Jurnal Teknik Elektro Vol. 2 No.2 Juli - Desember 2010
117
PENGARUH KENAIKAN SUHU PAD BAGIAN-BAGIAN KABEL BERISOLASI PVC Said Sunardiyo ABSTRAK Pada pemakaian kabel sering diberi beban lebih dari kemampuan sebenarnya sebagaimana tertera pada kode penandaan kabel tersebut. Sehingga terjadi aliran arus listrik melebihi kemampuan hantar arus kabel. Akibatnya kabel menjadi panas, kondisi ini akan berdampak terhadap kinerja kabel. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh arus terhadap kenaikan temperatur bagian-bagian kabel pada kabel tanah berisolasi PVC tegangan rendah. Kata Kunci: pengaruh, suhu, panas, PVC
1. Pendahuluan
Polyethelene jenis Polyvinil Chloride (PVC)
Berdasarkan pengamatan pada pemakaian kabel sering diberi beban lebih dari kemampuan sebenarnya
sebagaimana
tertera
pada
kode
penandaan kabel tersebut. Sehingga terjadi aliran arus listrik melebihi kemampuan hantar arus kabel. Akibatnya kabel menjadi panas, kondisi ini akan
berdampak
kurang
baik
terhadap
kelangsungan kabel sebagai penyalur daya listrik. Berkaitan dengan penyaluran daya listrik serta instalasi yang terpasang maka aspek panas dalam
kabel
menjadi
pertimbangan
penting
supaya dapat dihindari adanya kegagalan kabel. Permasalahan yang timbul adalah seberapa besar pengaruh arus terhadap temperatur bagian-bagian kabel pada kabel tanah berisolasi PVC dan XLPE tegangan rendah. Tujuan
penelitian
PVC yang sering dikenal sebagal bahan dasar isolasi listrik, memiliki sifat-sifat antara lain: massa jenis 1,4; Tahan terhadap air, asam, alkali.
Tidak bersifat racun;
Tidak menyala;
Isolasi listriknya baik; Melunak pada temperatur 65
oC
sampal 85
oC
; Bersifat plastis pada
temperatur 120 oC sampai 150 oC; Mencair pada atau diatas 170
oC,
Terurai memberikan asam
klorida pada temperatur atau diatas 190 oC. Pada suhu kamar PVC bersifat keras dan rapuh. Kabel tanah jenis NYY Berdasarkan SPLN 43-1 : 1994 kabel tanah NYY dipakai di dalam dan di luar gedung atau di dalarn tanah jika diberi pelindung yang cukup. Kuat Hantar Arus maksimum didasarkan pada
untuk
mengetahui
pengaruh arus terhadap kenaikan temperatur
kuat hantar arus secara terus menerus pada suhu penghantar tidak melebihi 70 oC.
bagian-bagian kabel pada kabel tanah berisolasi PVC dan berisolasi XLPE tegangan rendah.
Pembangkitan panas pada kabel Pada operasional penyaluran daya, arus
2. Landasan Teori
yang mengalir pada kabel akan menghasilkan
Bahan polimer sangat berubah oleh
panas pada bagian konduktor kabel.
Panas
perubahan temperatur. Hal ini disebabkan jika
tersebut diradiasikan ke luar atau lingkungan
temperatur berubah, pergerakan molekul karena
sekitarnya. Besarnya panas ditunjukkan dalam
termal
persamaan :
akan
mengubah
struktur,
terutama
struktur yang berdimensi besar. Menurut Tata Surdia dan Shinroku Saito (1999) dinyatakan bahwa kekuatan hancur dielektrik pada bahan polimer
merupakan
kekuatan
artinya dipengaruhi oleh panas.
hancur
W = I2R ……………………..(1) W = panas yang diradiasikan (Watt) I = arus yang mengalir pada konduktor ( A)
termal R = resistans konduktor (Ω)
Jurnal Teknik Elektro Vol. 2 No.2 Juli - Desember 2010
118
Besarnya radiasi panas oleh karena adanya aliran arus
pada konduktor menurut
Fourier ditunjukkan melalui persamaan sebagai berikut :
R0 = α20 =
temperatur 20 oC
panas
bergantung pada hubungan
Persamaan yang dapat dipergunakan untuk
bahan
koefisien
tersebut
= temperatur kerja maksimum (oC)
Harga dapat dilihat langsung dari IEC 228.
