UJI TEGANGANTEMBUS UDARA PADA TEKANAN DAN TEMPERATUR YANG BERVARIASI MENGGUNAKAN ELEKTRODA BOLA Arif Wibowo 1, Abdul Syakur, ST.MT. 2, Ir. Agung Nugroho 3 Teknik Elektro Universitas Diponegoro Semarang ABSTRAK Isolasi adalah salah satu bentuk peralatan tegangan tinggi yang berfungsi memisahkan dua atau lebih penghantar listrik yang bertegangan, sehingga antara penghantar tidak terjadi lompatan api atau percikan api. Secara umum isolasi dibagi menjadi 3 (tiga) macam yaitu isolasi padat, cair dan gas. Kemampuan isolasi dalam menahan tegangan mempunyai batas-batas tertentu sesuai dengan material penyusun dan lingkungan sekitarnya. Apabila tegangan yang diterapkan melebihi kuat medan isolasi maka akan terjadi tembus atau breakdown yang menyebabkan terjadinya aliran arus antara peralatan tegangan tinggi. Kekuatan isolasi gas dipengaruhi beberapa hal antara lain temperatur, kelembaban, angin, tingkat kontaminasi udara dan tegangan yang diterapkan. Adanya kenaikan temperatur, kontaminasi udara dari bahan organik atau anorganik akan mempengaruhi kekuatan isolasi dalam mencegah terjadinya tembus antar dua peralatan tegangan tinggi yang diisolasi. Pemodelan peralatan tegangan tinggi dengan elektroda bola homogen dimaksudkan untuk mengetahui tegangan tembus udara antara keduanya jika terjadi perubahan terhadap lingkungan sekitar berupa ionisasi thermis dan tekanan udara melalui pengujian di laboratorium tegangan tinggi. Penerapan peralatan tegangan tinggi yang menggunakan elektroda homogen untuk melindungi isolator dari tegangan lebih eksternal yang disebabkan oleh petir atau tegangan lebih internal yang disebabkan oleh switching surge. Teknik analisis data menggunakan cara analisis data kualitatif interpretatif dan analisis statistik secara elementer, yang digunakan sejak awal penelitian dimulai, diantaranya dalam memilih obyek, sample, mengklasifikasikan simbol hingga kesimpulan akhir penelitian. Analisis data secara statistik digunakan untuk memperkirakan kemungkinan tembus yang terjadi. I.
PENDAHULUAN Latar Belakang Udara termasuk isolasi jenis gas yang banyak digunakan untuk mengisolasi peralatan listrik tegangan tinggi. Penerapan peralatan tegangan tinggi yang menggunakan elektroda homogen untuk melindungi isolator dari tegangan lebih eksternal yang disebabkan oleh petir atau tegangan lebih internal yang disebabkan oleh switching surge. Isolasi antar elektroda menggunakan isolasi gas berupa udara yang kenyataannya akan mengalami perubahan karena iklim seperti panas matahari, hujan, kontaminasi asap dari hasil pembakaran yang berasal dari kendaraan bermotor, rumah tangga, industri, rokok, sampah. Untuk mengetahui besarnya tegangan tembus udara antara medan yang seragam dengan variasi tekanan dan temperatur maka dilakukan pemodelan berupa elektroda bola dengan material elektroda bola terbuat dari alumunium.
5. 6.
II.
DASAR TEORI Proses Dasar Ionisasi Inonisasi adalah proses munculnya ion disekitar elektroda karena meningkatnya tegangan yang diterapkan. Tegangan yang menyebabkan elektron keluar untuk pertama kalinya disebut tegangan insepsi. Kegagalan listrik yang terjadi di udara tergantung dari jumlah elektron bebas yang ada di udara. Penyebab tembus antara lain tekanan, temperatur, kelembaban, konfigurasi medan, tegangan yang diterapkan, material elektroda, kondisi permukaan elektroda. Pembangkitan ion antara lain dengan cara benturan (collision) elektron, ionisasi thermal, fotoionisasi dan pelepasan (detachment) elektron.
Tujuan Tujuan penulisan adalah untuk mengamati karakteristik dan menganalisa perubahan tegangan tembus pada isolasi gas berupa udara yang disebabkan oleh kenaikan tekanan dan temperatur yang bervariasi dalam medan homogen menggunakan elektroda bola.
1. 2. 3.
4.
1. 2. 3.
