Pengujian Tegangan Impuls Pada Isolator Tonggak Pin ( PinPost) Untuk Saluran Udara Tegangan Menengah Melfa Silitonga, Abdul Syakur Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jln. Prof. Soedarto, SH, Tembalang, Semarang, Jawa Tengah
[email protected],
[email protected]
Abstrak - Pengujian tegangan tinggi berfungsi untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan dan bertujuan untuk mengurangi atau menghindarkan kerugian selama pemakaian. Salah satu peralatan tegangan tinggi tersebut adalah isolator pinpost. Sehingga dibutuhkan pengujian tegangan tinggi yang menentukan ketahanan tegangan tinggi impuls. Makalah ini mempresentasikan hasil pengujian tegangan tinggi impuls yang dilaksanakan di PT. PLN ( Persero ) Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan. Diperoleh hasil pengujian yaitu: menghitung hasil koreksi udara dan kode pengenalan, hasil bentuk gelombang dari tegangan impuls pada isolator pin-post yang menggunakan alat yaitu Osiloskop Le Croy dimana untuk menangkap bentuk gelombang impuls yang dihasilkan dari generator tegangan impuls, menghitung tegangan Flashover. Kata kunci : Pengujian tegangan tinggi impuls; isolator pin-post; PLN Puslitbang
I. PENDAHULUAN
PT. PLN (Persero) merupakan perusahan besar yang mengelola listrik negara, baik dari segi pembangkitan, transmisi, maupun pendistribusian tenaga listrik di Indonesia. Adapun kegiatan penelitian dan pengembangan di PT. PLN (Persero) diarahkan pada usaha untuk meningkatkan keandalan serta efisiensi sistem dan pembangkit tenaga listrik, kualitas suplai energi listrik, jaminan mutu, konservasi dan manajemen lingkungan, serta teknologi baru dalam bidang teknik energi listrik. Kegiatan penelitian serta pengembangan inilah yang menjadi tugas khusus bagi salah satu unit bisnis PT. PLN (Persero) yang dikenal sebagai PT. PLN (Persero) Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan. Dalam peranannya menjamin mutu peralatan-peralatan listrik, PT. PLN (Persero) Penelitian dan Pengembangan
Ketenagalistrikan telah melakukan pengujian-pengujian pada setiap item peralatan uji berdasarkan standar-standar terkini yang diakui tidak hanya di dalam negeri, namun juga di dunia internasional. Di antara serangkaian pengujian yang harus dilakukan untuk menguji mutu alat yang diuji adalah pengujian tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan tinggi impuls menggunakan sumber tegangan impuls bertegangan tinggi untuk menguji isolasi pada peralatan listrik, dimana pengujian ini ditujukan karena adanya kemungkinan resiko terkenanya surja petir maupun surja hubung pada peralatan tenaga listrik tersebut. Pengujian tersebut diterapkan pada peralatan-peralatan listrik yang berkenaan langsung dalam pendistribusian tenaga listrik dimana dapat dijumpai pada jaringan transmisi, jaringan distribusi hantaran udara, gardu induk, panel pembagi daya, terminal ujung kabel dan peralatan tegangan tinggi. Pada jaringan hantaran udara digunakan sebagai penggantung dan penopang konduktor. Digardu induk digunakan sebagai pendukung peralatan tegangan tinggi. Salah satu peralatan yang berperan, dalam sistem tegangan menengah tersebut adalah isolator pinpost, dimana isolator pinpost ini berkerja sesuai dengan peranannya. Dalam makalah ini dibahas mengenai pengujian tegangan tinggi impuls yang diterapkan pada isolator pinpost pada tegangan menengah yang dilakukan di Laboratorium Tegangan Tinggi 1 PT. PLN (Persero) Pusat Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan.
