BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 ISOLATOR PIRING 2.1.1 Umum
Pada suatu sistem tenaga listrik terdapat berbagai bagian yang memiliki tegangan dan juga tidak bertegangan. Sehingga bagian yang tidak bertegangan ini harus dipisahkan dari bagian-bagian yang bertegangan. Hal ini dilakukan agar tidak terjadi aliran arus yang tidak semestinya ada antara satu bagian dengan yang lainnya. Misalnya pada suatu jaringan transmisi, antara suatu konduktor penghantar dengan konduktor lainnya dipisahkan oleh udara. Namun konduktor ini harus digantungkan pada menara penopang sehingga dibutuhkan suatu isolator yang cukup kuat untuk menopang konduktor ini sekaligus mengisolasi antara konduktor dengan menara yang terhubung ke tanah agar tidak terjadi hubung singkat ke tanah.
Isolator jaringan tenaga listrik merupakan alat tempat menopang kawat penghantar jaringan pada tiang-tiang listrik yang digunakan untuk memisahkan secara elektris dua buah kawat atau lebih agar tidak terjadi kebocoran arus (leakage current) atau lewat-denyar (flashover) sehingga mengakibatkan terjadinya kerusakan pada sistem jaringan tenaga listrik.
Adapun fungsi utama isolator adalah:
1. Untuk penyekat/mengisolasi penghantar dengan tanah dan antara penghantar dengan penghantar.
2. Untuk memikul beban mekanis yang disebabkan oleh berat penghantar dan/ atau gaya tarik penghantar.
3. Untuk menjaga agar jarak antar penghantar tetap (tidak berubah).
Gambar 2.1 Isolator dalam bentuk piring.
Isolator rantai adalah merupakan kumpulan dari beberapa isolator piring yang disusun secara berantai sehingga menjadi satu kesatuan isolator. Isolator rantai seperti biasanya digunakan untuk menggantung penghantar transmisi tegangan tinggi pada menara-menara transmisi. Gambar 2.2
Gambar 2.2 Isolator rantai pada saluran transmisi.
Adapun keuntungan menggunakan isolator rantai adalah:
1. Biaya instalasi isolator rantai cenderung lebih murah dari isolator pin untuk sistem dengan tegangan lebih dari 33 kV.
3. Jika salah satu isolator piring pada suatu renteng isolator rantai rusak. Maka kita hanya perlu mengganti isolator piring tersebut dengan isolator yang baru.
4. Karena tersusun dari beberapa isolator piring maka isolator rantai memiliki tingkat fleksibel yang tinggi sehingga dapat mengayun mengikuti kabel transmisi.
5. Dengan bertambahnya permintaan akan jaringan transmisi, akan lebih menguntungkan jika meningkatkan suplai daya dengan menaikkan tegangan transmisi. Karena tegangan transmisi naik maka isolator pendukung yang ada juga harus disesuaikan. Dimana isolator rantai dapat dengan mudah dinaikkan kapasitasnya dengan menambahkan jumlah isolator piringnya.
6. Isolator rantai biasanya dipasangkan pada menara besi. Dimana isolator rantai berada dibawah crossarm sehingga secara tidak langsung kabel transmisi mendapatkan proteksi terhadap petir.
2.1.2 Konstruksi Isolator Piring
Isolator piring pada umumnya memiliki tiga bagian utama yaitu bahan dielektrik, kap (cap) dan fitting (pin) seperti terlihat pada Gambar 2.3. Selain itu juga terdapat semen yang berfungsi sebagai bahan perekat yang merekatkan ketiga bagian ini [1].
