BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1.Minyak Pelumas
Minyak pelumas digunakan untuk berbagai keperluan diantaranya adalah untuk mengatasi terjadinya gesekan antara dua permukaan yang berbeda geraknya. Sebagai pendingin yang mampu menyerap panas dari ruang pembakaran yang bersuhu 1000 – 1600 oC.Untuk keperluan ini oli harus dapat dengan cepat menghantar dan memindahkan panas ke bagian lain yang lebih dingin. Selain itu oli juga dapat berfungsi sebagai pembersih penutup celah pada dinding mesin. Kegunaan oli yang lain adalah dapat sebagai pengisi pada kabel isolator sehingga kabel ini dapat menjadi penghantar tegangan listrik hingga 100 – 500 kV.
Oli dapat diperlakukan sebagai dielektrik dibawah medan listrik bolak – balik karena oli tersusun dari molekul – molekul non – polar, maka dibawah pengaruh medan listrik pusat muatan positif dan negatif akan terpolarisasi. Jika medan listrik dibolak – balik maka posisi pusat muatan positif dan negatif akan berbolak – balik juga sehingga dengan isolasi akan menghasilkan panas. Tanggap panas pada oli ini dapat diamati dari kekuatan dielektrik oli, sekaligus ini merupakan salah satu cara untuk mengamati kualitas oli.
II.1.1. Jenis – Jenis Minyak Pelumas
Oli menurut jenisnya beredar dipasaran ada tiga macam yaitu : • Oli mineral
• Oli sintetik
• Oli sintetik penuh ( fully syntetic )
II.1.1.1. Oli Mineral
Oli mineral merupakan oli yang terbuat dari minyak mentah ( crude oil ) yang diambil dari minyak bumi yang telah diolah dan penambahan zat aditif sekitar 10 –
20 % untuk meningkatkan kemampuan dan fungsinya. Ukuran molekul oli mineral sangat berbeda – beda sehingga menjadikan oli ini banyak mengandung kotoran. Akibatnya daya tahan terhadap panas, oksidasi, gesekan lebih pendek dibandingkan oli sintetik.
II.1.1.2. Oli Sintetik
Oli sintetik merupakan oli yang dibuat dari unsur – unsur kimia sintetik seperti poly alpha olefin yang datang dari bagian terbersih dari pemilahan dari oli mineral, yakni gas, poly ester, poly organo ester baik dari bahan dasarnya maupun bahan aditifnya. Oli ini dibuat dilaboratorium sehingga ukuran molekulnya dapat dibuat sama. Oleh sebab itu daya tahannya lebih lama.
Oli sintetik cenderung tidak mengandung bahan karbon reaktif, senyawa yang sangat tidak bagus untuk oli, karena cenderung bergabung dengan oksigen sehingga menghasilkan acid (asam). Pada dasarnya, oli sintetik didesain untuk menghasilkan kinerja yang lebih efektif dibandingkan dengan oli mineral.
II.1.1.3. Oli Sintetik Penuh
Oli sintetis penuh (full synthetic oil) mengandung 100% bahan aditif, yaitu minyak dasar bahan kimia yang bukan dihasilkan dari penyulingan minyak bumi. Oli sintetik biasanya digunakan untuk mesin berteknologi canggih (turbo, supercharger, dohc, etc.) juga yang membutuhkan pelumasan yang lebih baik (racing) dimana celah antar part atau logam lebih kecil/sempit/presisi, dimana hanya oli sintetik yang mampu melapisi dan mengalir sempurna.
Oli sintetik tidak disarankan untuk mesin lama, dimana celah antar part biasanya sangat besar/renggang, sehingga apabila menggunakan oli sintetik biasanya menjadi lebih boros karena oli ikut masuk keruang pembakaran dan ikut terbakar sehingga oli cepat habis dan knalpot berasap.
II.1.1.4. Minyak Pelumas Top – 1 SAE 10W-40
Top 1 adalah oli paling terkenal di Indonesia. Sudah sejak awal tahun 2000, perusahaan ini memasarkan produknya di Indonesia. Top – action plus 10W – 40 adalah minyak pelumas
sintetik top – 1 terbaru yang diformulasikan dengan base oil berkualitas tinggi, syngen 2000, yang diperkuat dengan paket aditif terkini. Oli ini memberikan perlindungan yang tinggi terhadap panas dan perubahan kekentalan. Gesekan pada silinder, sehingga proses pelumasan terjadi secara konsisten dan memberikan ketahanan mesin menjadi lebih awet dan tahan lama.
Gambar.2.1. Oli Top - 1 Action Plus Keunggulan top 1 action plus adalah :
• Memberi perlindungan besar terhadap mesin sepeda motor 4T generasi terkini • Ekstra perlindungan terhadap kecepatan dan temperatur tinggi.
• Meminimalisasi keausan pada silinder.
