ANALISIS KEGAGALAN ISOLASI AKIBAT PARTIAL DISCHARGE PADA KABEL NA2XSEBY 20 KV BERISOLASI XLPE DAN PVC
Oleh: Sepannur Bandri*
*
Dosen Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Padang
Intisari
Saluran distribusi dengan kabel bawah tanah akhir – akhir ini banyak digunakan pada daerah perkotaan, karena baik dilihat dari faktor keamanan dan keindahan. Dalam penelitian ini mengetahui sejauh mana keandalan isolasi terhadap Partial Discharge pada dengan bahan isolasi XLPE dan PVC. Studi kasus dilakukan pada jaringan distribusi pada GIS Simpang Haru ke GH Gor Agus Salim yang menggunakan kabel NA2XSEBY 20 KV berisolasi XLPE dan PVC. Dari analisis ini menunjukkan besar tegangan stres, kenaikan temperatur, tegangan rongga dan kapasitansi pada isolasi XLPE dan PVC untuk kabel bawah tanah NA2XSEBY 20 KV, yang mana peluahan terjadi apabila tegangan sumber kerja sebesar 20 KV lebih besar dari pada insepsi yang diterapkan V.
Kata kunci : Saluran distribusi, kabel bawah tanah, partial discharge, tegangan insepsi Abstract
Distribution channels with underground cable end - the end is widely used in urban areas, as well seen from the safety and beauty. In this study determine the extent to which the reliability of the isolation of Partial Discharge on the XLPE insulation and PVC materials. Case studies conducted on the distribution network GIS Simpang Haru to GH Gor Agus Salim wired NA2XSEBY 20 KV XLPE insulated and PVC. From this analysis showed a large voltage stress, a rise in temperature, voltage and capacitance cavity in XLPE insulation and PVC for underground cables NA2XSEBY 20 KV, which is where the discharge occurs when the working voltage of 20 kV source is greater than theapliedvoltageinception.
Keywords: Channels of distribution, underground cable, partial discharge, the voltage Inception 1. Pendahuluan
Isolasi adalah sifat atau bahan yang dapat memisahkan secara elektris dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan sehingga tidak terjadi kebocoran arus atau dalam hal gradien tinggi, lompatan api (flashover). Isolator adalah alat listrik yang dipakai untuk menjalankan tugas mengisolasi. Isolasi atau bahan isolasi sangat penting, khususnya pada tegangan tinggi sehingga pengamatan dalam pemakaiannya mutlak perlu.
Menurut macam bahan yang dipakai, bahan isolasi dapat dibagi menjadi tiga golongan, yaitu : (i) benda padat, (ii) benda cair, dan (iii) gas.
Berdasarkan fungsinya, maka bahan isolasi dapat digolongkan sebagai berikut :
a. Penyangga/penggantung (solid supports), yang pasti berbentuk benda padat. Yang sudah diketahui misalnya porselin, kayu, kertas, pernis dan sebagainya.
b. Bahan pengisi (filling media), berupa bahan cairan atau gas, misalnya udara (paling murah), minyak, bitumen. c. Bahan penutup (covering materials),
yaitu bahan yang biasanya terdapat pada bagian paling luar, berupa bahan padat atau cair, misalnya mika, pernis.
Pada umumnya bahan-bahan isolasi sangat sukar diketahui sifat listrik dan mekanisnya. Sifat buruk pada bahan isolasi kelihatan sekali pada bahan tambang terutama bila dipakai sendiri.
Dalam hal isolasi berserat (fibrous), mempunyai sifat menua (aging) dalam gaya mekanismenya pada semua suhu dan kecepatan menuanya naik dengan cepat sekali dengan naiknya suhu. Meskipun demikian, secara listrik proses penuaan tidak terjadi sampai bahannya menjadi gampang pecah atau retak.