Isolasi gas yang digunakan adalah udara. Komposisi udara normal adalah 78 % nitrogen, 21 % oksigen dan 1 % uap air, karbondioksida, dan gas-gas lainnya.
2.2
Proses De-Ionisasi Proses de-ionisasi adalah kebalikan dari proses ionisasi. Proses ini terdiri dari kehilangan elektron dengan cara rekombinasi, penggabungan (attachment) elektron dan difusi. 2.3
Proses Dasar Kegagalan Gas Proses dasar ada dua jenis yaitu : a. Proses atau mekanisme primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran (avalanche) elektron. b. Proses atau mekanisme sekunder, yang memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran elektron. Proses terpenting dalam mekanisme primer adalah proses katoda, yaitu salah satu elektroda melepaskan elektron yang mengawali terjadinya kegagalan percikan. Fungsi kerja elektroda ada 2 (dua) yaitu elektroda dengan potensial tinggi (anoda) dan elektroda dengan potensial yang lebih rendah (katoda). Fungsi elektroda pelepas elektron adalah menyediakan elektron awal yang harus dilepaskan, mempertahankan pelepasan dan menyelesaikan pelepasan.
Pembatasan Masalah Pembatasan tugas akhir ini sebagai berikut : Penempatan elektroda adalah horizontal dan tegak lurus atau 90 o dengan lampu pijar dalam ruang uji. Jarak sela antara elektroda jarum 10 mm dan besarnya tetap untuk berbagai keadaan pengujian. Variasi tekanan udara berada dikisaran 760 mmHg, tekanan dalam ruang uji diatur dengan cara memompakan udara ke dalam ruang uji antara 0 – 22 mmH2O dengan suhu ruang konstan 300. Variasi temperatur dalam ruang uji diatur dengan menggunakan lampu pijar Philips dengan daya yang bervariasi antara 25 – 100 W tanpa tambahan tekanan udara. Mahasiswa teknik elektro Pembimbing 1 Pembimbing 2 1
2.3.1 Mekanisme Kegagalan Townsend Pada mekanisme primer, medan listrik yang ada di antara elektroda akan menyebabkan elektron yang dibebaskan bergerak cepat, sehingga timbul energi yang cukup kuat untuk menimbulkan banjiran elektron. Jumlah elektron ne yang terdapat dalam banjiran elektron pada lintasan sejauh dx akan bertambah dengan dne elektron. Persamaan ambang dapat ditulis sebagai berikut : Vs = h (pd) ...................................................................... (2.1) Hubungan ini dikenal dengan hukum Paschen. 2.3.2 Mekanisme Kegagalan Streamer Mekanisme Streamer (Raether, Loeb dan Meek) menjelaskan pengembangan pelepasan percikan langsung dari banjiran tunggal dimana muatan ruang yang terjadi karena banjiran itu sendiri mengubah banjiran tersebut menjadi streamer plasma. Sesudah itu daya hantar naik dengan cepat dan kegagalan terjadi dalam alur banjiran ini. Ciri utama teori kegagalan streamer, disamping proses ionisasi benturan ( ) Townsend, adalah postulasi sejumlah besar fotoionisasi molekul gas dalam ruang di depan streamer dan pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada ujung streamer. Muatan ruangan ini menimbulkan distorsi medan dalam sela. Ion-ion positif dapat dianggap stationer dibandingkan dengan elektron-elektron yang bergerak lebih cepat, dan banjiran terjadi pada sela dalam bentuk awan elektron yang membelakangi muatan ruang ion positif. Streamer dibedakan menjadi 2 (dua) jenis yaitu : a. Positif, atau streamer yang mengarah ke katoda. b. Negatif, atau streamer yang menuju ke anoda. Teori tentang streamer positif menjelaskan bahwa pada waktu banjiran telah menyeberangi sela, elektron-elektron tersedot ke dalam anoda, ion-ion tinggal dalam sela membentuk kerucut. Medan muatan ruang yang tinggi terjadi dekat anoda tetapi di tempat lain dengan kerapatan ion rendah, dan karena itu kehadiran ion-ion positif saja tidak akan menimbulkan kegagalan dalam sela. Namun, akan timbul fotoelektron-fotoelektron dalam gas yang mengelilingi banjiran yang disebabkan oleh pancaran foton-foton gas yang terionisasi pada tangkai (stem) banjiran. Elektron-elektron ini mengawali timbulnya banjiran bantu (auxiliary), yang jika medan muatan ruang yang terjadi karena banjiran utama kirakira sama besarnya dengan medan luar, akan mengarah kepada tangkai banjiran utama. Pelipat gandaan terbesar dalam banjiran bantu ini terjadi sepanjang sumbu banjiran utama di mana medan muatan ruang menunjang medan luar. Ion-ion positif yang tertinggal di belakang banjiran akan memanjang dan mengintensitas muatan ruang banjiran utama kearah katoda, dan proses ini berkembang menjadi streamer atau kanal yang merambat sendiri, artinya tindakan ini membentuk plasma penghantar yang memperdekat jarak antara katoda dan anoda. Sesudah itu streamer terus memanjang sehingga merentangi sela membentuk saluran penghantar berupa gas terionisasi antara elektroda.