• Mencegah pembentukan deposit pada suhu tinggi. Spesifikasi
Kekentalan : 10W - 40 JASO : MA2
II.1.1.5. Minyak Pelumas Mesran SAE 10W-40
Pelumas ini terutama dianjurkan untuk melumasi mesin kendaraan yang mempergunakan bahan bakar bensin dan menghendaki pelumasan yang sempurna. Pelumas ini adalah dari jenis tugas berat dan bermutu tinggi, mengandung detergent-dispersant additive, sehingga pelumas ini dapat mengurangi pengotoran pada bagian dalam dari mesin, juga mengandung aditif: anti
oksidasi, anti karat, anti aus dan anti busa. Minyak lumas ini diformulasikan dari bahan dasar yang memiliki viscosity index tinggi.
Gambar.2.2. MESRAN SAE 10W-40 Kemampuan kerja Mesran SAE 10W-40:
Mesran memenuhi persyaratan API Service Classification SE/CC, sehingga tidak perlu tambahan aditif lagi.
Penggunaan Mesran SAE 10W-40:
Mesran sangat sesuai untuk pelumasan mesin bensin kendaraan yang mensyaratkan kinerja API Service SE/CC, Ford ESE M2C-153A, GM 6136 M, MIL-L-46152 and CCMC. Oleh karena itu tidak perlu ditambah aditif lagi.
II.1.1.6. Minyak Pelumas Enduro 4T SAE 10W-40
Enduro 4T 10W-40 adalah pelumas motor 4 tak berkualitas tinggi dengan synthetic forced base oil, memiliki kekentalan ganda (multigrade) sehingga pelumas mud ah bersirkulasi pada temperatur rendah dan memberikan perlindungan optimal terhadap keausan komponen mesin pada suhu dan kecepatan tinggi, memenuhi standar mutu Internasional API SJ.
Gambar.2.3. Enduro 4T 10W-40
Keunggulan:
* Tidak menyebabkan slip pada kopling / mengandung anti slip aditif. * Memiliki kekentalan yang sangat stabil pada temperatur rendah dan tinggi.
* Memiliki kekentalan SAE 10W-40 yang sesuai untuk sepeda motor generasi terbaru sehingga mudah untuk start pada kondisi mesin dingin.
* Memberikan proteksi yang lebih baik bagi mesin- mesin yang beroperasi dengan akselerasi sangat tinggi, terutama pada aplikasi sepeda motor racing.
* Tidak mudah teroksidasi dan terdegredasi oleh radiasi panas dari mesin. * Menjaga kebersihan mesin, serta mencegah terbentuknya deposit pada piston. * Melindungi mesin dari korosi dan menjaga komponen mesin dari keausan. Penggunaan:
Enduro 4T 10W-40 ini direkomendasikan untuk mesin sepeda motor 4 tak, merek Suzuki, Honda, Yamaha dan lainnya. Cocok juga digunakan untuk motor 4 tak buatan China dan Korea. II.2. Isolator
Benda yang tidak dapat menghantarkan panas dengan baik disebut isolator. Sebuah isolator, juga disebut dielektrik , merupakan bahan yang tahan aliran muatan listrik . Fungsi isolator adalah untuk mendukung proses terjadinya pemisahan listrik konduktor tanpa membiarkan arus melalui diri mereka sendiri.
Penggunaan tenaga listrik yang semakin meningkat membutuhkan isolator untuk saluran transmisi maupun distribusi juga semakin banyak. Isolator berfungsi secara mekanik menahan beban kawat saluran, secara elektrik mengisolasi saluran yang bertegangan dengan menara, atau saluran dengan saluran sehingga tidak terjadi kebocoran arus dan dalam hal gradien medan tinggi, tidak terjadi lompatan listrik berupa lewat denyar (flashover) atau percikan (sparkover). Dengan demikian bahan isolasi haruslah mempunyai kekuatan dielektrik yang baik sehingga sifat ha ntarannya dapat ditiadakan.
Karena bahan isolator minyak bukan dielektrik sempurna, maka molekul- molekul yang terdapat pada bahan tersebut tidak terikat erat tetapi masih terdapat elektron-elektron yang dapat bergerak bebas atau dapat terlepas dari ikatan akibat menerima beban tegangan dan menimbulkan aliran arus bocor (leakage current) atau arus yang mengalir melalui media elektrik. Isolator minyak sebagian besar berasal dari minyak bumi atau minyak mentah yang diolah secara khusus sehingga mempunyai sifat–sifat sebagai isolator dan juga sebagai pendingin. Isolator minyak mineral mudah didapat dan murah dibanding isolator minyak lain (non minyak bumi).
Kelebihan isolator minyak sintetik adalah isolator jenis ini sederhana dalam pengoperasian peralatannya. Isolator minyak, dalam hal ini minyak transformator mempunyai unsur atau senyawa utama yaitu hidrokarbon. Senyawa hidrokarbon yang utama dari isolator minyak ini adalah senyawa hidrokarbon parafinik, senyawa hidrokarbon naftenik, dan senyawa hidrokarbon aromatik. Selain ketiga senyawa tersebut, isolator minyak masih mengandung senyawa yang disebut zat aditif (tambahan) meskipun kandungannya sangat kecil.