= gradien temperatur (oC/m)
Konduktivitas
koefisien temperatur konduktor pada
m2); θ
∂T ∂x
resistans d.c. efektif konduktor pada temperatur 20 oC (Ω/m)
K = konduktivitas panas (W/m oC) A = area radiasi panas(
ditunjukkan dalam persamaan berikut : Rdc = Ro [1 + α20 (θ - 20) …………..(6)
∂T …………………...(2) ∂ x panas yang diradiasikan (Watt);
W = kA W =
Resistans d.c. efektif konduktor persatuan panjang pada temperatur kerja maksimum dapat
konduktor
panas konduktor,
ditunjukkan
menentukan harga R0 dapat ditunjukkan sebagai berikut : R0
persamaan berikut :
α =
R0
∆L Lο∆T
Lo
=
pada
temperatur
kabel
yaitu
pada
oC.
Faktor efek kulit pada konduktor persamaan-nya ditunjukkan sebagai berikut :
masing-masing memiliki nilai berbeda. Hal ini tersebut
Adapun pada
dalam
penurunan
bagian-bagian
memindahkan
temperatur
masing-masing
bagian
Ys =
panas.
yang
terjadi
tersebut
dapat
dihitung sebagai berikut : T = W. Rth …………….…...(4) T = penurunan temperatur (oC);
2
Xs = Faktor
kedekatan
= Gejala kelistrikan kabel Resitansi a.c. efektif (Rac) konduktor Rac = Rdc (1 + Ys + Yp) ……….(5) =
resistans a.c. efektif
konduktor pada
temperatur kerja maks.(Ohm/m) Rdc
=
resistans d.c. efektif konduktor pada temperatur kerja maks.(Ohm/m)
Ys
=
Yp
= faktor efek kedekatan
faktor efek kulit
X s4 192 + 0,8 X s4 8πf 10 –7 ks Rdc untuk
..…..(8)
……..(9)
kabel
dua
inti
ditunjukkan pada persamaan berikut : Yp
Rth= resistans termal bagian2 kabel (Ω/m)
Rac
pabrikasi.
= tahanan jenis konduktor pada suhu 20
resistans
pada bahan pengisi
kemampuan
proses
1,6. ρ20
(filler), pada selubung, dan pada perisai kabel
kabel
pada
Konstanta ini nilainya antara 1,3 sampai
∆T = perubahan temperatur (oC)
menggambarkan
konduktor
konstanta, besarnya bergantung dari panjang
∆L = perubahan panjang konduktor (m);
termal pada isolasi PVC,
. 106 …………….(7)
kondisi fisik logam dan pertambahan
konduktor
termal
A
resistans d.c. efektif
=
kamar (m)
Resistans
= k1
temperatur 20 oC (Ω/m) k1
= koefisien panas (oC); panjang
=
……………...(3)
α
ρ 20
dalam
dc s kp
X 4p
dc x 2,9 …….(10) 192 + 0,8 X s 8πf - 7 4 X = 10 kp p Rdc 4 p
..…………(11) = diameter konduktor; = jarak antar sumbu konduktor (mm) =
konstanta yang berpengaruh terhadap efek kedekatan
Jurnal Teknik Elektro Vol. 2 No.2 Juli - Desember 2010
119
Indukstansi pada kabel Pada IEC 287 induktansi yang berkaitan dengan
penentuan
kemampuan
hantar
arus
terdiri dari : a.
