BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Tekanan Mekanis
Benda memiliki suatu massa atau berat. Berat sebuah benda berasal dari dua hal yaitu internal dan eksternal. Berat yang berasal dari bahan tersebut disebut internal dan berat yang diakibatkan oleh gravitasi disebut eksternal. Berat yang berasal dari eksternal akan memiliki arah. Oleh sebab itu berat itu dapat dinyatakan sebagai gaya yang merupakan besaran vektor. Besaran berat dinyatakan dengan satuan massa yaitu kilogram atau gram[2].
Suatu bahan jika diberi suatu gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang dengan luas tertentu disebut dengan tekanan. Tekanan yang disebabkan oleh benda dapat dikatakan sebagai tekanan mekanis. Tekanan mekanis terdiri dari tegangan tarik, kekuatan tekan, dan modulus elastisitas. Besarnya tekanan mekanis dapat dilihat sebagai berikut :
�
�=
�� (2.1)Dimana :
�
M : Tekanan mekanis (Kg/mm2)F : Gaya berat beban (Kg)
A : Luas Penampang benda (mm2)
2.2 Proses Terbentuknya Kertas
Kertas termaksud bahan berserat yang seratnya pendek. Salah satunya yang terbuat dari kayu. Kayu merupakan salah satu komuditi yang paling sering dimanfaatkan manusia untuk berbagai keperluaan. Kayu dalam penggunaannya memiliki kekuatan tertentu, terutama mengenai sifat fisik dan mekaniknya.
Sifat fisik, sifat mekanik, dan sifat kimia merupakan sifat dari kayu. Namun dari ketiganya sifat kayu yang erat kaitannya dengan kekuatan kayu adalah sifat mekanik dari kayu . Salah satu dari sifat mekaniknya adalah kekuatan dan ketahanan terhadap perubahan bentuk suatu bahan[4].
Sifat-sifat mekanik yang penting diketahui kaitannya dengan kekuatan kayu, yaitu :
1. Kekuatan lengkung.
2. Kekuatan tekan sejajar serat. 3. Tekanan tegak lurus serat. 4. Keuletan.
5. Kekenyalan. 6. Kekerasan sisi.
7. Kekuatan tarik sejajar serat.
yaitu, natrium hidroksida , NaOH dan natrium sulfida , Na2S. Kemudian dimasak dalam tangki dan diaduk untuk mendapatkan campuran yang larut didalam air sedangkan selulosenya sendiri tidak larut dan akan terpisah dari lignin, selulose inilah yang selanjutnya digunakan menjadi kertas[5].
Kertas yang digunakan untuk bahan isolasi, selulose yang dimasak dengan senyawa Alkali. Sifat selulose alkali dibanding dengan kertas biasanya secara mekanis lebih kuat dan lebih tahan terhadap panas.
2.3 Dielektrik
Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair dan gas. Sebagai contoh bahan dielektrik adalah kertas dan kain katun. Tidak seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat elektron-elektron konduksi yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh pengaruh medan listrik. Medan listrik tidak akan menghasilkan pergerakan muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah yang menyebabkan bahan dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam bahan dielektrik, semua elektron-elektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama sehingga tiap aliran massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu, jika suatu dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di daerah di mana muatan tadi ditempatkan.
Masing-masing jenis dielektrik memiliki fungsi dan fungsi yang paling penting dari suatu isolasi adalah:
Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau konduktor fasa dengan tanah.
2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi.
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan rekasi kimia Agar sistem isolasi mampu menjalanakan tugasnya dengan baik, bahan dielektrik harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:
1. Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit, sehingga biaya pembuatan sistem isolasi semakin murah.
2. Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar temperatur bahan isolasi tidak melebihi batas yang ditentukan.
3. Memiliki kekuatan kerak yang tinggi, agar tidak terjadi erosi karena tekanan elektrik permukaan.
4. Memiliki permitivitas yang tepat dan cocok, sehingga arus pemuatan yang mengalir pada sistem isolasi tidak melebihi yang diijinkan.
5. Daya tahan panasnya tinggi
6. Tidak berubah bentuk pada temperatur tinggi. 7. Konduktivitas panas yang tinggi.
8. Koefisien muai panas yang rendah. 9. Tidak mudah terbakar.
2.4 Media Impregnasi Dielektrik
Dielektrik sebagai bahan isolasi sangatlah diperlukan dalam sebuah sistem isolasi. Salah satunya adalah kertas. Jenis dielektrik kertas yang paling sering digunakan untuk kapasitor dan transformator, umumnya adalah isolasi kertas yang diimpregnasi. Bahan impregnasi dapat berupa minyak mineral ataupun minyak isolasi[6].