Minyak pelumas TOP 1 SAE 10W-40, MESRAN SAE 10W-40, ENDURO 4T SAE 10W-40 berfungsi juga sebagai isolator, yang tidak boleh menghantar listrik, sehingga minyak ini kadang – kadang disebut juga insulating oil. Minyak ini dipakai sebagai pengganti isolator bahan padat, yang tidak dapat bekerja secara efektif pada temperature tinggi. Isolator merupakan bagian penting dalam transmisi dan distribusi energi elektrik.
Jika suatu tegangan dikenakan pada dua elektroda yang dicelupkan kedalam cairan (isolasi) maka terlihat adanya konduksi arus yang kecil. Jika tegangan dinaikkan secara kontinyu maka pada titik kritis tertentu akan terjadi lucutan diantara kedua elektroda.
Beberapa macam faktor yang diperkirakan mempengaruhi kegagalan minyak pelumas seperti luas daerah elektroda, jarak celah (gap spacing), pendinginan, perawatan sebelum pemakaian (elektroda dan minyak), pengaruh kekuatan dielektrik dari minyak yang diukur serta kondisi pengujian atau minyak itu sendiri juga mempengaruhi kekuatan dielektrik minyak. Berikut ini beberapa faktor yang mempengaruhi mekanisme kegagalan yaitu :
• Partikel
Ketidak murnian memegang peranan penting dalam kegagalan isolasi. Partikel debu atau serat selulosa dari sekeliling dielektrik padat selalu tertinggal dalam cairan. Apabila diberikan suatu medan listrik maka partikal ini akan terpolarisasi.
• Air
Air yang dimaksud adalah berbeda dengan partikel yang lembab. Air sendiri akan ada dalam minyak yang sedang beroperasi/dipakai. Namun demikian pada kondisi operasi normal, peralatan cenderung untuk mambatasi kelembaban hingga nilainya kurang dari 10 %. Medan listrik akan menyebabkan tetesan air yang tertahan didalam minyak yang memanjang searah medan dan pada medan yang kritis, tetesan itu menjadi tidak stabil. Kanal kegagalan akan menjalar dari ujung tetesan yang memanjang sehingga menghasilkan kega galan total.
• Gelembung
Pada gelembung dapat terbentuk kantung kantung gas yang terdapat dalam lubang atau retakan permukaan elektroda, yang dengan penguraian molekul molekul cairan menghasilkan gas atau dengan penguatan cairan lokal melalui emisi elektron dari ujung tajam katoda. Gaya elektrostatis sepanjang gelembung segera terbentuk dan ketika kekuatan kegagalan gas lebih rendah dari cairan, medan yang ada dalam gelembung melebihi kekuatan uap yang menghasilakn lebih banyak uap dan gelembung sehingga membentuk jembatan pada seluruh celah yang menyebabkan terjadinya pelepasan secara sempurna.
II.3.1. Kegagalan Isolasi
Kegagalan isolasi pada peralatan tegangan tinggi yang terjadi pada saat peralatan sedang beroperasi bisa menyebabkan kerusakan alat sehingga kontinyuitas sistem menjadi terganggu. Dari beberapa kasus yang terjadi menunjukkan bahwa kegagalan isolasi ini berkaitan dengan adanya partial discharge. Partial discharge ini dapat terjadi pada material isolasi padat, material ioslasi cair dan juga material isolasi gas.
Kegagalan isolasi (insulation breakdown, insulation failure) disebabkan karena beberapa hal, antara lain : isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya kekuatan dielektrik dan karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada perinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar supaya isolator tidak gagal.
Dalam struktur molekul material isolasi, elektron-elektron terikat erat pada molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka sifat isolasi pada tempat itu hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan tegangan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul ke molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik isolator akan berubah bila material tersebut kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan gagal.
II.3.2. Kegagalan Elektronik Pada Zat Cair
Karena dianggap zat cair berkelakuan seperti udara, maka supaya terjadi kegagalan diperlukan elektron awal yang dimasukkan kedalam zat cair. Elektron awal inilah yang akan memulai proses kegagalan. Walaupun kuat medannya cukup besar, tetapi jika tidak terdapat elektron awal maka tidak akan terjadi kegagalan. Jika diantara elektroda diterapkan suatu kuat medan yang kuat, sedangkan pada elektroda memiliki permukaan yang tidak rata (runcing) maka, kuat medan yang terbesar terdapat pada daerah / bagian yang runcing tersebut. Kuat medan tersebut akan mengeluarkan elektron e1 yang akan memulai terbentuknya banjiran
memperoleh energy dari medan yang lebih besar daripada energi yang hilang karena benturan dengan molekul – molekul.