Induktansi diri selubung (sheath) Persamaan yang berkaitan dengan induktansi diri selubung diberikan sebagai Ls = 2 ln
2S d Ls =
. 10
Ys
=
2 Xs
= faktor rugi konduktor karena efek sekitar;
ks = faktor koreksi efek kulit
………….(12)
–7
c. Faktor pendekatan akibat dari keberadaan kabel lainnya untuk kabel berinti dua : Yp
induktansi diri selubung (H/m); jarak antar kabel (mm)
D =
diameter rerata selubung (mm) dg
dsD =
diameter dalam selubung (mm)
dsL =
diameter luar selubung (mm)
…….….(18)
Induktansi
bersama
(mutual
induktansi)
antar selubung luar dan konduktor pada satu kabel yang lainnya diberikan pada persamaan berikut : –7
8πf -7 10 kp Rdc
………………(19) Yp = faktor rugi akibat kabel lain X
2 p
= faktor rugi akibat efek sekitar;
s = jarak terdekat antar konduktor (mm)
= 1,3863 . 10 –7... (13)
Lm = induktansi bersama selubung kabel
kp = faktor koreksi efek sekitar
(H/m)
Berdasarkan persamaan tersebut di atas
Kapasitansi pada kabel
maka besarnya faktor rugi-rugi dari efek kulit dan
Kapasitansi konduktor persatuan panjang ditunjukkan persamaan berikut :
ε
=
dc = diameter konduktor (mm);
Lm = 2 ln (2) x 10
C =
2 p
X
Induktansi bersama selubung kabel
=
4 p
dc x 2,9 192+ 0,8X4p s X
S =
persamaan = 0,5 (dsD + dsL)
b.
X s4 ….…..(16) 192 + 0,8 X s4 8πf 2 Xs = 10 –7 ks ......…..(17) R dc faktor rugi konduktor karena efek kulit Ys =
ε
efek kedekatan dari kabel lain, pada konduktor adalah : Yc = Ys + Yp ……………..…..(20)
Di 18 ln dc
10-9 (F/m) ………..(14)
Yc = faktor perbandingan rugi-rugi a.c / rugirugi d.c konduktor. Sehingga besarnya resistans a.c efektif konduktor ialah :
= permitivitas relatif isolasi kabel
Rac = Rdc (1 + Ys + Yp) ………(21)
Di = diameter luar isolasi (mm) ;
Berdasarkan persamaan tersebut maka rugi
dc = diameter konduktor (mm)
konduktor akibat pemanasan oleh arus : Wc = I2 Rac
Rugi – rugi pada kabel
(W/m) ..…....(22)
Wc = rugi konduktor kabel
(1) Rugi konduktor
b. Rugi Isolasi
a. Resistans arus searah (Rdc) persatuan panjang
Besarnya efek kapasitansi pada isolasi kabel
konduktor pada temperatur kerja :
diberikan pada persamaan :
Rdc = Ro [1 + α20 (Tc - 20)] ……..(15) Tc
C=
= temperatur konduktor
b. Faktor efek kulit yang terjadi karena arus bolak-balik perhitungan berikut :
pada
konduktor
dengan
dilakukan
persamaan
sebagai
2εoεg Di ln Dc
……….……..(23)
εo = 8,854 x 10-12 F/m Di = diameter isolasi (mm) εg = permitivitas relatif material isolasi
Jurnal Teknik Elektro Vol. 2 No.2 Juli - Desember 2010
120
Dc = diameter screen lapisan dalam (mm)
Rshe
=
resistans
Arus yang mengalir pada kapasitans merupakan arus bocor yang besarnya ialah :
2πε 0ε g Di ln Dc
Ic = 2π f C Eo = 2πf
f
d.c
selubung
pada
temperatur penghantar (Ω/m) Ashe
=
luas penampang selubung (m2)
Dmshe = diameter rata-rata sheath (mm) Resistans termal kabel
. Eo …(24)
Resistans termal dielektrik kabel ditunjukkan pada gambar berikut :
= frekuensi listrik (Hz) C
= kapasitansi (F/m) Ts
Eo = tegangan fase-netral (kV) Besarnya tan δ atau faktor disipasi adalah sebagai berikut :
Ig Ic
tan δ =
Tr
…………...(25)
v vr
Rugi dielektrik Wd = Eo I sin δ = Eo Ic tan δ
