Bahan isolasi gas yang sering digunakan adalah gas SF6. Sifat –sifat dari gas SF6
ini tidak berwarna, tidak beracun, tidak berbau. Salah satu pemanfaatan dari gas SF6 ini
sebagai bahan isolasi adalah pada pemutus tenaga (circuit breaker). Jika pemutus tenaga
SF6 membuka, maka pada sela kontaknya akan terjadi busur api. Busur api akan
menaikkan temperatur gas SF6 sehingga ada dugaan gas SF6 mengalami perubahan
struktur kimia, sehingga sifat listriknya berubah. Tugas akhir ini akan meneliti pengaruh
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat
dan rahmat yang telah diberikan/Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan
Dielektrik Gas SF6”. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk
menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik
Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Tugas Akhir ini penulis persembahkan untuk kedua orang tua yang telah
membesarkan penulis dengan kasih sayang yang tak ternilai harganya, yaitu Wong Poh
Seng dan Lauw Tjai Tjin, kedua kakak penulis Ailie dan Rita di Jakarta, dan abang
penulis Ayong di Lombok atas seluruh perhatian dan dukungannya hingga penulis dapat
menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.
Selama masa kuliah sampai masa penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis mendapat
dukungan, bimbingan, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati
penulis hendak menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar/besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Bonggas L. Tobing selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah
banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberikan bantuan, bimbingan,
dan pengarahan kepada penulis selama penyusunan Tugas Akhir ini. Terima kasih
2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, MSi selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT
USU dan Bapak Rahman Fauzi, ST.,MT., selaku Sekretaris Departemen Teknik
Elektro FT USU.
3. Bapak Ir. Pernantin Tarigan, MSc selaku Dosen Wali penulis.
4. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Kepala Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi.
5. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
6. Bapak Khaldun M. Badra di PT INALUM yang telah banyak membantu penulis
dalam pengambilan sampel gas SF6.
7. Angelina Ong yang telah memberikan semangat, dorongan dan ide/ide kepada
penulis.
8. Seluruh asisten Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi : Akim, Setia, Moko, Eykel,
dan khususnya Wilvian dan Monda yang telah membantu penulis dalam
pengambilan data.
9. Teman/teman stambuk 2007: Denny, Yuyanyo, Yudy, Cimet, Syuibai, Wendy,
Bento, Aan, Ramcheys, Binsar, Selvi, Andrew, Janes, Jon, Kaban, Kukuh, Leo,
Mariocoy, Ahmad seru, Rocky, Ramli, Reza, dan teman/teman 2007 lain yang tidak
dapat penulis sebutkan satu per satu. Jasa/jasa kalian tidak akan dilupakan.
10. Kepada abang/abang senior dan adik/adik junior: Ko Herman, Ko Joni, ko Frendy,
Ko Angga, Bang Jaitun, Bang Albert, Bang Folda, Budiman, Thomas, Bang Okta,
abang/kakak senior serta adik/adik junior yang tidak dapat penulis sebutkan satu per
satu. Yang telah memberi motivasi kepada penulis.
11. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, penulis ucapkan terima
kasih banyak.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini tidak luput dari kesalahan/kesalahan,
baik dari segi tata bahasa maupun dari segi ilmiah. Untuk itu, penulis akan menerima
dengan terbuka, segala saran dan kritik yang ditujukan untuk memperbaiki Tugas Akhir
ini. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi penulis dan pembaca.
Medan, Juni 2011
Penulis,
!"#$...i
#!# %&'#&!#"...ii
#(!#" )...v
#(!#" #* #"...vii
#(!#" # %+...ix
I.1 Latar Belakang...1
I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan...1
I.3 Batasan Masalah...2
I.4 Metode Penulisan...2
I.5 Sistematika Penulisan...3
II.1 Definisi Busur Api Listrik...5
II.2 Faktor/Faktor Yang Mempengaruhi Terjadinya Busur Api Listrik...8
II.3 Proses Terjadinya Busur Api Pada Pemutus Tenaga Gas SF6...14
III.1 Sifat Umum Gas SF6...20
III.2 Bentuk Molekul Gas SF6...25
III.3 Proses Tangkapan Elektron Bebas Pada Gas SF6...26
III.4 Pengaruh Panas Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6...29
IV.1 Umum...32
IV.2 Prosedur Eksperimen...38
IV.3 Hasil Percobaan...39
IV.4 Analisis Data...39
V.1 kesimpulan...44
V.2 Saran...44
Gambar 2.1 Medan Listrik di Antara Dua Elektroda...5
Gambar 2.2 Busur Api di Antara Dua Elektroda...7
Gambar 2.3 Garis/Garis Medan Listrik di Antara Kedua Elektroda...10
Gambar 2.4 Garis/Garis Gaya Listrik Pada Muatan Positif dan Negatif...10
Gambar 2.5 Garis/Garis Gaya Listrik Di antara Muatan Positif dan Negatif...11
