Teori Kegagalan Bola Cair

TRANSFORMATOR DAYA DAN ISOLASI CAIR

2.3 Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair di Transfomator[6]

2.3.3 Teori Kegagalan Bola Cair

Jika suatu media isolai mengandung sebuah bola cair dari jenis cairan lain, maka akan menyebabkan kegagalan akibat ketidakstabilan bola cair tersebut dalam medan listrik. Medan listrik akan mempengaruhi bentuk bola cair. Bola cair yang diberikan medan listrik E akan merubah menjadi sferoida lihat pada Gambar 2.7 dengan medan didalamnya sebesar 𝐸₂, sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut:

Gambar 2.7 Sferoida[6]

𝐸₂= 𝜀1𝐸 𝜀1− (𝜀1− 𝜀2)𝐺 dimana, 𝐺 = ¹

𝛾²−1{^{𝛾 cos−1𝛾}

(𝛾²−1) − 1} dan 𝛾 = ^𝑅2

𝑅₁

𝑅2 = jari-jari panjang sferoida [cm]

𝑅₁ = jari-jari pendek sferoida [cm]

𝜀₁ = permitivitas media isolasi cair 𝜀2 = permitivitas bola cair

(2.8)

20

Persamaan kuat medan listrik dalam media isolasi cair, yaitu :

𝐸 = 600 √(𝜋𝜎 𝜀1𝑅) ( 𝜀₁

𝜀1− 𝜀2

− 𝐺) 𝐻

dimana, 𝐻 = 2𝛾¹³(2𝛾 − 1 − ¹

𝛾²) 𝑅 = ³

4𝜋 volume sferoida [cm³] 𝜎 = gaya tegangan permukaan [Nm^-1]

Kemudian bentuk persamaan di atas dapat ditulis menjadi : 𝐸

600√𝜋𝜎 𝜀₁𝑅

= √( 𝜀1

𝜀₁− 𝜀₂− 𝐺) 𝐻

Persamaan 2.11 sebagai persamaan yang mempunyai hubungan fungsi 𝛾 terlihat pada Gambar 2.8 di bawah ini.

Gambar 2.8 Grafik hubungan huat medan listrik terhadap nilai 𝛾[6]

(2.9)

(2.10)

21

Pada Gambar 2.8 dapat dilihat bahwa untuk nilai ^𝜀2

𝜀₁ melebihi dari 20, maka nilai E akan melewati maksimum jika 𝛾 naik, sehingga dapat dikatakan tidak ada bentuk sferoida yang stabil diatas tekanan listrik kritis. Pada Gambar 2.8 juga dapat dilihat jika ^𝜀2

𝜀₁ kurang dari 20, maka tidak ada medan kritis meskipun 𝛾 dapat melonjak cepat dengan kenaikan medan listrik. Untuk bola cair yang menghantarkan listrik, maka ^𝜀2

𝜀₁ = ∞ sehingga persamaan menjadi :

𝐸 = 600 √(𝜋𝜎 𝜀1𝑅) ( 𝜀₁

𝜀1− 𝜀2

− 𝐺) 𝐻 [𝑉𝑐𝑚⁻¹]

Sehingga medan listrik kritis dimana bola cair menjadi tidak stabil dapat ditulis dalam persamaan :

𝐸𝑘 = 487,7√ 𝜎

𝜀₁𝑅 [𝑉𝑐𝑚⁻¹]

Sebagai contoh untuk bola cair dalam media isolasi minyak dengan 𝜎 = 43 dyne/cm, 𝜀₁= 2 dan 𝑅 = 1 µm, maka medan listrik kritisnya adalah 𝐸𝑘 = 0,266 MVcm^-1.

Medan listrik kritis ini jauh lebih rendah daripada kekuatan gagal media isolasi cair yang bersih, sehingga merupakan sumber kegagalan pada media isolasi cair. Bola air yang sangat kecil pun, misal R = 0,05 µm masih dapat mengakibatkan terjadinya kegagalan pada medan listrik Ek=1 MVcm^-1.

Contoh kegagalan dielektrik diakibatkan bola cair pada media isolasi cair pada media silikon cair dapat kita lihat pada Gambar 2.9.