Adapun persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang suatu isolator adalah sebagai berikut [2]:
1. Isolator harus memiliki kekuatan mekanis yang kuat untuk menahan beban konduktor , terpaan angin, dan lain-lain.
2. Isolator harus menggunakan bahan dengan resistansi yang tinggi agar tidak terjadi arus bocor yang besar ke tanah.
3. Isolator harus memiliki kekuatan permitivitas yang tinggi agar dapat memiliki kemampuan dielektrik yang baik.
4. Isolator harus padat dan tidak memiliki celah udara karena dapat menimbulkan peluahan sebagian.
5. Isolator dapat menahan flashover.
6. Setiap lubang pada bahan isolator harus memiliki sumbu yang sejajar dengan sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperatur penempaan isolator.
7. Tidak memiliki lekukan runcing agar pada isolator tidak terjadi medan elektrik yang tinggi.
8. Permukaan isolator harus licin dan bebas partikel runcing.
9. Jarak rambat isolator harus diperbesar jika isolator ditempatkan pada kawasan yang dihuni banyak burung.
10. Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.
11. Bentuk dan dimensi sirip harus dibuat sedemikian rupa agar dapat dengan mudah dibersihkan.
Dalam pemasangan suatu isolator piring terdapat beberapa jenis konfigurasi yang digunakan dalam pengoperasiannya. Rentengan isolator dapat disusun dalam konfigurasi yang umum, yaitu:
Konfigurasi rentengan isolator ternyata mempengaruhi sifat kerja isolator yang dipasang di daerah berpolusi. Polusi telah menyebabkan terjadinya lewat denyar untuk konfigurasi rentengan vertikal, sedangkan untuk konfigurasi rentengan V dan horisontal tidak terjadi lewat denyar.
(a)
(b) (c)
Gambar 2.4 Jenis konstruksi rentengan isolator piring (a) vertikal (suspension string) (b) horisontal (tension string) (c) V string
2.1.3 Jenis Bahan Dielektrik
timbul arus seperti bahan konduktor ataupun semikonduktor, tetapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya yang mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Fungsi dari bahan listrik dielektrik diantaranya:
- Menyimpan energi listrik (dalam bentuk muatan) misalnya pada kapasitor.
- Memisahkan bagian bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan (isolator). Misal: plastik, celah udara, mika, gelas, porselen, kayu, karet, dan lain-lain.
Ada beberapa bahan dielektrik isolator yang paling sering digunakan pada isolator piring yaitu [2]:
a. Porselen/ keramik
Porselen merupakan bahan dielektrik yang paling sering digunakan pada isolator. Hal ini terjadi karena porselen memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi dan tidak dipengaruhi oleh perubahan kondisi udara disekitarnya. Kekuatan mekanik porselen bergantung pada cara pembuatannya.
Kemampuan mekanis suatu porselen standar dengan diameter 2-3 cm adalah 45.000 kg/cm2 untuk beban tekan; 700 kg/cm2 untuk beban tekuk dan 300 kg/cm2
untuk beban tarik. Sehingga dapat disimpulkan bahwa porselen adalah bahan yang memiliki kemampuan mekanik yang sangat baik pada beban tekan. Kekuatan mekanik dari porselen akan berkurang jika dilakukan penambahan luas penampang porselen.
b. Gelas/ kaca
Kaca pada umumnya terdiri dari campuran silikat (SiO2) dan beberapa
senyawa antara lain, borat, pospat. Kaca dibuat dengan cara melelehkan beberapa senyawa silikat (pasir), alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur, oksida timah hitam). Karena itu sifat dari kaca tergantung dari komposisi bahan-bahan pembentuknya tersebut. Massa jenis kaca berkisar antara 2 dan 8,1 g/cm3,
kekuatan tekanannya 6000 hingga 21000 kg/cm2, kekuatan tariknya 100 hingga
300 kg/cm2. Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kaca adalah termasuk
bahan yang regas.