Gambar 2.6 Garis/Garis Gaya Listrik di Antara Dua Muatan Positif...11
Gambar 2.7 Pemutus Tenaga SF6 Bertekanan Tunggal...15
Gambar 2.8 Proses Terjadi Dan Pemadaman Busur Api Pada Pemutus Tenaga SF6 Tekanan Tunggal...16
Gambar 2.9 Busur Api Di Antara Kedua Kontak Pemutus Tenaga...18
Gambar 3.1 Perbandingan Nilai Tegangan Tembus Antara Gas SF6 Dan Udara...21
Gambar 3.2 Hubungan Tekanan dan Tegangan Tembus Dari Gas SF6...22
Gambar 3.3 Bentuk Molekul Gas SF6...26
Gambar 3.4 Medan Listrik Yang Timbul Di Antara Dua Elektroda...27
Gambar 4.1 Tabung Sampel Gas SF6...32
Gambar 4.2 Trafo Uji...33
Gambar 4.3 Voltmeter AC………...34
Gambar 4.4 Tahanan Peredam...35
Gambar 4.5 Elektroda Bola/Bola...36
Gambar 4.6 Wadah Pengukuran Tegangan Tembus Sampel Gas SF6...37
Gambar 4.7 Rangkaian Percobaan...37
Bahan isolasi gas yang sering digunakan adalah gas SF6. Sifat –sifat dari gas SF6
ini tidak berwarna, tidak beracun, tidak berbau. Salah satu pemanfaatan dari gas SF6 ini
sebagai bahan isolasi adalah pada pemutus tenaga (circuit breaker). Jika pemutus tenaga
SF6 membuka, maka pada sela kontaknya akan terjadi busur api. Busur api akan
menaikkan temperatur gas SF6 sehingga ada dugaan gas SF6 mengalami perubahan
struktur kimia, sehingga sifat listriknya berubah. Tugas akhir ini akan meneliti pengaruh
, #!#" %+#$#&'
Dewasa ini, semakin banyak gardu induk yang menggunakan pemutus tenaga
berisolasi gas SF6 (sulphur hexafluorida). Gas SF6 memiliki berat molekul 146 dan
tersusun atas 22% berat belerang dan 78% berat fluor. Molekul SF6 terbentuk
sedemikian rupa sehingga atom belerang berada pada pusat oktahedron yang beraturan
dengan masing/masing sebuah atom fluor pada setiap ujung oktahedron.
Keuntungan isolasi gas SF6 adalah tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun, dan
tidak mudah terbakar pada temperatur 150° C. Gas SF6 mempunyai sifat tidak merusak
metal, plastik dan bermacam/macam bahan yang umumnya digunakan dalam pemutus
tenaga. Jika media isolasi pemutus tenaga adalah gas SF6, maka perlu diteliti apakah
terjadi penurunan kekuatan dielektrik dari gas SF6 setelah terjadi busur api pada sela
kontaknya.
, -.-#& /#& #&(##! %&-+) #&
Tujuan penelitian ini adalah untuk menyelidiki pengaruh busur api yang terjadi
pada gas SF6 terhadap kekuatan dielektriknya. Sehingga dapat diketahui apakah
Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah untuk memberikan
informasi kepada pemakai pemutus tenaga gas SF6 mengenai jadwal pergantian gas SF6
menurut jumlah operasi pembukaan pemutus tenaga.
, #!# #& # #+#0
Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Tekanan dari gas SF6 dapat dibuat bervariasi sesuai kebutuhan. Tetapi pada
penelitian ini tekanan gas SF6 dibatasi hanya 4,9 bar, yaitu tekanan yang umum
dipakai pada pemutus tenaga gas.
2. Dilihat dari jenisnya, gas SF6 dibagi menjadi gas SF6 murni, gas SF6 komersil, dan
gas SF6 tercemar. Yang akan diteliti adalah gas SF6 komersil.
3. Elektroda yang dipakai untuk pembangkitan busur api dapat berupa elektroda bola/
bola, elektroda jarum/jarum, elektroda bola/jarum, elektroda bola/piring, elektroda
jarum/piring. Dalam penelitian ini yang dipakai hanyalah elektroda bola/bola.
, %!1/% %&-+) #&
Langkah/langkah yang dilakukan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah :
Banyaknya sampel gas SF6 dalam penelitian ini adalah 5 sampel. Sampel pertama
dimasukkan terlebih dahulu ke dalam wadah pengukuran, setelah selesai dilakukan
penelitian pada sampel pertama, barulah dimasukkan sampel kedua dan seterusnya
sampai sampel kelima.
2. Dalam wadah dipasang elektroda bola/bola standar. Setelah sampel gas SF6
dimasukkan ke dalam wadah pengukuran, tekanan gas SF6 diatur hingga mencapai
4,9 bar.
3. Elektroda bola/bola dihubungkan ke trafo uji. Busur api pada setiap sampel
dibangkitkan dengan membuat elektroda bola/bola tembus listrik. Lama terjadinya
busur api diatur dengan timer yang mengatur waktu pemutus hubungan trafo uji
dengan sumber. Peristiwa terjadinya tembus listrik tadi dimanfaatkan sebagai
pengukuran tegangan tembus dari gas SF6 pada kondisi sebelum terjadi busur api.
4. Dengan demikian akan diperoleh data dan dibuat dalam tabel.
,2 ) !%*#!)$# %&-+) #&
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bagian ini berisikan latar belakang, tujuan dan manfaat penulisan,
BAB II BUSUR API LISTRIK
Bagian ini memberikan penjelasan singkat mengenai pengertian busur api
listrik, bagaimana busur api listrik itu terjadi, faktor/faktor apa sajakah
yang mempengaruhi terjadinya busur api listrik, proses terjadinya busur
api pada pemutus tenaga gas SF6. Selain itu, juga dijelaskan energi panas
yang disebabkan oleh busur api listrik.
