BAB II ISOLASI CAIR
II.1. Umum
Bahan isolasi cair digunakan pada peralatan-peralatan listrik seperti transformator, kapasitor, dan pemutus daya (circuit breaker). Selain sebagai isolasi juga berfungsi sebagai pendingin bagi peralatan. Untuk melaksanakan tugasnya sebagai bahan isolasi maka bahan-bahan isolasi cair yang digunakan harus mempunyai tegangan tembus yang tinggi.
Beberapa alasan digunakannya bahan isolasi cair adalah sebagai berikut:
1. Isolasi cair memiliki kerapatan jenis 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi.
2. Isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi.
3. Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge).
Namun kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi. Adapun sifat-sifat listrik yamg menentukan kerja bahan isolasi cair adalah :
1. Tembus listrik
Yaitu kemampuan untuk tidak mengalami tembus listrik dalam kondisi tekanan listrik (electric stress) yang tinggi.
2. Kapasitansi listrik per unit volume.
Kapasitansi listrik per unit volume menentukan permitivitas relatifnya. Pada minyak petroleum biasanya memiliki permitivitas relatif 2 sampai 2,5 sedangkan untuk minyak silikon 2 sampai 73 dan asrekal 4,5 sampai 5,0[4].
3. Faktor disipasi (Tg ∂)
Faktor disipasi adalah faktor yang menentukan besarnya rugi-rugi dielektrik pada bahan isolasi yang dikenai tegangan bolak-balik (AC). Faktor disipasi merupakan parameter yang penting b. Minyak transformator murni pada frekuensi 50 Hz memiliki faktor disipasi sebesar 10-4 pada suhu 20 oC dan 10-3 pada 90 oC.
4. Resistivitas
Suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi cair bila resistivitasnya lebih besar dari 109 Ω-m. Pada sistem tegangan tinggi, resistivitas yang diperlukan untuk material isolasi adalah 1016 Ω-m atau lebih.
II.2 Jenis-Jenis Bahan Isolasi Cair
Minyak isolasi terdiri dari beberapa jenis. Berdasarkan bahan pembuatnya, minyak isolasi terdiri dari minyak isolasi yang berasal dari olahan minyak bumi dan minyak isolasi berasal dari tumbuh-tumbuhan atau disebut minyak nabati ( minyak organik).Bahan-bahan ini sedang dikembangkan agar layak menjadi bahan isolasi cair alternatif. Selain ekonomis bahan ini juga terbarukan tidak seperti minyak bumi. Bahan-bahan ini antara lain adalah minyak jarak, minyak kelapa murni, minyak jagung, minyak kedelai, dan lain-lain.
Minyak olahan dari minyak bumi terdiri dari minyak isolasi mineral dan minyak sintesis.
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. Minyak isolasi mineral umumnya banyak digunakan pada peralatan tegangan tinggi seperti :
- Transformator daya - Kapasitor daya - Kabel daya
- Circuit breaker (pemutus daya)
Dalam hal ini minyak isolasi berfungsi sebagai bahan dielektrik, bahan pendingin dan pemadam busur api.
2. Minyak Isolasi Sintesis
Minyak isolasi sintesis adalah minyak isolasi yang diproses secara kimia untuk mendapatkan karakteristik yang lebih baik dari minyak isolasi mineral. Minyak isolasi sintesis memilki beberapa kelemahan, yaitu sifatnya mudah beroksidasi dengan udara, mengalami pemburukan yang cepat dan sifat kimianya bisa berubah akibat kenaikan temperatur, serta tidak dapat terurai sempurna, sehingga apabila mengalami kebocoran bisa menimbulkan pencemaran lingkungan. Beberapa jenis dari minyak ini antara lain adalah askarel, silikon cair, dan ester sintesis.
II.3. Minyak Transformator
Minyak transformator adalah minyak mineral yang diperoleh melalui pemurnian minyak mentah. Dalam pemakaiannya, minyak ini karena pengaruh panas dari rugi-rugi di dalam transformator akan timbul hidrokarbon. Selain berasal dari
minyak mineral, minyak transformator dapat pula dibuat dari bahan organik, seperti minyak transformator piranol dan silicon. Sebagai bahan isolasi minyak transformator harus mempunyai tegangan tembus yang tinggi.