II. PENGUJIAN TEGANGAN TINGGI IMPULS PADA ISOLATOR PINPOST A. Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls Dalam sistem tenaga listrik, terdapat tiga bentuk tegangan impuls yang mungkin terjadi, yaitu tegangan impuls petir,
tegangan impuls surja hubung, dan tegangan impuls terpotong. Berikut bentuk-bentuk tegangan impuls:
V
V
Perbedaan antara keduanya hanya terletak pada hasil tegangan keluarannya, dimana generator impuls RC ini menghasilkan tegangan yang lebih tinggi, sehingga dewasa ini generator RC banyak digunakan pada pengujian-pengujian tegangan impuls. Rs1=nrs
V
Rs2 g
t (a)
t (b)
(c)
Cs=C’s/n
Gambar 1. Jenis-jenis tegangan impuls : (a) Impuls kilat; (b) Impuls surja hubung; (c) Impuls terpotong Persamaan bentuk umum tegangan impuls yang digunakan di laboratorium, yaitu tegangan yang naik dalam waktu yang sangat singkat, disusul dengan penurunan yang lambat menuju nol: V = V0 (e–at – e–bt) V 1,0 0,9
(1)
Q
Ro=nro
Co
Gambar 4. Rangkaian generator impuls RC 3) Generator Marx : Generator impuls dengan rangkaian Marx merupakan generator impuls RC yang disusun bertingkat untuk memperoleh tegangan keluaran yang lebih tinggi. Dimisalkan terdapat generator impuls Marx tiga tingkat. Generator tersebut memiliki tiga kondensator pemuat, sehingga dinamai generator Marx tiga tingkat. Generator ini juga memiliki tiga sela picu yang dapat dipicu dalam waktu yang bersamaan.
Vmaks 0,5 0,3
0
P
O’
t Tf
A
B
Vo
Tt
Gambar 2. Bentuk gelombang impuls petir Alat pembangkit tegangan tinggi impuls di antaranya adalah Generator impuls RLC, Generator impuls RC, dan Generator Marx. 1) Generator RLC :Adapun prinsip kerja generator impuls RLC adalah kapasitor C diberikan muatan dari sebuah sumber DC melalui tahanan pemuat r. Percikan api (spark over) antara sela picu G terjadi pada waktu tegangan pemuat V mencapai suatu harga tertentu, kemudian muatan pada C dilepaskan (discharge) melalui tahanan seri Rs, induktansi L, dan tahanan Ro. Dengan demikian tegangan impuls terjadi antara terminal tahanan Ro.
Gambar 5. Rangkaian generator Marx B. Pengukuran Tegangan Tinggi Impuls Terdapat 6 jenis alat ukur dalam pengukuran tegangan tinggi, yaitu sebagai berikut :
Tabel 1. Jenis alat ukur tegangan tinggi No. 1 2
Gambar 3. Rangkaian generator impuls RLC 2) Generator RC : Pada dasarnya prinsip kerja generator impuls RC hampir sama dengan generator rangkaian RLC.
Nama Alat Ukur Trafo Ukur Pembagi Kapasitor
3
Pembagi Tahanan
4 5 6
Voltmeter Elektrostatik Voltmeter Puncak Chubb & Fortesque
Jenis Tegangan yang Diukur Tegangan tinggi AC Tegangan tinggi AC dan impuls Tegangan tinggi AC, DC, dan impuls Tegangan tinggi AC dan DC Tegangan tinggi AC dan impuls Tegangan tinggi AC
C. Pengujian Tegangan Tinggi Impuls Pengujian ketahanan tegangan impuls merupakan pengujian yang dilakukan untuk tujuan mengetahui ketahanan isolasi suatu peralatan tenaga terhadap tegangan impuls. Hal ini dikarenakan bahwa peralatan-peralatan tenaga dalam penggunaannya di lapangan dapat dimungkinkan mengalami tegangan lebih impuls akibat surja hubung maupun surja petir. Hal inilah mengapa diperlukan suatu pengujian isolasi pada kumparan-kumparan peralatan maupun pada bagian-bagian badan peralatan tersebut. Bentuk gelombang tegangan pengujian impuls yang dikenakan pada suatu peralatan uji telah ditentukan dalam standar-standar yang ada sesuai dengan jenis peralatan tenaga tersebut masing-masing maupun sesuai dengan spesifikasi pabrik, dimisalkan besarnya adalah Vs.