BAB III GAS SF6
Bagian ini memberikan penjelasan singkat mengenai sifat/sifat umum
dari gas SF6, bentuk molekul dari gas SF6, proses penangkapan elektron
bebas yang terdapat di dalam gas SF6, dan pengaruh panas yang
ditimbulkan busur api listrik terhadap kekuatan dielektrik dari gas SF6.
BAB IV PENGARUH BUSUR API TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK
GAS SF6
Bagian ini berisikan alat/alat yang digunakan dalam melakukan
percobaan, rangkaian percobaan, prosedur percobaan, hasil pengukuran,
dan analisa data.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bagian ini berisikan beberapa kesimpulan dan saran dari penulisan Tugas
, %()&) ) - -" 3) ) !")$
Bahan isolasi atau dielekrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus
yang sangat kecil atau hampir tidak ada. Bila bahan isolasi tersebut berubah sifat
menjadi konduktif atau dengan kata lain, bahan isolasi tersebut bisa menghantarkan arus
listrik, maka bahan isolasi tersebut sudah tembus listrik (breakdown). Proses berubahnya
sifat isolator menjadi konduktif akan dijelaskan di bawah ini.
Pada Gambar 2.1, ditunjukkan dua elektroda sejajar yang dipisahkan dengan bahan
dielektrik, dimisalkan udara. Apabila elektroda dihubungkan ke sumber, maka akan
timbul medan listrik di antara kedua elektroda tersebut. Kuat medan listrik pada setiap
titik di antara kedua elektroda adalah sama.
s
Hubungan antara tegangan (V), kuat medan listrik (E) dan jarak kedua elektroda
(s) adalah:
2.1
Pada udara terdapat banyak atom/atom netral. Atom/atom netral tersebut memiliki
jumlah elektron dan proton yang sama. Elektron pada atom netral terikat dengan inti
atom netral, sehingga elektron tersebut tidak terlepas dari lintasannya. Medan listrik
yang timbul akan memberi gaya kepada elektron/elektron supaya terlepas dari ikatannya
dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan listrik merupakan suatu beban
yang menekan dielektrik agar berubah sifat dari isolator menjadi konduktor. Setiap
dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan medan listrik.
Jika terpaan medan listrik yang dipikulnya lebih besar dari batas kekuatannya dan
terpaan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus listrik atau
dielektrik tersebut gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini,
dielektrik disebut telah rusak atau tembus listrik (breakdown). Kekuatan dielektrik
adalah kuat medan listrik tertinggi yang dapat dipikul oleh suatu dielektrik tanpa
menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik (breakdown).
Setelah bahan dielektrik tersebut terjadi tembus listrik dan sumber tegangan tidak
kejadian tembus listrik tersebut akan berlanjut menjadi busur api. Jadi busur api akan
terjadi setelah ada kejadian tembus listrik yang mendahuluinya, dengan syarat :
1. Terpaan medan listrik harus lebih besar dari besar atau sama dengan kekuatan
dielektrik bahan isolasi tersebut.
2. Lama terpaan harus berlangsung lebih lama.
Jadi secara singkat, busur api dapat diartikan sebagai proses perpindahan muatan yang
terjadi di antara kedua elektroda dan yang melalui bahan dielektrik, dimana bahan
dielektrik tersebut telah berubah sifat dari isolasi menjadi konduktor.
Gambar di bawah menunjukkan busur api yang terjadi di antara dua elektroda.
Gambar 2.2. Busur Api di Antara Dua Elektroda
, #$!1"4 #$!1" #&' %*3%&'#"-0) %".#/)&5# - -" 3) ) !")$
Busur api yang terjadi tidaklah terlepas dari beberapa faktor yang
1. Beda Potensial.
2. Jarak Antar Kedua Elektroda.
3. Bentuk Permukaan Elektroda.
4. Pengaruh Benda Lain Di Antara Kedua Elektroda.
Berikut akan dijelaskan secara singkat masing/masing pengaruh busur api di atas.
, %/# 1!%& )#+
Pada awal telah dijelaskan apabila di antara kedua elektroda sejajar diberikan
sumber tegangan, maka akan timbul medan listrik di antara kedua elektroda sejajar
tersebut yang besarnya sama dengan persamaan 2.1. Medan listrik yang terjadi di antara
kedua elektroda akan menerpa bahan isolasi yang juga berada di antara kedua elektroda.
Dimana medan listrik tersebut berbanding lurus dengan tegangan, dan berbanding
terbalik dengan jarak antara kedua elektroda. Semakin besar tegangan yang diberikan di
antara kedua elektroda, maka semakin besar pula medan listrik yang timbul. Apabila
kuat medan listrik yang menerpa bahan isolasi melebihi kekuatan dielektrinya, maka
bahan isolasi tersebut akan tembus listrik yang berlanjut menjadi busur api.
, #"#$ &!#" %/-# +%$!"1/#
Seperti pada persamaan 2.1, semakin dekat jarak antara kedua elektroda, maka
yang menerpa bahan isolasi lebih besar dari kekuatan dielektrik bahan isolasi tersebut,
maka bahan isolasi akan tembus listrik yang berlanjut menjadi busur api.
, %&!-$ %"*-$##& +%$!"1/#
Bentuk permukaan dari elektroda akan mempengaruhi terjadinya busur api.
Berikut akan dijelaskan secara singkat pengaruh dari bentuk permukaan elektroda
tersebut.
Apabila di antara dua buah elektroda sejajar diberikan sumber tegangan, maka
akan timbul medan listrik di antara kedua elektroda sejajar tersebut. Garis/garis yang
menghubungkan kedua elektroda disebut garis/garis medan listrik. Garis/garis medan
listrik tersebut sering juga disebut sebagai garis/garis gaya listrik.
