Studi Unjuk Kerja Isolator Porselen Terpolusi pada Berbagai Kondisi Lingkungan
dan
Simulasi Flashover pada Spesimen Porselen
Zivion O Silalahi, Dr. Ir. Parouli M. Pakpahan
Abstrak-- Pada Tugas Akhir ini dilakukan penelitian
untuk mengetahui unjuk kerja isolator porselen melalui analisis terhadap arus bocor yang terjadi pada permukaan isolator tersebut. Pengujian dilakukan pada tegangan tinggi dengan variabel tekanan dan kelembaban yang berubah-ubah. Pengujian juga dilakukan pada isolator dengan kondisi bersih dan kondisi terpolutan dengan kadar pengotoran yang berbeda-beda mengacu pada standar pengujian IEC 507. Analisis yang dilakukan meliputi nilai maksimum, nilai THD komponen harmonik, dan sifat kapasitif arus bocor di permukaan isolator pada berbagai kondisi lingkungan dan tingkat pengotoran. Selain itu juga dilakukan simulasi secara eksperimental dan numerik untuk mempelajari arus bocor dan tegangan sesaat sebelum terjadinya flashover. Penelitian dilakukan terhadap spesimen berbahan porselen dengan berbagai kondisi pengotoran untuk memperoleh data arus dan tegangan pada saat terjadinya flashover. Hasil yang diperoleh kemudian dianalisis secara numerik dengan menggunakan teori medan elektromagnetik dan model Obenaus.
Kata Kunci—arus bocor, flashover, isolator, porselen,
polutan.
I. PENDAHULUAN
Perkembangan zaman telah mengakibatkan meningkatnya kebutuhan masyarakat dan pabrik atau industri terhadap tenaga listrik. Dengan meningkatnya kebutuhan tenaga listrik tersebut diperlukan suatu sistem tenaga listrik yang handal. Dalam menyalurkan tenaga listrik dari pusat pembangkit sampai ke konsumen memerlukan suatu sarana pengangkutan, yaitu berupa sistem transmisi dan sistem distribusi. Salah satu faktor yang menentukan keandalan system transmisi atau distribusi adalah isolator.
Isolator adalah material isolasi yang dirancang untuk memisahkan konduktor bertegangan dari konduktor atau objek lainnya. Permasalahan kegagalan isolasi sebagai akibat pengotoran dan kondisi lingkungan, telah menjadi bahan penelitian di berbagai negara. Penelitian- penelitian tersebut umumnya memakai arus bocor sebagai indikator unjuk kerja isolator.
Di Indonesia, isolator keramik banyak digunakan untuk penyaluran daya listrik baik untuk kebutuhan masyarakat maupun pada daerah industri. Karakteristik lingkungan di Indonesia yang memiliki kelembaban, curah hujan, dan suhu tinggi, disertai kehadiran polutan yang bervariasi (seperti pada daerah pantai, geothermal, dan industri) tentunya merupakan penyebab yang sangat penting dalam mempengaruhi unjuk kerja isolator pasangan luar. Kondisi udara yang lembab akan menyebabkan timbulnya lapisan air pada permukaan isolator,
dan dengan kehadiran kontaminan, akan timbul arus bocor dan
flashover yang dapat menyebabkan kegagalan isolasi.
Penelitian dilakuakn di laboratorium untuk menguji unjuk kerja isolator berbahan dasar keramik pada kondisi lingkungan yang berbeda-beda. Pengujian dilakukan pada tegangan tinggi dengan variabel tekanan dan kelembaban yang berubah-ubah. Pengujian juga dilakukan pada kondisi bersih dan kondisi terpolutan dengan kadar pengotoran yang berbeda-beda mengacu pada standar pengujian tertentu.