Kertas sebagai bahan isolasi merupakan salah satu jenis isolasi padat. Isolasi padat yang sering digunakan pada penggunaannya pada sistem tenaga listrik seperti transformator daya adalah kertas kraft yaitu jenis isolasi kelas A yang dikombinasikan dengan bahan impregnasi berupa minyak transformator[7].
2.4.1 Minyak Isolasi Mineral
Minyak isolasi mineral adalah minyak yang berasal dari minyak bumi yang diproses secara destilasi. Minyak bumi yang telah didestilasi ini, harus mengalami beberapa proses lagi untuk mendapatkan tahanan isolasi yang tinggi, stabilitas panas yang baik, serta memenuhi syarat-syarat teknis yang lain.
Minyak isolasi mineral umumnya banyak digunakan pada peralatan tegangan tinggi seperti Transformator daya, Kapasitor daya, Kabel daya, dan Circuit breaker (pemutus daya). Dalam hal ini minyak isolasi berfungsi sebagai bahan dielektrik, bahan pendingin dan pemadam busur api.
Kekuatan dielektrik minyak mineral lebih tinggi, tetapi memiliki kelemahan seperti disebutkan dibawah ini :
c. Minyak mineral mudah terosidasi, dan hasil oksidasinya berupa asam,air, dan lumpur halus.
d. Mudah disusupi rongga udara. Pada tegangan tertentu, pada rongga udara akan terjadi peluahan listrik yang menghasilkan hidrogen dan molekul hidrokarbon berbobot rendah.
e. Mudah terbakar, sehingga membutuhkan alat pencegah kebakaran. Adapun Spesifikasi Minyak isolasi yang baik terlihat pada tabel standart PLN 49-1 :1982.
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak isolasi baru
No. Sifat Kelas 1 Kelas 2 Metode Uji 2.4.2 Faktor-Faktor penyebab pemburukan Minyak isolasi.
tegangan tinggi, biasanya terjadi karena pemburukan dari minyak isolasi itu sendiri.
Faktor-faktor yang mempengaruhi pemburukan dari minyak isolasi sebagai berikut :
1. Panas
Pemanasan yang berlangsung cukup lama dan berlangsung secara terus-menerus dapat merubah struktur kimia dari minyak isolasi tersebut, sehingga merubah sifat-sifat dasarnya sebagai bahan isolasi.
2. Kemurniaan bahan isolasi
Ketidakmurniaan dari bahan dielektrik cair mempunyai pengaruh besar tehadap sifat isolasi bahan tersebut. Hal ini dapat kita lihat pada minyak transformator. Jumlah uap air yang ada pada minyak transformator akan memengaruhi tegangan tembusnya.
3. Kontak dengan udara
Jika minyak isolasi mengalami kontak dengan udara, maka minyak isolasi akan teroksidasi. Jika hal ini terus terjadi akan menyebabkan penurunan kualitas minyak yang berdampak pada turunannya kekuatan dielektrik minyak isolasi.
4. Korona
Percikan bunga api dari korona akan meningkatkan kadar karbon pada minyak isolasi dan menimbulkan gelembung-gelembung gas yang bisa membuat minyak isolasi mengalami tembus listrik.
5. Faktor Alamiah
Dalam hal ini adalah faktor umur dari minyak isolasi, biasanya semakin lama minyak isolasi digunakan, maka kualitas dari minyak isolasi tersebut akan berangsur-angsur menurun. Sehingga pemburukan minyak isolasi lebih mudah terjadi.
2.5 Tegangan Tembus
Tegangan tembus (breakdown voltage) yang didefenisikan sebagai nilai tegangan yang menimbulkan kuat medan elektrik pada suatu bahan isolasi sama dengan atau lebih besar daripada kekuatan dielektrik bahan isolasi tersebut. Ada dua syarat supaya bahan isolasi mengalami tembus listrik yaitu :
1. Kuat medan elektrik yang dipikul bahan isolasi sama dengan atau lebih besar daripada kekuatan dielektrik bahan isolasi.
2. Lama berlangsungnya medan elektrik tersebut sama dengan atau lebih besar daripada waktu tunda tembus.
membuat dielektrik tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag) yang tidak tentu dan bersifat statistik dan berlangsung dalam orde mikro detik. Jadi kedua syarat tersebut hanya berlaku untuk tegangan impuls, sedangkan untuk tegangan searah dan sinusoidal yang waktu puncak dalam orde mili detik hanya memerlukan satu syarat saja yaitu syarat nomor satu diatas.
Pada Gambar 2.1 berikut ditunjukan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan diantara dua elektroda sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V maka timbul medan elektrik E. Medan elektrik ini merupakan beban bagi dielektrik yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor dengan cara memberikan gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya menjadi elektron bebas. Jika medan elektrik E yang dipikul dielektrik melebihi kekuatan dielektrik dengan waktu yang melebihi atau sama dengan waktu tunda tembus, maka dielektrik tembus listrik (breakdown).
