U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 5 |
BAB II
TEORI PENUNJANG
2.1 Sejarah Teknologi Lengkapan Kabel
Awalnya teknologi lengkapan untuk jointing dan terminasi kabel menggunakan poured bitumen compound panas telah digunakan beberapa tahun yang lalu. Teknologi semacam ini memerlukan pengerjaan yang lama dan diperlukan keahlian personel yang tinggi. Teknologi lengkapan kabel tersebut pada akhirnya menghilang karena digantikan dengan teknologi yang lebih modern. Teknologi lengkapan kabel yang baru pemasangannya memerlukan waktu yang lebih singkat dan tidak diperlukan keahlian personel yang tinggi. Saat ini lengkapan kabel jenis heat-shrinkage, cold-shrinkage, premoulded rubber, dan pita dengan sifat elektris tertentu adalah merupakan metode pembentukan lengkapan kabel yang banyak digunakan pada kabel TM 20 kV.
2.2 Konstruksi Dasar Kabel Tegangan Menengah 20 kV
Secara umum konstruksi kabel tegangan menengah (20 kV) terdiri dari komponen bila dimulai dari dalam adalah konduktor, konduktor
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 6 | skreen, isolasi, isolasi screen, konsentrik netral,Armouring (pelindung mekanis), dan selubung luar (jacket).
Gambar 2.1 Konstruksi kabel satu inti
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 7 | 2.2.1 Konduktor
Konduktor terdiri dari pilinan kawat aluminium murni atau tembaga yang dipadatkan (compacted) dengan ukuran luas penampang sesuai IEC 60502-2 atau SPLN 43 - 5.
2.2.2 Konduktor Screen
Konduktor screen adalah lapisan bahan semikonduktor diatas konduktor agar permukaan luar konduktor yang tidak rata akibat pilinan konduktor menjadi halus disamping itu konduktor skreen berfungsi menjaga agar medan listrik pada permukaan konduktor divergent secara merata dan mengurangi stress medan listrik pada permukaan konduktor yang tajam akibat pilinan konduktor. Komponen konduktor skreen dari bahan dasar polymer yang sesuai dengan bahan isolasi kabel carbon black sebagai konduktivitas, organic peroxide untuk crosslinking dan antioxidant untuk stablitasnya. Konduktor screen harus mempunyai tingkat konduktivitas yang sesuai sehingga dapat diperoleh electrical potential yang sama dengan konduktor kabel agar dapat memberikan medan listrik yang merata pada permukaan isolasi. Interface antara lapisan konduktor skreen dengan isolasi kabel harus tidak terdapat rongga (void free), hal ini untuk mencegah timbulnya partial discharge dan tumbuhnya vented water tree dan agar umur kabel bisa menjadi panjang.
2.2.3 Isolasi
Isolasi terdiri dari bahan crosslinked polyethelene (XLPE) yang merupakan bahan isolasi jenis thermoset yang dibentuk dari bahan dasar
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 8 | kompon polyethylene (PE) dengan ditambah bahan crosslinking agent. Dengan proses crosslinking bahan isolasi PE yang mempunyai suhu kerja maksimum 70 oC dapat menjadi bahan isolasi XLPE yang mempunyai suhu kerja maksimum 90 oC dan suhu kerja emergency maksimum 130 oC secara komulatip selama 1500 jam dalam masa operasi kabel.
2.2.4 Isolasi Skreen
Isolasi skreen adalah lapisan bahan thermosetting semikonduktor yang diextrusi di permukaan luar isolasi kabel. Isolasi skreen adalah dari bahan sejenis dengan konduktor screen dan mempunyai persyaratan yang sama yakni pada interface antara isolasi skreen dan isolasi tidak boleh terdapat rongga (void free). Isolasi skreen harus melekat kuat terhadap isolasi namun demikian harus dapat dikupas/dipisahkan dari isolasi dengan cukup mudah (strippable) dan tanpa meninggalkan kotoran sisa bahan semikonduktor pada permukaan isolasi yang dapat mengganggu dalam persiapan pembuatan terminasi atau jointing.
Isolasi skreen berfungsi :
untuk membatasi/menyekat medan listrik pada inti kabel,
untuk medapatkan stress tegangan dalam isolasi terdistribusi radial, untuk melindungi isolasi terhadap tegangan induced,
untuk membatasi interference dari luar dan
untuk menyalurkan arus balik ke tanah bila terjadi gangguan phase ke phase atau phase ke tanah.