Pada sebagian besar transformator daya, kumparan-kumparan dan intinya direndam di dalam minyak, terutama transformator-transformator daya yang berkapasitas besar, karena selain sebagai bahan isolasi minyak transformator harus berfungsi sebagai pemindah panas. Untuk itu minyak transformator harus memenuhi persyaratan sebagai berikut :
1. Kekuatan isolasi tinggi. 2. Penyalur panas yang baik.
3. Memiliki berat jenis yang kecil, sehingga partikel-partikel dalam minyak dapat mengendap dengan cepat.
4. Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi. 5. Daya hantar panas yang baik.
6. Titik nyala yang tinggi agar tidak mudah terbakar dan tidak mudah menguap.
7. Tidak merusak bahan isolasi padat. 8. Sifat kimia yang stabil.
II.4 Tembus Listrik Isolasi Cair
Tembus listrik minyak isolasi disebabkan oleh isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya kekuatan dielektrik dan karena isolasi tersebut diterpa tegangan lebih. Pada prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu desakan atau tekanan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar
isolator tidak tembus. Dalam struktur molekul bahan isolasi, elektron-elektron terikat sangat erat pada intinya, 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 bahan tersebut kemasukan suatu ketidakmurnian(impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan kekuatan tembus listriknya.
Kekuatan dielektrik minyak transformator dapat menurun karena pengaruh asam dan dapat pula karena kandungan air. Keasaman minyak transformator dapat dinetralisir dengan menggunakan potas hidroksida (KOH). Sedangkan kandungan air di dalam minyak transformator dapat dihilangkan dengan memakai bahan higroskopis yaitu silikagel.
II.5 Pengujian Minyak Transformator
Pengujian tegangan tembus minyak transformator dapat dilakukan dengan mengunakan peralatan seperti ditunjukan pada Gambar 2.1.
Keterangan : AT = Autotrafo; TU = Trafo Uji; PT = Trafo Ukur; V = Voltmeter AC;
EB = Elektroda Bola
Gambar 2.1. Peralatan Pengujian Tembus Minyak
Bejana uji terbuat dari bahan transparan. Seperti ditunjukan pada Gambar 2.2.
Min 15 mm 2,5 mm r = 2,5 mm 90 mm 46 mm 82 mm
Gambar 2.2 Bejana Uji Tegangan Tembus Isolasi Cair
Jarak elektoda dibuat 2,5 mm, sedangkan tegangannya dapat diatur dengan menggunakan auto transformator, sehingga dapat diketahui tegangan saat terjadinya
tembus listrik. Kejadian tembus listrik terlihat jika ada loncatan bunga api pada sela elektroda.
Beberapa faktor yang diperkirakan mempengaruhi tegangan tembus minyak transformator pada saat pengujian di atas, adalah
1. Luas permukaan elektroda. 2. Jarak celah (gap spacing). 3. Pendinginan.
4. Perawatan sebelum pemakaian (elektroda dan minyak). 5. Kekuatan dielektrik dari minyak transformator yang diuji.
Kegunaan minyak transformator adalah selain untuk bahan isolasi juga sebagai media pendingin antara kumparan kawat atau inti besi dengan sirip pendingin. Agar minyak transformator berfungsi sebagai pendingin yang baik, maka kekentalannya tidak boleh terlalu tinggi agar mudah bersirkulasi di dalam tangki sehingga dapat mendinginkan transformator dengan baik.
II.6 Pemburukan Minyak Transformator
Kualitas minyak isolasi akan semakin memburuk setelah minyak isolasi digunakan dalam waktu yang lama. Hal ini terjadi karena :
a. Kenaikan temperatur isolasi setelah peralatan beroperasi. b. Penurunan kemurniaan bahan isolasi.
c. Kontak dengan udara.
d. Korona pada bagian-bagian peralatan yang runcing yang berdekatan dengan minyak isolasi.
Ad.a Kenaikan temperatur
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.