Unjuk kerja isolator tersebut kemudian dinilai dengan mengamati dan menganalisis karakteristik arus bocor yang terjadi pada permukaan isolator, meliputi nilai maksimum, spektrum harmonisa dan sifat kapasitif arus bocor tersebut pada berbagai kondisi lingkungan. Selain itu, dilakukan juga simulasi secara eksperimental dan numerik untuk mempelajari sifat arus bocor sesaat sebelum terjadinya flashover. Simulasi dilakukan dengan dengan mempergunakan bentuk spesimen sederhana, yaitu dengan bentuk bidang datar empat persegi panjang pada berbagai tingkat pengotoran.
II. PENGUJIAN DAN METODA ANALISIS Pengujian dilakukan di Laboratorium Teknik Tegangan dan arus Tinggi Institut Teknologi Bandung (Lab. TTAT ITB) dengan mengacu pada standar IEC 507. Untuk pengaturan kondisi lingkungan digunakan ruang uji (test chamber) yang dapat diatur suhu dan kelembabannya. Isolator yang digunakan berbahan keramik dan tersedia dalam 2 bentuk, yaitu piringan dan spesimen yang berbentuk persegi panjang berukuran 3x5x1 cm.
Isolator diuji pada kondisi bersih dan terpolutan dengan berbagai macam tingkat pengotoran. Pengujian dilakukan dengan mengaplikasikan tegangan tinggi pada ujung-ujung terminal isolator. Kondisi ruangan diatur dalam chamber sesuai kondisi yang diinginkan. Data pengujian diperoleh dengan menggunakan osiloskop digital yang terkoneksi ke komputer. Gambar 1 menunjukkan skema rangkaian pengujian.
Gambar 1. Skema rangkaian pengujian
kadar garam yang dilarutkan. Dengan meningkatnya kadar garam, maka konduktivitas polutan akan meningkat pula, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2:
Pada pengujian ini dipilih beberapa jenis komposisi garam yang dilarutkan di dalam air dan kaolin untuk pengujian.
Tabel 1 Jenis-jenis polutan yang digunakan dalam pengujian
No NaCl (gr) σ (mS/cm) Penggunaan
1 1 2.19 Pengujian isolator piringan
2 5 8.84 Pengujian isolator piringan
3 1 1.89 Pengujian isolator spesimen
4 2 3.89 Pengujian isolator spesimen
Data yang diperoleh pada percobaan ini digunakan untuk menganalisis unjuk kerja arus bocor terhadap perubahan kondisi limgkungan di dalam chamber. Unjuk kerja arus bocor tersebut dinilai dengan mengamati besar kecilnya harmonik gelombang arus bocor tersebut. Dari karakteristik tersebut kemudian dapat ditentukan komponen-komponen harmonik yang paling dominan dalam pembentukan gelombang arus bocor. Selain dengan nilai harmonik gelombang, unjuk kerja isolator juga ditentukan dengan mengamati perubahan nilai maksimum arus bocor dan sifat kapasitifnya pada berbagai kondisi lingkungan.
Pengujian dengan spesimen keramik bertujuan untuk menganalisis karakteristik medan listrik dan rapat arus di permukaan isolator pada saat terjadinya flashover. Penggunaan spesimen bertujuan agar analisis yang medan listrik yang dilakukan lebih mudah karena bentuk isolator yang lebih sederhana dibandingkan dengan isolator piringan. Pada pengujian ini, jarak antara kedua elektroda dibuat lebih dekat, yaitu 5 cm dengan tujuan agar flashover terjadi pada tegangn yang tidak terlalu tinggi, sehingga aman untuk peralatan-peralatan pengujian.
Gambar 2. Spesimen keramik yang digunakan dalam pengujian
Khusus untuk pengotoran tidak merata, analisis arus bocor dan tegangan flashover juga dilakukan dengan mengguanakan pemodelan Obenaus untuk pengotoran isolator secara tidak merata.