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 9 | 2.2.5 Metalik skreen/Konsentrik netral
Konsentrik netral mempunyai beberapa fungsi, pertama untuk memastikan bahwa lapisan semikonduktor isolasi skreen berada pada tegangan tanah untuk keamanan operasi, kedua menyalurkankan arus bocor isolasi ke tanah, ketiga untuk menyalurkan arus netral atau arus balik unbalance pada sistem tiga phase, dan keempat untuk menyalurkan arus urutan nol pada kondisi terjadi gangguan pada sistem. Konsentrik netral harus terdiri dari komponen metal yang berupa pita, kawat atau kombinasi pita dengan kawat, komponen metal konsentrik netral harus kontak dengan isolasi skreen. Luas penampang konsentrik netral harus memadai untuk dapat menampung arus netral atau arus urutan nol pada kondisi terjadi gangguan pada sistem.
2.2.6 Armouring (pelindung mekanis)
Armour pada kabel tenaga yang ditanam dalam tanah bisanya dimaksudkan untuk melindungi kabel dari gangguan mekanis selama pemasangan dan dalam masa operasi. Bahan armour yang banyak digunakan adalah dari bahan berupa pita baja atau kawat baja yang digalvanis.
2.2.7 Selubung Luar (jacket)
Selubung luar dimaksudkan sebagai pelindung elektris, mekanis, thermal, kimia, dan lingkungan pada komponen kabel yang berada didalam selubung luar. Selubung luar kabel tenaga TM 20 kV terdiri dari bahan Polyvinyl chloride (PVC) atau Polyethylene (PE).
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 10 | 2.3 Medan listrik pada kabel
Dalam pembuatan terminasi atau jointing diperlukan persiapan kabel yang diantaranya meliputi pemotongan/pengupasan metalik skreen pada lapisan isolasi pada ujung potongan kabel dengan panjang yang cukup untuk dapat dibuat koneksi. Pengupasan skreen pada lapisan isolasi akan merubah struktur kapasitor yang simetris radial pada kabel. Bila lapisan skreen pada isolasi terputus, maka pada ujung kupasan skreen isolasi akan menjadi titik stress yang tinggi akibat konsentrasi medan listrik . Medan listrik pada ujung kabel yang dipotong seperti diperlihatkan pada Gambar 2.3
Gambar 2.3 Medan listrik pada ujung kabel yang dipotong
Bila pengendalian medan listrik pada ujung kabel tidak dilakukan, akan mengakibatkan terjadinya gangguan prematur pada titik dimana stress medan akan melampaui batas toleransi kemampuan isolasi kabel. Disamping itu, stress medan yang tinggi pada daerah tersebut akan menimbulkan partial discharge dan korona pada permukaan yang akan memicu terjadinya gagguan (breakdown) sehingga akan memperpendek umur kabel. Oleh karena itu sangat
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 11 | diperlukan teknik atau metode untuk mengurangi stress medan listrik pada ujung kupasan skreen isolasi agar umur kabel menjadi panjang dan kualitas operasi kabel menjadi baik. Metode untuk mengurangi stress pada ujung kupasan skreen isolasi tersebut ada dua jenis, yakni pertama dengan metode stress cone (mengurangi stress medan listrik dengan metode kerucut/contong), ke dua dengan menggunakan material yang mempunyai permittivtas tinggi (high permittivity material). Metode untuk mengurangi stress medan listrik tersebut adalah dengan cara mengontrol atau mengendalikan medan listrik.
Metode tradisional untuk mengendalikan medan listrik pada pembuatan terminasi dan jointing adalah dengan menggunakan stress cone. Stress cone menggunakan prinsip penyelesaian secara geometrikal dengan cara mengendalikan kapasitansi pada daerah ujung potongan skreen isolasi. Bentuk lekuk stress cone akan memecah secara uniform garis equipotential yang hasilnya dapat menurunkan potential gradient pada permukaan isolasi. Pengaruh stress cone pada terminasi diperlihatkan pada Gambar 2.4. Dalam hal ini pengendalian medan listrik tidak akan berfungsi baik bila bentuk lekuk stress cone mengalami cacat.