Gambar 2.3 berikut ini menunjukkan garis/garis medan listrik yang timbul di
antara dua elektroda plat sejajar yang dihubungkan ke sumber tegangan.
Muatan positif akan menunjukkan garis/garis gaya listrik yang mengarah keluar
dari muatan, sedangkan pada muatan negatif garis/garis gaya listrik akan mengarah ke
dalam muatan, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.4.
+
/
(a) (b)
Gambar 2.4. Garis/Garis Gaya Listrik Pada Muatan Positif dan Negatif
Apabila muatan positif dan muatan negatif berada pada jarak tertentu, maka garis/
garis gaya listrik di antara kedua muatan tersebut seperti pada Gambar 2.5.
Apabila kedua muatan yang berdekatan adalah muatan yang sejenis, dimisalkan
muatan positif, maka garis/garis gaya listriknya seperti Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Garis/Garis Gaya Listrik di Antara Dua Muatan Positif
Dimana jumlah garis/garis medan listrik yang menembus tegak lurus suatu bidang
didefinisikan sebagai fluks listrik dan disimbolkan dengan Φ. Persamaan untuk fluks
listrik tersebut adalah :
2.2
Keterangan :
Φ = Fluks Listrik
E = Kuat Medan Listrik
A = Luas permukaan Elektroda
Dasar dari konsep fluks listrik inilah Gauss menemukan hukumnya. Dimana
“ Jumlah garis garis medan listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan
tertutup sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu
dibagi dengan permitivitas udara (ε0)“
Sehingga persamaan untuk hukum Gauss tersebut adalah :
2.3
Dari Persamaan 2.2 dan 2.3 akan kita dapatkan persamaan yang baru yaitu :
2.4
Sedangkan persamaan rapat muatan listrik per satuan luas adalah :
2.5
Sehingga apabila Persamaan 2.4 dan Persamaan 2.5 disubstitusikan, akan didapat
persamaan sebagai berikut :
Dari Persamaan 2.5 dapat dilihat bahwa, apabila luas permukaan elektroda
semakin besar, maka rapat muatan listrik akan semakin kecil yang artinya rapat muatan
tersebut tidaklah terlalu rapat. Tetapi untuk luas permukaan yang runcing atau luas
permukaan yang kecil, maka rapat muatannya akan semakin besar yang artinya rapat
muatan tersebut akan semakin rapat. Sehingga dari Persamaan 2.6 dapat kita lihat,
apabila rapat muatan semakin rapat, maka medan listrik yang timbul akan semakin besar
pula, dan sebaliknya.
Oleh karena itu, untuk elektroda/elektroda yang permukaannya runcing ataupun
yang mempunyai luas permukaan yang lebih kecil, akan memiliki peluang yang lebih
besar untuk menimbulkan busur api.
, %&'#"-0 %&/# #)& ) &!#"# %/-# +%$!"1/#
Apabila di antara dua elektroda plat sejajar diberikan sumber tegangan, maka
dielektrik yang berada di antara kedua elektroda plat akan diterpa medan listrik. Jika
dimisalkan dielektrik tersebut adalah udara, maka bisa saja di antara kedua elektroda plat
tersebut terdapat suatu benda yang bersifat konduktif. Dengan demikian, antara
elektroda plat dan benda lain tersebut akan timbul medan listrik. Kuat medan listrik yang
timbul antara elektroda plat dengan benda lain tersebut relatif besar karena jarak antara
elektroda plat dengan benda lain relatif dekat, sehingga kejadian tembus listrik bisa
api yang terjadi antara elektroda plat dengan benda lain tersebut akan mempengaruhi
daerah yang belum terjadi busur api, sehingga lama kelamaan di antara kedua elektroda
plat akan terjadi busur api.
, "1 % %".#/)&5# - -" 3) #/# %*-!- %&#'# #
Pada penggunaan pertama kali, pemutus tenaga gas SF6 yang dipakai mempunyai
tekanan ganda, namun pada tahun 1965 pemutus tenaga gas SF6 bertekanan ganda ini
sudah tidak dipakai dan diganti dengan pemutus tenaga gas SF6 bertekanan tunggal.
Pada Gambar 2.7 ditunjukkan pemutus tenaga gas SF6 bertekanan tunggal.
Pada Gambar 2.8 akan ditunjukkan proses pemadaman busur api pada pemutus
tenaga gas SF6 tipe tekanan tunggal.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2.8. Proses Terjadi Dan Pemadaman Busur Api Pada Pemutus Tenaga SF6
Keterangan :
Pada keadaan normal, kontak/kontak dalam keadaan terhubung, seperti
ditunjukkan pada Gambar 2.8.a. Gambar 2.8.b menunjukkan kontak/kontak pemutus
tenaga tersebut mulai terpisah, dan pada saat sudah terpisah, akan terjadi busur api di
antara kontak tetap dan kontak bergerak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8.c.
Pada saat itu juga, gas SF6 yang berada di dalam pemutus tenaga tersebut akan di tiup ke
atas melalui penjepit kontak/kontak. Maka busur api yang terjadi akan terdorong ke atas
dan kesamping, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8.d. Sehingga busur api akan
padam.
