TINJAUAN PUSTAKA
II.3 Lewat Denyar (Flashover)
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
II.3 Lewat Denyar (Flashover)
Lewat denyar (flashover) pada isolator adalah suatu peristiwa pelepasan muatan melalui permukan isolator dari konduktor bertegangan yang dipikul isolator ke lengan mentara hantaran udara. Peristiwa ini menyebabkan kegagalan isolator mengisolasi konduktor transmisi dengan lengan menara. Lewat denyar (flashover) dapat terjadi pada beberapa kondisi, yaitu pada kondisi permukaan Isolator bersih, dan pada kondisi permukaan isolator terpolusi. Saat permukaan isolator bersih, lewat denyar yang terjadi disebabkan oleh tembusnya udara di sekitar permukaan. Bila permukaan isolator dilapisi polutan, tahanan permukaan isolator akan turun sehingga arus bocor yang mengalir akan semakin besar dibandingkan dengan arus bocor pada kondisi permukaan bersih. Arus ini akan menyebabkan terbentuknya jalur konduktif yang merupakan awal terjadinya peristiwa lewat denyar. Karena peristiwa lewat denyar disebabkan karena tembusnya udara di sekitar permukaan isolator, maka faktor-faktor udara yang
mempengaruhi lewat denyar (flashover) disekitar permukaan isolator tersebut, antara lain:
1. Temperatur udara. Temperatur udara yang tinggi akan meningkatkan jumlah proses ionisasi thermis dan emisi thermis.
2. Tekanan udara. Pada kondisi tekanan udara besar, jumlah molekul di dalam udara semakin banyak yang artinya proses ionisasi semakin banyak. Tetapi bila tekanan terlalu tinggi, gerakan muatan dari proses ionisasi akan terhambat sehingga proses ionisasi berikutnya semakin sedikit. Bila tekanan udara terlalu rendah, jumlah molekul yang sedikit akan menyebabkan proses ionisasi yang sedikit juga. Persamaan faktor koreksi (
) untuk tegangan pada suhu t oC dan tekanan p mmHg dapat dilihat pada Persamaan 2.1[1] dan persamaan tegangan flashover pada keadaan standar (suhu 20 oC dan tekanan 760 mmHg) dapat dilihat pada Persamaan 2.2[2].
� = 0,386�
273 +� (2.1)
Dimana :
� = faktor koreksi suhu dan tekanan udara.
p = tekanan udara (mmHg).
t = suhu udara ( ).
���
=
�δ (2.2)
Dimana:
��� = tegangan flashover pada suhu 20 dan tekanan 760 mmHg (kV).
3. Kelembaban udara. Bila kelembaban tinggi, kandungan air dalam udara meningkat sehingga mudah terjadi ionisasi karena air memiliki energi ikat yang lebih rendah dari kandungan lain dalam udara. Energi ikat air sekitar 13,6 eV, nitrogen (N) sekitar 17,1 eV, CO2 sekitar 14,6 eV, H2 sekitar 15,6 eV, dan oksigen (O2) sekitar 12,08 eV. Elektronvolt (eV) merupakan satuan dari energi suatu partikel yang besarnya 1,6 x 10-19 Joule. Bila kandungan air semakin banyak maka udara akan lebih mudah terionisasi dan menyebabkan kekuatan dielektrik udara turun. Kekuatan dielektrik medan listrik yang mampu dipikul oleh suatu bahan dielektrik tanpa mengakibatkan bahan tersebut tembus listrik. Semakin banyak kandungan air dalam udara menyebabkan udara semakin mudah terionisasi. Hal ini menyebabkan turunnya tegangan yang diperlukan untuk membuat udara tersebut tembus listrik. Saat permukaan isolator bersih, kelembaban yang tinggi menyebabkan terbentuknya butiran-butiran air pada permukaan isolator sehingga konduktivitas permukaan isolator naik (konduktivitas permukaan porselin pada kelembaban 50 %RH adalah 1,6 pS sedangkan konduktivitas air yang sangat murni pada suhu 25 ºC adalah 5,5 µS/m). Hal ini juga menyebabkan kenaikan arus bocor. Tetapi karena konduktivitas air lebih rendah dari pada polutan yang basah, arus bocor saat permukaan isolator bersih lebih rendah dari pada arus bocor saat permukaan isolator dilapisi polutan. Saat permukaan isolator dilapisi polutan, kelembaban yang tinggi menyebabkan polutan dipermukaan isolator basah. Kemudian peristiwa lewat denyar seperti yang telah dijelaskan dapat terjadi dan pada saat yang bersamaan kelembaban juga
membuat kekuatan dielektrik udara turun sehingga tegangan lewat denyar isolator turun.
a) Mekanisme lewat denyar pada kondisi isolator bersih
Pada kondisi isolator bersih, peristiwa lewat denyar terjadi karena tembus listrik udara di sekitar permukaan isolator tersebut. Udara biasanya bersifat isolatif karena memiliki sedikit elekron bebas. Tetapi karena udara berubah menjadi konduktif karena faktor lingkungan, sifat isolatif tadi berubah menjadi konduktif karena proses ionisasi dan emisi.