yang juga akan manabrak molekul dan akan menghasilkan elektron. Penambah jumlah elektron dalam alirannya menuju anoda disebut avalanche. Gerakan elektron yang meninggalkan ion mempunyai kecepatan yang lebih lambat dan akan menuju anoda. Jumlah dari ion positif yang terbentuk di antara dua elektroda adalah sebagai akibat dari lepasnya elektron dari katoda. 2.4
Udara Udara adalah salah satu bentuk gas di alam yang secara umum terdiri dari 78 % nitrogen, 21 % oksigen dan 1 % uap air, karbondioksida, dan gas-gas lainnya. Udara ideal adalah gas yang hanya terdiri dari molekulmolekul netral, sehingga tidak dapat mengalirkan arus listrik. p . V m . R . T ............................................................... (2.2) Dimana : p = tekanan absolut (N /m2) V = volume ruang (m3) T = suhu absolut (oK) R = konstanta gas spesifik udara 287 J/(kg.o K) 2.5
Faktor Koreksi Keadaan Udara Untuk mengkoreksi hasil pengujian terhadap tekanan dan suhu dipakai rumus sebagai berikut : V Vs = B ........................................................................ (2.3) d b 273 20 0,386 b B d = B x ................................... (2.4) 760 273 t B 273 t B Dimana : Vs = tegangan lompatan pada keadaan standar (kV) VB = tegangan lompatan yang diukur pada keadaan sebenarnya (kV) d = kepadatan udara relatif (relative air density) bB = tekanan udara pada waktu pengujian (mm Hg) tB = suhu keliling pada waktu pengujian (oC) Hal ini karena, pengujian tidak dilakukan pada temperatur dan tekanan standar. Sebagai koreksi terhadap kelembaban udara mutlak dipakai rumus empiris sebagai berikut : Vs = VB . kH ...............................................................................................................................(2.5) Dimana : KH = faktor koreksi Apabila persamaan (2.3) dan (2.5) digabungkan, maka didapat rumus koreksi untuk mendapatkan keadaan atmosfer standar : k Vs = VB H .................................................................... (2.6) d Oleh karena sifatnya yang empiris, maka faktor koreksi kH tidak dapat dianggap tepat dan tidak selalu dapat dipakai. Oleh sebab itu, hanya persamaan (2.3) yang dipergunakan, dengan keterangan tambahan harga kelembaban udara pada waktu pengujian dilakukan.
2.3.3 Kegagalan Dalam Medan Seragam Karakteristik tegangan gagal pada medan seragam menurut hukum Paschen adalah sebagai fungsi dari panjang sela dan rapat gas relatif. Tegangan tembus pada medan seragam pada tekanan kurang dari sama dengan tekanan atmosfir mengikuti secara ketat mekanisme Townsend. Pada tekanan di atas tekanan atmosfir, berlaku mekanisme streamer. Pembentukan tembus menurut Townsend adalah jika diantara dua elektroda terdapat satu elektron saja di dekat katoda dengan kuat medan yang cukup besar maka elektron tersebut akan mampu menghasilkan ionisasi tubrukan dalam perjalanannya ke anoda. Tabrakan pertama akan menghasilkan satu elektron
2.6
Kelembaban Kelembaban didefinisikan sebagai besarnya kandungan uap air dalam udara. Rasio kelembaban ( ω ) adalah berat atau massa air yang terkandung dalam setiap kilogram udara kering. ps .......................................................... (2.7) ω = 0,622 p t - ps Dimana : = rasio kelembaban (kg uap air /kg udara kering) ω pt = tekanan atmosfer (kPa) 2
Ps
= tekanan parsial uap air dalam keadaan jenuh (kPa) Kelembaban relatif ( ) diperoleh dari pengukuran langsung dengan hygrometer.
mengurangi penggunaan isolasi dan faktor keamanan dari peralatan serta lingkungan sekitar laboratorium uji tegangan tinggi.
