Artikel Reguler _____________________________________________________________________________
KARAKTERISTIK TEGANGAN-ARUS ARESTER BOCOR SiC PADA SUHU DAN KELEMBABAN BERBEDA Gesang Ndaru Prayogo1,T. Haryono2,Suharyanto3 Abstract—As a tropical country, Indonesia is subject to frequent lightning strikes. Electrical power system equipment is very susceptible to lightning strikes. Therefore, the knowledge of insulation system in lightning strikes is very important. Arrester is needed to protect electrical equipment from the dangers due to overvoltage caused by lightning strikes. Overvoltage occuring can cause damage to the electrical equipment so that it may result to electrical disturbance. Arrester that is often used is made of silicon carbide (SiC).This test aims to determine the effect of temperature and humidity on the current-voltage characteristics of SiC arrester. Testing were done by providing a high voltage AC on SiC arrester at a certain temperature and humidity.The test results showed that changes in temperature and humidity affecting the current-voltage characteristics of SiC arrester. When the temperature rises, the leakage current becomes small. When the humidity rises, the value of the leakage current becomes large. The largest leakage current was obtained when the temperature was 20°C at a humidity of 90%. It was 6,6 µA due to the 3 kV input voltage, and the smallest leakage current was 2,1 µA produced by 3 kV input voltage. Intisari—Indonesia adalah negara yang beriklim tropis. Di negara yang beriklim tropis, sambaran petir sangat sering terjadi. Peralatan sistem tenaga listrik sangat rentan terhadap sambaran petir. Oleh sebab itu, sistem isolasi terhadap sambaran petir sangatlah penting. Arester sangat diperlukan untuk melindungi peralatan listrik dari bahaya tegangan lebih, terutama tegangan lebih surja petir. Tegangan lebih yang terjadi dapat menyebabkan kerusakan alat sehingga kontinuitas system kelistrikan terganggu. Arester yang sering digunakan adalah yang terbuat dari bahan silicon carbide (SiC).Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh perubahan suhu dan kelembaban terhadap karakteristik arus-tegangan arester SiC. Pengujian ini dilakukan dengan cara memberikan tegangan tinggi AC pada arester SiC pada suhu dan kelembaban tertentu. Hasil pengujian menunjukkan perubahan suhu dan kelembaban berpengaruh terhadap karakteristik arustegangan arester SiC. Ketika suhu naik, maka arus menjadi kecil. Sedangkan ketika kelembaban naik, maka arus menjadi besar. Nilai arus terbesar didapat saat suhu 20°C pada kelembaban 90%, yaitu sebesar 6,6 µA dengan tegangan masukan 3 kV. Dan nilai arus bocor terkecil didapat saat suhu 60°C pada kelembaban 40%, yaitu sebesar 2,1 µA dengan tegangan masukan 3 kV. Kata Kunci— tegangan lebih, karakteristik arester SiC, suhu, kelembaban, tegangan tinggi AC 1Mahasiswa,
I. PENDAHULUAN Negara Indonesia merupakan negara yang beriklim tropis. Iklim tropis memiliki ciri dua musim yaitu musim kemarau dan musim penghujan. Ciri khas lain nya pada negara yang beriklim tropis adalah adanya sambaran petir. Sambaran petir sering terjadi pada saat musim penghujan. Frekuensi sambaran petir pada negara beriklim tropis jauh lebih tinggi dibanding dengan iklim-iklim lain. Penyaluran tenaga listrik, di samping dituntut selalu memenuhi kebutuhan beban, harus menjamin kualitasnya, yaitu mutu frekuensi dan tegangan, baik kontinuitas, maupun keandalannya. Sistem dan peralatan listrik yang dirancang harus bekerja seefisien dan seoptimal mungkin dalam menyalurkan tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik terdapat banyak gangguan diantaranya adalah gangguan tegangan lebih, baik yang disebabkan dari sistem maupun dari luar sistem. Oleh sebab itu untuk melindungi peralatan sistem tenaga listrik dari segala gangguan tersebut dibutuhkan suatu alat pengaman. Salah satu pengaman dari gangguan tegangan lebih adalah arester. Dalam sistem tenaga listrik, arester merupakan salah satu peralatan yang sangat penting yang berfungsi untuk pembatas level tegangan agar peralatan listik dalam sistem terlindung dari bahaya tegangan lebih yang berasal baik dari dalam sistem maupun dari luar sistem, sehingga tegangan lebih yang masuk dalam peralatan masih di bawah BIL (Basic Insulation Level) peralatan dan peralatan menjadi aman. Arester bekerja pada dua kondisi, yaitu ketika tegangan kerja dan gangguan tegangan lebih surja. Pada tegangan kerja arester bersifat sebagai isolator. Namun, saat kondisi gangguan atau terjadi tegangan lebih surja, arester akan bersifat sebagai konduktor yang melewatkan atau mengalirkan arus surja ke tanah tanpa menyebabkan gangguan. Penelitian ini diadakan untuk meneliti pengaruh suhu dan kelembaban udara terhadap karakteristeik tegangan - arus bocor arrester. II. DASAR TEORI Tegangan yang terdapat pada sistem tenaga listrik dapat berupa tegangan biasa (normal) dan tegangan lebih (overvoltage). Tegangan normal atau tegangan sistem adalah tegangan yang dapat ditahan oleh sistem tersebut dalam waktu yang tak terhingga. Sedangkan
Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Univeristas Gadjah Mada, Jln. Grafika No 2, Bulaksumur, Yogyakarta 55281 INDONESIA (telp: 0274552305; e-mail:
[email protected]) 2, 3 Dosen, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi 12 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________ Informasi Univeristas Gadjah Mada, Jln. Grafika No 2, Bulaksumur, Yogyakarta 55281 INDONESIA (telp: 0274552305)
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi _______________________________________________________________________________ tegangan lebih adalah tegangan yang hanya dapat ditahan oleh sistem tersebut dalam waktu yang sangat singkat atau terbatas. Tegangan lebih adalah tegangan yang mempuyai amplitudo sangat besar dan berlangsung sangat singkat yang disebabkan karena sambaran petir atau karena operasi pensaklaran. A Arester sebagai Alat Pelindung Tegangan Lebih Surja Petir Tegangan lebih pada sistem tenaga listrik dapat berbahaya bagi peralatan listrik dan berdampak pada sistem tenaga listrik secara keseluruhan. Oleh sebab itu, maka peralatan-peralatan listrik harus dilindungi dari tegangan lebih. Keberhasilan perlindungan peralatan listrik terhadap tegangan lebih terutama dari tegangan lebih surja petir tergantung pada pemilihan dan pemasangan arester yang benar. Petir menimbulkan tegangan lebih yang terjadi antara saluran dan tanah. Atas dasar prinsip kerja arester dalam memadamkan tegangan lebih surja petir, dan supaya tekanan (stresses) pada isolasi dapat dibuat serendah mungkin, maka arester harus memiliki persyaratan sebagai berikut : 1. Dapat melepas tegangan lebih ke tanah tanpa menyebabkan hubung singkat ke tanah (saturated ground fault). 2. Dapat memutus arus susulan setelah tegangan lebih habis. 3. Mampu menjadikan tegangan percik sela dan pelepasan / sisa yang seminimal mungkin. 4. Tidak mengalirkan arus sama sekali saat kejadian normal. 5. Harus secepatnya dadal ketika tegangan mencapai tegangan dadalnya. Sesuai dengan fungsi arester sebagai alat yang melindungi peralatan sistem tenaga listrik dari tegangan lebih, karakteristik arester adalah sebagai berikut [2]: 1. Mempunyai tegangan dasar (rated) yang tidak boleh dilampaui. 2. Mempunyai karakteristik yang dibatasi oleh tegangan (voltage-limiting) bila dilalui oleh berbagai macam arus petir. 3. Mempunyai batas termis. Pada dasarnya terdapat tiga jenis arester yang dapat digunakan untuk melindungi peralatan listrik dari bahaya tegangan lebih yang ditimbulkan oleh sambaran petir, yaitu expulsion-type arrester, valvetype arrester, dan metal-oxide arrester. Akan tetapi, jika arester digunakan hanya untuk melindungi peralatan tanpa mempedulikan pelayanan distribusi listrik, maka desain konstruksi yang terdiri dari sela api saja sudah cukup[3]. B. Silicon Carbide (SiC) sebagai Bahan Dasar Arester Moissanite, adalah bahan kimia yang dipopulerkan oleh Dr. Ferdinand Henri Moisan, dan seiring berjalannya waktu dikenal dengan namaSilicon
