Bahan dielektrik isolator

TINJAUAN PUSTAKA

II.1.3 Bahan dielektrik isolator

Suatu isolator yang baik mempunyai bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Walaupun ada yang sanggup menghantarkan arus listrik namun relative kecil sehingga bisa diabaikan.

Bahan-bahan isolasi yang dipakai untuk isolator jaringan kebanyakan terbuat dari bahan padat, seperti bahan porselin, gelas, mika, ebonit, keramik, parafin, kuarts, dan veld spaat. Persyaratan bahan isolator adalah : [2]

10

1. Bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik.

2. Bahan isolasi yang ekonomis, tanpa mengurangi kemampuannya sebagai isolator. Sebab makin berat dan besar ukuran isolator tersebut akan mempengaruhi beban penyangga pada sebuah tiang listrik.

3. Bahan yang terbuat dari bahan padat, seperti : porselin, gelas, mika, ebonit, keramik, parafin, kuarts, dan veld spaat.

Ada dua jenis bahan isolator yang paling sering digunakan pada isolator yaitu berbahan porselin/keramik dan gelas/kaca seperti pada Gambar 2.3 :[2]

1. Porselen

Bahan isolator porselin terdiri dari bahan campuran tanah porselin, kwarts, dan veld spat, yang bagian luarnya dilapisi dengan glazuur agar bahan isolator tidak berpori. Dengan lapisan glazuur permukaan isolator menjadi licin dan berkilat, sehingga tidak menghisap air. Kekuatan mekanik dari isolator porselin ini bergantung terhadap cara pembuatannya. Kemampuan mekanis suatu porselen standar dengan diameter 2-3 cmadalah 45.000 kg/cm2 untuk beban tekan; 700kg/cm2 untuk beban tekuk dan 300 kg/cm2 untuk beban tarik. Sehingga dapat disimpulkan bahwa porselen adalah bahan yang memiliki kemampuan mekanik yang sangat baik pada beban tekan. Kekuatan mekanik dari porselen akan berkurang jika dilakukan penambahan luas penampang porselen. Sedangkan kemampuan dielektrik porselin dengan tebal 1,5 mm memiliki kekuatan dielektrik sebesar 22-28 kVrms/mm. Jika tebal dielektrik bertambah maka kemampuan dielektrik bahan berkurang. Hal ini terjadi karena medan elektriknya tidak seragam. Bila tebal bertambah dari 10 mm menjadi 30 mm kekuatan dielektrik berkurang dari 80 kVrms/mm menjadi 55 kVrms/mm. Kekuatan dielektrik porselen pada tegangan impuls adalah 50- 70 % lebih tinggi daripada kekuatan dielektrik pada frekuensi daya.

11

Keuntungan dari penggunaan isolator berbahan porselin ini adalah : a. Terbuat dari dari bahan campuran tanah porselin, kwarts, dan veld

spaat,

b. Bagian luarnya dilapisi dengan bahan glazuur agar bahan isolator tersebut tidak berpori-pori. Dengan lapisan glazuur ini permukaan isolator menjadi licin dan berkilat, sehingga tidak dapat mengisap air. c. Dapat dipakai dalam ruangan yang lembab maupun di udara terbuka. d. Memiliki sifat tidak menghantar (non conducting) listrik yang tinggi,

dan memiliki kekuatan mekanis yang besar.

e. Dapat menahan beban yang menekan serta tahan akan perubahan- perubahan suhu.

f. Memiliki kualitas yang lebih tinggi dan tegangan tembusnya (voltage gradient) lebih besar, sehingga banyak disukai pemakaiannya untuk jaringan distribusi primer. Kadang-kadang kita jumpai isolator porselin ini pada jaringan distribusi sekunder, tetapi ukurannya lebih kecil.

Kelemahan dari penggunaan isolator berbahan porselin ini adalah : a. Tidak tahan akan kekuatan yang menumbuk atau memukul.

b. Ukuran isolator porselin ini tidak dapat dibuat lebih besar, karena pada saat pembuatannya terjadi penyusutan bahan. Walaupun ada yang berukuran lebih besar namun tidak seluruhnya dari bahan porselin, akan tetapi dibuat rongga di dalamnya, yang kemudian akan di isi dengan bahan besi atau baja tempaan sehingga kekuatan isolator porselin bertambah. Cara yang demikian ini akan menghemat bahan yang digunakan.

c. Harganya lebih mahal tetapi lebih memenuhi persyaratan yang diinginkan.