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 12 | Gambar 2.4 Pengendalian medan listrik dengan stress cone
Metode ke dua dalam teknik pengendalian medan listrik adalah dengan cara memilih material yang mempunyai karakteristik elektris yang tepat untuk dapat mengurangi stress yakni dengan menggunakan lapisan bahan high permittivity pada permukaan isolasi kabel. Bahan high permittivity tersebut akan membelokkan/membiaskan garis medan listrik kearah ujung kabel sehingga dapat mengurangi stress pada ujung kupasan skreen isolasi. Pengaruh lapisan high permittiviy pada terminasi kabel diperlihatkan pada Gambar 2.5
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 13 | Gambar 2.5 Pengendalian medan listrik dengan high permitivity material
(stress control tubing)
Metode pengendalian medan listrik dengan high permittivity material mempunyai beberapa keterbatasan. Medan listrik akan dibiaskan bila melewati dari satu isolasi ke isolasi lain. Relatip permittivity bahan akan menentukan arah bias, bila permittivity dinaikkan, garis medan listrik akan terbias jauh ke ujung sehingga dapat mengakibatkan partial discharge. Metode pengendalian medan listrik dengan cara ini tergantung pada geometry. Pengendali stress semacam ini biasanya diproduksi dalam bentuk tabung yang dapat memberikan kelebihan dalam pemasangannya. Namun demikian pemilihan material harus sangat hati-hati karena kalau tidak akan dapat mengakibatkan partial discharge.
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 14 | 2.4 Gejala Partial Discharge dan Tracking
Gejala ini biasa terjadi karena masalah cuaca yang tidak menentu sehingga menimbulkan hal-hal yang kurang baik.
2.4.1 Partial Discharge
Bila dua electroda yang berbeda potensial berada diudara, maka akan timbul medan listrik diantara elektroda tersebut. Intensitas medan listrik antara dua elektroda kemungkinan merata, tidak merata atau sangat tidak merata yang tergantung pada jenis elektrodanya dan jarak yang memisahkannya. Pada daerah medan listrk terdapat electron dan ion yang bergerak, electron bergerak ke arah anoda dan ion positip bergerak kearah katoda. Dengan meningkatnya medan listrik, gerakan electron dan ion positip akan menjadi lebih cepat. Bila energi kinetic cukup besar, terutama pada electron, akan memperbesar mobilitasnya, hal ini selanjutnya dapat menyebabkan ionisasi pada udara karena proses tubrukan (collision), dimana hal ini disebut sebagai collision ionization. Collision ionization menghasilkan bentuk lepasan dan suatu electron avalanche akan terbentuk. Elektron-elektron pada akhirnya menjadi menumpuk pada anoda meninggalkan ion positip yang mengumpul pada katoda. Proses ionisasi ini disebut sebgai awal ionisasi (Primary Ionization) yang menghasilkan arus listrik yang lemah. Bila medan listrik cukup tinggi maka akan membentuk proses ionisasi ke dua pada katoda oleh karena bombarder ion positip atau oleh protons dari electron avalanche, sehingga proses lepasan dan perpindahan kearah electrode yang berlawanan menjadi sangat intensip. Hal ini akan menghasilkan sesuatu dalam bentuk lompatan (spark) yang mana dikenal sebagai Electric Breakdown pada media udara. Sedangkan faktor-faktor yang mempengaruhi
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 15 | antara lain adalah tekanan, temperature, jarak pemisahan, dan tegangan yang diberikan.
Bila bentuk elektroda dan jarak pemisahan sedemikian rupa sehingga menimbulkan suatu medan tidak homogen yang kuat, maka kondisi elektrical breakdown hanya terjadi pada daerah yang berdekatan pada elektroda yang mempunyai lengkungan dengan radius kecil. Bila ditempat tertentu medan listrik meningkatkan kuat medan ionisasi, maka akan terjadi collision ionisation dan terjadi breakdown lokal yang dikenal sebagai Partial Discharge. Bila kuat medan listrik cukup tinggi, discharge akan terjadi hampir pada seluruh siklus pada tegangan bolak-balik, hal ini dikenal sebagai Corona. Corona diasosiasikan sebagai bunyi desis, membentuk pijaran, membentuk ozone dan juga mengakibatkan rugi daya. Bentuk partial discharge semacam ini disebut juga sebagai external partial discharge.
Pada peralatan tegangan tinggi, partial discharge dapat juga terjadi pada suatu ruang yang berisi gas pada bahan isolasi padat atau bahan isolasi cair (cavities, voids, gas bubbles). Bentuk partial discharge ini dikenal sebagai internal partial discharge. Internal partial discharge beresiko merusak isolasi, karena panas dan erosi pada permukaan isolasi akan membentuk breakdown channel.
2.4.2 Tracking
Tracking adalah suatu formasi bagian konduktip yang permanen yang melintas pada permukaan isolasi dan dalam hal ini bagian yang konduktip berasal dari akibat degradasi pada permukaan isolasi tersebut.
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 16 |
Gejala tracking secara esensial terdiri tiga, yakni :
Hadirnya suatu lapisan/film bersifat konduktip yang melintas pada permukaan isolasi.