, #&# #&' )!)* -+$#& - -" 3) ) !")$
kontak bergerak dalam keadaan tertutup. Pada saat pemutus tenaga bekerja, arus listrik
yang disalurkan dari pusat pembangkit ke beban akan mengalir melalui kontak/kontak
pemutus tenaga tersebut. Arus listrik ini disebut arus sistem. Pada keadaan tidak normal
atau saat terjadi gangguan pada sistem, pemutus tenaga akan membuka kontak/
kontaknya untuk membuka rangkaian sistem. Pada saat kontak/kontak pemutus tenaga
ini membuka, akan terjadi busur api di antara kontak/kontaknya.
Gambar 2.9 berikut menunjukkan busur api yang terjadi di antara kontak/kontak
pemutus tenaga pada saat kontak terbuka.
Gambar 2.9. Busur Api Di Antara Kedua Kontak Pemutus Tenaga
Busur api yang terjadi mempunyai nilai tahanan atau resistansi. Besarnya nilai
tahanan dari busur api tersebut adalah :
Dalam hal ini :
panas di antara sela kedua kontak pemutus tenaga.
Energi Panas yang ditimbulkan oleh busur api adalah :
! " # # $ 2.8
Dalam hal ini :
H = Energi Panas Busur Api (Joule)
I = Arus Sistem (Ampere)
R = Tahanan Busur Api (L)
t = Lama Busur Api Terjadi (Detik)
Busur api yang terjadi akan menimbulkan panas di antara sela kedua kontak/
kontak pemutus tenaga, memanaskan isolasi yang berada di antara sela kontak/kontak
, )(#! *-* #
Ada berbagai macam gas sintetis dari senyawa halogen. Salah satu jenis gas
sintetis tersebut adalah gas SF6. Untuk saat ini, gas SF6 merupakan gas sintetis dari
senyawa halogen yang perannya hampir tidak tergantikan sebagai bahan isolasi di dalam
dunia teknik tenaga listrik.Salah satu contoh penggunaan gas SF6 sebagai bahan isolasi
di dalam dunia teknik tenaga listrik adalah pada pemutus tenaga atau circuit breaker.
Senyawa gas SF6 diperoleh dari pencampuran atau direaksikan dari belerang cair
dan gas fluorida pada temperatur 300°C. Kemudian didapat senyawa gas SF6 sampai
kemurnian 99,9%.
Gas SF6 secara kimia merupakan senyawa gas yang tidak aktif, sangat stabil, tidak
mudah terbakar, tidak berkarat, tidak beracun, tidak berwarna, dan tidak berbau. Selain
sifat/sifat tersebut, gas SF6 juga memiliki beberapa keuntungan, yaitu tidak merusak
metal, plastik dan bermacam/macam material yang dipergunakan di dalam pemutus
tenaga.
Sebagai media isolasi, gas SF6 mempunyai kekuatan dielektrik yang baik, yaitu
tekanan 3 atm keadaaan absolut, kekuatan dielektrik dari gas SF6 hampir sama dengan
kekuatan dielektrik minyak.
Pada gambar di bawah ini, ditunjukkan grafik perbandingan nilai tegangan tembus
antara gas SF6 dan udara.
Gambar 3.1. Perbandingan Nilai Tegangan Tembus Antara Gas SF6 Dan Udara
Kekuatan dielektrik dari gas SF6 akan menjadi semakin tinggi jika dicampur
dengan udara ataupun gas nitrogen, bahkan untuk volume udara atau gas nitrogen yang
lebih banyak di dalam campuran tersebut.
Jika tekanan dari gas SF6 semakin tinggi, maka kekuatan dielektriknya juga akan
Gambar di bawah ini menunjukkan hubungan antara tegangan tembus gas SF6
terhadap tekanannya untuk berbagai jarak sela pada elektroda bola/bola.
Gambar 3.2. Hubungan Tekanan dan Tegangan Tembus Dari Gas SF6
Untuk mendapatkan nilai kekuatan dielektrik gas SF6 dari nilai tegangan
tembusnya, maka dipergunakan persamaan berikut :
E
max=
% # &
3.1
Dalam hal ini :
Vt = Tegangan Tembus Media Isolasi Di Antara Elektroda Bola/Bola
d = Jarak Sela Elektroda Bola/Bola
η = Faktor Efisiensi
Faktor efisiensi merupakan fungsi dari karakteristik/karakteristik geometri
elektroda bola/bola. Karakteristik/karakteristik geometri elektroda bola/bola tersebut
adalah :
'
%()) 3.2*
+)3.3
Untuk elektroda bola/bola yang identik, maka nilai q sama dengan satu.
Sehingga faktor efisiensi adalah :
η = f(p,q) 3.4
Gas SF6 tepat akan tembus listrik pada saat kuat medan listrik maksimum yang
menerpanya sama dengan kekuatan dielektriknya. Sehingga dapat dinyatakan dalam
persamaan :
Dalam hal ini :
KD = Kekuatan Dielektrik
Berikut ini disajikan tabel nilai faktor efisiensi η untuk berbagai nilai karakteristik
geometri elektroda bola/bola yang identik.
Tabel 3.1. Tabel Nilai Faktor Efisiensi η
50 0,1574
Gas SF6 memiliki berat molekul sebesar 146 dan tersusun atas 22% berat belerang
dan 78% berat fluor. Gas SF6 mempunyai rapat gas sebesar 6,139 gram/liter pada suhu
20°C, dan merupakan gas terberat, yaitu lima kali lebih berat dari udara.
Bentuk molekul dari gas SF6 adalah bentuk oktahedron. Pengertian dari bentuk
oktahedron adalah suatu bentuk molekul yang terbentuk dari dua buah limas segi empat,
dengan bidang alas dari masing/masing limas segi empat tersebut saling berhimpit,
sehingga membentuk delapan bidang segitiga.