Perolehan (gain) ini digunakan untuk mengionisasi molekul karena benturan dan mengawali banjiran. Elektron – elektron yang dihasilkan adalah e1, e2, e3 ,…….en, kemudian
akan menyebabkan timbulnya arus konduksi dalam zat cair pada kuat medan tinggi. Menurut Schottky arus yang timbul tersebut memiliki kerapatan sebesar:
J = j t . (A/cm2) (3.1) Jt = AT2 (3.2)
.Dengan :
E = M.Ea (3.3)
Dimana : J = kerapatan arua konduksi/arus bocor Jt = kerapatan arus termionik
Ea = Kuat medan yang diterapkan
M = Faktor ketidakrataan permukaan = 10 untuk permukaan halus
Pada persamaan (3.2) menunjukkan bahwa arus bergantung pada suhu. Namun menurut pengujian kegagalan ternyata kegagalan sedikit berpengaruh oleh suhu.
Kondisi untuk memungkinkan terjadinya banjiran elektron, diperoleh dengan menyamakan perolehan energi elektron yang me nempuh lintasa bebas rata-rata.
U1 = F. (3.4)
U1 = e.E. (3.5)
Dengan energi yang diperlukan untuk mengionisasi molekul.
U2 = c.h (3.6)
Dimana : E = medan yang diterapkan = lintasan bebas rata-rata
h = catu(kuantum )energi yang diperlukan untuk mengionisasi molekul. c = konstanta.
II.4. Sifat-Sifat Listrik Cairan Isolasi
Sifat sifat listrik yang menentukan unjuk kerja cairan sebagai isolasi adalah :
• Withstand Breakdown kemampuan untuk tidak mengalami kegagalan dalam kondisi tekanan listrik (electric stress ) yang tinggi.
• Kapasitansi Listrik per unit volume yang menentukan permitivitas relatifnya. Ketidak bergantungan permitivitas subtansi nonpolar pada frekuensi membuat bahan lebih banyak dipakai dibandingkan dengan bahan yang bersifat polar. Misalnya air memiliki permitivitas 78 untuk frekuensi 50 Hz, namun hanya memiliki permitivitas 5 untuk gelombang mikro.
• Faktor daya.
Faktor dissipasi daya dari minyak dibawah tekanan bolak balik dan tinggi akan menentukan unjuk kerjanya karena dalam kondisi berbeban terdapat sejumlah rugi rugi dielektrik. Faktor dissipasi sebagai ukuran rugi rugi daya merupakan parameter yang penting bagi kabel dan kapasitor. Minyak transformator murni memiliki faktor dissipasi yang bervariasi antara 10-4 pada 20 oC dan 10-3 pada 90oC pada frekuensi 50 Hz.
• Resistivitas
Suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi cair bila resitivitasnya lebih besar dari 109 W-m. Pada sistem tegangan tinggi resistivitas yang diperlukan untuk material isolasi adalah 1016 W-m atau lebih. (W=ohm)
II.5. Kualitas Minyak
o Partikel debu atau fiber terlah ada dalam cairan. Partikel ini menurunkan kekuatan dielektrik minyak dan partikel partikel ini dapat meloloskan diri dari proses filterasi jika ukurannya sangat kecil
o Partikel yang dihasilkan oleh discharge terdahulu yang biasanya berupa partikel
karbon yang dihasilkan dari penguraian minyak atau partikel metalik yang dipindahkan dari permukaan elektroda oleh discharge.
o Air
o Bahan tambahan (additive) yang sengaja diberikan kedalam minyak untuk merubah sifat elektrisnya.
Perilaku ketidak murnian dan atau ketidakmurnian dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi daripada cairan tertarik ke dalam daerah tekanan elektrik tinggi dan bahkan membentuk suatu partikel jembatan yang memungkinkan mengarah ke breakdown.
II.5.1. Kekuatan Dielektrik
Sifat – sifat listrik dari minyak isolasi yang perlu diketahui adalah dielektrik, konduktansi, rugi-rugi dielektrik, tahanan isolasi dan pelepasan muatan sebagian.Sifat – sifat listrik dari minyak isolasi yang akan diuraikan pada tulisan ini adalah kekuatan dielektrikum minyak isolasi.
Kekuatan dielektrik merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk bisa menahan tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan dielektrik. Kekuatan dielektrik cair tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri, material dari elektroda, suhu, jenis tegangan yang diberikan, gas yang terdapat dalam cairan, dan sebagainya yang dapat merubah sifat molekul cairan.Dalam isolasi cair kekuatan dielektrik setara dengan
tegangan yang terjadi.