Setelah terjadi bola cair dan keadaan tidak stabil maka bola cair air akan memanjang, sehingga jika bola cair sudah mencapai dua pertiga celah elektroda, maka saluran-saluran lecutan akan timbul sehingga akan terjadi kegagalan total.

(2.11)

(2.12)

22

Gambar 2.9 Bola air yang memanjang memicu kegagalan 2.3.4 Teori Butiran Padat

Kegagalan butiran padat merupakan jenis kegagalan yang disebabkan oleh adanya partikel atau butiran zat padat pada media isolasi cair yang akan menyebabkan terjadinya kegagalan. Butiran padat mempunyai sifat permitivitas berlainan dengan permitivitas zat isolasi cair. Jika butiran-butiran padat mempunyai permitivitas 𝜀₂ dan permitivitas media isolasi cair adalah 𝜀₁, dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Kegagalan butiran padat dalam media isolasi cair[6]

23

Besarnya gaya yang bekerja pada butiran padat dalam medan yang tak seragam dapat dinyatakan dalam rumus, yaitu :

𝐹 = 𝑟³𝜀₁𝜀₂− 𝜀₁

𝜀₂+ 𝜀₁𝐸 𝑔𝑟𝑎𝑑 𝐸 Dimana, F = gaya [Newton]

r = jari-jari butiran [cm]

grad E = gradien tegangan [Vcm^-1]

Secara khusus, persamaan di atas dapat ditulis menjadi seperti:

𝐹 = ( 1

2𝑟³) (𝜀₂− 𝜀₁ 𝜀2+ 𝜀1

) 𝐸² 𝑔𝑟𝑎𝑑

Untuk persamaan di atas terdapat dua kemungkinan yang terjadi, yaitu : 1. Jika 𝜀₂ > 𝜀₁, maka menyebabkan arah gaya yang bekerja pada

butiran padat menjadi searah dengan tekanan elektrik maksimum (FA), sehingga butiran padat akan terdorong kearah medan yang paling kuat.

2. Jika 𝜀2 < 𝜀1, maka arah gaya berlawanan dengan tekanan listrik maksimum (FB)

Gaya F semakin besar jika 𝜀2 membesar. Untuk butiran yang mempunyai nilai 𝜀₂= ∞, maka akan menyebabkan gaya yang bekerja pada butiran padar dalam medan yang tak seragam menjadi :

𝐹 = ( 1

2𝑟³) 𝐸² 𝑔𝑟𝑎𝑑

Untuk medan yang seragam, seperti elektroda bola ataupun pada elektroda piringan sejajar dengan celah kecil, medan paling kuat bertempat pada tempat yang seragam. Dalam hal ini 𝐸² 𝑔𝑟𝑎𝑑 = 0 dan butiran dalam keadaan seimbang. Karena itu, butiran akan ditarik oleh gaya ke tempat dimana medan seragam. Akibatnya butiran padat akan menempati antara kedua elektroda dan seakan membuat jembatan yang dapat disebut jembatan serat, kemudian jembatan serat ini yang akhirnya akan mengawali terjadinya kegagalan pada media isolasi cair.

(2.13)

(2.14)

(2.15)

24

Adanya butiran penghantar di antara elektroda akan mengakibatkan pembesaran medan dalam media isolasi cair di dekat butiran padat. Pembesaran medan ditentukan oleh bentuk butiran, yaitu :

1. Butiran padat bulat (𝛾 = 1) ; 𝐸₁= 3 𝐸 2. Butiran padat sferoida (𝛾 = 2) ; 𝐸1= 5.8 𝐸 3. Butiran padat sferoida (𝛾 = 5) ; 𝐸1= 18 𝐸 dimana, 𝛾 = perbandingan jari-jari pendek sferoida

E = medan dalam cairan tanpa butiran [Vcm^-1] E1 = medan dalam cairan pada ujung butiran [Vcm^-1]