Molekul oktahedron ini terdiri dari satu atom pusat dan enam atom yang
mengelilingi atom pusatnya. Untuk gas SF6, atom pusatnya adalah atom sulfur dan enam
Gambar 3.3 berikut menunjukkan bentuk molekul dari gas SF6.
empat yang saling berhimpit, sedangkan enam atom lainnya terletak pada sudut/sudut
limas tersebut.
, "1 % #&'$#3#& +%$!"1& % # #/# #
Gas SF6 memiliki energi elektronegativitas yang tinggi. Elektronegativitas adalah
suatu sifat kimia dari sebuah atom atau molekul untuk menarik atau menyerap elektron
bebas yang berada di sekitarnya.
Jika di antara dua elektroda sejajar yang dipisahkan oleh bahan isolasi gas SF6
diberi sumber tegangan, maka akan timbul medan listrik di antara elektroda sejajar yang
tentunya elektron bebas. Elektron bebas yang terdapat di dalam gas SF6 tersebut akan
dikenai medan listrik, sehingga elektron bebas akan mengalami gaya dan menuju ke
terminal positif.
Gambar di bawah menunjukkan medan listrik yang timbul di antara dua buah
elektroda plat sejajar yang dipisahkan oleh bahan isolasi gas SF6.
Gambar 3.4. Medan Listrik Yang Timbul Di Antara Dua Elektroda
Dalam perjalanannya, elektron bebas akan mendekati molekul netral gas SF6.
Setelah elektron bebas sangat dekat dengan molekul netral gas SF6 atau hampir
membentur molekul netral gas SF6, maka molekul netral gas SF6 akan menarik atau
Gambar di bawah menunjukkan molekul netral gas SF6 yang menyerap elektron
bebas.
Gambar 3.5. Penyerapan Elektron Bebas Pada Molekul Netral
Ion negatif yang terbentuk memiliki massa yang relatif besar jika dibandingkan
dengan elektron bebas. Sehingga ion negatif ini tidak mampu untuk menimbulkan
ionisasi benturan. Semakin kecil peluang terjadinya ionisasi benturan, maka elektron
bebas yang terbentuk akan semakin sedikit juga. Maka media isolasi, dalam hal ini
adalah gas SF6, semakin sulit untuk terjadi tembus listrik. Oleh karena gas SF6
mempunyai energi elektronegativitas yang tinggi, maka gas SF6 memiliki kekuatan
dielektrik yang baik.
Meskipun gas SF6 memiliki kekuatan dielektrik yang baik dan beberapa
keunggulan, perlu diperhatikan bahwa gas SF6 juga mempunyai beberapa kekurangan,
akan dipakai melebihi 13,8 bar, maka gas SF6 harus dipanaskan terlebih dahulu. Fungsi
dari pemanasan ini adalah untuk mencegah perubahan wujud gas SF6 dari wujud gas
menjadi cair.
, %&'#"-0 #&# %"0#/#3 %$-#!#& )%+%$!")$ #
Ketika kontak/kontak pemutus tenaga membuka atau menutup, maka di antara sela
kontak tersebut akan terjadi busur api. Busur api yang terjadi akan menimbulkan panas
yang sangat tinggi, sehingga media isolasi di antara sela kontak/kontak juga akan
dikenai panas yang tinggi tersebut. Panas yang diakibatkan oleh busur api dapat
mencapai 9700°C.
Pada saat suhu panas berkisar antara 500°C, gas SF6 mulai terurai dan pada suhu
panas mencapai 2000°C, gas SF6 ini terurai secara sempurna. Proses penguraian dari gas
SF6 ini akan menghasilkan sulfur dan ion fluorin. Ketika busur api yang terjadi telah
padam, maka suhu panas akan turun. Penurunan suhu yang terjadi di dalam pemutus
tenaga akan menyebabkan timbulnya embun kelembaban. Pada saat suhu panas berkisar
antara 1000°C, maka gas SF6 yang terurai akan mulai menyatu kembali. Proses ini
disebut proses rekombinasi.
Hampir semua zat yang terurai dari gas SF6 dapat menyatu kembali, dan hanya
akan bereaksi dengan substansi lainnya yang terdapat di dalam tangki pemutus tenaga,
seperti udara, embun kelembaban yang timbul di dalam pemutus tenaga, elektroda metal
dan beberapa material padat yang terdapat di dalam pemutus tenaga.
Hasil reaksi dari zat yang tidak ikut rekombinasi dengan substansi lainnya dapat
berupa gas ataupun zat padat. Tetapi baik hasil reaksinya berupa gas maupun zat padat,
biasanya terdiri dari sulfur fluorida yang kadarnya sangat kecil dan metal fluorida,
seperti CuF2, AlF3, WF6, dan CF4.
Sulfur fluorida yang kadarnya sangat kecil adalah S2F2 dan SF4. Sulfur fluorida ini
dengan cepat bereaksi dengan embun kelembaban dan menghasilkan gas hidrogen
fluorida (HF), sulfur dioksida (SO2), dan zat oksifluorida yang lebih stabil seperti thionil
fluorida (SOF2).