Peristiwa kegagalan minyak isolasi melaksanakan fungsinya sebagai bahan dielektrik disebut dadal listrik (breakdown). Peristiwa dadal listrik ini terjadi bila kuat medan yang dipikul melebihi dielektriknya, Breakdown terjadi jika:
Dimana:
ED = Kuat medan yang dipikul osilator
EC =Kuat dielektrik isolator
Dalam pengujian kekuatan dielektrik minyak isolasi bergantung pada : 1. Bahan dan bentuk elektroda pengujian minyak isolasi tersebut 2. Jarak sela elektroda penguji
3. Kadar gas N2 dan O2 dalam minyak isolasi tersebut
Kekuatan listrik merupakan karakteristik penting dalam material isolasi. Jika kekuatan listrik rendah minyak transformator dikatakan memiliki mutu yang kurang baik. Hal ini sering terjadi jika air dan pengotor ada dalam minyak.
Kekuatan dielektrik me rupakan ukuran kema mpuan suatu material untuk bisa tahan terhadap tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan. Kekuatan dielektrik ini tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri. Namun demikan dalam prakteknya kekuatan dielektrik tergantung pada material dari elektroda, suhu, jenis tegangan yang diberikan, gas yang terdapat dalam cairan dan sebagainya yang dapat mengubah sifat molekul cairan.
II.5.1.1. Tegangan Dadal
Proses sebelum terjadi dadal dimulai dari menaikkan tegangan uji secara bertahap dari keadaan tegangan rendah sampai mendekati tegangan dadal. Dalam kondisi mendekati nilai tegangan dadal timbul suara mendesis, Hal ini terjadi karena adanya tekanan yang terus menerus dan semakin besar pada minyak isolasi.
Untuk memperoleh tegangan dadal pada setiap pengujian, tegangan uji diberikan pada sistem secara bertahap dengan tingkat kenaikan yang sama per satuan waktu menggunakan peralatan pengontrol. Dengan demikian dapat diamati fenomena apa saja yang terjadi selama pelaksanaan pengujian. Dalam tegangan dadal jika semakin tinggi tegangan dadal yang diperoleh maka kualitas minyak pelumas akan semakin baik. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan uji kegagalan ini antara lain:
a). Jarak elektroda 2.5 mm
b). Bejana dan elektroda harus benar-benar kering dan bersih setiap sebelum pengujian, elektroda harus dicuci dengan minyak yang akan diuji.
c). Minyak yang akan diuji harus diambil dengan alat yang benar-benar bersih.
Kegagalan zat cair tidak memperhitungkan hubungan antara panjang ruang celah (sela) dengan kekuatan peristiwa kegagalan :
Vb = Adn (3.8)
Dimana :
Vb = tegangan gagal / breakdown (kV)
d = panjang rua ng celah (mm) A = konstanta
n = konstanta yang nilainya <1
II.5.1.2.Persyaratan Umum Minyak Isolasi Yang digunakan Pada Peralatan Tegangan Listrik.
Persyaratan Umum Minyak Isolasi data ditemukan dalam beberapa standar. Salah satu diantaranya dapat dilihat pada standar JIS 2320. Menurut standar JIS 2320, tegangan dadal minyak isolasi adalah 30 kV dengan sela bola 0.25 cm.
II.5.2. Viskositas Minyak
Viskositas minyak adalah suatu hal yang sangat penting karena minyak yang baik akan memiliki viskositas yang rendah, sehingga dapat bersirkulasi dengan baik dan akhirnya pendinginan inti.
Kekentalan merupakan salah satu unsur kandungan oli paling rawan karena berkaitan dengan ketebalan oli atau seberapa besar resistansinya untuk mengalir. Kekentalan oli langsung berkaitan dengan sejauh mana oli berfungsi sebagai pelumas sekaligus pelindung benturan antar permukaan logam.
Untuk menandai kekentalan oli, biasanya digunakan istilah atau kode huruf SAE yang diikuti dengan angka. SAE (Society of Automotive Engineer) yang mirip lembaga standarisasi seperti ISO, DIN atau JIS, yang mengkhususkan diri di bidang otomotif.
Contohnya, kode SAE 10W-40, huruf W di belakang angka 10 merupakan singkatan kata winter (musim dingin). Maksudnya, pelumas mempunyai tingkat kekentalan sama dengan SAE 10 pada saat suhu udara dingin dan SAE 40 ketika udara panas. Kekentalannya akan sangat berhubungan erat dengan spesifikasi mesin dan kondisi operasi mesin seperti kecepatan, beban dan temperatur. Sementara itu, indeks viskositas merupakan suatu ukuran perubahan viskositas terhadap temperatur. Viskositas pelumas akan turun jika temperatur naik, dan sebaliknya. Namun, perubahan ini tidak akan sama untuk semua pelumas.