4πfεoεrEo tan δ Di ln Dc
Wd =
Tc
r Gambar 1. Potongan penampang kabel dr
Ts = temperatur selubung kabel (oC); (W/m) ……(26)
Tc = temperatur konduktor (oC) Tr = temperatur lapisan pembungkus inti (oC); rs = jari-jari selubung kabel (mm)
εo
= 8,854 x 10-12 F/m
εr
= permitifitas relatif beban isolasi
rc = jari-jari konduktor (mm); Di v = gradien tegangan antara penghantar dan
= diameter luar isolasi (mm) Eo = tegangan fasa ke tanah (kV)
selubung (V)
Dc
= diameter luar konduktor (mm)
Kabel yang memiliki lapisan tebal dr dan berjarak r dari pusat sumbu kabel memiliki
c. Rugi Selubung Sheath atau selubung resistans termalnya
resistans termal :
dapat dihitung berdasarkan persamaan dTi =
Ws = I2Rs (W/m) ……………..(27) Rs = resistans selubung (Ω/m) Perbandingan
rugi-rugi
selubung
ρT
terhadap
rs
Ti = 2
Ws I Rs Rs = = Wc I 2 Rac Rac
Ws = λ1 Wc
……..……(28) =
(W/m) ….….….(29)
Kabel berselubung berbentuk sheath, resistans
Rshe =
A she
[1 + αshe (Tsh – 20)] ……...(30)
Ashe = …………..………...(31)
π
Dmshet
………..…….(32)
T
ρT 2π
dr 2πr
ln (
rs ) rc
…………………..(33)
......…………...(34)
Resistans termal isolasi :
ekivalennya adalah :
ρ she
∫ρ
rc
dari persamaan tersebut dapat ditulis
dr 2πr
= resistivitas termal dielektrik (oC.m/W)
konduktor ialah :
λ1 =
ρT
T1 =
ρT1 2t1 ln 1 + 2π Dc
(oC.m/W) ...........(35)
Resistans termal lapisan pembungkus inti : T2 =
ρT2 2t 2 ln 1 + Dc 2π
(oC.m/W) …......(36)
Jurnal Teknik Elektro Vol. 2 No.2 Juli - Desember 2010
121
Resistans termal selubung luar :T3 = ρT3 2t 3 o ( C.m/W) ........……..…(37) ln 1 + 2π Dc
dalam menutup kembali agar tidak terjadi kontak dengan bagian lain atau udara sekitarnya. C. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Perhitungan kemampuan hantar arus dan temperatur menggunakan rangkaian ekivalen
1. Hasil Penelitian dan Analisis
panas kabel
Hasil pengujian kabel di udara pada kondisi temperatur ruang 28 oC, tekanan udara 987 mmBar dan kelembaban udara 52 %. Lokasi Lab.
Tabel 1. Analogi rangkaian panas dan rangkaian listrik
Grafis hasil penelitian pada lampiran 2
Rangkaian Panas
Rangkaian Listrik
Aliran panas ( q )
Arus listrik ( I )
Beda temperatur ( ∆T )
Beda potensial ( ∆E )
Tahanan panas ( R )
Uji PT. Tranka Kabel, terdapat pada lampiran 1.
Tahanan listrik ( R )
2. Pembahasan D. Hubungan arus dengan temperatur bagianbagian kabel NYY Saat
arus
berpengaruh
mendekati
terhadap
nilai
kenaikan
KHA
maka
temperatur
bagian-bagian kabel. Variabel arus memberi pengaruh terhadap perubahan temperatur konduktor sebesar 0,9749
B. CARA PENELITIAN Bahan penelitian ialah kabel tanah
atau 97 % untuk jenis kabel NYY 2 x 2,5 mm2 rm.
berisolasi PVC jenis NYY tegangan 0,6/1 kV
Sedang pada jenis NYY 2 x 6 mm2 rm variabel
ukuran 2 x 2,5 mm2 rm dan 2 x 6 mm2 rm.
arus memberi kontribusi 98 % terhadap kenaikan
Produksi P.T. Terang Kita Kabel Jakarta.
temperatur.
Alat yang dipergunakan dalam penelitian ini terdiri
dari :(1) Perangkat alat uji
‘Heat
Cycling Test Set” milik PT. Terang Kita Jakarta.; (2) Termokopel jenis K Range ukur termokopel : 0 oC
s/d
500
oC.