Metal fluorida yang terbentuk biasanya berbentuk bubuk/bubuk berwarna abu/abu
yang menyerupai debu. Metal fluorida ini biasanya terdapat pada bagian bawah di dalam
tangki pemutus tenaga dan ada juga yang menempel pada dinding/dinding di dalam
tangki pemutus tenaga. Jika kontak/kontak pemutus tenaga yang menggunakan bahan
dari tembaga, maka metal fluorida yang terbentuk akan berbentuk bubuk/bubuk yang
berwarna putih. Apabila bubuk/bubuk putih ini dibuang ke udara luar, maka bubuk/
bubuk putih ini akan bereaksi dengan udara luar dan berubah menjadi warna biru, serta
menghasilkan garam kering. Metal fluorida yang terbentuk tersebut, baik yang berwarna
Oleh karena ada zat yang tidak ikut rekombinasi, maka massa dan volume dari gas
SF6 ini akan mengalami penurunan. Penurunan massa dan volume yang terjadi pada gas
SF6 tentunya akan mengurangi sifat listrik dari gas SF6 dan khususnya nilai kekuatan
dielektrik gas SF6. Oleh karena itu, tugas akhir ini akan meneliti berapa besar pengaruh
, *-*
Busur api yang terjadi di dalam pemutus tenaga akan mengenai media isolasi yang
terdapat di dalamnya. Dalam kasus ini, media isolasi yang dimaksud adalah gas SF6.
Busur api yang mengenai gas SF6 akan menyebabkan perubahan sifat listrik pada gas
SF6 ini terutama kekuatan dielektriknya, sehingga perlu diteliti berapa besar penurunan
kekuatan dielektrik dari gas SF6 setelah dikenai busur api.
Untuk meneliti pengaruh busur api terhadap kekuatan dielektrik gas SF6, maka
perlu dilakukan percobaan. Adapun alat/alat yang dipergunakan dalam percobaan ini
adalah :
1. Tabung gas SF6 (1 set).
Tabung gas SF6 ini memiliki diameter 22 cm dan tinggi 150 cm. Gambar 4.1
Gambar 4.1. Tabung Berisi Sampel Gas SF6
2. Trafo uji 220 V/100 kV, 5 KVA, 50 Hz (1 set).
Gambar di bawah menunjukkan trafo uji yang digunakan.
3. Voltmeter AC (1 set).
Gambar di bawah menunjukkan voltmeter yang digunakan.
Gambar 4.3. Voltmeter AC
4. Tahanan peredam (1 set).
Tahanan peredam yang digunakan sebesar 43 kL. Gambar di bawah menunjukkan
tahanan peredam yang digunakan.
5. Elektroda bola/bola (1 set).
Elektroda bola/bola yang digunakan sebanyak 2 buah dan masing/masing
berdiameter 5 cm. Gambar di bawah menunjukkan 1 set elektroda bola/bola yang
digunakan.
Gambar 4.5. Elektroda Bola/Bola
6. Wadah pengukuran gas SF6 (1 set).
Wadah pengukuran gas SF6 yang digunakan memiliki diameter 15 cm dan tinggi
80 cm. Wadah pengukuran ini juga sudah dipasang barometer yang bisa mengukur
tekanan gas sampai 5 bar. Gambar 4.6 menunjukkan wadah pengukuran yang
Gambar 4.6. Wadah Pengukuran Tegangan Tembus Sampel Gas SF6
Gambar di bawah menunjukkan rangkaian percobaannya.
, "1 %/-" %&'-.)#&
Prosedur yang dilakukan pada percobaan ini adalah :
1. Elektroda bola/bola (1 set) dimasukkan ke dalam wadah pengukuran gas SF6 dan
diatur jarak sela di antara elektroda sebesar 0,2 cm.
2. Dimasukkan sampel pertama gas SF6 dari tabung ke dalam wadah pengukuran dan
diatur tekanan gas SF6 sampai 4,9 bar.
3. Wadah pengukuran dihubungkan ke trafo uji.
4. Dinaikkan tegangan dari trafo uji sampai gas SF6 yang terdapat pada sela elektroda
bola/bola tembus listrik sampai terjadi busur api. Lama terjadinya busur api diatur
dengan timer yang mengatur waktu pemutus hubungan trafo uji dengan sumber.
Kemudian dicatat nilai tegangan tembusnya.
5. Kemudian dilakukan hal yang sama sampai gas SF6 terjadi busur api sampai 9 kali.
Setelah itu, gas SF6 yang sudah selesai diteliti, dibuang dan diisi dengan sampel kedua
gas SF6. Lakukan hal yang sama sampai sampel kelima gas SF6.
, # )+ %"61 ##&
Tabel 4.1 berikut menunjukkan hasil pengukuran tegangan tembus untuk lima
, &#+) # #!#
Setelah itu, dihitung nilai kuat medan listrik maksimum yang timbul di antara
elektroda bola/bola dengan menggunakan Persamaan 3.1. Kemudian didapat nilai
kekuatan dielektrik gas SF6 dengan menggunakan Persamaan 3.5.
Sebelum menghitung kuat medan listrik di antara elektroda bola/bola, maka
terlebih dahulu dihitung nilai faktor effiensi dari elektroda bola/bola.
/-01 2 /
/-3 2 / 0-561 2 /4 2 /
0-01
0-3 20-0784 2 /
x = 0,99392
Maka nilai faktor effisiensi untuk jarak sela bola/bola 0,2 cm adalah 0,99392
, ,# #*3%+ %"!#*#
1. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang masih belum terjadi busur api.
Vt = 24,6 kV
Emax = % & - -;;<; 9-: /6=-73 (> )
KD gas SF6 = Emax = /6=-73 (> )
2. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 1 kali busur api.