Carbide (SiC). Bahan SiC ini memiliki level kekerasan yang sangat baik, tetapi masih di bawah level intan. Secara kimiawi, Silicon Carbide memiliki spesifikasi seperti berikut : 1. Nama lain : Carborundum Moissanite 2. Lambang : SiC 3. Massa molar : 40,1 gram.mol-1 4. Kerapatan : 3,21 gram.cm-3 5. Titik lebur : 2730 0C C. Arester Silicon Carbide (SiC) Pada instalasi tenaga listrik dewasa ini, terkait perlindungan terhadap tegangan lebih surja petir, arester SiC masih banyak digunakan. SiC sebagai bahan arester ini memiliki karakteristik elektrik yang sangat unik, dimana tahanan SiC sangatlah besar pada kondisi normal, tapi akan menjadi sangat kecil ketika menempa tegangan yang sangat besar, dan dalam hal ini tegangan lebih surja petir. Pada desain konstruksi arester SiC, tahanan yang terbuat dari bahan SiC dipasang secara seri dengan diberi sela / gap.Fungsi dari sela / gap ini adalah melindungi perubahan karakteristik tahanan non-linier SiC terhadap tegangan steady-state saat kondisi normal. Kelemahan desain dengan sela / gap ini adalah proses konstruksinya yang rumit [4]. Sela api (spark gap) bekerja dengan tahanan nonlinier untuk memadamkan tegangan lebih surja petir. Ketika tegangan lebih mencapai keadaan yang berbahaya, pada bagian sela api tidak akan muncul busur api, karena pada arester dipasang tahanan nonlinier secara seri dengan sela api. Saat kondisi normal, tahanan non-linier ini nilainya sangat besar sehingga arus tidak akan mengalir ke arester. Tetapi ketika kondisi menerima tegangan lebih surja petir yang nilainya membahayakan sistem, tahanan non-linier ini akan mengecil sehingga arus yang sangat besar akibat tegangan lebih akan mengalir ke arester melalui terminal penghantar yang selanjutnya disalurkan ke tanah. Pemakaian tahanan non-linier bertujuan untuk meminimalisasi tegangan sisa pada terminal penghantar arester, sehingga sistem tidak menempa kelebihan tegangan yang melebihi tegangan maksimum sistem. III. METODOLOGI PENELITIAN Pada penelitian ini, akan dilakukan pengujian tentang pengaruh suhu dan kelembaban terhadap karakteristik arus bocor-tegangan arester SiC. Pengujian ini dilakukan dengan cara memasukan tegangan tinggi AC dari 0,5 kV hingga 3 kV dengan suhu dan kelembaban tertentu, lalu arus bocor dari blok arester SiC di catat sehingga hasil dari perubahan suhu dan kelembaban bisa dianalisis sehingga bisa diketahui pengaruh perubahan suhu dan kelembaban terhadap karakteristik arus bocor-tegangan arester SiC. A. Prosedur Penelitian Penelitian dimulai dengan melakukan studi kasus dan literatur. Studi kasus dan literatur dilakukan
13 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
Artikel Reguler _____________________________________________________________________________ dengan cara belajar dari buku-buku, internet maupun bertanya langsung kepada dosen dan laboran. Setelah dilakukan studi kasus dan literatur, dilakukan persiapan penelitian seperti persiapan peralatan pengujian dan pemilihan alat uji. Selanjutnya dilakukan pengujian di laboratorium serta pengambilan data-data yang diperlukan. Pada pengujian ini, dilakukan pengambilan data dengan variasi suhu dan kelembaban, sehingga bisa diketahui pengaruh dari suhu dan kelembaban terhadap arus bocor blok arester SiC.Kemudian dilakukan pengolahan data setelah datadata sudah lengkap, dan analisis dilakukan setelah pengolahan data selesai. Setelah tahap analisis selesai, dilakukan penyusunan laporan akhir. Untuk lebih jelas, tahapan penelitian bisa dilihat pada Gbr. 1.
dalam chamber. Sedangkan untuk menurunkan kelembaban hanya membuka pintu chamberdan dengan menggunakan bantuan kipas angin hingga kelembaban menurun.
Gbr. 2. Rangkaian Pengujian
Pada Gbr. 2. menjelaskan tentang rangkaian dari pengujian ini. Rangkaian ini menggunakan tegangan masukan dari PLN 220 V dengan frekuensi 50 Hz. Dengan pengatur tegangan berupa regulator tegangan 0-220 V. Tegangan yang dikeluarkan oleh regulator tegangan digunakan sebagai masukan sisi primer trafo step-up. Sedangkan sisi sekunder atau keluaran dari trafo step-up digunakan sebagai tegangan masukan untuk pengujian blok arester SiC. Trafo step-up digunakan untuk menaikkan tegangan pengujian.Sebuah voltmeter dipasang paralel untuk melihat nilai tegangan pada keluaran trafo yang akan digunakan sebagai tegangan masukan pada objek uji. Tegangan masukan yang masuk ke dalam voltmeter harus sesuai dengan karakteristik kemampuan voltmeter tersebut. Piranti pengaman dan perlindungan bagi voltmeter diperlukan untuk membatasi tegangan tinggi yang masuk ke dalam voltmeter dengan cara memasang alat pembagi tegangan.Pengamatan arus bocor memerlukan ampermeter sebagai alat bantunya. Ampermeter dipasang seri dengan blok arester SiC sehingga akan terlihat nilai arus bocornya.