Viskositas dinamis dalam isolasi cair dinyatakan dalam persamaan:
µ = ? - ?1 (3.9)
Dengan:
? = viskositas (poise) r = jari-jari bola ukur (cm) g = gaya grafitasi
v = kecepatan bola ukur (cm/s) ? = massa jenis bola ukur (g/cm3) ?1 = massa jenis isolasi cair (g/cm3)
Sedangkan nilai viskositas pada minyak isolasi dinyatakan dengan satuan cSt, yaitu satuan untuk viskositas kinematik yang dinyatakan dengan persamaan:
V = (3.10)
dengan :
V = viskositas kinematik (St) µ = viskositas dinamis (poise) ?1 = massa jenis isolasi cair (g/cm3) II.5.3. Konduktivitas
Konduktivitas minyak sangat tergantung pada kuat medan, suhu dan pengotoran. Nilai konduktivitas diakibatkan oleh pergerakan ion. Pengukuran konduktivitas dapat menunjukkan tingkat kemurnian minyak. Konduktivitas minyak isolasi adalah daya hantar listrik minyak isolasi tersebut, yang juga merupakan tingkat kemurnian dari minyak isolasi tersebut. Konduktivitas minyak isolasi disebabkan oleh pergeseran ion.
Konduktivitas minyak isolasi bergantung pada konsentrasi ion – ion penyusunnya dan menentukan besarnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
?
= noq(k+ + k-) (3.11)Dimana:
no = jumlah ion berpasangan per cm3
q = muatan ion
k+ = mobilitas ion positif
k- = mobilitas ion negatif
Mobilitas dari ion positif dan ion negatif tidak seimbang, dimana bergantung pada perbedaan massanya. Jika diperkirakan kedua mobilitas ion sama dengan kenaikan temperatur, maka besar konduktivitas ionik dalam minyak isolasi dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
? =
Aohm
-1cm
(3.12)
A =
(3.13)
A = w/k
Dimana : n = jumlah total ion per cm3
l = jarak antara partikel dalam minyak isolasi f = frekuensi alamiah getaran partikel
k = konstanta Boltzmann T = temperatur
w = energi aktivasi
dengan menggunakan persamaan (3.14) dan (3.15) sering ditulis dalam bentuk logaritma, yakni:
ln ? = ln A – a/T
(3.14)
Dengan menggunakan persamaan (3.16), kita lebih mudah menentukan resistifitas:
= At (3.15)
Resistansi suatu kawat penghantar listrik adalah penghambat bagi elektron-elektron pada saat pemindahannya.Tahanan ini bergantung pada beban (susunan atom, elektron bebas),
panjang, luas penampang, tahanan jenis suatu material, dan temperatur dari suatu kawat penghantar listrik. Pada umumnya resistansi isolasi suatu minyak akan semakin meningkat dan menunjukkan bahwa minyak tersebut masih baik. Resistansi minyak isolasi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini :
R = (3.16)
Dimana :
= resistifitas minyak isolasi
A = Luas efektif permukaan elektroda (m2) L = Panjang efektif elektroda (m)
II.8. Elektroda Sebagai Konduktor
Konduktor adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Dapat dikatakan bahan yang banyak mengandung elektron bebas, sehingga aliran listrik elektron dapat mengalir dengan mudah melalui bahan tersebut. Konduktor dapat berupa zat padat, zat cair, gas terion, dielektrik tak sempurna, dan bahkan ruang hampa udara di sekitar katoda yang memancarkan ion akibat panas. Karena sifatnya yang konduktif maka zat penghantar ini disebut konduktor.
Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non- logam dari sebuah sirkuit (misal semikonduktor, elektrolit atau vakum). Ungkapan kata ini diciptakan oleh ilmuwan Michael Faraday dari bahasa yunani elektron (berarti amber, dan hodos sebuah cara).
Pengukuran tegangan tinggi dengan elektroda bola pada kenyataannya dipengaruhi beberapa hal, salah satunya adalah keadaan udara. Dalam prakteknya, keadaan udara saat pengujian tidak selalu sama dengan keadaan standar. Oleh karena itu hasil pengukuran pada keadaan udara sembarang adalah sebagai berikut :
V = d Vs (3.17)
dimana :
V = Tegangan sela bola pada saat pengujian (keadaan udara sembarang)
Vs = Tegangan dadal sela bola standar
d = faktor koreksi udara
Faktor koreksi udara tergantung kepada suhu dan tekanan udara, besarnya adalah sebagai berikut :
d = (3.18)
dimana:
? = temperatur udara (oC) p = tekanan udara (mmHg)
Elektroda-elektroda dirancang dan diproduksi dengan hati- hati sehingga permukaannya lembut dan memiliki kelengkungan yang seragam/sama. Jari-jari kelengkungan diukur dengan sebuah spherometer di titik-titik yang bervariasi pada area yang ditutup oleh sebuah lingkaran 0,3D mengelilingi titik percik tidak boleh berbeda lebih. Untuk memperoleh ketelitian yang tinggi, hal- hal ini diperhatikan :
1. Jarak sela s< D
2. Jarak sela > 5 % jari-jari elektroda
3. Permukaan elektroda tidak boleh berdebu
4. Elektroda harus licin ( jangan dibersihkan dengan pembersih yang kasar) 5. Jarak benda disekitar elektroda >(0,25+ V/300)m.