Vt = 24,2 kV
Emax = % & - -;;<; 9- /6/-71 (> )
KD gas SF6 = Emax = /6/-71 (> )
Vt = 24 kV
Emax = % & - -;;<; 9 /60-7= (> )
KD gas SF6 = Emax = /60-7= (> )
4. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 3 kali busur api.
Vt = 24 kV
Emax = % & - -;;<; 9 /60-7= (> )
KD gas SF6 = Emax = /60-7= (> )
5. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 4 kali busur api.
Vt = 23,6 kV
Emax = % & - -;;<; <-: //?-76 (> )
KD gas SF6 = Emax = //?-76 (> )
6. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 5 kali busur api.
Vt = 23,3 kV
KD gas SF6 = Emax = //7-6/ (> )
7. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 6 kali busur api.
Vt = 23 kV
Emax = % & - -;;<; < //3-70 (> )
KD gas SF6 = Emax = //3-70 (> )
8. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 7 kali busur api.
Vt = 22,7 kV
Emax = % & - -;;<; -@ //1-60 (> )
KD gas SF6 = Emax = //1-60 (> )
9. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 8 kali busur api.
Vt = 22,3 kV
Emax = % & - -;;<; -< //6-60 (> )
KD gas SF6 = Emax = //6-60 (> )
10. Untuk nilai tegangan tembus dari gas SF6 yang sudah terjadi 9 kali busur api.
Vt = 21,9 kV
KD gas SF6 = Emax = //0-/7(> )
Dengan cara yang sama, dihitung nilai kekuatan dielektrik dari sampel kedua
sampai sampel kelima gas SF6.
Sehingga nilai kekuatan dielektrik yang telah dihitung dapat dibuat dalam tabel
berikut ini.
Tabel 4.3 Nilai Kekuatan Dielektrik Gas SF6 Untuk Berbagai N Kali Busur Api
N kali
Selanjutnya dari Tabel 4.3 di atas, dihitung nilai kekuatan dielektrik rata/rata untuk
Tabel 4.4. Kekuatan Dielektrik Rata/Rata Untuk Berbagai N Kali Busur Api
N Kali Busur Api Kekuatan Dielektrik Gas SF
6 Rata/Rata (> )
Jika pemutus tenaga gas SF6 digunakan di dalam sistem yang bertegangan 150 kV,
dan apabila kontak/kontak pemutus tenaga membuka sampai 1 cm, maka batas kekuatan
dielektrik terendah yang diijinkan adalah 87 kV/cm.
Maka dari Tabel 4.4 di atas, dapat dibuat grafik untuk nilai rata/rata dari kekuatan
dielektrik gas SF6 dan grafik batas kekuatan dielektrik terendah yang diijinkan, seperti
Gambar 4.8 Grafik Nilai Kekuatan Dielektrik Rata/Rata Gas SF6 Setelah Terjadi N
Kali Busur Api.
Sehingga titik perpotongan antara grafik penurunan kekuatan dielektrik gas SF6
dengan grafik batas kekuatan dielektrik terendah gas SF6 yang diijinkan dapat dicari
dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
87 = /0,06x2 – 0,349x + 126,6 4.1 Disederhanakan menjadi :
0,06x2 + 0,349x – 39,6 = 0 4.2 Dengan menggunakan rumus abc, maka harga x dapat dicari.
X1,2 ABCD B B A9 E F 4.3
Dalam hal ini :
a = 0,06 ; b = 0,349 ; c = /39,6
Sehingga,
X1,2 ABCD B B A9 E F = A -<9;CD -<9; -<9; A9 - : A<;-: - : = A -<9;CG;-: .H - :
X1,2 = /2,90833 ± 25,85456
Maka, X1 = 22,94623 dan X2 = /28,76289 (tidak termasuk)
Dari nilai X yang telah didapat, apabila proses pembukaan pemutus tenaga telah
mencapai 22 kali, disarankan agar gas SF6 yang berada di dalam pemutus tenaga diganti
, % )*3-+#&
1. Busur api mempengaruhi nilai kekuatan dielektrik gas SF6, yaitu dari 126,466
kV/cm menjadi 116,81 kV/cm, untuk kejadian busur api sebanyak 9 kali.
2. Nilai kekuatan dielektrik gas SF6 lebih besar 4 kali dari nilai kekuatan dielektrik
udara (±30 kV/cm).
3. Nilai kekuatan dielektrik gas SF6 juga lebih besar dari nilai kekuatan dielektrik
minyak (±100 kV/cm).
4. Jika proses pembukaan kontak/kontak pada pemutus tenaga sudah mencapai 22
kali, maka gas SF6 yang berada di dalam pemutus tenaga tersebut sudah harus
diganti dengan gas SF6 yang baru.
5. Kecepatan putaran pada autotrafo sangat mempengaruhi nilai tegangan tembus gas
SF6.
, #"#&
2. Membuat sebuah wadah gas yang dapat menahan tekanan gas SF6 sampai 6 bar.
Agar bisa mengetahui jumlah proses pembukaan kontak/kontak pemutus tenaga
terhadap jadwal pergantian gas SF6, pada sistem yang bertegangan lebih tinggi dari
150 kV.
3. Sebaiknya pengaruh korona pada elektroda bola/bola yang dipakai, diteliti juga
pengaruhnya terhadap nilai kekuatan dielektrik gas SF6.
4. Pada penelitian yang akan datang, penulis mengharapkan ada pihak yang tertarik
untuk meneliti nilai kekuatan dielektrik dari pencampuran gas SF6 dengan gas