12

2. Gelas

Bahan penyusun dari isolator gelas terdiri dari bahan campuran antara pasir silikat, dolomit, dan phospat. Isolator gelas memiliki sifat mengkondensir (mengembun) kelembapan udara, sehingga debu lebih mudah melekat dipermukaan isolator. Kekuatan mekanik dan dielektrik dari isolator gelas bergantung pada kandungan alkali pada isolator tersebut. Kekuatan dielektrik gelas alkali tinggi adalah 17,9 kVrms/mm sedangkan kemampuan dielektrik gelas alkali rendah adalah 48kVrms/mm.

Keuntungan dari penggunaan isolator gelas ini adalah :

1. Terbuat dari bahan campuran antara pasir silikat, dolomit, dan phospat. Komposisi bahan tersebut dan cara pengolahannya dapat menentukan sifat dari isolator gelas ini.

2. Lebih banyak dijumpai pemakaiannya pada jaringan distribusi sekunder.

3. Isolator gelas ini harganya lebih murah bila dibandingkan dengan isolator porselin.

Kelemahan dari penggunaan isolator gelas ini adalah :

a. Memiliki sifat mengkondensir (mengembun) kelembaban udara, sehingga lebih mudah debu melekat dipermukaan isolator tersebut. b. Makin tinggi tegangan sistem makin mudah pula terjadi peristiwa

kebocoran arus listrik (leakage current) lewat isolator tersebut,yang berarti mengurangi fungsi isolasinya.

c. Memiliki kualitas tegangan tembus yang rendah, dan kekuatannya berubah dengan cepat sesuai dengan perubahan temperatur.

d. Saat terjadi kenaikan dan penurunan suhu secara tiba-tiba, maka isolator gelas ini akan mudah retak pada permukaannya. Berarti isolator gelas ini bersifat mudah dipengaruhi oleh perubahan suhu

13

disekelilingnya. Tetapi bila isolator gelas ini mengandung campuran dari bahan lain, maka suhunya akan turun.

(a) (b) Gambar 2.3 Isolator (a) Porselen (b) Kaca

II.1.4 Tahanan permukaan

Apabila isolator memikul tegangan searah, maka arus akan mengalir melalui permukaan dan bagian dalam isolator. Arus yang melalui permukaan disebut arus permukaan. Sedangkan hambatan yang dialami arus ini disebut tahanan permukaan. Arus yang melalui bagian dalam isolator disebut arus volume dan hambatan yang dialami arus tersebut disebut tahanan volume. Besarnya tahanan volume dipengaruhi oleh bahan isolator yang digunakan. Sedangkan besarnya tahanan permukaan dipengaruhi oleh kondisi dari permukaan isolator. Jumlah arus volume dan arus permukaan disebut arus bocor [3].

Jika tegangan yang dipikul isolator adalah tegangan AC, maka selain kedua jenis arus tersebut, pada isolator juga mengalir arus kapasitif. Arus kapasitif terjadi karena adanya kapasitansi yang dibentuk isolator dengan elektroda. Pada Gambar 2.4 ditunjukkan arus permukaan, arus volume dan arus kapasitif yang mengalir pada suatu isolator.

14 Gambar 2.4 Komponen Arus Bocor pada Isolator.

Rangkaian listrik ekivalen suatu isolator ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Rangkaian ekuivalen arus bocor isolator.

Keterangan:

Ip = arus permukaan isolator. IV = arus volume isolator.

Ic = arus kapasitif yang timbul pada isolator. IB = arus bocor isolator.

Rp = tahanan permukaan pada isolator. Rv = tahanan volume pada isolator. C = kapasitansi disekitar isolator.

15

Adapun arus bocor yang mengalir melalui suatu isolator adalah :

�� = �� +��+�� (2.1)

Karena tahanan volume relatif besar dibandingkan dengan tahanan permukaan, maka menyebabkan arus volume dapat diabaikan. Sehingga, arus bocor total menjadi :

�� =��+�� (2.2)

Dengan demikian, rangkaian ekuivalen isolator menjadi seperti pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Rangkaian Ekuivalen Isolator Mengabaikan Arus Volume.