2.6 Mekanisme Tegangan Tembus Pada Dielektrik Padat
Kekuatan dielektrik suatu bahan isolasi padat saat pengujian dipengaruhi oleh beberapa hal seperti, tekanan, suhu, jenis bahan elektroda, ketidakmurnian bahan, ada tidaknya rongga udara, konfigurasi medan elektrik, bentuk tegangan yang dikenakan, dan umur bahan.
Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis sesuai fungsi waktu penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.2 berikut.
Gambar 2.2 Grafik kegagalan isolasi
Lamanya waktu terjadinya kegagalan pada suatu bahan isolasi tergantung kepada tegangan kegagalan. Pada Gambar 2.2 diatas dapat dilihat bahwa makin tinggi tegangan kegagalan maka makin singkat waktu terjadinya kegagalan tersebut. Hal ini sesuai dengan pokok yang berlaku dalam bidang tegangan tinggi. Adapun mekanisme kegagalan bahan isolasi sebagai berikut :
1. Kegagalan Asasi
tegangan yang dikenakan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu yaitu 108 volt/cm dalam waktu yang sangat singkat yaitu 10-8 detik.
2. Kegagalan Elektromekanik
Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan dikarenakan elektroda yang mengapit zat padat akan mengurangi ketebalan zat padat dan memperbesar kuat medan sehingga akan mempermudah tembus listrik dan mengalami kerusakan struktur . Tegangan 106 volt/cm menimbulkan tekanan mekanik 2 s.d 6 kg/cm2 [7].
3. Kegagalan Streamer
Kegagalan ini dapat terjadi pada susunan elektroda yang terbenam didalam zat padat. Elektron - elektron pada katoda mengalami gaya sehingga elektron bergerak menuju anoda. Dalam perjalanan menuju anoda elektron terkonsentrasi pada titik dielektrik padat. Hal ini menyebabkan elektron bertambah akibat adanya benturan dan akan membentuk banjiran elektron[8].
4. Kegagalan Termal
Kegagalan termal adalah kegagalan yang terjadi jika kecepatan pembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju kecepatan pembuangan panas keluar. Akibatnya keadaan tidak stabil sehingga pada suatu saat bahan mengalami kegagalan.
5. Kegagalan Erosi
tersebut. Lubang atau rongga tersebut akan diisi oleh gas atau cairan yang kekuatan dielektriknya lebih kecil daripada kekuatan dielektrik zat padat.
2.7. Pengaruh Tekanan Mekanis Terhadap Tegangan Tembus Dielektrik
Padat [1][6][7]
Pada peralatan listrik terutama peralatan tegangan tinggi seperti transformator daya, kapasitor tegangan tinggi ataupun pemutus daya ada saatnya isolasi akan mengalami suatu tekanan baik tekanan listrik, tekanan mekanik dan tekanan termal yang disebabkan oleh beberapa hal yaitu pelepasan muatan akan menimbukan gaya elektromagnetik dan gaya elektrostatis. Pelepasan muatan yang tiba-tiba pada suatu peralatan seperti pada kapasitor tegangan tinggi, menimbulkan tekanan mekanik yang tinggi pada gulungan dan sambungan. Gaya elektrostatik pada permukaan kapasitor dapat dihitung dengan persamaan energi :
�1
bawah rongga akan semakin tipis. Akibatnya tegangan tembus bahan isolasi semakin rendah.
2.8 Penggunaan Dielektrik
Dielektrik digunakan untuk memisahkan dua permukaan yang memiliki perbedaan potensial listrik. Dielektrik banyak digunakan sebagai isolasi pemisah dan pembungkus pada konduktor.
2.8.1 Penggunaan Pada Transformator Daya
Pemakaian dielektrik sebagai pemisah pada transformator daya dibagi secara luas dalam beberapa hal, sebagai berikut :
1. Pemisah antar belitan 2. Pemisah antar kumparan
3. Pemisah kumparan tegangan rendah dengan bumi
4. Pemisah kumparan tegangan rendah dengan kumparan tegangan tinggi 5. Pemisah kumparan tegangan tinggi dengan bumi
pembungkus konduktor. Selain itu, dapat dipakai juga pressboard, glass fabric,
porcelain untuk kondisi rating trafo yang lebih tinggi lagi.
Dielektrik kertas digunakan sebagai pembungkus konduktor tegangan tinggi pada transformator daya umumnya memiliki ketebalan 0,02 – 0,2 mm dengan tebal keseluruhan tidak lebih dari 1 – 2 mm dan dibelitkan semi-bertindih.