Dalam struktur molekul dari bahan isolasi, elektron-elektron terikat erat pada molekul, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan tegangan. Apabila ikatan ini putus pada suatu tempat, maka sifat isolasi hilang pada tempat itu. Disamping elektron-elektron yang erat ikatannya, ada elektron-elektron lain yang sedikit jumlahnya yang ikatannya kurang kuat, yang bila dikenakan tegangan dapat bergerak dari molekul satu ke molekul lain, sehingga timbullah arus konduksi. Arus ini disebut juga arus bocor.
Pada isolasi cairan, kegagalan lokal tidak mungkin terjadi karena teganan total, oleh karena cairan mempunyai sifat menutup sendiri (self sealing). Sebaliknya pada isolasi padat kegagalan lokal bersifat progresif, yang akhirnya menjadi kegagalan total.
Pada bahan isolasi yang digunakan adalah untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan atau bagian-bagian yang aktif dalam kelistrikan, sehingga tidak terjadi hubungan rangkaian listrik antara bagian-bagian yang mempunyai sifat kelistrikan. Bahan isolasi yang dipergunakan untuk kabel bawah tanah harus memenuhi syarat-syarat dielektrik pada sistem kelistrikan, adapun syarat-syarat tersebut adalah sebagai berikut : 1. Memiliki nilai isolasi yang tinggi.
2. Memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi. 3. Memiliki sifat-sifat mekanis yang baik. 4. Bahan yang digunakan elastis dan liat. 2.1 Isolasi polimer
Pada umumnya bahan polimer dikenal sebagai plastik. Bahan ini memiliki sifat yang cocok dipergunakan sebagai isolasi kabel karena ringan, mudah dibentuk, liat dan elastis serta yang terpenting material ini bersifat isolator karena tidak memiliki elektron bebas.
Polimer dapat digolongkan dalam tiga kelompok umum, yaitu polimer plastik, polimer serat dan polimer elostumor. Struktur dari polimer plastik dapat digolongkan dalam dua jenis, yaitu Molekul panjang dengan susunan yang linier atau bercabang (termoplastik) dan molekul dengan susunan jaringan ruang tiga dimensi (termoset). Pada suhu yang tinggi, polimer linier atau bercabang akan menjadi lunak. Untuk memperoleh bentuk yang diinginkan harus dilakukan pendinginan terlebih dahulu. Berbeda dengan termoplastik, polimer tiga dimensi (termoset) merupakan bahan yang sangat kuat pada berbagai temperatur. Bila dipanaskan polimer ini tidak menjadi lunak, karena struktur tiga dimensi yang bersifat kaku. Agar menjadi lunak, diperlukan usaha untuk memecahkan ikatan kovalennya. Bahan ini terbentuk dari susunan hubungan silang (crosslink).
2. Isolasi termoplastik
Termasuk dalam jenis ini adalah Polyethylene (PE) dan Polyvinyl Chloride (PVC) yang mudah dan murah dalam pembuatannya, sehingga banyak digunakan dalam industri listrik. Polyvinyl Chloride banyak digunakan sebagai bahan isolasi kabel, terutama untuk tegangan rendah. Bahan ini relatif murah dan mudah dalam teknik penyambungannya, relatif tahan terhadap api serta tidak rusak pada temperatur yang sangat rendah. Kelemahan bahan ini adalah kecendrungannya untuk terpecah-pecah
P e n g h a n t a r ( t e m b a g a ) L a p i s a n p e n g h a n t a r I s o l a s i ( X L P E ) P e r i s a i ( p i t a t e m b a g a ) S e l u b u n g S a r u n g k a b e l L a p i s a n I s o l a s i
pada tekanan mekanis yang terus-menerus, serta daya serap terhadap air yang cukup tinggi.
