BAB III TEGANGAN GAGAL DAN PENGARUH KELEMBABAN UDARA 3.1. Pendahuluan Setiap bahan isolasi mempunyai kemampuan menahan tegangan yang terbatas. Keterbatasan kemampuan tegangan ini karena bahan isolasi bukanlah dielektrik sempurna. Molekul-molekul pada bahan tersebut tidak terikat erat, tetapi masih terdapat elektron-elektron yang dapat bergerak bebas atau terlepas dari ikatan yang harus ditahan. Tegangan yang besar akan menghasilkan gaya medan listrik yang memudahkan terjadinya lompatan partikel muatan, sehingga gerakan elektron bebas menjadi lebih aktif. Gerakan elektron-elektron ini menimbulkan arus yang disebut arus bocor (leakage current), yaitu arus yang mengalir melalui media dielektrik. Arus bocor ini terjadi jika tegangan yang harus ditahan oleh isolator gantung 150 kV melebihi kemampuannya menahan tegangan. Dalam gradient tegangan yang tinggi, hal ini dapat mengakibatkan lompatan busur api listrik (flashover). Kegagalan tegangan yang berupa flashover dapat terjadi pada gas atau permukaan isolator padat. Flashover pada gas terjadi jika tegangan yang harus ditahan oleh gas melebihi kemampuan gas, sedangkan flashover pada permukaan isolator gantung 150 kV terjadi jika tegangan yang harus ditahan oleh permukaan isolator gantung 150 kV melebihi kemampuan permukaan menahan tegangan. Kemampuan permukaan isolator gantung 150 kV menahan tegangan ditentukan
20
oleh resistansi permukaan bahan isolator gantung tersebut. Besarnya resistansi permukaan bahan, selain tergantung jenis bahan, dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti adanya kontaminasi pada permukaan bahan, kelembaban udara, tekanan dan suhu.
3.2 Definisi Tegangan Gagal Definisi tegangan gagal dibagi dalam beberapa bagian, yaitu : 3.2.1. Tegangan Gagal Dalam Medan Seragam Dalam mekanisme kegagalan tegangan terdapat suatu keadaan penting, yaitu kenaikan arus yang menimbulkan percikan. Kenaikan tersebut mungkin mengikuti Townsend atau steamer. Pada mekanisme Townsend, hamburan baru dihasilkan oleh proses sekunder, seperti pelepasan foton (ion positif). Jika hamburan terus terjadi, ionisasi akan terus meningkat, sehingga terjadilah kegagalan tegangan. Pada mekanisme steamer muatan ruang ini akan menaikkan intensitas medan listrik (karena melipat gandakan muatan), sehingga terbentuk suatu kanal penghantar. Kegagalan tegangan pada medan seragam dengan tekanan udara normal mengikuti mekanisme Townsend (sampai 8000 mm Hg – cm), sedangkan pada tekanan yang lebih tinggi akan mengikuti mekanisme steamer. Disamping itu, pada tekanan udara yang lebih tinggi kegagalan terjadi lebih cepat. Besarnya tegangan gagal pada medan seragam juga dipengaruhi oleh kondisi udara. Tegangan gagal akan berkurang dengan penurunan tekanan dan kenaikan
21
suhu secara sistematis. Suhu dan tekanan mempengaruhi tegangan gagal sebagai kepadatan udara relatif (relative air density), yaitu :
dimana d : kepadatan udara relatif b : tekanan udara (milibar) t : suhu udara (ºC) pengaruh kapadatan udara relatif terhadap tegangan gagal ditunjukkan oleh persamaan 3.2.
(3.2)
dimana VS : tegangan gagal keadaan standar (volt) VB : tegangan gagal pada percobaan (volt)
Disamping itu, kelembaban udara juga akan mempengaruhi tegangan gagal, pengaruh kelembaban udara ini dirumuskan dengan persamaan 3.3
(3.3)
dimana Kh : faktor koreksi kelembaban udara yang dapat dicari pada gambar 3.1 22
Gambar 3.1 Faktor koreksi kelembaban udara
23
Kenaikan kelembaban udara pada umumnya akan menaikkan tegangan gagal. Kenaikkan tegangan gagal ini disebabkan oleh adanya uap air dalam udara yang merupakan gas elektronegatif mengakibatkan jumlah ionisasi partikel berkurang, sehingga tegangan gagal naik. Pengaruh suhu, tekanan, dan kelembaban udara secara umum dirumuskan dengan persamaan 3.4.
(3.4)
Pengaruh ketiga faktor tersebut pada umumnya terjadi secara serentak, sehingga sukar dipisahkan.