Ionisasi dalah peristiwa terlepasnya elektron dari ikatan atom netral sehingga menghasilkan elektron bebas dan ion positif. Proses ionisasi dapat dilihat pada Gambar 2.5.
(a) Suatu elektron bebas (b) Elektron terikat keluar membentur elektron lintasannya menjadi
1) Ionisasi thermis
2) Ionisasi radiasi sinar kosmis 3) Ionisasi radiasi foton (fotoionisasi) 4) Ionisasi benturan
Emisi adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu logam menjadi elektron bebas. Dalam keadaan normal, elektron tidak dapat terlepas dari permukaan logam karena adanya gaya elektrostatik antar elektron dengan ion dalam kisi logam. Supaya elektron ini dapat keluar dari permukaan logam, diperlukan sejumlah energi luar. Besarnya energi ini didefenisikan sebagai fungsi kerja dengn satuan elektron volt (eV) yang berbeda untuk setiap jenis logam. Ada beberapa proses emisi yang menyebabkan terjadinya banjiran elektron, antara lain:
1) Emisi thermis
2) Emisi benturan ion positif 3) Emisi medan tinggi.
b) Mekanisme lewat denyar pada isolator terpolusi
Permukaan isolator sistem tranmisi hantaran udara yang terpasang diluar akan dilapisi oleh polutan. Ketika polutan dalam keadaan kering, polutan masih bersifat tidak konduktif. Tetapi bila polutan basah dikarenakan gerimis atau kabut, lapisan polutan akan larut dan membentuk larutan elektrolit yang konduktif. Akibatnya tahanan permukaan akan turun dan arus bocor naik dalam orde beberapa miliampere. Arus bocor ini akan memanaskan larutan elektrolit pada permukaan isolator sehingga terbentuk lapisan kering. Pada lapisan kering ini, medan listrik cukup besar sehingga udara di sekitarnya dapat mengalami ionisasi. Kemudian udara akan tembus listrik dan arus mengalir melalui busur api pada lapisan kering yang akan mengeringkan larutan elektrolit selanjutnya dan memperpanjang lapisan kering. Proses ionisasi akan terjadi lagi dan menyebabkan perpanjangan busur api dan proses di atas akan terus terjadi pada isolator piring
dan peristiwa lewat denyar terjadi. Mekanisme lewat denyar pada isolator terpolusi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Isolator Terpolusi dan Rangkaian Ekivalennya
Lapisan polutan yang konduktif dapat dianggap sebagai suatu tahanan yang menghubungkan kedua jepitan logam isolator. Tahanan lapisan polutan jauh lebih rendah daripada tahanan dielektrik padat isolator. Jika jepitan (a) bertegangan dan jepitan (d) dibumikan, maka arus bocor (Ib) akan mengalir melalui lapisan konduktif dari jepitan (a) ke (d), sedang arus yang melalui dielektrik padat diabaikan. Arus bocor ini akan menimbulkan panas yang besarnya sama dengan kuadrat arus bocor dikali dengan tahanan permukaan dari (a) ke (d). Panas yang terjadi akan mengeringkan lapisan polutan dan pengeringan awal terjadi pada kawasan permukaan isolator yang berdekatan dengan jepitan logam isolator. Pengeringan tersebut akan membuat tahanan lapisan polutan di kawasan jepitan isolator semakin besar. Akibatnya beda tegangan pada lapisan polutan yang kering (Vab) semakin besar dan menimbulkan kuat medan elektrik di sekitarnya naik. Jika kuat medan elektrik ini melebihi kekuatan dielektrik udara di sekitar isolator, maka akan terjadi peluahan dari titik (a) ke titik (b). Busur api akibat peluahan ini membuat lapisan polutan yang kering (a-b) terhubung singkat, akibatnya arus bocor semakin besar. Demikian seterusnya secara berangsur-angsur busur api semakin panjang
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Isolasi merupakan hal penting yang tidak dapat dipisahkan dari peralatan tegangan tinggi. Isolasi tersebut memiliki fungsi untuk mengisolir suatu konduktor bertegangan dengan kerangka penyangga yang dibumikan sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir dari konduktor tersebut ke tanah. Pada umumnya di daerah terbuka, Isolator akan terlapisi oleh polutan-polutan yang berasal dari lingkungan sekitar. Konduktivitas polutan tersebut yang akan menyebabkan turunnya tahanan permukaan isolator. Dengan menurunnya tahanan permukaan isolator, secara langsung akan mempengaruhi tegangan
flashover isolator tersebut. Flashover adalah gangguan yang terjadi berupa loncatan api yang terjadi antar isolator atau kompenen listrik tegangan tinggi. Hal ini dapat terjadi akibat gagalnya isolasi dari sistem tegangan tinggi tersebut. Oleh karena itu, kondisi permukaan isolator dan kondisi udara sangat mempengaruhi tegangan flashover isolator seperti polutan yang menempel pada permukaan isolator dan kelembaban udara yang membuat kekuatan dielektrik udara menurun. Turunnya kekuatan dielektrik udara membuat tegangan
flashover isolator semakin rendah.