Kekuatan dielektrik gelas alkali tinggi adalah 17,9 kVrms/mm sedangkan
kemampuan dielektrik gelas alkali rendah adalah 48 kVrms/mm. Jika isolator gelas
dipasangkan pada suatu sistem tegangan arus searah. Maka dapat menimbulkan penguaian kimiawi gelas sehingga akan meningkatkan kandungan alkalinya. Dimana hal ini akan menyebabkan penurunan kemampuan isolasi gelas. Berdasarkan proses pembuatannya isolator gelas dibagi menjadi dua yaitu gelas yang dikuatkan (annealed glass) dan gelas yang dikeraskan (hardened glass).
Gelas alkali tinggi memiliki koefisien pemuaian yang tinggi, sehingga isolator gelas mudah pecah. Peristiwa ini sangat mungkin terjadi jika isolator gelas dioperasikan pada suatu lokasi yang temperaturnya berubah-ubah dengan tajam.
(a) (b)
2.1.4 Tahanan Isolator
Apabila isolator memikul tegangan searah, maka arus akan mengalir melalui permukaan dan bagian dalam isolator. Arus yang melalui permukaan disebut arus permukaan. Sedangkan hambatan yang dialami arus ini disebut tahanan permukaan. Arus yang melalui bagian dalam isolator disebut arus volume dan hambatan yang dialami arus tersebut disebut tahanan volume. Besarnya tahanan volume dipengaruhi oleh bahan isolator yang digunakan. Sedangkan besarnya tahanan permukaan dipengaruhi oleh kondisi dari permukaan isolator. Jumlah arus volume dan arus permukaan disebut arus bocor [3].
Jika tegangan yang dipikul isolator adalah tegangan AC, maka selain kedua jenis arus tersebut, pada isolator juga mengalir arus kapasitif. Arus kapasitif terjadi karena adanya kapasitansi yang dibentuk isolator dengan elektroda. Pada Gambar 2.6 ditunjukkan arus permukaan, arus volume dan arus kapasitif yang mengalir pada suatu isolator.
Gambar 2.6 Komponen arus bocor pada isolator.
Rangkaian listrik ekivalen suatu isolator ditunjukkan pada Gambar 2.7.
Keterangan:
Ip = arus permukaan isolator.
IV = arus volume isolator.
Ic = arus kapasitif yang timbul pada isolator.
IB = arus bocor isolator.
Rp = tahanan permukaan pada isolator.
Rv = tahanan volume pada isolator.
C = kapasitansi disekitar isolator.
Adapun arus bocor yang mengalir melalui suatu isolator adalah :
= + + (2.1)
Karena tahanan volume relatif besar dibandingkan dengan tahanan permukaan, maka menyebabkan arus volume dapat diabaikan. Sehingga, arus bocor total menjadi :
= + (2.2)
Dengan demikian, rangkaian ekuivalen isolator menjadi seperti pada Gambar 2.8.
Tahanan permukaan isolator dapat bervariasi, bergantung pada material yang menempel pada permukaan isolator. Keadaan iklim, daerah pemasangan isolator serta kelembaban udara menjadi faktor yang mempengaruhi besar dari tahanan permukaan isolator. Polutan yang menempel pada permukaan isolator akan menyebabkan tahanan permukaan isolator turun dan meningkatkan besar arus permukaan yang mengalir pada permukaan isolator sehingga arus bocor semakin besar.
2.1.5 Kerusakan pada Isolator Piring
Secara garis besar isolator tegangan tinggi mempunyai dua fungsi mekanik dan elektrik. Secara mekanik, isolator berfungsi untuk mendukung atau menahan konduktor pada tegangan tinggi, sedangkan secara elektrik isolator berfungsi sebagai pemisah, yaitu untuk mencegah mengalirnya arus dari penghantar ke tanah atau ke menara penopang saluran udara.
Pada saluran transmisi atau distribusi, kegagalan isolasi dapat disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut:
- Isolator pecah, disebabkan pemuaian yang tidak merata dan kontraksi yang terjadi di dalam semen, baja, dan bahan dielektrik. Kegagalan ini juga bisa disebabkan pergantian musim yang mencolok dan pemanasan lebih.