D. Faktor Koreksi Udara Dalam praktek pengujian tegangan tinggi di lapangan, keadaan udara pada saat pengujian tidak selalu sama dengan keadaan standar. Oleh karena itu, hasil pengukuran pada keadaan udara sembarang adalah sebagai berikut :
(2) dimana : = Tegangan sela bola pada saat pengujian (keadaan udara sembarang) = Tegangan tembus sela bola standar δ = Faktor koreksi udara Faktor koreksi udara bergantung pada suhu dan tekanan udara yang besarnya adalah sebagai berikut :
(3) Atau dengan perumusan sebagai berikut:
(4) dimana : θ = temperatur udara (°C) p = tekanan udara (mmHg) b = tekanan udara (mbar) Td = suhu udara (°C) Pada dasarnya kelembaban udara juga turut mempengaruhi tegangan tembus sela bola. Jika hal ini diperhitungkan, maka tegangan tembus elektroda bola menjadi :
(5) dimana kh merupakan faktor koreksi yang bergantung pada kelembaban udara.
E. Isolator Pin-post Isolator tenaga listrik dan peralatan listrik dijumpai dikonduktor yang berbeda potensialnya. Dalam pengisolasian instalasi dan peralatan tersebut, hal pertama yang dilakukan adalah memisahkan masing – masing konduktor dengan jarak tertentu sehingga udara yang mengantarai suatu konduktor yang lain berperan sebagai medium isolasi utama. Kemudian, konduktor- konduktor diikat pada penyangga dengan bantuan isolator. Isolator tegangan tinggi dijumpai pada jaringan transmisi, jaringan distribusi hantaran udara, gardu induk, panel pembagi daya, terminal ujung kabel dan peralatan tegangan tinggi. Pada jaringan hantaran udara digunakan sebagai penggantung dan penopang konduktor. Di gardu induk digunakan sebagai pendukung peralatan konduktor penghubung dan penggantung rel daya. Pada panel distribusi digunakan untuk menopang rel daya. Pada peraltan tegangan tinggi digunakan sebagai mantel peralatan uji (trafo uji, pembagi tegangan, kapasitor, resistor) dan bushing. Bushing adalah isolator yang digunakan untuk mengisolir badan suatu peralatan dengan konduktor terminal tegangan tinggi yang menerobos badan peralatan tersebut. Ditinjau dari segi kelistrikan, isolator udara membentuk suatu sistim isolasi yang berfungsi untuk mengisolir suatu konduktor bertegangan dengan kerangka penyangga yng dibumikan sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir dari konduktor tersebut ketanah. Adapun dua kejadian yang dapat menyebabkan sistem isolasi ini gagal melaksanakan fungsinya yaitu terjadi tembus listrik pada udara disekitar permukaan isolator yang disebut lewat denyar (flashover) dan tembus listrik pada isolator yang menyebabkan isolator pecah. Kegagalan suatu isolator dapat terjadi karena bahan dielektrik isolator tembus listrik (breakdown) atau muka isolator. a) Karakteristik listrik Setiap isolator dicirikan oleh tegangan ketahanan impuls petir pengenal dan tegangan ketahanan frekuensi kerja basah pengenal sesuai SPLN 7A dan 7B. b) Karakteristik mekanik Setiap isolator dicirikan oleh beban gagal tekuk minimum tertentu. Beban gagal tekuk minimum adalah 12,5 kN;khusus untuk isolator dengan tingkat tegangan ketahanan impuls sampai dengan 170 kV, beban gagal tekuk minimum diperbolehkan 8kN untuk listrik perdesaan atau penghantar saluran udara AAAC dengan penampang maksimum 70mm2. c) Karakteristik dimensi Karakteristik dimensi ditetapkan sebagai berikut:
Jarak rambat nominal minimum Tinggi total nominal Parameter bagian isolasi nominal maksimum Dimensi bagian isolasi nominal maksimum Diameter bagian kepala Diameter bagian leher Diameter bagian fiting logam bawah minimum Radius alur kawat atas Radius alur kawat samping Jarak antara bagin bawah alur kawat atas dan garis tengah alur kawat samping Diameter baut