2.7
Tekanan Pengukuran tekanan pengujian menggunakan manometer air pipa U. Prinsip kerja manometer berdasarkan tekanan hidrostatis yang disebabkan oleh fluida diam.
pA
Udara luar po
h Akhir
Gambar 3.1 Elektroda bola
h Awal
3.1.3 Temperatur Pengujian Temperatur pengujian didasarkan pada data temperatur rata-rata harian di Indonesia oleh stasiun Geofisika Bandung. Temperatur pengujian diatur berdasarkan data diatas, mulai dari 30 oC sampai dengan 52 oC pada kondisi kering dengan cara menyalakan lampu hingga temperatur udara dalam box uji sesuai dengan yang diharapkan.
H2O Gambar 2.1 Manometer H2O pipa U pA = po + p . g . h .......................................................... (2.8) Dimana : p = massa jenis air = 1000 kg /m3 po = tekanan udara luar (N /m2) pA = tekanan absolut yang diukur (N /m2) g = gravitasi, (9,8 m /detik2)
3.1.4 Massa Udara Massa udara yang dimasukkan dalam box uji ditentukan dengan melihat beda tekanan ruang uji. Gas udara yang ditambahkan bervariasi dengan tekanan 2 – 22 mm H2O.
2.8
Standarisasi Untuk Isolasi Udara Di Indonesia dan Eropa, frekuensi yang digunakan adalah 50 Hertz. Sejumlah standar baku (IEC-Publication 52 tahun 1960) telah menyatakan jarak bebas yang minimum serta nilai tegangan tembus pada kondisi baku (b = 1013 mbar, t = 20 o C) untuk berbagai diameter bola D sebagai fungai besar bola s adalah : Udo = f (D,s) .................................................................... (2.9) Kelembaban udara tidak mempengaruhi tegangan tembus dari sela bola, tetapi nilainya perlu dicantumkan saat pengukuran. Standarisasi uji kegagalan dalam gas hanya untuk benda uji dengan elektroda bola oleh karena perbandingannya didasarkan pada besarnya tegangan tembus.
3.1.5 Pengukur Tekanan Prinsip pengukurannya dengan mengukur beda ketinggian sebelum dan sesudah gas dimasukkan dalam ruang uji dengan bantuan fluida pengukur berupa air (H2O) dengan massa jenis ( ) 1000 kg /m3. 3.2
Pengesetan Peralatan Dan Perencanaan Pengujian Sebelum pengujian peralatan perlu diperiksa untuk memastikan rangkaian terpasang dengan benar. Perencanaan untuk mempermudah dan mengurutkan proses pengujian agar waktu pelaksanaan pengujian menjadi lebih cepat. IV.
III.
DATA DAN ANALISA Proses pengambilan data dilakukan di laboratorium tegangan tinggi dengan beberapa kondisi pengujian untuk mengetahui karakteristik masing-masing keadaan pengujian.
SPESIFIKASI PERALATAN DAN METODOLOGI PENGUJIAN
3.1
Peralatan Dan Bahan Peralatan yang digunakan meliputi unit pembangkit tegangan tinggi bolak-balik, elektroda bola, thermometer, box uji, heater yang berupa lampu 25, 60, 75 dan 100 watt, tegangan rendah bolak balik 220 VF-N frekuensi 50 Hz, manometer air dan pompa udara.
Hasil pengujian. Pengujian isolasi udara menggunakan lampu 25W Philips, 0,25 Klux. Tabel 4.1 Data pengujian isolasi udara menggunakan lampu 25 W Philips.