Gbr. 1. Diagram Alir Penelitian
B. Prosedur Penelitian Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh perubahan suhu dan kelembaban terhadap karakteristik arester SiC. Pada pengujian ini digunakan sebuah blok arester berbentuk silinder berbahan dasar silicon carbide (SiC). Blok arester tersebut dihubungkan dengan tegangan tinggi AC yang dikendalikan oleh peralatan pengujian. Di dalam peralatan pengujian terdapat pengatur tegangan (SVR) yang digunakan untuk menaikkan tegangan secara perlahan hingga tegangan berada pada nilai tertentu. Sebuah blok arester yang akan diuji ditempatkan pada sebuah kotak kaca (chamber) yang berfungsi sebagai tempat simulasi terhadap perlakuan cuaca di lapangan. Chamber diatur dengan kondisi suhu dan kelembaban tertentu.Untuk menaikan suhu dalam chamber digunakan 6 buah lampu pijar, dan untuk menurunkan suhu digunakan beberapa es batu. Lalu untuk menaikan kelembaban, digunakan kompresor yang diisi dengan aquadest yang disemprotkan ke
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian yang telah dilakukan di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada terhadap blok arester SiC dengan memvariasikan suhu dan kelembaban, didapatkan datadata mengenai arus bocor pada blok arester SiC. Datadata ini nantinya diolah sehingga didapat hubungan parameter satu dengan parameter lainnya, sehingga akan diketahui pengaruh suhu terhadap karakteristik arus bocor-tegangan arester SiC dan pengaruh kelembaban terhadap karakteristik arus bocor-tegangan pada arester SiC. A. Pengujian Pengaruh Perubahan Suhu Terhadap Karakteristik Arester SiC Pengujian dilakukan untuk mengetahui perubahan suhu dengan cara memberikan tegangan AC dengan nilai 0,5 kV, 1 kV, 1,5 kV, 2 kV, 2,5 kV, 3 kV sebanyak 3 kali kemudian dicari nilai rata-ratanya sehinggadidapat nilai yang akurat.Pada pengujian
14 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi _______________________________________________________________________________ pengaruh suhu ini, suhu dibuat bervariasi dengan kelembaban dibuat konstan. Suhu yang digunakan adalah 20°C, 30°C, 40°C, 50°C, 60°C. Hasil yang didapat berupa nilai arus bocor yang ditampilkan pada amperemeter.Untuk bisa membandingkan pengaruh perubahan suhu terhadap karakteristik arus bocortegangan blok arester SiC, maka di tampilkan satu sampel percobaan, yaitu pada kelembaban 90%.
Gbr. 4.
Gbr. 3. Grafik karakteristik hubungan arus bocor dengan tegangan, dengan suhu bervariasi dan kelembaban 90%
Terlihat Gbr. 3bahwa kenaikan suhu berbanding terbalik dengan nilai arus bocor. Ketika suhu naik, maka nilai arus bocor menjadi kecil. Hal itu terjadi karena adanya pengaruh suhu terhadap permukaan blok arester SiC. Pada saat pengujian sebuah blok arester tanpa selungkup/pelindung diletakkan di dalam chamber dengan kelembaban tertentu, artinya di dalam chamber terdapat udara yang mengandung partikel air (H2O). Dengan tidak adanya selungkup yang melindungi permukaan blok arester, menyebabkan terjadi kontak antara blok arester dengan udara yang mengandung partikel H2O. Partikel H2O di udara menempel di permukaan blok arester SiC. Saat suhu dinaikkan, maka partikel H2O yang terdapat di permukaan blok arester terlepas sehingga menaikkan resistans blok arester SiC yang menyebabkan arus bocor pada blok arester menjadi kecil. B. Pengujian Pengaruh Perubahan Kelembaban Terhadap Karakteristik Arester SiC Pada pengujian selanjutnya dilakukan pengujian tentang pengaruh perubahan kelembaban terhadap karakteristik arester SiC. Pengujian dilakukan dengan cara memberikan tegangan bolak balik dengan nilai 0,5 kV, 1 kV, 1,5 kV, 2 kV, 2,5 kV, 3 kV sebanyak 3 kali kemudian dicari nilai rata-ratanya sehinggadidapat nilai yang akurat.Perbedaan pengujian ini dengan pengujian sebelumnya adalah nilai kelembaban dibuat bervariasi dengan suhu dibuat konstan. Kelembaban yang digunakan adalah 40%, 60%, 80%, 90%. Hasil yang didapat berupa nilai arus bocor yang ditampilkan pada amperemeter. Untuk bisa membandingkan pengaruh perubahan suhu terhadap karakteristik arus bocor-tegangan blok arester SiC, maka di tampilkan satu sampel percobaan, yaitu pada suhu 60°C.