d) Pengujian Pengujian isolator ini berbeda dengan pengujian yang lain,pengujian yang perlu dilakukan adalah: a). Uji jenis : Pengukuran dimensi Uji tegangan ketahanan impuls petir kering Uji tegangan ketahanan frekuensi kerja basah Uji beban gagal mekanik Uji tegangan ketahanan frekuensi kerja keadaan terpolusi b). Uji contoh : Pengukuran dimensi Uji daur suhu Uji beban gagal mekanik Uji keporian Uji galvanis c). Uji rutin : Pemeriksaan visual rutin Uji mekanik rutin III. PROSEDUR PENGUJIAN TEGANGAN TINGGI IMPULS PADA ISOLATOR PIN-POST
Gambar 6. Isolator Pin-Post B. Peralatan Pengujian Impuls Pada Isolator PinPost Berikut ini peralatan-peralatan yang digunakan dalam rangkaian pengujian impuls isolator pinpost: Generator Tegangan Impuls 750 kV Pembagi Tegangan Kapasitif (Capacitor Divider) Oscilloscope Le Croy Meja Controller Generator Impuls MikroAmperemeter DC Slide Regulator Tegangan Beban Uji Sampel Isolator Pin-Post Temperature Humidity Meter Barometer Kabel Penghubung Berikut ini gambar beberapa peralatan penting untuk pengujian di atas:
A. Benda Uji Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kelayakan suatu barang untuk dapat dipasarkan atau tidak. Barang yang akan diuji adalah isolator pin-post P 12,5 ET 150 L. Pada pengujian impuls ini digunakan benda uji pada isolator pin post memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Jenis Bahan Warna glasir Jarak lengkung Jarak rambat Diameter badan isolasi Diameter fiting logam bawah Tegangan Ketahanan Impuls Petir Beban gagal tekuk minimum
: Pin-Post : Keramik : Coklat tua : 263 mm : 596 mm : 175 mm : 70,5 mm : 150 kV : 12,5 kN
Gambar 7. Generator impuls 750 kV
Gambar 8. Capasitor Devider
Gambar 9. Oscilloscope Le Croy
C. Prosedur Pengujian Impuls pada Isolator Pin-post Blok diagram proses pengujian tegangan tinggi impuls pada pengujian peralatan tegangan menengah khususnya isolator pin-post ditunjukkan pada gambar 10 berikut ini:
Gambar 11 Rangkaian listrik pengujian tegangan tinggi impuls isolator Berikut ini merupakan prosedur pengujian tegangan tinggi impuls pada benda uji isolator tegangan menengah: 1. 2.
3. 4. 5.
6. Gambar 10. Diagram blok proses pengujian tegangan tinggi impuls isolator
7. 8.
Merangkai seperti rangkaian percobaan. Rangkaian benda uji, capacitor divider, dan generator impuls ditempatkan sedemikian rupa, sehingga jarak antara masing-masing benda tersebut tidak saling berdekatan. Membersihkan benda uji dan memasang sesuai dengan keadaan yang sebenarnya di lapangan. Mencatat data teknis benda uji pada blanko yang sesuai. Mencatat kondisi udara ruang : suhu kering (td), suhu basah (tw), dan tekanan udara (b), dan jarak busur minimum dari isolator (L). Menghitung faktor koreksi udara untuk memperoleh besarnya tegangan uji pada kondisi ruang. Menghidupkan oscilloscope sesuai manual alat. Melakukan pengisian kapasitor generator impuls hingga tegangan masukan generator impuls per tingkat mencapai nilai setelan. Apabila sebelum nilai setelan tercapai terjadi pelepasan muatan pada generator impuls, maka menambah jarak sela bola generator impuls sebesar 0,1 cm dan melakukan pengisian kembali. Apabila terjadi kembali pelepasan sebelum waktunya, mengulangi langkah-langkah tersebut hingga tegangan setelan dapat tercapai. Setelah tercapai, menunggu proses penyalaan (triggering) generator impuls. Pada langkah tersebut, ujung kabel keluaran dari generator impuls tidak disambung ke benda uji, melainkan disambungkan ke sela bola 25 cm, sampai penyetelan tegangan yang dikehendaki tercapai.
9.