6. Untuk mencegah osilasi saat percikan , sebuah resistor yang tahanannya > 500 ohm diserikan degan elektroda bola.
Konduktor tegangan tinggi juga dirancang sehingga tidak mempengaruhi konfigurasi medan listrik. Sebuah tahanan seri biasanya dihubungkan di antara sumber listrik dan elektroda bola untuk membatasi arus yang terjadi akibat tegangan dadal dan juga memperkecil osilasi yang tidak diinginkan pada sumber tegangan listrik ketika terjadi tegangan tembus (pada kasus tegangan impuls). Nilai resistansi seri bervariasi mulai dari 100 sampai 1000 untuk ac dan tidak lebih dari 500 pada kasus tegangan impuls. Pada kasus pengukuran tegangan puncak ac dan tegangan dc, tegangan yang diberikan dinaikkan secara teratur sampai terjadi dadal listrik pada sela bola. O kO % 2± dari nilai nominal. Permukaan bola harus bersih dari debu, minyak, atau pelapis lainnya. Permukaan elektroda harus dipertahankan tetap bersih tetapi tidak perlu dipoles. Jika ada lubang yang terjadi akibat dadal listrik yang berulang- ulang maka elektroda harus dibersihkan.
II.9. Ionisasi
Ion merupakan atom atau gabungan atom yang memiliki muatan listrik, ion terbentuk apabila pada peristiwa kimia suatu atom unsur menangkap atau melepaskan elektron. Proses terbentuknya ion dinamai dengan ionisasi. Jika diantara dua elektroda yang dimasukkan dalam media gas diterapkan tegangan V maka akan timbul suatu medan listrik E yang mempunyai besar dan arah tertentu yang akan mengakibatkan electron bebas mendapatkan energi yang cukup kuat menuju kearah anoda sehingga dapat merangsang timbulnya proses ionisasi
Ionisasi didefinisikan sebagai proses terlepasnya elektron suatu atom atau molekul dari ikatannya. Energi yang dibutuhkan untuk melepas satu atau lebih elektron dari orbitnya pada sebuah atom atau molekul dapat didefinisikan sebagai energi ionisasi Ei. Besarnya energi ionisasi dinyatakan dalam satuan elektron-volt (eV).
Udara yang sesungguhnya tidak hanya terdiri dari molekul - molekul netral tetapi ada sebagian kecil daripadanya berupa ion – ion dan elektron bebas.Jika diantara elektron diterapkan suatu tegangan V, maka akan timbul suatu medan listrik E yang mempunyai arah dan besar tertentu.Dimedan listrik, elektron – elektron akan memperoleh energi yang cukup kuat, sehingga dapat memicu timbulnya proses ionisasi.
Gambar.2.4. Proses dasar ionisasi Besar energi tersebut :
U = eV = ½ me . Ve2 (3.19)
Dimana : e = muatan elektron
V = beda potensial antara kedua elektroda
me = massa elektron Ve = kecepatan elektron
II.9.1. Ionisasi karena Benturan Elektron
Jika gradien tegangan yang ada cukup tinggi maka jumlah elektron yang diionisasikan akan lebih banyak dibandingkan dengan jumlah ion yang ditangkap molekul oksigen. Tiap-tiap elektron ini kemudian akan berjalan menuju anoda secara kontinu sambil membuat benturan-benturan yang akan membebaskan electron lebih banyak lagi.
Sebuah elektron tunggal yang dibebaskan oleh pengaruh luar akan menimbulkan banjiran elektron, yaitu kelompok elektron yang berkembang secara cepat dan bergerak maju meninggalkan ion positif pada lintasannya. Yang dimaksud dengan kecepatan elektron optimum adalah suatu kecepatan yang tepat untuk memecahkan atom menjadi elektron dan ion, dan harus sering terjadi supaya bila gerakan yang pertama tidak dapat membentur atom dan membebaskan elektron daripadanya.
Ion positif yang sampai dikatoda akan menimbulkan dua efek yang berbeda.Jika kontak terbuat dari bahan yang titik leburnya tinggi maka ion positif akan menimbulkan pemanasan dikatoda. Jika pengurangan partikel bermuatan proses deionisasi lebih banyak dari penambahan muatan karena proses ionisasi, maka busur api akan padam ,disela kontak akan tetap ada terpaan
medan elektrik. Jika suatu saat terjadi terpaan medan elektrik yang lebih besar daripada kekuatan dielektrik media isolasi kontak ,busur api akan terjadi lagi.
