam satuan mm dengan tegangan line to line sistem dalam satuan kV. Gradien permukaan yang direkomendasikan oleh IEC 815 pada setiap tingkat bobot polusi dapat dilihat pada Tabel 2.3. Tabel 2.3 Gradien Permukaan pada Setiap Tingkat Polusi [6] Tingkat Polusi Ringan
Sedang
Berat
Sangat berat
20
25
<31
Gradien Permukaan
16
(mm/kV)
13
Universitas Sumatera Utara
c. Jarak Rambat Jarak rambat adalah jarak terpendek antara konduktor pada kap dan pin melalui permukaan isolator. Pada Gambar 2.4 terlihat bahwa jarak rambat Ls merupakan panjang dari titik A ke titik B. Jarak rambat pada isolator piring berkisaran antara 295 sampai 600 mm. Jarak rambat isolator yang akan digunakan tergantung pada jarak rambat spesifik dan tegangan nominal sistem dimana isolator akan dipasang.
Perekat
Gambar 2.4 Jarak Rambat Ls pada Isolator Piring [1] 2.1.7 Pembentukan Polutan pada Isolator Pembentukan polutan yang bersifat konduktif ataupun yang bersifat lembam sebagian besar dibawah oleh angin ke permukaan isolator. Arah dan kecepatan angin sangat mempengaruhi pola pembentukan endapan isolator yang bentuknya tak beraturan. Selain itu terdapat beberapa gaya yang mempengaruhi pengotoran pada permukaan isolator adalah : 1. Gaya gravitasi bumi Gaya ini sangat dominan dengan terbentuknya lapisan pengotoran pada bagian atas isolator. Persamaan gaya ditunjukkan pada Persamaan 2.1 berikut: F= m.g
(2.1) 14
Universitas Sumatera Utara
Dimana : m = massa partikel (Kg) g = Percepatan Grafitasi Bumi (m/s2) 2. Gaya angin Gaya yang terjadi akibat tiupan angin dapat membawa partikel-partikel di udara bebas kearah isolator. Persamaan gaya angin ditunjukkan pada Persamaan 2.2 berikut: F=3πηd.v
(2.2)
dengan : η = koefisien gesek antara partikel dengan udara d = diameter partikel (m) v = kecepatan angina (m/s) 3. Gaya elektrostatis Gaya elektrostatis terjadi akibat adanya medan listrik pada permukaan isolator. Gaya elektrostatis ditunjukkan oleh Persamaan 2.3 berikut: F=E.Q
(2.3)
Dimana : E = kuat medan listrik (N/C) Q = muatan partikel (Coulumb) 2.2 Tegangan Lewat Denyar (Flashover) 2.2.1 Umum Kegagalan listrik pada isolator dapat disebabkan oleh adanya ronggarongga kecil pada dielektrik padat (porselen) atau disebabkan terjadinya flashover di sepanjang permukaan isolator. Flashover adalah gangguan yang terjadi berupa
15
Universitas Sumatera Utara
loncatan api yang terjadi antar isolator atau komponen listrik tegangan tinggi. Rongga-rongga kecil pada isolator ditimbulkan karena isolator dibuat kurang sempurna pada saat pembuatan, dengan demikian karakteristik listrik dari isolator tersebut kurang baik. Rongga kecil pada isolator lama-kelamaan akan menyebabkan
kerusakan
mekanik
pada
isolator.