Setelah penyetelan masukan generator impuls tercapai, yaitu dengan melihat tinggi tegangan di oscilloscope, langkah selanjutnya adalah menyambungkan ujung keluaran dari generator ke benda yang akan diuji. 10. Melakukan kembali pengisian masukan generator sesuai langkah (8) kemudian menerapkan tegangan ke benda uji untuk setiap konfigurasi yang telah ditentukan. 11. Mencatat hasil penerapan tegangan uji ke benda uji tersebut pada blanko yang sesuai. 12. Benda uji isolator pinpost tersebut dinyatakan lulus uji apabila tidak terjadi flashover.
Contoh : P 12,5 ET 150 L menunjukkan: P 12,5 E T 150 L
: isolator tonggak pinpost : Beban gagal tekuk minimum 12,5 kN : Dengan penyangga eksternal : Jenis ikat atas : Tegangan ketahanan impuls petir 150 kV : Jarak rambat yang lebih panjang
4.1 Hasil Pengujian Impuls pada Isolator Pin-Post Data dan perhitungan factor koreksi udara pada Isolator Pin-Post ( P 12,5 ET 150 L) dapat diuraikan sebagai berikut: PERHITUNGAN FAKTOR KOREKSI Frekuensi tenaga Suhu ruang Tekanan Udara Densitas udara relatif
Gambar 12. Rangkaian pengujian tegangan tinggi impuls
:Kering : Td = 28,5 o C Tw = 23,1 o C : b = 1003 mbar :δ:
Faktor koreksi udara bergantung pada suhu dan tekanan udara yang besarnya adalah sebagai berikut :
maka dapat diperoleh penyederhanaan persamaan faktor koreksi udara sebagai berikut :
Gambar 13. Rangkaian pengujian Isolator pin-post Dalam pelaksanaan pengujian tegangan impuls pada suatu isolator pin-post, terdapat hasil pengujian tegangan tinggi impuls pada isolator.
sehingga dapat ditulis sebagai :
IV. HASIL PENGUJIAN Berikut ini merupakan hasil pengujian tegangan tinggi impuls yang dilakukan pada Isolator PinPost tegangan menengah. Dalam pengukuran Isolator Pin-Post ini memakai satuan mm dan memiliki kode pengenal pada isolator . Dimana huruf P diikuti dengan angka yang menunjukkan beban gagal tekuk minimum dalam kilo Newton. Selanjutnya diikuti huruf E yang menyatakan penyangga bagian logam eksternal. Kemudian diikuti dengan huruf T yang menunjukan jenis ikatatas.
Kelembaban udara (yang diperoleh dari graik h) :18,0 (g/m3 ) Parameter K untuk impuls petir K = {1+ 0,010 ( h / - 11)} K = {1+ 0,010 (18,0/0,9622 - 11)}
= 1,0771
Tegangan loncat kondisi standar IEC : UB UB = 1,1 x tegangan uji (untuk uji ketahanan) = 1,1 x 150 kV = 165 kV Parameter g :
Gambar 15. V/div x µs/div tembakan pertama isolator pin-post
Gambar 16. Triggering gelombang pada tembakan pertama isolator pin-post (-) g = 1,2107 Yang diperoleh dari grafik, m= 1 dan w = 1 Sehingga :Faktor koreksi idensitas udara : K1 = m = 1 = 0,962 Faktor koreksi kelembapan: K2 = Kw = K1 = 1,0771 Faktor Koresi Udara : Kt = K1 x K2 = 0,9622 x1,0771 = 1,0363 Adapun hasil bentuk gelombang tegangan uji impuls isolator pin-post ( P 12,5 ET 150 L) yang digunakan yaitu Oscilloscope Le Croy POLARITAS NEGATIF Parameter bentuk gelombang impuls yang diperoleh adalah:
Gambar 17. Tembakan kedua pada isolator pin-post
Gambar 18. V/div x µs/div tembakan kedua isolator pin-post
Gambar 19. Triggering gelombang pada tembakan kedua isolator pin-post (-)
Gambar 14. Tembakan pertama pada isolator pin-post
Gambar 25. Triggering gelombang pada tembakan pertama isolator pin-post (-)
Gambar 20. Tembakan ketiga pada isolator pin-post
Gambar 26. Ttembakan kelima pada isolator pin-post Gambar 21. V/div x µs/div tembakan ketiga isolator pin-post
Gambar 22. Triggering gelombang pada tembakan ketiga isolator pin-post (-)