- Bahan isolasi berlubang-lubang. Lubang terjadi karena bahan porselen diproses pada suhu rendah hingga mudah menyerap air. Kejadian ini menurunkan kekuatan isolasi dan arus merembes melalui isolator.
- Ketidakmurnian bahan isolasi. Di tempat yang mengalami ketidakmurnian bahan isolasi pun akan terjadi kebocoran.
- Bahan tidak dapat mengkilap, sehingga air akan tetap tinggal padanya, lalu meyebabkan penimbunan debu dan kotoran membentuk lapisan yang bersifat menghantar dan memperpendek jarak rayap (creepage distance). - Tekanan secara mekanis, misalnya karena penumpukan isolator. Jika
- Tembus listrik (break down) dan lewat denyar (flashover). Lewat denyar, yaitu pelepasan muatan destruktif (bersifat merusak) yang melintasi pada seluruh bagian permukaan isolator. Pelepasan muatan ini disebabkan pembebanan medan elektrik pada permukaan isolator melebihi harga ketahanan elektriknya. Lewat denyar menimbulkan pemanasan dan dapat merusak isolator. Penyebabnya dikarenakan pengotoran permukaan isolator, surja hubung, dan surja petir. Seperti terlihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Peristiwa flashover (lewat denyar).
2.1.6 Stub
Pada isolator piring ditemukan bahwa apabila terjadi peristiwa abnormal akan mengakibatkan kerusakan pada isolator tersebut. Kerusakan yang terjadi pada isolator berbahan porselen menyebabkan lempeng piring akan terkelupas sedangkan untuk isolator berbahan gelas dapat mengakibatkan lempeng piring akan pecah. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.10.
Isolator piring gelas ketika telah pecah akan meninggalkan bongkol isolator yang disebut dengan istilah stub. Peristiwa ini meyebabkan jarak rambat yang semakin dekat antar dua lempengan logam pemisah sehingga tahanan permukaan isolasi yang menjadi berkurang. Tahanan isolasi tersebut akan menyebabkan kenaikan arus bocor pada permukaan isolator sehingga memungkinkan terjadinya external arc [5].
Gambar 2.11 Peristiwa lewat denyar pada isolator gelas.
Nilai kapasitansi isolator piring gelas hampir konstan dan hanya sedikit bergantung pada ukuran dari gelas yang berada di dalam kap isolator. Nilai rata-rata dari C berkisar 70 pF dengan isolator piring gelas dalam kondisi normal. Tahanan permukaan isolator sebagian besar dipengaruhi oleh kondisi lingkungan, maka tahanan permukaan dianggap sebagai sesuatu yang nilainya tidak tetap. Rangkaian ekuivalen pada kondisi kering dan bersih dapat digambarkan pada Gambar 2.12a, dan dikarenakan tahanan isolator sangat tinggi, maka rangkaian ekivalen dapat digambarkan pada Gambar 2.12b.
(a) Full circuit. (b)Simplified circuit. Gambar 2.12 Rangkaian ekuivalen pada isolator piring.
Gambar 2.13 Rangkaian ekuivalen dari stub kondisi kering dan bersih. Isolator yang mengalami kerusakan akan meyebabkan timbulnya, CS yaitu
kapasitansi tambahan dan RS yaitu tahanan yang timbul di dalam isolator.
Sehingga besar komponen C dan R didefenisikan menjadi:
= + (2.3)
1
= 1 + 1 (2.4)
2.2 KAPASITANSI
Kapasitor sering juga disebut dengan kondensator. Elemen ini mempunyai fungsi menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Nilai suatu kapasitansi dari suatu kapasitor tergantung dari nilai permitivitas bahan pembuat kapasitor, luas penampang, dan jarak antara dua keping penyusun kapasitor tersebut [6]. Seperti terihat pada 2.14.