Pada model ini, discharge mewakili busur api yang menghubungkan pita kering, dan resistansi mewakili bagian yang tidak terhubung oleh busur api pada isolator. Persamaan yang diturunkan untuk gradien tegangan kritis (Ec) dan arus
kritis (Ic) adalah: )) 1 /( ( )) 1 /( 1 ( + × + = a a p a c N R E ………..…1 ) 1 / 1 ( ) / ( + = a p c N R I ……….………2 Dimana
Rp=Rpol/(LD-Larc), resistansi permukaan uniform per
satuan panjang dari lapisan polutan. N = konstanta kontak
a = konstanta eksponen busur api Rpoln = resistansi seri permukaan terpolusi
LD = jarak kebocoran
Larc = panjang busur discharge
Gambar 3. Gambar skematik isolator terpolusi dengan pita kering
III. PENGUJIAN DAN ANALISIS III.1 Pengaruh Suhu Terhadap Unjuk Kerja Isolator
Dari hasil pengujian diperoleh gambar tegangan uji, arus bocor serta spektrum harmonisa arus bocor seperti yang tampak pada gambar di bawah:
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 20 40 60 80 100 TIM E (ms) -8.00E-02 -6.00E-02 -4.00E-02 -2.00E-02 0.00E+00 2.00E-02 4.00E-02 6.00E-02 8.00E-02 v (kV) I (mA)
Gambar 4a. Gelombang arus bocor dan tegangan uji pada pengujian isolator bersih pada suhu 45°C.
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 6.00E-02 7.00E-02 0 100 200300 400 500 600700 800 900 1000 F (Hz)
Gbr 4b. Spektrum harmonisa arus bocor pengujian isolator bersih pada suhu 45°C.
Data-data yang diperoleh kemudian diolah ke bentuk grafik sebagai berikut:
0 20 40 60 80 100 70 80 90 100 Suhu (°C) ber s i h pol ut an 1 pol ut an 2
Gambar 5 Grafik pengaruh suhu dan arus bocor maksimum dengan tiga tingkat pengotoran
Secara umum, arus bocor yang muncul pada permukaan isolator terpolusi akan lebih besar dibandingkan dengan pada isolator yang bersih. Semakin tingginya tingkat
pengotoran juga menyebabkan peningkatan nilai arus bocor. Gradien kenaikan nilai arus bocor terhadap peningkatan suhu yang paling besar terdapat pada isolator dengan pengotoran yang tinggi.
Peningkatan arus bocor pada pengujian disebabkan oleh sifat konduktif polutan yang terdapat pada permukaan isolator pada setiap kenaikan suhu. Pada kondisi ini, jumlah elektron yang mengalir pada permukaan isolator akan semakin banyak sehingga menyebabkan nilai arus akan meningkat.
0 5 10 15 20 25 20 30 40 50 Suhu (°C) ber s i h pol ut an 1 pol ut an 2
Gambar 6 Grafik pengaruh suhu terhadap THD arus bocor dengan tiga tingkat pengotoran
Hubungan THD dengan tingkat pengotoran isolator dapat dilihat pada gambar di atas. Pada grafik tersebut, tampak bahwa nilai THD dari arus bocor pada kondisi bersih lebih tinggi dibandingkan dengan isolator pada kodisi terpolusi. Hal ini menyatakan bahwa dengan pengotoran pada permukaan isolator, arus bocor yang mengalir akan memiliki komponen harmonik yang lebih sedikit dibandingkan dengan arus bocor pada permukaan isolator yang bersih.
20 25 30 35 40 45 50 20 30 40 50 Suhu (°C) a b c
Gambar 7 Grafik pengaruh suhu terhadap sifat kapasitif arus bocor dengan tiga tingkat pengotoran
Grafik di atas menggambarkan hubungan antara tingkat pengotoran isolator terhadap sifat kapasitif arus bocor. Sifat kapasitif ini dinyatakan dengan beda fasa antara arus bocor dan tegangan uji. Hasil pengujian pada beberapa level pengotoran menunjukkan bahwa perubahan suhu tidak memiliki pengaruh yang tetap pada sifat kapasitif arus bocor.