(3) termokontroler jenis PID
Regulator T – 101, merk “Nokia” seri 414941 (4) Stopwatch,
sebagai
pencatat
waktu
selama
pengujian; (5) Termometer ruang ; (6) Barometer; (7) Higrometer
Temperatur bagian-bagian kabel dipengaruhi nilai resistans termal masing-masing bagian kabel tersebut. Semakin dekat bagian kabel dengan sumber
temperatur dan waktu; (5) menganalisis hasil; (6) penarikan kesimpulan; (7) pelaporan. Kesulitan dalam penelitian ialah : (1)
semakin
tinggi
D. KESIMPULAN DAN SARAN 1.
persiapan alat dan bahan di laboratorium; (2) setiap jenis kabel; (4) pengukuran arus,
maka
T = W. Rth
Jalannya penelitian sebagai berikut : (1) pembuatan termokopel dan kalibrasi; (3) menguji
panas
temperaturnya. Hal ini sesuai dengan persamaan
Adanya pengaruh arus yang mengalir pada konduktor
kabel
terhadap
peningkatan
temperatur
terjadinya
(temperatur
rise)
pada bagian-bagian kabel. 2.
Semakin
dekat
bagian
kabel
dengan
konduktor sebagai media penyalur arus maka akan memiliki temperatur lebih tinggi dari bagian kabel lainnya. Disarankan perlu dilakukan penelitian
Termokopel harus didesain khusus yaitu
lanjutan pada jenis isolasi kabel lainnya, seperti
ujungnya berdimensi kecil agar dapat masuk ke
: elastomer silicon, resin fenolik, elastomer silicon
bagian-bagian kabel. Dalam hal ini tidak terdapat
dan lainnya.
di pasaran. (2 mengupas bagian-bagian kabel untuk dimasuki termokopel karena dimensi kabel kecil harus cermat dan perlu waktu lama juga
Jurnal Teknik Elektro Vol. 2 No.2 Juli - Desember 2010
122
Forum Akademis
DAFTAR PUSTAKA
Teknologi dan
Energi, STT-YPLN, Jakarta. Holman, J.P., 1992, “Heat Transfer”, McGraw – Hill, Seventh Edition. BIOGRAFI IEC Standard 287-1-2, 1994 a, “Electric Cable – Calculation of Current Rating. Part 1
Said Sunardiyo, lahir di Blora tahun 1965. Lulus
: Current Rating Equations (100%
Sarjana Pendidikan Teknik Elektro Universitas
load
Negeri Semarang. Lulus Pascasarjana S2 jurusan
factor)
and
Calculation
of
Losses” : IEC Publication 853-2.
Ilmu-ilmu Teknik Program Studi Teknik Elektro UGM pada tahun 2004. Meminati dan menekuni
IEC Standard 287-1-2, 1994 b, “Electric Cable – Calculation of Current Rating. Part 2 :
Thermal
Resistance”:
IEC
Publication 853-2. Plexchem Technologies (PTE), 2000, “Interactive Chemestry”, Diktat Referensi Bagian Riset dan Pengembangan PT. Tranka Kabel Indonesia, Jakarta. Pabla. A.S., 1991, “Sistem Distribusi Daya Listrik” (terjemahan), Erlangga Jakarta PUIL 1987, “Peraturan Umum Instalasi Listrik Indonesia”’ LIPI Jakarta. SPLN 43-1 : 1994, “Kabel Tanah Berisolasi dan Berselubung
PVC,
Tegangan
Pengenal 0,6/1 kV (NYY/NAYY)”, PT. PLN (Persero), Jakarta. SPLN 43-6 : 1994, “Kabel Tanah Berisolasi XLPE dan
Berselubung
PVC,
Tegangan
Pengenal 0,6/1 kV (N2XY/NA2XY)”, PT. PLN (Persero), Jakarta. Tata
Surdia
dan
Shinroku
Pengetahuan
Saito,
Bahan
1999,
“
Listrik”,
Pradnya Paramita, Jakarta. Tranka Kabel, 2001, “PVC Low Voltage”, leaflet PT. Terang Kita Kabel. Jakarta. Rosid, 2002, “Kabel Digelar Tak Teratur Pada Rak Kabel
Terbuka,”
makalah
pada
bidang tenaga listrik dan aplikasi computer.