2.8.2 Penggunaan Pada Mesin Berputar
Pada mesin berputar seperti motor atau generator, penggunaan dielektrik pada mesin ini ditentukan berdasarkan tegangan kerja mesin, apakah bekerja pada tegangan tinggi atau pada tegangan rendah. Untuk bahan-bahan dielektrik yang dipakai, maka kemampuan suhu kerja serta kekuatan mekanis bahan harus diperhatikan. Bahan yang sering dipakai adalah mika, enamel organik dan epoxi resin.
2.8.3 Penggunan Pada Circuit Breaker
Circuit breaker merupakan alat listrik yang berfungsi memutuskan daya dari sumber arus kepada beban pada saat terjadi gangguan. Circuit breaker merupakan saklar otomatis yang memiliki lengan penghubung yang dalam kondisi normal berada dalam keadaan tertutup. Bila terjadi gangguan maka lengan penghubung akan terbuka sehingga rangkaian menjadi terbuka.
Pada tegangan yang rendah, circuit breaker diisi dengan udara, namun pada tegangan tinggi dan dengan daya yang besar biasanya digunakan OCB (Oil
Circuit Breaker), gas SF6 atau juga hampa udara. Bahan-bahan tersebut berguna
Pada tabung atau kotak CB biasanya dilapisi oleh bahan isolasi seperti teflon, mika, plastik, kaca, porselein atau lainnya sesuai dengan kemampuan temperatur bahan tersebut bekerja normal.
2.8.4 Penggunaan Pada Kabel
Pada pengunaannya kabel juga kadang-kadang ditempatkan pada sungai atau di bawah laut. Untuk penerapan tersebut maka bahan harus dapat tetap kering atau memiliki daya serap air yang rendah. Ketika kabel harus digunakan pada temperatur yang dingin, maka bahan tidak boleh menjadi kaku dan merenggas sehingga menjadi gampang rusak. Kejadian peluahan sebagian (partial discharge) pada bahan dielektrik juga harus dijaga untuk serendah mungkin terjadi.
Jenis bahan dielektrrik yang sering digunakan pada industri kabel adalah kertas, karet, plastik dan udara tekan. Kertas masih sering digunakan sebagai pembungkus selubung kabel adalah karena keterandalannya, kekuatan dielektrik yang tinggi, rugi-rugi dielektrik yang rendah dan umur yang panjang. Yang paling sering digunakan sebagai bahan dielektrik untuk kabel tegangan rendah adalah P.V.C (Poly-Vinyl-Chloride). Polyethylen dan sejenisnya juga sering digunakan. P.V.C tidak cocok digunakan untuk tegangan tinggi dikarenakan konstanta dielektrik yang tinggi dan tingginya rugi-rugi. Bahan ini tidak dapat digunakan secara berkelanjutan pada tegangan yang lebih tinggi, meskipun P.V.C. dapat digunakan pada temperatur di atas 85oC pada tegangan rendah tanpa terganggu.
silikon memiliki derajat ketahanan panas yang tinggi untuk suhu kerja sampai 150oC. Karena kelebihan yang dimiliknya, maka bahan ini sering digunakan pada kabel pesawat udara. Pada dielektrtik kertas, kertas yang digunakan adalah kertas impregnasi dengan minyak. Dalam Tabel 2.2 akan diberikan beberapa jenis bahan yang sering digunakan pada kabel.
Tabel 2.2 Jenis bahan dielektrik
Jenis Bahan
Fluorothenes 5,0 -54 Sampai 150
2.8.5 Penggunaan Pada Kapasitor Daya
kapasitif sehingga timbul arus yang mendahului tegangan. Kapasitor dibuat dalam unit-unit yang sederhana dengan rating tegangan dari 220 volt sampai 13.800 volt dengan rating daya reaktif mulai dari 0,5 KVAR sampai 25 KVAR.
Kapasitor daya juga digunakan pada penerapan frekuensi tinggi seperti perbaikan faktor daya pada pemanas atau kumparan tungku api. Pada frekuensi yang tinggi rugi-rugi dielektrik naik dengan sangat cepat, hal ini membuat kapasitor menjadi panas sehingga kapasitor harus segera didinginkan dengan menggunakan air pendingin.
Umumnya, kapasitor daya dibuat dengan menggunakan lembaran kertas dengan ketebalan yang memadai dan alumunium foil dengan ketipisan enam mikron sebagai elektroda. Lembaran kertas disusun satu persatu kemudian bersamaan dengan elektroda alumunium diimpregnasi dengan minyak dielektrik. Minyak kapasitor yang digunakan adalah yang memiliki rugi-rugi dielektrik yang rendah dengan harga yang murah.
Gambar 2.3 Kontruksi kapasitor bank
Keterangan :
1. Tangki 5. Isolasi kertas
2. Terminal 6. Pembatas sel
3. Plat pengikat 7. Minyak Isolasi
4. Kapasitor Sel 4 Unit
2.8.6 Penggunaan Pada Peralatan Elektronik