3.2.2 Tegangan Gagal Pada Medan Tak Seragam Kegagalan tegangan pada medan tak seragam berbeda dengan medan seragam dalam beberapa hal. Pada medan tak seragam terjadi pengikatan elektron pada daerah yang intensitas medannya lemah, sedangkan didaerah yang intensitas medannya kuat terjadi penguraian. Disamping itu pembentukan muatan ruang akan memperlambat lucutan muatan listrik pada medan seragam, sedangkan pada medan tak seragam hal ini justru mempercepat proses terjadinya kegagalan. Perbedaan lain adalah bahwa pada medan tak seragam, kegagalan selalu diawali oleh lucutan pendahuluan (preliminary dishange) pada tempat-tempat yang mempunyai intensitas medan paling kuat.
24
3.3.Definisi Tegangan Impuls. Tegangan impuls terjadi karena dipengaruhi oleh jarak antar fasa dengan ground yang di pisahkan oleh isolator gantung 150 kV, dimana jarak tersebut yang diakibatkan oleh adanya sambaran petir terhadap isolator gantung 150 kV dan juga jarak yang diakibatkan perbedaan suhu yang menyebabkan jarak antar fasa dan ground tersebut terjadi hubung singkat dan mengakibatkan isolator gantung 159 kV rusak atau hancur. Jarak yang dianjurkan oleh PLN adalah 2,5 meter untuk tegangan 150 kV.sedangkan untuk tegangan 20 kV adalah 6 cm.
3.4.Kegagalan Tegangan Pada Permukaan Isolator Gantung 150 kV Kegagalan tegangan pada isolator gantung 150 kV SUTT (saluran udara tegangan tinggi). Dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu kegagalan tegangan tembus (puncture) dan tegangan permukaan yang berupa lompatan busur api (flashover). Besarnya tegangan flashover selalu lebih rendah daripada tegangan gagal tembus. Tegangan gagal permukaan ditentukan oleh resistensi permukaan bahan, keadaan permukaan isolator gantung 150 kV. Isolator gantung 150 kV yang mengalami tegangan tembus dapat mengalami kerusakan total (hancur). Isolator yang tidak hancur oleh tegangan tembus harus diuji kembali. Jika sifat elektrisnya sudah berubah, maka isolator gantung itu harus diganti dengan yang baru. Isolator yang mengalami flashover juga dapat rusak oleh panas busur api yang terjadi pada permukaannya. Jika sesudah flashover tegangan kembali normal, berarti isolator gantung itu tidak rusak.
25
Sifat isolator gantung 150 kV SUTT ditunjukkan oleh sifat tegangan lompatannya. Besarnya tegangan yang mampu ditahan oleh isolator gantung 150 kV SUTT tanpa terjadi flashover didasarkan tiga macam sifat, yaitu : a. sifat tegangan flashover pada frekwensi normal. b. sifat tegangan flashover pada frekwensi normal dan dalam kondisi basah. c. sifat tegangan flashover impuls. Besarnya tegangan flashover pada frekwensi normal merupakan batas tegangan lebih internal yang mampu ditahan oleh isolator, sedangkan sifat tegangan flashover impuls menyatakan kemampuan isolator menahan tegangan lebih akibat surya. Sifat flashover pada frekwensi normal dan dalam keadaan kering merupakan karakteristik utama isolator gantung 150 kV yang digunakan didalam ruangan. Sifat ini berlaku untuk isolator gantung dalam keadaan kering dan bersih. Besarnya tegangan flashover ini berbanding terbalik dengan kepadatan udara relatif hal ini dapat dilihat pada persamaan 3.2 Jika isolator gantung harus menangani sifat tegangan flashover yang lebih tinggi, maka isolator gantung tersebut dapat dihubung seri, sehingga sifat tegangan flashover meningkat berlipat kali tergantung dari jumlah isolator gantung yang dipakai.
3.4.1 Flashover Pada Permukaan Isolator Pada Keadaan Normal Besarnya tegangan flashover pada permukaan isolator gantung SUTT lebih rendah daripada tegangan flashover sela udara, yaitu hanya setengahnya atau kurang. Hal ini disebabkan oleh sifat bahan isolasi yang relative lebih kondusif
26
daripada udara. Adanya sela udara sekunder diantara elektroda dengan isolator gantung juga akan mempengaruhi besarnya tegangan flashover. Jika permitivitas udara lebih rendah daripada permitivitas penyekat, intensitas medan listrik pada sela udara akan beberapa kali lipat melampaui pada bagian lain. Hasil ionisasi pada bagian ini akan bergerak menuju ke permukaan isolator gantung dan mengakibatkan terjadinya lucutan. Lucutan inilah yang memulai terjadinya flashover pada permukaan isolator gantung.