Gambar 27. V/div x µs/div tembakan kelima isolator pin-post
Gambar 28. Triggering gelombang pada tembakan kelima isolator pin-post (-)
Gambar 23. Tembakan keempat pada isolator pin-post
Gambar 24. V/div x µs/div tembakan keempat isolator pin-post
Gambar diatas merupakan hasil bentuk gelombang dari tegangan impuls pada isolator pin-post yang menggunakan alat yaitu Osiloskop Le Croy dimana untuk menangkap bentuk gelombang impuls yang dihasilkan dari generator tegangan impuls. Pada pengujian ini diberikan tembakan sampai kelima kali pada isolator pin-post ini untuk membuktikan benda yang diuji ini layak atau tidak layak dipakai. Adapun untuk menetukan tegangan Flashover pada kondisi standar: Vs = Vu x 1/Kt 150 = Vu x 1/1,0363 Vu = (150 x1,0363)/1 Vu = 155,445 Volt
V. KESIMPULAN
1. Pengujian tegangan impuls ini pun dilakukan pada isolator pinpost dimana dapat dijumpai pada jaringan transmisi, jaringan distribusi hantaran udara, gardu induk, panel pembagi daya, terminal ujung kabel dan peralatan tegangan tinggi. 2. Standar yang digunakan sebagai panduan dalam pengujian tegangan tinggi impuls isolator pin-post tegangan menengah tersebut asalah standar IEC dan standar SPLN 10-4A. 3. Pengujian tegangan tinggi impuls pada isolator ini dilakukan selama 5 kali diberikan tembakan tegangan impuls secara berturut-turut membuktikan benda yang diuji ini layak atau tidak layak dipakai. 4. Isolator yang layak untuk dipakai jika tidak ada cacat glasur antara lain: bercak tanpa glasur, sumbing,ada bahan lain dalam glasur, bintik. Toleransi pada cacat glasur yang diizinkan dapat dilihat pada SPLN 10IE. 5. Dari keseluruhan data hasil pengujian tegangan tinggi impuls isolator pinpost tegangan menengah yang dilakukan dapat dinyatakan bahwa sampel isolator tidak lulus uji tegangan impuls dimana terjadinya flashover pada isolator 6. Besarnya tegangan pengujian tegangan tinggi impuls dipengaruhi oleh factor koreksi udara yang meliputi kondisi temperature kering, tekanan udara dan kelembapan udara pada ruang uji. DAFTAR PUSTAKA [1] [ 2] [3] [4] [5] [6]
Arismunandar, A., Teknik Tegangan Tinggi, PT Pradnya Paramita, Jakarta, 1994. Begamudre, Rakosh Das, “ Extra High Voltage AC Transmission Engineering”, New Delhi: Wiley Eastern Limited, 1987. Hutahuruk, T.S., Transmisi Daya Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1985. Naidu, M.S., “ High Voltage Engineering”, Tata Mc Graw Hill Publishing, 1983 SPLN 10-3B “ Tingkat Intensitas Polusi Sehubungan dengan Pedoman Pemilihan Isolator”, Perusahaan Listrik Negara, 1993 http://en.wikipedia.org/wiki/isolator
BIODATA PENULIS Melfa Silitonga lahir di Medan pada tanggal 12 Juni 1991. Menempuh pendidikan dasar di SD Negeri 1 Blimbing Tangerang. Kemudian melanjutkan pendidikan di SLTP Negeri 1 Kosambi Tangerang. Penulis melanjutkan sekolahnya di SMA MARKUS Tangerang. Kemudian melanjutkan pendidikan ke tingkat Perguruan Tinggi dan diterima sebagai mahasiswa jurusan Teknik Elektro Angkatan 2008 Universitas Diponegoro Semarang Konsentrasi Teknik Energi Listrik dan masih melanjutkan studinya hingga saat ini
dan telah melaksanakan kerja praktek di PT. PLN (Persero) Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan Duren Tiga Jakarta mulai Bulan Januari s.d Februari 2011.
Semarang, Juni 2011 Penulis,
Melfa Silitonga L2F008138 Mengetahui, Dosen Pembimbing
Abdul Syakur, S.T. M.T. NIP. 1972042219990311004