Apabila E1 melebihi tegangan gagal cairan maka akan terjadi kegagalan setempat yang kemudian menimbulkan gelembung-gelembung yang akhirnya dapat mengakibatkan kegagalan total pada cairan. Gerakan butiran yang disebabkan oleh gaya F akan dihambat oleh kekentalan medan isolasi cair. Dalam hubungan ini dapat dihitung dalam rumus waktu yang diperlukan terjadinya kegagalan menurut Kok-Corbey besarnya adalah : g = faktor kekasaran (asperity)

= 3 untuk kekasaran berbentuk setengah bola N = konsentrasi butiran

𝜂 = kekentalan (viskositas) [mm²s^-1] r = jari-jari butiran [cm]

c = konstanta

𝑡𝑏 = waktu kegagalan [s]

Untuk waktu penerapan tegangan yang lama akan merubah persamaan, sehingga persamaan lamanya waktu kegagalan diatas berubah menjadi :

(𝑔¹− 1)𝑟³𝐸₀²= 2𝑘𝑇

(2.16)

(2.17)

25

dimana 𝑘𝑇 adalah energi termal (Joule). Bila r = 3, yaitu bila kekasarannya berbentuk setengah bola, maka persamaannya menjadi:

𝑟³𝐸₀²=1 4𝑘𝑇 2.4 Penuaan Isolasi Minyak Transformator

Pada kondisi operasi normal bahan isolasi akan mengalami perubahan kondisi yaitu mengalami pemburukan atau penuaan. Tingkat perubahan kondisi penuaan bergantung kepada besarnya tekanan elektrik, termal dan mekanik yang diterapkan pada bahan isolasi. Selain itu, hal ini juga dipengaruhi oleh komposisi dan struktur molekul, seperti karakteristik fisik, elektrik dan kimia dari bahan isolasi. Kondisi dari lingkungan dimana tempat isolasi ditempatkan juga berpengaruh terhadap perubahan penuaan bahan isolasi.

Tekanan termal disebabkan oleh gradien temperatur pada bahan isolasi selama waktu operasi jangka panjang, temperatur lingkungan (ambient) paling atas dan paling bawah, dan temperatur yang tinggi diakibatkan oleh operasi beban maksimum yang diizinkan selama operasi transformator. Tekanan elektrik disebabkan oleh peluahan muatan sebagian (partial discharge), jalur pohon (electrical treeing), dan tingkat pemanasan dielektrik sehingga menyebabkan rugi dielektrik atau kontaminasi material konduktif. Sedangkan untuk tekanan mekanik akan berbeda, proses penuaan isolasi akan bergantung pada torsi, kompresi, tegangan, dan faktor pembengkokan (bending). Tekanan lingkungan dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu tingkat kelembapan lingkungan, tingkat korosif, dan radiasi ultraviolet dari sinar matahari. Komposisi dan struktur dari bahan isolasi akan mengalami pemburukan oleh semua tekanan tersebut, menyebabkan suatu kondisi dimana akhirnya bahan isolasi akan mengalami kehilangan fungsi sebagai isolasi.

Minyak isolasi pada transformator daya memiliki peran utama sebagai bahan isolasi dan media pendingin pada transformator.

Mengingat kebutuhan akan kehandalan transformator daya dan tingginya harga minyak transformator, maka isolasi minyak transformator harus dijaga dalam keadaan karakteristik yang berkualitas baik secara terus-menerus. Minyak transformator dapat mengalami degradasi atau penurunan kualitas sebagai bahan isolasi Karena faktor temperatur yang tinggi serta reaksi kimia yang terjadi seperti oksidasi. Banyak karakteristik yang dapat diukur untuk menentukan kualitas dari minyak transformator, manfaat dari penentuan kondisi dan mengetahui seberapa (2.18)

26

cepat penuaan pada minyak transformator, maka dapat mengestimasikan apakah isolasi minyak masih dapat digunakan dalam waktu yang selama mungkin. Kemudian dapat dilakukan tindakan preventif dengan mengganti atau mereklamasi isolasi minyak tersebut sebelum mengalami kerusakan yang serius pada isolasi atau material lain yang terdapat pada transformator daya.