Ad.b Penurunan Kemurniaan Bahan Isolasi
Ketidakmurniaan 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 mempengaruhi tegangan tembusnya.
Ad. c 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.
Ad. d 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.
Ad. e 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.
Memburuknya minyak isolasi dapat dilihat dari nilai tan δ yang semakin besar dan tahanan isolasi yang semakin kecil. Oleh karena itu pengukuran tan δ dan ketahanan isolasi harus rutin dilakukan, agar kondisi buruk yang akan terjadi dapat dideteksi sedini mungkin.
Untuk mengetahui apakah minyak isolasi sudah mengalami pemburukan atau belum adalah dengan melakukan pengujian-pengujian yang sifatnya tidak merusak. Kegagalan minyak isolasi sebagai bahan dielektrik pada peralatan tegangan tinggi, biasanya terrjadi karena pemburukan dari minyak isolasi itu sendiri.
II.7 Syarat-Syarat Minyak Transformator
Menurut SPLN 49 – 1 :1982, minyak isolasi harus memiliki beberapa syarat yaitu:
a. Kejernihan
Minyak harus bebas dari materi suspensi atau endapan.
b. Massa Jenis (Density)
Tidak boleh melebihi 0,859 g/cm2 pada suhu 20 oC.
c. Viskositas Kinematik
Tergantung pada kelas minyak, viskositas kinematik tidak boleh melebihi batas seperti yang ditunjukan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Nilai Viskositas Kinematik Berdasarkan Kelas Minyak Kelas Minyak
Suhu Kelas I Kelas II
200 C 40 25
-150 C 800 -
d. Titik Nyala (Flash Point)
Titik Nyala juga bergantung pada kelas minyaknya, hal ini dapat dilihat pada Tabel di bawah ini.
Tabel 2.2 Nilai Flash Point Minimun Berdasarkan Kelas Minyak
Kelas Minyak Flash Point Minimun
Kelas I 1400 C
Kelas II 130 oC
e. Titik Tuang (Pour Point)
Titik tuang juga bergantung pada kelas minyaknya, hal ini dapat dilihat pada Tabel di bawah ini.
Tabel 2.3 Nilai Pour Point Minimun Berdasarkan Kelas Minyak
Kelas Minyak Pour Point Maksimum
Kelas I -30 oC
Kelas II -45 oC
f. Angka Kenetralan (Neutralization value)
Tidak boleh melebihi dari 0,03 mg KOH/g.
g. Korosi Belerang (Corrosive sulphur)
Klasifikasi strip belerang tidak boleh melebihi 2.
h. Tegangan Tembus
Untuk minyak baru tegangan tembus minyak paling tidak 30 kV. Jika nilai ini tidak terpenuhi, maka minyak perlu dilakukan perawatan. Setelah perawatan tegangan tembus minyak sekurang-kurangnya 50 kV untuk jarak sela 2,5 mm[7].
i. Faktor Kebocoran Dielektrik ( Tan δ)
Nilai maksimal untuk Tan δ adalah 0,005.
j. Ketahanan Oksidasi (Oxidation Stability)
Setelah mengalami oksidasi minyak harus :
Angka Kenetralan = maksimum 0,40 mg KOH/g Total Lumpur = maksimum 0,10 % dari beratnya
II.7 Pemurnian Minyak Transformator
Minyak transformator dapat terkontaminasi oleh berbagai macam pengotor seperti kelembaban, serat, resin dan sebagainya. Ketidakmurnian dapat tinggal di dalam minyak karena pemurnian yang tidak sempurna. Pengotoran dapat terjadi saat pengangkutan, penyimpanan; dan ketika pemakaian. Pengotoran dapat terjadi karena meleleh dan mencairnya bahan-bahan yang digunakan di dalam transformator. Material yang mengotori minyak transformator antara lain adalah partikel-partikel yang mengapung pada minyak dan partikel-partikel yang mengendap di dasar tangki, pada belitan dan pada intinya. Dengan adanya pengotoran maka tegangan tembus minyak akan menurun dan ini berarti mengurangi umur pemakaian minyak.