3.1.1 Ruang Uji Ruang uji dari bahan plastik acrylic yang tahan terhadap temperatur sampai 180 oR. Box uji mempunyai dimensi luar yaitu panjang 180 mm, lebar 100 mm dan tinggi 260 mm. Volume ruang uji adalah 4680 cm3 atau sama dengan 0,004680 m3. Box uji digunakan untuk meletakkan elektroda bola, heater dan sebagai boundary gas serta panas yang dimasukkan dalam sistem saat pengujian tegangan tembus. 3.1.2 Elektroda Bola Elektroda bola yang digunakan untuk pengukuran tegangan tembus dielektrik udara dibuat dengan menggunakan bahan alumunium dengan diameter 50 mm dan panjang 70 mm. Jarak elektroda akan mempengaruhi tegangan tembus yang diterapkan pada isolasi udara. Jarak elektroda pada pengujian adalah 10 mm. Jarak yang pendek digunakan untuk
No
sela (mm)
1
10
Tegangan puncak / 2 (kV) Udara normal, tekanan 991mbar, kelembaban 50% 1 10 20 30 45 60 menit menit menit menit menit menit 300 C 320 C 330 C 340 C 350 C 360 C 21,55 21,9 21,98 21,6 22,1 22,21
2
10
21,89
22,07
21,27
21,35
21,72
21,72
3
10
21,94
22,18
21,25
22,23
21,78
21,55
4
10
22,29
22,13
21,87
21,34
21,93
21,87
5
10
22,21
21,78
22,87
22,15
21,38
21,70
6
10
22,30
21,93
22,13
22,25
21,93
21,70
22,03 0,2935
21,99 0,1532
21,89 0,6033
21,82 0,4385
21,80 0,2476
21,79 0,2286
Mean Standar deviasi
3
Pengujian isolasi udara menggunakan lampu 60 W Philips, 0,80 Klux.
4
10
21,61
21,29
22,04
22,96
23,30
24,30
5
10
21,44
21,72
21,93
23,19
23,73
24,30
Tabel 4.2 Data pengujian isolasi udara menggunakan lampu 60 W Philips pada waktu 1- 60 menit.
6
10
21,29
21,81
22,15
22,90
23,44
24,33
21,48 0,1776
21,71 0,2463
22,28 0,2959
23,14 0,1740
23,54 0,3119
24,42 0,1892
No
Mean Standar deviasi
Tegangan puncak / 2 (kV) Udara normal, tekanan 991mbar, kelembaban 50%
sela (mm) 1 menit 30 0 C
1
10
21,36
10 menit 360 C 21,18
20 menit 38 0 C 21,69
30 menit 430 C 20,46
45 menit 450 C 20,55
60 menit 460 C 20,57
2
10
21,36
21,81
21,15
20,84
20,69
20,97
3
10
21,41
21,43
21,87
21,12
20,75
20,72
4
10
21,55
21,55
20,92
20,92
20,75
20,8
5
10
21,26
21,21
20,61
21,09
21,16
21,09
6
10
21,47
21,15
20,75
20,89
21,03
20,79
Mean
21,40
21,38
21,16
20,88
20,82
20,82
Standar deviasi
0,1002
0,2598
0,5124
0,2371
0,2277
0,1839
Kemudian data diatas diolah sehingga dapat diperoleh nilai perhitungan yang diinginkan. 4.2 Data perhitungan tegangan tembus yang telah dikoreksi terhadap tekanan dan temperatur Kondisi
Temperatur
Kepadatan
VB
Vs
Rasio
pengujian
( oC)
udara
(kV)
(kV)
kelembaban
relatif (d)
(kg uap air /kg udara kering)
4.1.3 Pengujian isolasi udara menggunakan lampu 75W Philips, 1,0 Klux. Tabel 4.3 Data pengujian isolasi udara menggunakan lampu 75 W Philips pada waktu 1- 60 menit. No
sela (mm)
Tegangan puncak / 2 (kV) Udara normal, tekanan 991mbar, kelembaban 50% 1 menit 10 20 30 45 60 30 0 C menit menit menit menit menit 0 0 0 0 37 C 40 C 45 C 47 C 500 C 20,83 20,44 20,31 20,27 20,15 20,44