III.2 Pengaruh Kelembaban Terhadap Unjuk Kerja Isolator Dari hasil pengujian diperoleh gambar tegangan uji, arus bocor serta spektrum harmonisa arus bocor seperti yang tampak pada gambar di bawah:
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 20 40 60 80 100 TIM E (ms) -8.00E-02 -6.00E-02 -4.00E-02 -2.00E-02 0.00E+00 2.00E-02 4.00E-02 6.00E-02 8.00E-02 v (kV) I (mA)
Gbr 8a. Arus bocor dan tegangan uji pada pengujian isolator terpolusi (σ= 1.89 mS/cm) pada kelembaban 99%.
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 6.00E-02 7.00E-02 8.00E-02 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 F (Hz)
Gbr 8b. Spektrum harmonisa arus bocor pengujian isolator terpolusi (σ= 1.89 mS/cm) pada kelembaban 99%.
Data-data yang diperoleh kemudian diolah ke bentuk grafik sebagai berikut: 0 20 40 60 80 100 70 80 90 100 K el embaban (%) ber s i h pol ut an 1 pol ut an 2
Gambar 4.6 Grafik pengaruh kelembaban terhadap nilai maksimum arus bocor dengan tiga tingkat pengotoran
Dari grafik di atas, nilai maksimum arus bocor semakin besar dengan meningkatnya level pengotoran. Pada pengujian dengan isolator bersih, gradien peningkatan nilai maksimum arus bocor terhadap kelembaban sangat kecil. Namun pada isolator terpolusi ringan dan berat, peningkatan nilai maksimum arus bocor terjadi sangat drastis pada kelembaban yang tinggi, yaitu sebesar 25-28 μA untuk kenaikan kelembaban sebesar 20%. 0 5 10 15 20 25 30 70 80 90 100 Kel embaban (%) ber si h pol utan 1 pol utan 2
Gambar 4.7 Grafik pengaruh kelembaban terhadap nilai THD arus bocor dengan tiga tingkat pengotoran Dari pengolahan data yang dilakukan terhadap spektrum harmonik arus bocor, tampak bahwa nilai THD
rata-rata untuk tiap pengujian semakin kecil dengan meningkatnya level pengotoran.
III.3 Pengujian Spesimen dengan Pengotoran Merata
Nilai rms tegangan flashover yang diperoleh pengujian adalah sebesar kV V kV V V V rms rms maks rms 236 . 19 2 2 . 27 2 = = =
dan nilai rms arus bocor adalah:
A I I I I rms rms maks rms μ 360 . 0 2 509 . 0 2 = = =
Pada simulasi dengan FEMLAB, diperoleh garis medan pada permukaan isolator seperti berikut:
Gambar 4.7 Garis-garis medan listrik hasil simulasi pada percobaan isolator dengan pengotoran merata
Nilai medan listrik dapat dihitung secara teoritis:
cm V a E a x x E a x V E a z V a y V a x V E V grad E x x x z y x 2 . 3487 ) 19236 5 19236 ( ) ( ) ( ) ( = ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ + ∂ − = ∂ ∂ − = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ − = − =
dengan rapat arus:
2 2 2712 . 7 ) 2 . 3847 ( ) 00189 . 0 ( cm A a J cm A a J E J x x = × = =σ
Diperoleh nilai arus sebesar:
A I A I cm cm cm A I A J I μ 218 . 0 10 18 . 2 ) 10 3 ( 2712 . 7 7 8 2 = × = × × = × = − −
Nilai ini memiliki selisih sebesar 0.142 μA dibandingkan dengan hasil yang diperoleh dari data pengujian (0.360)
III.4 Pengujian dengan Pengotoran Tidak Merata
Untuk 2 jenis pengotoran, yaitu 0.00189 S dan 0.0039 S, masing-masing diperoleh nilai-nilai Rp(persamaan 2) untuk
pengotoran 1: arc pol p L LD R R − = ) ( 2 1 l Rpol= σ× cm Rp=21.16Ω dan pengotoran 2 cm Rp=10.282Ω
Dengan membandingkan kedua nilai tersebut,diperoleh perbandingan nilai tegangan flashover untuk kedua pengujian:
05 . 2 282 . 10 160 . 21 2 1 2 1 2 1 2 1 )) 1 /( ( )) 1 /( 1 ( = Ω Ω = = × = + + c c c c p p c c a a p a c E E E E R R E E R N E
Pada hasil pengujian, nilai tegangan pada percobaan dengan polutan I dan II dapat dibandingkan:
637 . 1 9130 14948 2 1 2 1 = = c c c c E E V V E E
Nilai perbandingan Ec1/Ec2 yang diperoleh dari hasil
pengujian dan analisis lebih kecil sekitar 0.79 kali dibandingkan dengan hasil perhitungan secara teoritis menggunakan pemodelan Obenaus.