Kelembaban udara juga akan mempengaruhi polutan tersebut menjadi basah dan membentuk lapisan konduktif sehingga tahanan permukaan isolator menjadi rendah. Lapisan konduktif yang terbentuk di permukaan isolator ini
menyebabkan mengalirnya arus bocor (leakage current). Dengan mengalirnya arus bocor, terjadi pemanasan di lapisan tersebut. Lapisan ini dapat membentuk pita kering (dry band) akibat dialiri arus bocor secara terus menerus. Pada tegangan tertentu, kondisi ini dapat menyebabkan pelepasan muatan melintasi pita kering. Pelepasan muatan dapat memanjang sehingga terbentuk busur listrik (arc) dan terjadi lewat denyar (flashover) yang melalui seluruh permukaan isolator.
1.2 RUMUSAN MASALAH
Isolator piring jenis gelas pada tower saluran tegangan tinggi sangat dipengaruhi oleh lingkungan sekitar. Tugas Akhir ini akan membahas mengenai pengaruh kelembaban udara di sekitar isolator piring terhadap tegangan
flashover Isolator yang terpolusi partikel padat karbon. Karbon (C) merupakan polutan yang menjadi parameter polutan di daerah-daerah kawasan industri berat. Sebagai pengganti karbon tersebut secara umum, maka bahan karbon yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah serbuk karbon murni sebagai pengganti dari sisa pembakaran tidak sempurna kendaraan bermotor dan industri-industri berat seperti industri baru bara, industri gas alam dan mineral yang melayang di udara berupa partikel karbon padat halus (partikulat).
1.3 BATASAN MASALAH
Untuk membatasi masalah dalam tugas akhir ini, maka dibuat batasan masalah yang akan diteliti. Hal tersebut bertujuan agar materi dan cakupan studi
dari tugas akhir ini dapat mencapai hasil yang diinginkan. Adapun yang menjadi batasan masalah pada tugas akhir ini adalah :
1. Isolator yang digunakan adalah isolator piring yang terbuat dari bahan gelas.
2. Jumlah isolator yang akan diuji hanya satu buah.
3. Polutan yang menjadi indikator polusi adalah partikel padat karbon murni.
1.4 TUJUAN PENGUJIAN
Adapun tujuan dari pengujian ini adalah untuk mendapatkan perubahan nilai tegangan lewat denyar (flashover) AC standar isolator piring gelas dari kondisi bersih ke kondisi terpolusi yang dipengaruhi oleh kelembaban udara di sekitar permukaan isolator piring serta mencari hubungan kedua hal tersebut dan juga sebagai referensi dalam pemasangan isolator piring jenis gelas tersebut bedasarkan tingkat polusi dan kelembaban udara di sekitarnya.
1.5 METODE PENULISAN
Metodologi Penelitian yang dilakukan pada penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Studi Literatur
Dengan membaca dan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal penelitian dan informasi dari internet sesuai dengan topik yang akan dibahas dalam Tugas Akhir ini. Dimana hal tersebut akan menjadi acuan teoritis terhadap hasil penelitian yang akan dilakukan.
2. Pengujian dan pengukuran terhadap objek yang akan diuji
Bahan penelitian yang akan dilakukan sebagai objek pengujian dilakukan pengukuran terhadap tegangan lewat denyar (flashover) yang terjadi pada Isolator. Hal ini dilakukan sebagai acuan perbandingan tegangan lewat denyar antara isolator kondisi bersih dan terpolusi.
Pengumpulan data dengan pengujian adalah cara pengambilan data ke tempat penelitian secara eksperimental. Pengujian akan dilaksanakan di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi FT USU. Dalam hal ini penulis langsung berada di lokasi pengujian dengan merangkaian rangkaian percobaan yang akan diuji beserta instrument alat uji dan pengukuran yang diperlukan. Dalam metode ini dilakukan dokumentasi dengan melakukan pencatatan data hasil percobaan.
3. Studi Bimbingan
Studi bimbingan ini berupa diskusi dan Tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh Departemen Teknik Elektro USU mengenai masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir ini berlangsung.
1.6 SISTEMATIKA PENULISAN
Penulisan Tugas Akhir ini ditulis dan disusun dalam urutan sebagai berikut:
Bab ini berisikan latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, metode penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang teori isolator piring secara umum, isolator terpolusi, parameter-paramater pada isolator, pengukuran tingkat polusi pada isolator, dan lewat denyar (flashover) pada isolator piring.