lampu
30
0,94682
22,03
23,268282
25W
32
0,94682
21,99
23,2260295
Philips,
33
0,94682
21,89
23.1204086
0,25
34
0,94682
21,82
23.046474
Klux
35
0,94682
21,80
23.0253499
36
0,94682
21,79
23.0147878
lampu
30
0,94682
21,40
22.60286
60W
36
0,94682
21,38
22.581742
Philips,
38
0,94682
21,16
22.349376
0,80
43
0,94682
20,88
22.053637
Klux
45
0,94682
20,82
21.990265
46
0,94682
20,82
21.990265
lampu
30
0,94682
20,47
21.620586
Tanpa tambahan
0,027813008
0,037407507
0,027813008
0,027813008
1
10
2
10
20,81
20,61
20,41
20,16
20,29
20,55
75W
37
0,94682
20,36
21.504409
3
10
20,32
20,28
20,25
20,25
20,19
20,04
Philips,
40
0,94682
20,24
21.377664
0,050018983
4
10
20,38
20,23
19,87
20,19
20,22
20,04
1,0
45
0,94682
20,23
21.367102
0,066674496
5
10
20,25
20,38
20,27
20,26
20,25
20,12
Klux
47
0,94682
20,22
21.356540
6
10
20,27
20,23
20,33
20,25
20,22
20,05
20,47 0,2697
20,36 0,1479
20,24 0,1896
20,23 0,0442
20,22 0,0481
20,20 0,2280
Mean Standar deviasi
tekanan
4.1.4 Pengujian isolasi udara menggunakan lampu 100W Philips, 1,4 Klux.
50
0,94682
20,20
21.335415
lampu
33
0,94682
20,24
21.377664
100W
37
0,94682
20,23
21.367102
Philips,
40
0,94682
20,21
21.345978
1,4
46
0,94682
20,16
21.293167
Klux
50
0,94682
20,14
21.272043
52
0,94682
20,12
21.250919
0,947018387
21,48
22.681713
0,947392922
21,71
22.91551,
0,947767584
22,28
23.50787,
0,027813008
0,948142207
23,14
24.40562
0,027813008
0,948516780
23,54
24.81769
0,027813008
0,948891379
24,42
25.73529
0,027813008
Tabel 4.4 Data pengujian isolasi udara menggunakan lampu 100 W Philips pada waktu 1- 60 menit. No
1 menit 33 0 C 1
10
20,55
10 menit 370 C 20,9
2
10
20,09
20,07
0,050018983
0,088564985
Tekanan
Tegangan puncak / 2 (kV) Udara normal, tekanan 991mbar, kelembaban 50%
sela (mm)
0,088564985
tambahan
20 menit 400 C 20,68
30 menit 460 C 20,22
45 menit 500 C 22,1
60 menit 520 C 22,21
20,27
20,55
19,72
19,72
3
10
20,04
20,18
20,15
20,13
19,78
19,55
4
10
20,29
20,13
20,17
19,84
19,93
19,87
5
10
20,21
20,18
19,87
20,15
19,38
19,7
6
10
30
(2 mm
0,027813008
H2O) Tekanan tambahan
30
0,027813008
(6mm H2O) Tekanan tambahan
30
(10 mm
20,3
19,93
20,13
20,1
19,93
19,7
H2O)
Mean
20,24
20,23
20,21
20,16
20,14
20,12
Tekanan
Standar deviasi
0,1818
0,3404
0,2652
0,2291
0,2476
0,1015
tambahan
30
(14 mm
4.1.5 Pengujian isolasi udara dengan tekanan udara 2, 6, 10, 14, 18, 22 mmH2O.
H2O)
Tabel 4.5 Pengujian isolasi udara dengan tekanan udara 2, 6, 10, 14, 18, 22 mmH2 O pada temperatur 300 C.
tambahan
Tekanan 30
(18 mm H2O)
No
sela (mm )
2 mmH2 O
Tegangan puncak / 2 (kV) Udara normal, , kelembaban 61% 6 10 14 18 mmH2 O mmH2 O mmH2 O mmH2 O
Tekanan tambahan
22 mmH2 O
1
10
21,58
22,01
22,61
23,27
24,08
24,53
2
10
21,29
21,61
22,64
23,27
23,50
24,30
3
10
21,72
21,84
22,33
23,30
23,24
24,76
(22 mm H2O)
4
30
Faktor koreksi (d) digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan tembus standar terhadap temperatur standar (20 oC) dan tekanan standar (760 mm Hg). Perumusan nilai kepadatan udara relatif sesuai dengan IEC 52 tahun 1960. Nilai kelembaban dicantumkan hanya sebagai informasi sesuai dengan pernyataan yang tertera sub bab 2.5. Pengaruh temperatur terhadap tegangan tembus udara dapat digambarkan sebagai berikut.
besar pula tegangan tembus pada sela udara. Besarnya kenaikan tekanan udara yang masuk belum tentu se-linier atau berbanding lurus dengan tegangan tembus. Hal ini karena tegangan tembus dipengaruhi faktor lain seperti kelembaban, tekanan, komposisi udara. Menurut (IEC 52 tahun 1960 kelembaban udara akan menyebabkan tegangan tembus semakin besar (The distruptive voltage of a sphere-gap increases with increases humidity of the air).