Tahanan permukaan isolator dapat bervariasi, bergantung pada material yang menempel pada permukaan isolator. Keadaan iklim, daerah pemasangan isolator serta kelembaban udara menjadi faktor yang mempengaruhi besar dari tahanan permukaan isolator. Polutan yang menempel pada permukaan isolator akan menyebabkan tahanan permukaan isolator turun dan meningkatkan besar arus permukaan yang mengalir pada permukaan isolator sehingga arus bocor semakin besar.

16

II.1.5 Isolator terpolusi

Isolator akan dilapisi oleh polutan baik berada pada ruang terbuka maupun tertutup. Polutan ini dapat mempengaruhi konduktivitas permukaan dari isolator tersebut sehingga dapat menyebabkan kegagalan isolasi. Berdasarkan sifatnya polutan terdiri dari :

• Polutan yang bersifat konduktif

Polutan yang bersifat konduktif adalah polutan yang mampu menghantarkan arus listrik. Terdiri dari garam-garam yang mampu terurai menjadi ion-ion misalnya NsCl, MgCl2 , Na2SO4, dan sebagainya. Dalam suatu larutan garam-garam mudah terurai dan dapat mempengaruhi tahanan permukaan isolator, karena garam-garam tersebut akan membentuk suatu lapisan konduktif pada permukaan isolator.

• Polutan yang bersifat inert

Polutan yang bersifat lembam (inert) merupakan bagian dari zat padat yang tidak dapat terurai menjadi ion-ion dalam larutan, namun komponen ini dapat menyebabkan ketahanan permukaan isolator. Zat-zat seperti SiO2, tanah liad (kaolin) dapat membentuk suatu ikatan mekanis untuk mengikat komponen-komponen konduktif. Ikatan mekanis yang terbentuk akan mempersulit proses pencucian isolator. Perbedaan tingkat pengotoran antara permukaan atas dengan permukaan bawah akan terlihat pada isolator yang banyak mengandung komponen-komponen yang bersifat lembam. Polutan lembam terbagi dua sifat yakni hydrophilic dan hydrophobic. Komponen hydrophilic dapat meningkatkan tingkat kebasahan permukaan isolator karena kemampuan menyerap air, contohnya tanah liad dan semen. Sedangkan komponen hydrophobic menurunkan tingkat kebasahan isolator, karena sifat kedap air, contohnya lemak dan oli ( minyak ), yang menyebabkan air tidak dapat menempel pada permukaan isolator sehingga lapisan konduktif yang terbentuk tidak kontiniyu.

17

Polutan yang terbentuk biasanya bukan hanya berasal dari keadaaan alam namun bebereapa polutan terbentuk dari sisa aktivitas makhluk hidup. Beberapa jenis polutan yang sangat berpengaruh terhadap tahanan permukaan isolator : [1]

• Garam. Garam ini dapat berasal dari udara yang berhembus dari laut dan yang berasal dari zat kimia di jalanan yang menguap.

• Limbah pabrik dalam bentuk gas seperti karbon dioksida, klorin dan sulfur oksida dari pabrik kimia dan sebagainya.

• Kotoran burung.

• Pasir di daerah gurun.

Kondisi cuaca akan mempengaruhi polusi pada permukaan isolator ini. Angin dapat membawa garam dan pasir sampai ke permukaan isolator. Hujan deras dapat membersihkan polutan terutama di bagian atas permukaan isolator sedangkan gerimis, kelembaban yang tinggi, dan kabut akan membuat lapisan polutan menjadi basah. Untuk mengurangi polusi pada permukaan isolator, dilakukan beberapa usaha sebagai berikut : [1]

 Pencucian

Isolator pada saluran maupun pada gardu induk dapat dicuci dalam keadaan tidak bertegangan maupun saat bertegangan. Pencucian dapat dilakukan secara otomatis dan manual seperti dengan menggunakan helikopter. Untuk pencucian dalam keadaan bertegangan, ada 2 syarat yang harus diperhatikan yaitu:

1. Air yang digunakan adalah air murni tanpa mineral danmemiliki tahanan jenis lebih besar dari 50.000 O cm.

2. Urutan pencucian harus dimulai dari bawah ke atas untuk mencegah terkumpulnya polutan.

 Pelapisan (greasing/coating)

Salah satu metode untuk mencegah kegagalan isolasi pada isolator adalah dengan melapisi permukaan isolator dengan lapisan minyak.