3.4.2. Flashover Pada Permukaan Isolator Pada Keadaan Kotor Dan Basah Isolator gantung 150 kV, pada umumnya digunakan ditempat terbuka, sehingga mudah dipengaruhi oleh berbagai perubahan keadaan sekitarnya. Perubahan kemampuan isolator menahan tegangan. Hal-hal yang mempengaruhi kemampuan isolator ini antara lain terbentuknya lapisan kontaminasi pada permukaan isolator, dan basahnya permukaan oleh air atau uap air. Debu yang menempel pada permukaan isolator dalam keadaan kering tidak akan mempengaruhi tegangan flashover. Akan tetapi jika isolator menjadi basah (misalnya oleh air hujan), maka pada permukaan isolator tersebut akan terbentuk lapisan konduktif. Konduktivitas permukaan isolator tersebut akan meningkat berpuluh kali lipat jika pada lapisan tersebut terdapat garam yang larut dalam air. Hujan yang mengenai isolator tidak pernah menghasilkan lapisan yang seragam diseluruh permukaan, sehingga resistansi lapisan juga tidak seragam. Disamping itu bentuk permukaan isolator juga mempengaruhi tebal tipisnya lapisan yang terbentuk.
27
Arus bocor yang terjadi ketika isolator dikenai tegangan akan mengenai bagian yang konduktif pada permukaan isolator. Arus ini mengakibatkan panas. Bagian permukaan dengan resistansi terbesar akan terjadi bagian yang paling panas. Ditempat ini terjadi pengeringan secara perlahan-lahan, sehingga resistansi naik. Dengan kenaikan resistansi ini, jatuh tegangan pada bagian yang kering tersebut juga bertambah. Akhirnya setelah seluruh air pada permukaan isolator menguap, maka bagian tersebut harus menahan tegangan penuh. Pada saat itu intensitas medan menjadi sangat besar, dan terjadilah lucutan muatan pada bagian tersebut. Pada saat ini bagian resistansi terbesar ini terhubung secara parallel dengan bagian yang lain (yang juga sudah kering), sehingga resistansi menjadi kecil. Arus bocor menjadi semakin besar dan mengalir keseluruh lapisan pada permukaan penyekat. Dalam keadaan hujan, lapisan air yang hilang (menguap) akan digantikan dengan lapisan yang baru. Hal ini mengakibatkan lompatan api terjadi beberapa kali, yaitu setiap puncak arus bocor terjadi. Dalam kondisi udara berkabut, proses basah kembalinya permukaan ini lebih lama, sehingga selang waktu lompatan juga lebih panjang. Tegangan flashover dalam keadaan basah ini harus diperhatikan dalam pemilihan jenis isolator gantung yang akan dipergunakan pada instalasi eksternal. Besarnya tegangan flashover basah ini dipengaruhi oleh intensitas air hujan, arah jatuhnya air, dan konduktivitas air hujan. Dibeberapa negara sudah ditentukan kondisi hujan standar. Di Jepang dan Uni Soviet misalnya, intensitas air hujan adalah 3
28
mm per menit, resistansi spesifik 10.000 ohm per cm (pada suhu 20 ºC), dan sudut kemiringan 45 º.
3.5. Tegangan Gagal Permukaan Isolator Dan Pengaruh Kelembaban Udara Pada kondisi normal ( kelembaban udara relative rendah), sebenarnya permukaan isolator tidak kering sama sekali. Sifat higroskopis bahan isolasi mengakibatkan permukaan selalu mengandung air yang membatasi resistansi permukaannya. Air mengandung ion-ion yang konduktif, sehingga ion-ion tersebut akan bergerak menuju elektroda karena pengaruh medan listrik. Gerakan ion-ion tersebut semula pelan, selanjutnya muatan-muatan yang menempel pada elektroda akan bergerak menuju ion-ion tersebut. Hal ini mengakibatkan terjadinya akumulasi muatan disekeliling elektroda yang menyebabkan melemahnya medan listrik didaerah tersebut. Distribusi intensitas medan pada permukaan terjadi tidak seragam, sehingga tegangan flashover menjadi lebih tinggi. Jika kecepatan gerak ion-ion lebih rendah, maka akumulasi muatan pada elekroda juga menjadi lebih sedikit. Permukaan isolator yang basah akan mempengaruhi besarnya tegangan lompatan. Bahan yang lebih higroskopis, dalam keadaan lembab mempunyai tegangan flashover yang lebih rendah. Uap air dalam udara menyebabkan listrik menjadi tidak seragam. Pada medan listrik tidak seragam ini, flashover terjadi setelah diawali oleh lucutan parsial pada bagian permukaan yang intensitas medan listriknya paling besar. Pada udara yang lembab, lucutan ini akan dihambat oleh molekul-molekul air. Mekanisme penghambatan lucutan oleh molekul-molekul air ini ada 2 macam. Mekanisme
29
pertama adalah pengurangan jumlah elektron bebas, karena sebagian ditahan dan dijadikan ion negatif yang stabil. Mekanisme yang kedua adalah penyerapan foton oleh uap air, sehingga lucutan lebih sulit terjadi.
30