Timbul mekanisme arus bocor melalui lapisan konduktip yang disela dengan adanya loncatan listrik (sparks).
Timbul degradasi pada permukaan isolasi yang pasti disebabkan oleh loncatan listrik.
Lapisan/film konduktip tersebut biasanya berupa lembab pada atmosfir yang diserap oleh benda dalam bentuk kontaminasi lapisan garam, debu karbon sisa pembakaran, endapan hasil industri atau serat selulose. Bagian konduktip dapat juga berasal dari endapan debu metal. Degradasi pada permukaan isolasi ini hampir semata-mata merupakan akibat panas dari lompatan listrik (spark) dan panas tersebut membetuk karbon pada permukaan isolasi bila terjadi tracking.
Kegagalan isolasi padat yang disebabkan oleh tracking tidak harus terjadi hanya pada permukaan isolasi, namun pada isolasi yang terdiri dari lapisan-lapisan kegagalan dapat terjadi pada antar lapisan (interface) yang disebabkan oleh kelembaban yang masuk ke dalam lapisan. Contoh jejak tracking yang terjadi pada permukaan antar lapisan isolasi pada jointing yang persiapannya kurang baik.
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 17 | 2.5 Sifat Kelistrikan
Sifat kelistrikan merupakan perambatan energi jika ada konduktor sebagai penghantarnya, sedangkan perambatan akan terhenti jika adanya isolator.
2.5.1 Daya
Daya merupakan banyaknya perubahan tenaga terhadap waktu dalam besaran tegangan dan arus. Satuan daya adalah Watt (W) atau Horse Power (HP). Daya dalam Watt yang diserap oleh satuan beban pada setiap saat adalah hasil kali jatuh tegangan sesaat diantara beban dalam Volt dengan arus sesaat yang mengalir dalam beban tersebut dalam Ampere. Guna keperluan analisa, daya dalam sirkuit arus bolak-balik, dirinci lagi sesuai tipe dari daya tersebut, dimana tipe daya tersebut adalah: a. Daya sesaat b. Daya kompleks c. Daya aktif d. Daya reaktif e. Daya vector
Hubungan antara daya dan arus tergantung pada tegangan, dan biasanya tegangan dalam suatu rangkaian adalah konstan, maka hubungan vaktorisasi untuk daya dapat digambarkan sama dengan
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 18 | hubungan vektoris pada arus seperti dapat dilihat pada gambar 2.6 dan 2.7.
Arus kerja φ
Arus total Arus reaktif
Gambar 2.6 Vektor arus
P = Daya aktif (kW) φ
S = Daya total (kVA) Q = Daya reaktif
(kVAr) Gambar 2.7 Hubungan segitiga daya
Dari gambar 2.6 dan 2.7 jelaslah terlihat bahwa:
S = √ (2.1)
Atau
Q = √ (2.2)
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 19 | P : daya aktif (Watt)
Q : daya reaktif (Var) S : daya total (VA)
2.5.2 Faktor Daya
Beban listrik umumnya berupa beban induktif dengan faktor daya 80% mengikut. Oleh sebab itu, beban seperti ini yang distribusi arusnya mengikut (lagging) terhadap tegangan, seperti yang terlihat pada gambar cosinus dari sudut yang dibentuk antara arus dan tegangan dikenal sebagai faktor-daya (power factor) yang dirumuskan sebagai berikut.
(2.3)
Faktor daya = cos φ =
Dimana sudut φ adalah sudut fasanya, dan arus mengikut tegangan dari beban yang bersangkutan.
2.5.3 Perbaikan Faktor Daya
Banyak peralatan listrik mempunyai faktor daya yang rendah, dimana peralatan tersebut memerlukan arus listrik yang lebih besar dibanding dengan peralatan listrik yang faktor dayanya lebih besar untuk
U n i v e r s i t a s M e r c u B u a n a 20 | kapasitas dan tegangan yang sama. Hal ini disebabka karena alat tersebut memerlukan arus efekif sebagai tambahan. Makin rendah faktor daya suatu peralatan, maka semakin besar kebutuhan arusnya.
Rendahnya power factor pada sebuah gedung perkantoran, industri, hotel, rumah sakit dan sebagainya disebabkan karena banyaknya beban induktif. Rendahnya power factor berakibat fatal apabila sistem operasi pada beban rendah. Besarnya faktor daya (cosφ) dapat dihitung berdasarkan pada persamaan:
Cosφ =
=
(2.4)
dimana:
P = Daya aktif (kW) S = Daya total (kVA) φ = Sudut fasa