GRAFIK PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP TEGANGAN TEMBUS TEGANGAN TEMBUS (kilo Volt)
Nilai Pengaruh Tekanan Udara Dan Temperatur Terhadap Tegangan Tembus Kenaikan temperatur akan menyebabkan tegangan tembus sela bola dengan media udara menjadi semakin mudah. Sebaliknya, apabila jumlah massa udara yang berada dalam ruang uji dinaikkan maka akan terjadi perubahan besarnya nilai tegangan tembus, dengan kata lain tegangan tembus berbanding lurus dengan kenaikan tekanan tetapi berbanding terbalik dengan kenaikan temperatur. Peningkatan tekanan menunjukkan bahwa kadar udara yang berada dalam ruang uji semakin banyak. Dari data yang telah ada dapat diketahui nilai perkiraan (estimate value) sebagai berikut. a. Kondisi 1. Lampu 25 W Philips, 0,25 Klux tanpa tambahan tekanan. 1) Tegangan tembus akan turun sebesar 0,026544 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 2) Kenaikan range temperatur antara 30 oC - 52 oC. b. Kondisi 2. Lampu 60 W Philips, 0,8 Klux tanpa tambahan tekanan. 1) Tegangan tembus akan turun sebesar 0,0398 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 2) Kenaikan range temperatur antara 30 oC - 52 oC c. Kondisi 3. Lampu 75 W Philips; 1,0 Klux tanpa tambahan tekanan. 1) Tegangan tembus akan turun sebesar 0,013876 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 2) Kenaikan range temperatur antara 30 oC - 52 oC. d. Kondisi 4. Lampu 100 W Philips; 1,4 Klux tanpa tambahan tekanan. 1) Tegangan tembus akan turun sebesar 0,0085 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 2) Kenaikan range temperatur antara 30 oC - 52 oC. e. Kondisi 5. Tanpa lampu dengan tekanan udara 22 – 2 mm air. 1) Tegangan tembus akan turun sebesar 0,0294 kV setiap terjadi penurunan tekanan udara 1 (satu) mm air. 2) Temperatur konstan 30 oC. Secara tabel kenaikan tegangan tembus untuk beberapa kondisi diatas sebagai berikut.
22,50
22,00
21,50 21,00
20,50
20,00 28
36 40 TEMPERATUR
32
44
48
52
56
60
(DERAJAT CELCIUS)
Lampu 75 W (tekanan =0 mmH2O) Lampu 100 W (tekanan =0 mmH 2O)
Lampu 25 W (tekanan =0 mmH2O) Lampu 60 W (tekanan =0 mmH2O)
Gambar 4.1 Grafik pengaruh temperatur terhadap tegangan tembus udara.
Massa total udara adalah massa udara awal ditambah massa udara yang dimasukkan dalam ruang uji. Massa udara awal dan massa udara total dapat diketahui melalui perhitungan. Laju aliran massa udara secara umum dapat digambarkan dalam diagram Sankey. Massa udara yang dimasukkan
m2
mout
Massa mula-mula udara campuran
m1
Massa akhir udara
campuran
Gambar 4.2 Diagram Sankey laju aliran massa udara.
Semakin besar jumlah udara maka tegangan tembus juga akan semakin besar. Hal ini karena udara bersifat non konduktif. Secara grafik tekanan udara dengan tegangan tembus standar pada beberapa kondisi dapat digambarkan sebagai berikut. GRAFIK TEGANGAN TEMBUS SAAT PENGUJIAN TERHADAP TEKANAN PADA SUHU 300 C TEGANGAN TEMBUS (kilo Volt) 24,25
23,75
23,25
22,75
Tabel 4.4
22,25
21,75
1.
21,25 2
Grafik 4.3
6
2.
10
14 18 22 26 ( mmH2O) TEKANAN Tegangan tembus saat pengujian
3.
Pengujian isolasi udara dengan tekanan udara 2, 6, 10, 14, 18, 22
4.
mmH2 O.
5.