Terjadinya
flashover
menyebabkan kerusakan pada isolator oleh karena panas yang dihasilkan busur di sepanjang permukaan isolator. Oleh sebab itu isolator harus dibuat sedemikian rupa sehingga tegangan pada rongga kecil lebih tinggi dari pada tegangan yang menyebabkan flashover. Peristiwa flashover berawal
dari
terbentuknya
pita
kering
(dry
band). Terbentuknya lapisan konduktif di permukaan isolator diakibatkan oleh adanya polutan yang menempel. Lapisan yang terbentuk di permukaan isolator ini
menyebabkan
mengalirnya
arus
bocor
(leakage current). Dengan
mengalirnya arus bocor, terjadi pemanasan di lapisan tersebut. Lapisan ini dapat membentuk pita kering (dry band) akibat dialiri arus bocor secara terus menerus. Pada tegangan tertentu, kondisi ini dapat menyebabkan pelepasan muatan melintasi pita kering. Pelepasan muatan dapat memanjang sehingga terbentuk
busur
listrik
(arc)
dan terjadi flashover yang melalui
seluruh
permukaan isolator. 2.2.2 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Flashover Karena peristiwa flashover disebabkan karena tembusnya udara disekitar permukaan isolator, jadi faktor-faktor yang mempengaruhi flashover adalah kondisi udara di sekitar permukaan isolator tersebut, yaitu [8]: a. Temperatur udara. Temperatur udara yang tinggi akan meningkatkan jumlah proses ionisasi termis dan emisi termis. b. Tekanan udara. Bila tekanan udara besar, jumlah molekul di dalam udara semakin banyak yang berarti proses ionisasi dapat terjadi lebih banyak. Tetapi bila tekanan terlalu tinggi, gerakan muatan dari proses ionisasi akan terhambat sehingga proses ionisasi berikutnya akan berkurang. Bila tekanan udara terlalu rendah, jumlah molekul yang sedikit akan
16
Universitas Sumatera Utara
menyebabkan proses ionisasi sangat sedikit. Persamaan faktor koreksi (δ) pada suhu (t °C) dan tekanan (p mmHg) dapat dilihat pada Persamaan 2.4 berikut:
𝛿𝛿 =
Di mana:
0.386 𝑝𝑝
(2.4)
273+𝑇𝑇
δ = faktor koreksi suhu p = tekanan udara (mmHg) t = suhu udara (°C)
Sedangkan persamaan tegangan flashover pada suhu 20 °C dan tekanan 760 mmHg dapat dilihat pada Persamaan 2.5 berikut:
𝑣𝑣′ =
𝑣𝑣
(2.5)
𝛿𝛿
Di mana: v’ = tegangan flashover pada suhu 20 °C dan tekanan 760 mmHg (kV) v = tegangan flashover pada suhu t °C dan tekanan p mmHg (kV) δ = faktor koreksi c. Kelembaban udara. Bila kelembaban tinggi, kandungan air dalam udara meningkat sehingga mudah terjadi ionisasi karena air memiliki energi ikat yang lebih rendah dari kandungan lain dalam udara. Bila kandungan air semakin banyak maka udara akan lebih mudah terionisasi dan menyebabkan
kekuatan
dielektrik
udara
turun.
Semakin
banyak
kandungan air dalam udara menyebabkan udara semakin mudah terionisasi. Hal ini menyebabkan turunnya tegangan yang diperlukan untuk membuat udara tersebut tembus listrik. d. Polutan. Polutan yang menempel pada permukaan isolator akan meningkatkan konduktifitas di permukaan isolator, sehingga berpengaruh kepada tegangan flashover.
17
Universitas Sumatera Utara
e. Bahan isolator. Bahan isolator seperti kaca atau porselin memiliki kekuatan elektris yang berbeda. Kekuatan elektris bahan kaca bisa mencapai 2 kali kekuatan elektris porselin. 2.2.3 Mekanisme Flashover pada Isolator Terpolusi Permukaan isolator hantaran udara yang terpasang akan dilapisi oleh polutan. Ketika polutan dalam keadaan kering, polutan masih bersifat tidak konduktif. Tetapi bila polutan basah dikarenakan gerimis atau kabut, lapisan polutan akan larut dan membentuk larutan elektrolit
yang konduktif.
Akibatnya tahanan permukaan akan turun dan arus bocor naik dalam orde beberapa miliampere. Arus bocor ini akan memanaskan larutan elektrolit pada permukaan isolator sehingga terbentuk lapisan kering. Pada lapisan kering ini, medan listrik cukup besar sehingga udara di sekitarnya dapat mengalami ionisasi. Kemudian udara akan tembus dan arus mengalir melalui busur api pada lapisan kering akan mengeringkan larutan elektrolit selanjutnya dan memperpanjang lapisan
kering. Proses
ionisasi
akan
terjadi lagi
dan
menyebabkan perpanjangan busur api dan proses di atas terjadi terus sampai lapisan kering menjembatani anoda dan katoda dari isolator dan peristiwa flashover terjadi. Rangkaian ekivalen dari lapisan kering dan elektrolit pada permukaan isolator dapat dilihat pada Gambar 2.5 berikut:
Gambar 2.5 Rangkaian ekivalen dari lapisan kering dan elektrolit pada permukaan isolator [8]
18
Universitas Sumatera Utara