Isolasi minyak transformator berjenis minyak mineral merupakan hasil dari ekstrak dari minyak bumi yang dihasilkan dari proses penyulingan (refining), yakni proses secara kolektif sehingga mendapatkan hasil karakteristik minyak yang dapat menjadi isolasi minyak transformator. Selama beroperasi transformator daya, isolasi minyak mengalami oksidasi, terkena panas, dan pelepasan elektrik yang dapat menyebabkan degradasi isolasi minyak. Sehingga jika sudah terjadi degradasi karakteristik pada isolasi minyak transformator akan menyebabkan menurunnya fungsi kerja isolasi minyak sebagai isolasi dan pemindah panas, karena produk dari penuaan isolasi minyak akan mengurangi sifat elektrik dan efesiensi pendingin. Oleh sebab itu, pemantauan dan pemeliharaan kualitas minyak transformator sangat penting dilakukan untuk menjaminnya kehandalan operasi dari transformator daya.

Laju degradasi isolasi minyak transformator memiliki faktor umum yang dapat mempercepat laju degradasi, yaitu faktor temperatur dan kelembapan. Isolasi minyak transformator akan mengalami penuaan pada temperatur tinggi dan kelembapan akan bertindak sebagai katalisator dalam penuaan isolasi minyak. Mekanisme utama dalam laju degradasi isolasi minyak adalah proses oksidasi yang akan membentuk asam dan senyawa polar lain. Pembentukan senyawa asam dan senyawa polar hasil proses oksidasi dalam minyak transformator akan menyebabkan penurunan kualitas dari isolasi minyak transformator. Secara singkat proses laju degraadasi pada isolasi minyak terjadi saat tekanan termal dan elektrik dalam suasana oksidasi, maka secara bertahap akan kehilangan stabilitas, menjadi terurai atau teroksidasi, meningkatkan keasaman dan akhirnya mulai menghasilkan endapan. Penuaan isolasi minyak yang menghasilkan senyawa asam akan memicu korosi pada komponen lain dalam transformator. Proses penuaan atau laju degradasi pada isolasi minyak dapat diilustrasikan pada Gambar 2.11, dimana dipengaruh oleh tekeanan termal dan tekanan elektrik pada isolasi minyak[7].

27

Gambar 2.11 Mekanisme laju degradasi pada isolasi minyak [7]

Pada Gambar 2.11 kita lihat proses laju degradasi isolasi minyak yang disebabkan oleh tekanan termal dan tekanan elektrik, oksigen yang terdapat pada isolasi minyak dapat dihasilkan dari udara yang terlarut ataupun tekanan termal dan tekanan elektrik yang dapat memulai terjadinya kegagalan pada transformator yang sedang beroperasi.

Beberapa metode penelitian estimasi penilaian umur transformator telah ditetapkan untuk memprediksi umur optimum dari transformator. Salah satunya dengan mengestimasi umur transformator yang dapat ditentukan dari laju kegagalan pada isolasi transformator.

Hubungan antara laju kegagalan transformator dengan waktu estimasi umur transformator ditunjukan dengan kurva bak mandi pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Kurva bak mandi dari estimasi umur transformator [7]

28

Pada Gambar 2.12 dapat dilihat kurva yang membentuk seperti bak mandi, terdapat tiga bagian yang menentukan fase dari estimasi umur minyak transformator, yaitu.

a. Kurva fase A, pada masa ini umur transformator diantara 1-3 tahun atau dapat digolongkan delam keadaan baru.

Tranformator keadaan baru akan dilakukan komisioning (commissioning) atau serangkaian pemeriksaan dan pengujian instalasi transformator yang hendak dioperasikan, sehingga penilaian dari transformator jika terjadi kegagalan dapat dilihat. Kebanyakan kegagalan disebabkan oleh produksi atau pabrikasi transformator yang kurang baik.

b. Kurva fase B, pada masa ini transformator digolongkan pada umur 10-30 tahun atau tranformator bekerja dalam kondisi operasi normal. Kegagalan yang terjadi pada fasa ini terjadi secara acak seperti terjadi surja hubung, surja petir, atau kesalahan operator selama operasi transformator.

c. Kurva fasa C, kegagalan secara signifikan meningkat pada transformator setelah beroperasi selama 20 tahun. Kegagalan terjadi disebabkan oleh degradasi atau pemburukan dari sistem isolasi transformator.