Dari data diatas terlihat bahwa kenaikan tekanan udara tiap satuan massa akan mempengaruhi tegangan tembus sela bola. Semakin besar kenaikan tekanan udara maka makin
Data nilai perkiraan penurunan tegangan tembus standar terhadap tekanan dan temperatur. Kondisi pengujian Penurunan Tegangan tembus (kV) Lampu 25W Philips, 0,25 Klux 0,0265 tanpa tambahan tekanan Lampu 60W Philips, 0,8 Klux 0,0398 tanpa tambahan tekanan Lampu 75W Philips; 1,0 Klux 0,0138 tanpa tambahan tekanan Lampu 100W Philips; 1,4 Klux 0,0085 tanpa tambahan tekanan Tanpa lampu dengan tekanan 0,0294 udara 22 – 2 mm air
Dari tabel diatas terlihat jelas bahwa perubahan massa udara dalam volume tertentu akan mengakibatkan 5
perubahan terhadap tegangan tembus elektroda yang berada dalam volume tersebut. Semakin besar massa udara yang dimasukkan maka diperlukan tegangan yang lebih tinggi untuk proses terjadinya tembus udara. Tabel dibuat berdasarkan nilai rata-rata. Hal ini dapat dilakukan jika data yang ada bersifat relatif homogen dan dapat dilihat dari nilai standar deviasi.
DAFTAR PUSTAKA 1. Arismunandar, A, “ Teknik Tegangan Tinggi Suplemen “, Ghalia, 1982 2. ___________, “ Teknik Tegangan Tinggi “, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 2001 3. Hilton, Nils. “ High Voltage Laboratory Planning “, Emil Haefely and Cie AG, Bassel-Switzerland, 1986 4. Kind, Dieter, “ An Introduction ti High Voltage Experimental Technique “, Willev Eastern Limited 1993 5. __________, “ Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi “ terjemahan K.T. Sirait, ITB, Bandung 1993 6. __________, “ High Voltage Insulation Technology “, Indian Institut of Technology, India 1993 7. Maller and Naidu, et al, “ High voltage Engeneering “, second edition, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, 1995 8. Sirait “ Teknik Tegangan Tinggi “, ITB, 1986 9. Syakur, Abdul, “ Modul Praktikum Gejala Medan & Tegangan Tinggi “, Laboratorium Konversi Energi dan Sistem Tenaga Listrik Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik – UNDIP, Semarang, 2004
V 5.1
PENUTUP Kesimpulan Dari hasil pengukuran dan perhitungan tegangan tembus gas dengan dielektrik udara, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Kenaikan temperatur dan tekanan sekitar elektroda mengakibatkan tegangan tembus udara semakin kecil karena elektron memperoleh energi panas, sehingga terjadinya proses ionisasi semakin cepat. 2. Tegangan tembus udara berbanding lurus dengan tekanan dan prosentase udara, akan tetapi berbanding terbalik dengan kenaikan temperatur. Hal ini karena udara sebagai gas elektronegatif memiliki sifat elektrik non konduktif. Tegangan tembus berbanding lurus dengan kelembaban udara (International Electrotechnical Commission Publication 52 tahun 1960 : 23). 3. Pada kondisi 1. Lampu 25W Philips, 0,25 Klux tanpa tambahan tekanan, tegangan tembus akan turun sebesar 0,026544 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 4. Pada kondisi 2. Lampu 60W Philips, 0,8 Klux tanpa tambahan tekanan, tegangan tembus akan turun sebesar 0,0398 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 5. Pada kondisi 3. Lampu 75W Philips; 1,0 Klux tanpa tambahan tekanan, tegangan tembus akan turun sebesar 0,013876 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 6. Pada kondisi 4. Lampu 100W Philips; 1,4 Klux tanpa tambahan tekanan, tegangan tembus akan turun sebesar 0,0085 kV setiap terjadi kenaikan temperatur 1 (satu) derajat celcius. 7. Pada kondisi 5. tanpa lampu temperatur konstan 30 oC dengan tekanan udara 22 – 2 mm air, tegangan tembus akan turun sebesar 0,0294 kV setiap terjadi penurunan tekanan udara 1 (satu) mm air.
Arif Wibowo (L2F 303426) Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik universitas Diponegoro Semarang dengan pilihan Konsentrasi Tenaga Liatrik
Menyetujui, Dosen Pembimbing Pembimbing I
Abdul Syakur, ST.MT. NIP. 132 231 132
5.2
Saran Saran yang dapat dikemukakan bagi para pembaca dan peminat dalam bidang isolasi gas yang berupa udara, dapat meneruskan penelitian ini dengan tegangan searah dan atau tegangan impuls.
6
Pembimbing II
Ir. Agung Nugroho NIP. 131 668 508