Gambar 2.14 Kapasitansi pada logam sejajar. Konduktor
Konduktor Dielektrik
Secara matematis,
= (2.5)
Besarnya nilai reaktansi kapasitif ditentukan dengan,
= 1
2 (2.6)
Dimana:
C = nilai kapasitansi (F)
ε = permitivitas bahan dielektrik (F/m) A = luas penampang konduktor (m2)
d = jarak dua keping (m) XC = Reaktansi kapasitif ( Ohm ) f = frekuensi kapasitansi (Hz)
Tabel 2.1 Permitivitas bahan dielektrik
No Jenis bahan Konstanta dielektrik
1 Mika 2,5 – 7
2 Gelas 4 – 7
3 Air 80
4 Lilin 2,25
Jika sebuah kapasitor dilewati oleh sebuah arus, maka pada kedua ujung kapasitor tersebut akan muncul beda potensial atau tegangan. Secara matematis dinyatakan:
= (2.7)
= (2.8)
Sedangkan,
= (2.9)
= . (2.10)
Sehingga,
. = . (2.11)
= (2.12)
2.3 DISTRIBUSI TEGANGAN
Gambar 2.15 Komponen kapasitansi isolator piring.
Jika beberapa isolator piring disusun menjadi isolator rantai (Gambar 2.16), maka akan dijumpai tiga kelompok susunan “konduktor-dielektrik-konduktor”, masing-masing dibentuk oleh :
a. Kap isolator-dielektrik-fitting. Susunan ini membentuk kapasitansi sendiri isolator (C1).
b. Kap isolator-udara-menara. Susunan ini membentuk kapasitansi kap isolator dengan menara yang dibumikan (C2) yang disebut kapasitansi
tegangan rendah.
c. Kap isolator-udara-konduktor transmisi. Susunan ini membentuk kapasitansi kap isolator dengan konduktor tegangan tinggi (C3) yang
disebut kapasitansi tegangan tinggi.
Sehingga jika isolator dianggap bersih maka akan didapatkan suatu rangkaian kapasitansi.
Gambar 2.16 Susunan isolator piring membentuk kapasitansi.
Logam Logam
Logam
Logam
Logam
Seperti yang terlihat pada gambar karena timbulnya C2 dan C3 maka
tegangan pada setiap unit isolator yang seharusnya sama menjadi berbeda-beda dimana dapat dilihat bahwa unit isolator rantai yang paling dekat dengan kawat penghantar adalah unit yang menerima tegangan paling besar dibandingkan dengan unit lain. Dan tegangan akan semakin kecil untuk unit yang semakin jauh dari konduktor penghantar.Metode untuk menghitung distribusi tegangan pada isolator rantai, yaitu dengan metode Hukum Kirchoff. Rangkaian ekuivalen isolator rantai untuk menghitung distribusi tegangan diperlihatkan pada Gambar 2.17.
Hukum kirchoff pada titik (1) adalah sebagai berikut:
+ = + (2.13)
Jika tegangan pada suatu kapasitor C adalah V dan frekuensi tegangan itu adalah f, maka arus pada suatu kapasitor adalah ic =2πfCV. Dengan demikian,
persamaan dapat dituliskan sebagai berikut:
2 + 2 ( − ) = 2 + 2 (2.14)
+ ( − ) = + (2.15)
Hukum kirchoff pada titik (2) adalah:
+ = + (2.16) Atau,
+ ( − − ) = ( + ) + (2.17)
Hukum Kirchoff pada titik (n-1) adalah sebagai berikut:
( )+ ( ) = ( )+ (2.18)
Atau,
( )+ − − − ⋯ − ( )
= ( + + ⋯ + ( )+ (2.19)
Jika jumlah isolator piring adalah n, maka hukum Kirchoff akan memberikan (n-1) persamaan. Di samping (n-1) persamaan itu masih ada satu persamaan tegangan yang diperoleh, yaitu:
= + + + ⋯ + (2.20)