KESIMPULAN
Dari pengujian dan analisis yang dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Peningkatan suhu dan kelembaban menyebabkan peningkatan nilai maksimum arus bocor baik pada isolator bersih maupun terpolusi
2. Nilai THD pada spektrum frekuensi arus bocor cenderung menurun dengan meningkatnya suhu dan kelembaban lingkungan.
3. Komponen frekuensi yang paling dominan dalam membentuk komponen harmonisa arus bocor adalah frekuensi fundamental ke-5 untuk semua pengujian. 4. Suhu dan kelembaban tidak mempengaruhi sifat
kapasitif arus bocor.
5. Semakin tinggi tingkat pengotoran yang diberikan pada permukaan isolator, nilai maksimum arus bocor pada permukaan isolator semakin besar. Namun nilai THD dan beda fasa antara arus bocor dan tegangan uji mengecil pada kenaikan tingkat pengotoran.
6. Semakin tinggi konduktivitas polutan pada permukaaan isolator, arus bocor yang terjadi semakin besar
dikarenakan nilai rapat arus pada permukaan isolator terpolusi berbanding lurus dengan konduktivitas lapisan pengotoran.
7. Pada isolator dengan pengotoran yang tidak merata, nilai tegangan dan arus flashover ditentukan oleh parameter Rp, yaitu resistansi polutan per satuan
panjang. Nilai ini berbanding terbalik dengan konduktivitas polutan dan arus bocor, tetapi berbanding lurus dengan nilai tegangan flashover.
REFERENSI
[1]. Gorur, R.S, et al. Outdoor Insulator, Ravi S. Gorur, Inc, Phoenix, USA, 1999
[2]. Kind, Dieter, et al. High Voltage Insulation Technology, Textbook for Electrical Engineer. Friedr Viewg & Sohn, Braunchweig/Wiesbaden, 1985.
[3]. Kind, Dieter. Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan
Tinggi. Penerbit ITB, Bandung, 1993
[4]. Barsoum, Michael. Fundamentals of Ceramics. The McGraw Hill Companies, Inc, 1997.
[5]. Hayt, Wiliam H, Jr. Engineering Electromagnetics. McGraw Hill Book Companies, 1989.
[6]. Kreyzig, Erwin. Advanced Engineering Mathematics. Wiley, 1997.
[7]. Iskander, Magdy F. Electromagnetics Fields and Waves. Waveland Press, Inc. Ilinois, USA, 2000.
[8]. Latif, Melda. Unjuk Kerja Isolator Pasangan Luar Epoxy
Resin 20 kV pada Berbagai Kondisi Lingkunagan. Tesis:
Program Studi Teknik Tenaga Elektik Institut Teknologi Bandung, 2006.
[9]. Dekker J, Adrianus. Electrical Engineering Materials. Prentice Hill, New Delhi, 1979.
[10]. Callister, William, D. Material Science and Engineering. John Wiley and Sons, Inc. 1984
[11]. Venkataraman, Sreeram Prediction of Flashover Voltage
of Insulators Using Low Voltage Surface Resistance Measurement. PSERC Publication 06-42, Arizona State
University, 2006
[11]. --, IEC 507 International Standard Artificial Pollution
tests on high-voltage insulators to be used on ac systems.