18

Keuntungan dari metode ini adalah mendapatkan sifat hidrofobik, yaitu sifat bahan yang membuat permukaannya tetap kering karena air sulit untuk menempel pada permukaannya. Bahan yang bersifat hidrofobik yaitu minyak dan lilin. Keuntungan lainnya dari metode ini adalah terperangkapnya atau terikatnya polutan oleh minyak dan mencegah polutan ini basah akibat embun. Minyak yang digunakan terbuat dari silikon atau hidrokarbon. Kekurangan metode ini adalah harus mengganti minyak yang telah lama digunakan, biasanya dilakukan setiap tahun.  Perpanjangan sirip (extender shed)

Sirip isolator diperpanjang dengan bahan polimer seperti di tunjukkan pada Gambar 2.7. Perpanjangan sirip ini dipasangkan pada sirip isolator dengan menggunakan perekat dan tidak boleh ada celah udara di antara sirip porselin dengan sirip tambahan karena akan menyebabkan peluahan sebagian pada celah udara ini yang akan merusak polimer dan isolator. Selain memperpanjang jarak rambat, perpanjangan sirip ini memudahkan air yang membawa polutan akibat hujan atau embun untuk mengalir dari permukaan isolator.

Tambahan Polimer

Sirip Porselin

Gambar 2.7 Perpanjangan Sirip yang Terpasang pada Isolator Porselin [1]

II.2 Penggolongan Tingkat Pengotoran

IEC menggolongkan bobot polusi isolator menjadi 4 tingkatan seperti Tabel 2.1. Metode yang digunakan adalah metode ESDD (equivalent salt density deposit). Metode ESDD dilakukan dengan mengukur konduktivitas polutan

19

kemudian disetarakan dengan bobot garam dalam larutan air yang konduktivitasnya sama dengan konduktivitas polutan tersebut.

Tabel 2.1 Penggolongan Bobot Polusi Berdasarkan IEC 60050-815: 2000 Edisi 01

Tingkat Pengotoran ESSD

Sangat Ringan 0 – 0.03

Ringan 0.03 – 0.06

Sedang 0.06– 0.1

Berat >0.1

Selain standar diatas, IEC 815 juga menentukan bobot polusi dengan metode ESDD dan tinjauan lapangan. Penentuan tingkat bobot polusi isolator dengan metode tinjauan lapangan ditunjukkan pada Tabel 2.2 berikut :

Tabel 2.2 Tingkat Polusi Dilihat dari Lingkungannya Berdasarkan IEC 815 [2][1]

Tingkat Polusi

Contoh Lingkungan ESDD

(mg/cm2)

Ringan

- Wilayah dengan sedikit industri dan rumah penduduk dengan sarana pembakaran rendah. - Wilayah pertanian (penggunaan pupuk dapat

meningkatkan bobot polusi) dan pegunungan. - Wilayah dengan jarak 10km atau lebih dari laut

dan tidak ada angin laut yang berhembus.

Cat : Semua kawasan terletak paling sedikit 10 – 20 km dari laut dan bukan kawasan terbuka bagi hembusan angin langsung dari laut.

0.06

Sedang

- Wilayah dengan industri yang tidak menghasilkan polusi gas.

- Wilayah dengan kepadatan tinggi dan/atau kawasan industri kepadatan tinggi yang sering hujan dan/atau berangin.

20  Lanjutan Tabel 2.2

Tingkat Polusi

Contoh Lingkungan ESDD

(mg/cm2)

- Wilayah yang tidak terlalu dekat dengan pantai kira kira beberapa kilometer.

Berat

- Wilayah banyak industri dan perkotaan dengan sarana pembakaran yang tinggi.

- Wilayah dekat laut atau senantiasa terbuka bagi hembusan angin laut yang kencang.

0.60

Sangat Berat

- Sangat dekat pantai

- Sangat dekat dengan kawasan Industri

- Wilayah padang pasir dengan tidak adanya hujan untuk jangka waktu yang lama.

>0.60