Grafik karakteristik hubungan arus bocor dengan tegangan, dengan kelembaban bervariasi dan suhu 60°C
Terlihat dari Gbr. 4 di atas bahwa kenaikan kelembaban berbanding lurus dengan nilai arus bocor. Ketika kelembaban naik, maka nilai arus bocor menjadi besar. Blok arester SiC merupakan benda yang padat sehingga walaupun kelembaban naik tidak akan mempengaruhinya susunan bahan di dalamnya. Bahan di dalam blok arester tidak akan basah. Tetapi kelembaban yang tinggi mempengaruhi permukaan blok arester SiC. Pada kelembaban yang tinggi permukaan blok arester SiC menjadi sangat basah. Karena air adalah perantara listrik, sehingga bahan dengan kondisi yang basah memiliki nilai resistans kecil, yang menyebabkan arus bocor padablok arester SiC menjadi lebih besar. Artinya kenaikan kelembaban berbanding terbalik dengan nilai resistans. Semakin besar kelembaban, resistans blok arester SiC semakin kecil.Dan jika resistans semakin kecil maka akan mempengaruhi besarnya arus bocor. Arus bocor yang mengalir pada blok arester SiC akan semakin besar. V. KESIMPULAN Dari pengujian yang telah dilakukan, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Pengaruh suhu terhadap karakteristik arus bocortegangan arester SiC adalah jika semakin tinggi suhu maka nilai arus bocor akan semakin kecil dengan nilai tegangan yang sama. Karena adanya pengaruh suhu terhadap permukaan blok arester SiC. Kenaikan suhu menyebabkan kondisi permukaan blok arester akan semakin kering. Atau dengan kata lain tidak ada partikel air (H2O) pada permukaan blok arester, sehingga nilai resistans menjadi besar yang menyebabkan arus bocor menjadi kecil. Sebagai contoh, dengan kelembaban 90% nilai arus bocor terbesar didapat saat suhu 20°C yaitu sebesar 6,6 µA dengan tegangan masukan 3 kV dan 0,7 µA dengan tegangan masukan 0,5 kV. Sedangkan nilai arus bocor terkecil didapat saat suhu 60°C yaitu sebesar 3,4 µA dengan tegangan masukan 3 kV dan 0,3 µA dengan tegangan masukan 0,5 kV. 2. Pengaruh kelembaban terhadap karakteristik arus bocor-tegangan arester SiC adalah jika semakin tinggi kelembaban maka nilai arus bocor akan
15 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
Artikel Reguler _____________________________________________________________________________ semakin besar dengan nilai tegangan yang sama. Sebab kenaikan kelembaban menyebabkan permukaan blok arester SiC menjadi semakin basah, sehingga resistans menjadi kecil yang menyebabkan arus bocor menjadi besar. Sebagai contoh, dengan suhu 60°C nilai arus bocor terbesar didapat saat kelembaban 90% yaitu sebesar 3,4 µA dengan tegangan masukan 3 kV dan 0,3 µA dengan tegangan masukan 0,5 kV. Sedangkan nilai arus bocor terkecil didapat saat kelembaban 40% yaitu sebesar 2,1 µA dengan tegangan masukan 3 kV dan 0 dengan tegangan masukan 0,5 kV. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan pengujian ini. REFERENSI [1] [2] [3]
[4]
Kuffel, E., W. S. Zaengl, dan J. Kuffel, 2000, High Voltage Engineering 2nd Edition, Butterworth Heinemann, Oxford. Arismunandar, Artono, 1994, Teknik Tegangan Tinggi, Pradnya Paramita, Jakarta. Taufik, M. Nur, 2000, Pengaruh Perubahan Suhu Terhadap Kinerja Arester SiC, Skripsi S1, Jurusan Teknik Elektro FTUGM. Tidak Dipublikasikan. Saputro, Sonny Ariwibowo, 2012 , Perbandingan Tanggapan Arrester SiC dan ZnO Pada Sambaran Petir Daerah Tropis, Skripsi S1, Jurusan Teknik Elektro FT-UGM. Tidak Dipublikasikan.
16 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