Beberapa metode permurnian minyak transformator adalah sebagai berikut:
1. Pemanasan
Minyak dipanaskan di dalam boiler hingga suhunya mencapai titik didih air. Air yang ada dalam minyak akan menguap karena titik didih minyak lebih tinggi dari pada titik didih air. Metode ini merupakan metode yang paling sederhana
sedangkan serat, arang dan pengotor lainnya tetap tinggal. Kedua, minyak dapat menua dengan cepat karena suhu tinggi dan adanya udara. Kekurangan yang kedua dapat diatasi dengan memanaskam minyak dalam sebuah boiler minyak hampa udara (vacum oil boiler). Air mendidih pada suhu rendah dalam ruang hampa oleh sebab itu air menguap lebih cepat daripada minyak. Alat ini tidak menghilangkan kotoran pada kendala pertama, sehingga pengotor tetap tinggal[10].
2. Sentrifugal
Air serat, karbon dan lumpur yang lebih berat dari minyak dapat dipindahkan minyak setelah mengendap. Untuk masalah ini memerlukan waktu lama, sehingga untuk mempercepatnya minyak dipanaskan hingga 45 - 550 C dan diputar dengan cepat dalam alat sentrifugal. Pengotor akan tertekan ke sisi bejana oleh gaya sentrifugal, sedangkan minyak yang bersih akan tetap berada ditengah bejana. Alat ini mempunyai efesiensi yang tinggi. Alat sentrifugal hampa merupakan pengembangannya.
Bagian utama dari alat sentrifugal adalah suatu drum. Di dalam drum terdapat ±50 piring / pelat yang dipasang pada poros vertikal dan berputar bersama-sama. Jika poros diputar pengotor berat akan terdorong keluar.
3. Penyaringan
Dengan metode ini, minyak disaring dengan kertas penyaring sehingga pengotor tidak dapat melalui pori-pori penyaring yang kecil. Embun atau uap diserap oleh kertas penyaring tersebut karena kertas penyaring mempunyai hygroscopicity yang tinggi. Cara ini sangat efesien karena dapat memindahkan pengotor padat dan uap dari minyak. Walaupun cara ini sederhana dan lebih mudah
untuk dilakukan, keluaran yang dihasilkan lebih sedikit jika dibandingkan dengan alat sentrifugal. Cara ini cocok digunakan untuk memisahkan minyak dalam circuit breaker (CB), yang biasanya tercemari oleh partikel jelaga (arang) yang kecil dan sulit dipisahkan dengan menggunakan alat sentrifugal.
Normalnya, minyak yang akan disaring dimasukkan ke filter atau penyaring dengan tekanan 3 hingga 5 atmosfir. Biasanya penyaring dilakukans elama 4 jam, tetapi bila minyaknya sangat kotor, penggantian kertas saring dilakukan setiap 0,5 hinga 1 jam[10].
4. Regenerasi
Material pengotor tidak dapat dipindahkan dari minyak dengan cara sebelumnya. Penyaringan hanya baik untuk memindahkan bagian endapan yang masih tersisa dalam minyak. Semua sifat-sifat minyak yang tercemar dapat dikembalikan kepada sifat semula dengan pemurnian menyeluruh yang disebut regenerasi, yaitu dengan memasukan adsorben kedalam minyak.
Regenerasi minyak transformator pada gardu induk dan pembangkit sering digunakan. Adsorben adalah substansi yang partikel-partikelnya dapat menyerap material pengotor dan air. Hal yang sama dilakukan adsorben dalam ruang penyaring tabung gas yang menyerap gas beracun dan membiarkan udara bersih mengalir. Regenerasi dengan adsorben dapat dilakukan lebih baik bila minyak dicampur dengan asam sulfur (H2SO4). Selanjutnya jika terjadi kelebihan asam
dapat dinetralisir dengan kalium hidroksida (KOH.
Ada dua cara memurnikan minyak dengan adsorben yaitu :
• Pertama, minyak dipanaskan kemudian dicampur dengan serbuk adsorben dan kemudian disaring.
• Kedua, minyak dipanaskan kemudian dilewatkan melalui lapisan tebal adsorben yang disebut perkolasi[10].