II.9.2. Proses Katoda
Katoda memiliki peran penting dalam lucutan karena katoda berfungsi menyediakan elektron untuk :
• Mengawali lucutan • Mempertahankan lucutan • Menyelesaikan lucutan
Dalam keadaan normal elektro – elektron dicegah untuk meninggalkan katoda padat oleh gaya elektrostatik. Untuk mengatasi gaya – gaya ini diperlukan sejumlah energi catu minimum. Ada bebarapa cara untuk menyediakan energi guna membebaskan elektron dari katoda:
v Emisi fotoelektrik
Foton yang menyinari katoda dengan energi hv melebihi fungsi kerja dapat mengeluarkan elektron dari permukaan tersebut.
v Emisi elektron karena dampak ionisasi
Elektron dapat dikeluarkan dari permukaan logam katoda dengan menghujaninya ion positif atau atom – atom metastabil.
v Emisi termionik
Pada logam dengan suhu tinggi elektron – elektron konduksi yang ada didekat permukaan mungkin memiliki energi yang cukup besar untuk mengatasi penghalang energi potensial yang ada dipermukaan oleh karena itu elektron dapat dikeluarkan dari logam tersebut.Untuk memungkinkan emisi termionik diperlukan suhu logam antara 1.500 – 2.500 0K.
Emisi Elektron dapat pula dikeluarkan dari permukaan logam oleh medan elektrostatis yang sagat kuat. Untuk menghasilkan arus emisi berupa mikroamper diperlukan medan listrik sebesar 107 – 108 V/cm yang bekerja pada logam
Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron – elektron bebas, melainkan elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di dua elektroda piring sejajar . Bila elektroda diberi tegangan searah (V), maka akan timbul medan listrik (E) di dalam dielektrik. Medan ini member gaya kepada elektron – elektron agar lepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan bahan dielektrik yang menekan dielektrik berubah menjadi konduktor.
Gambar .2.5. Medan Dielektrik dalam Dielektrik
Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga dengan terpaan medan ielektrik, setiapdielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan dielektrik.Jika terpaan yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama, maka isolator akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator . Dalam hal ini dielektrik disebut dadal listrik atau breakdown.
Terpaan elektrik yang tertinggi yang dapat dipikul dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tersebut dadal listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik memiliki kekuatan dielektrik Ek , maka terpaan dielektrik yang dipikulnya adalah < Ek.
Pada penerapan tegangan kekuatan dielektrik didefenisikan sebagai gradient potensial dalam volt/cm merupakan perbandingan tegangan yang menyebabkan kerusakan atau kegagalan pada dielektrik V dengan tebal isolasi d yang memisahkan antara dua elektroda dapat dilihat pada persamaan berikut:
E = (kV/cm) (3.20)
V = Tegangan maksimum yang tercatat pada alat ukur d = Tebal isolasi
Adapun fungsi yang paling penting dari suatu bahan dielektrik adalah:
1. Untuk mengisolasi antara satu penghantar dengan penghantar lainnya. 2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasinya.
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Tekanan yang diakibatkan oleh medan elektrik, gaya mekanik, thermal maupun kimia dapat terjadi secara serentak. Dengan kata lain, suatu bahan dielektrik dapat dikatakan ekonomis jika bahan dielektrik tersebut dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama dengan menahan semua tekanan tersebut diatas. Dari sifat-sifat bahan dielektrik yang ada, terdapat 6 sifat yang perlu diketahui, yaitu;
1. Kekuatan dielektrik 2. Konduktansi 3. Rugi-rugi dielektrk 4. Tahanan isolasi
5. Peluahan sebagian (Partial discharge) 6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strenght)
II.12. Sumber Tegangan Tinggi
Transformator merupakan suatu alat listrik yang mengubah tegangan arus bolak-balik dari satu tingkat ke tingkat yang lain melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip-prinsip induksi-elektromagnet. Transformator terdiri atas sebuah inti , yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder.
Prinsip transformator adalah berdasarkan Hukum Ampere dan Hukum Faraday, yaitu arus listrik dapat menimbulkan medan magnet dan sebaliknya arus listrik dapat menimbulkan arus listrik.
Jika salah satu salah satu kumparan trafo diberi arus bolak balik maka jumlah garis gaya magnet berubah- ubah . Akibatnya pada kumparan primer terjadi induksi. Sekunder menerima garis gaya magnet dari primer dalam jumlah yang berubah – ubah juga sehingga di sekunder juga terjadi induksi, akibatnya terdapat beda tegangan diantara kedua ujung transformator .
Transformator adalah sebuah mesin listrik yang dapat memindahkan tenaga listrik dari belitan primer ke belitan sekunder, disertai dengan perubahan arus dan tegangan. Pemindahan tenaga listrik ini terjadi tanpa melalui hubungan langsung antar belitan tersebut. Prinsip pemindahan tenaga listrik pada transformator berdasarkan teori Michael Faraday, yang dikenal dengan teori Induksi Elektromagnetik. Dalam percobaan Faraday dijelaskan, pada sebuah inti besi lunak yang tertutup dibelit oleh belitan yang dinamakan belitan primer dan belitan sekunder, dimana belitan primer dihubungkan langsung dengan sumber listrik, sedangkan belitan sekunder dihubungkan dengan beban.
Untuk pengujian tegangan dadal digunakantegangan tinggi AC Untuk membangkitkan tegangan tinggi arus bolak balik. Trafo uji yang digunakan adalah trafo satu fasa. Hal ini disebabkan karena pengujian biasanya dilakukan untuk setiap fasa.