2.3 Isolasi termoset
Isolasi termoset jauh lebih baik kualitasnya dibandingkan jenis isolasi termoplastik, terutama untuk temperatur kerja yang tinggi. Bahan ini tidak peka terhadap perubahan temperatur yang terjadi dan memberikan stabilitas panas yang lebih baik pada saat terjadi hubung singkat. Isolasi termoset merupakan polimer hubung silang belerang (sulfur). Isolasi yang termasuk jenis ini adalah ethylene Propylene Rubber (EPR) dan Cross-Linked Polyethylene (XLPE). 2.4 Isolasi PVC
Polyvinylkorida atau PVC adalah hasil polimerisasi dari vinilklorida H2C = CHCI.
Pada proses polimerisasi, ikatan ganda yang terdapat pada molekul vinilklorida diubah menjadi ikatan tunggal. Ikatan yang menjadi bebas kemudian mengikat molekul-molekul vinilklorida lain, sehingga timbul molekul-molekul makro panjang PVC.
H Cl H Cl H Cl H Cl | | | | | | | | - C C C C C C C C –
| | | | | | | | H H H H H H H H Gambar 1. Proses polimerisasi dari
polyvinylklorida
Pada suhu 270C PVC ini keras dan rapuh. Supaya dapat digunakan sebagai bahan isolasi kabel, PVC harus dicampur dengan bahan pelunak (Plasticiser). Bahan pelunak yang dicampurkan umumnya sebanyak 20% hingga 40%, kadang-kadang bahkan lebih. Campuran ini disebut kompon
PVC. Dengan menggunakan bahan pelunak yang tepat dapat diciptakan kompon PVC yang tahan terhadap bahan-bahan kimia tertentu.
Ada beberapa bahan, misalnya bahan-bahan hasil minyak bumi, yang dapat menyerap bahan pelunaknya sehingga membuat kompon PVC menjadi keras dan rapuh. Dengan memakai bahan-bahan pelunak khusus dapat dibuat kompon-kompon PVC yang tahan terhadap minyak.
Salah satu kelemahan kompon PVC, sebagai akibat harus digunakannya bahan pelunak, ialah ketahanannya terhadap tekanan. Kalau ditekan cukup kuat dan cukup lama, kompon PVC tidak dapat pulih. Makin tinggi suhunya, makin kurang ketahanannya terhadap tekanan itu. Umumnya kompon PVC hanya dapat digunakan pada temperatur (suhu) sampai setinggi-tingginya 700 C terus-menerus. Dengan bahan pelunak khusus dapat dibuat kompon PVC untuk suhu yang lebih tinggi sampai 1050 C.
Untuk lebih jelasnya tentang karakteristik, tipe dan deskripsi dari kabel XLPE ini dapat dilihat pada tabel dan gambar dibawah ini.
Gambar 2. Kabel XLPE dan PVC 2.3 Peluahan Sebagian (Partial Discharge)
Peluahan sebagian (partial discharge) adalah peluahan elektrik pada medium isolasi yang terdapat diantara dua elektroda berbeda tegangan, dimana peluahan tersebut tidak sampai menghubungkan kedua elektroda secara sempurna. Peristiwa ini
dapat terjadi pada bahan isolasi padat. Karena kesalahan produksi, di dalam dielektrik padat ada kalanya dijumpai rongga-rongga udara.
Gambar 3. Celah udara dalam dielektrik padat Pada gambar 3 ditunjukkan suatu celah udara di antara dua dielektrik padat berada dalam ruang medan elektrik. Jarak celah udara (Su) relatif sangat kecil dibandingkan terhadap
tebal dielektrik padat (S1 dan S2).
Jika medan elektrik dihasilkan oleh dua elektroda piring sejajar yang luasnya tak berhingga, maka kuat medan elektrik pada setiap lapis delektrik adalah :
Dimana :
V = Beda tegangan antara elektroda (V) ε = Konstanta dielektrik
S = Tebal dielektrik (Cm)
Jika dimisalkan konstanta dielektrik padat adalah 6 dan konstanta dielektrik udara adalah 1, maka kuat medan elektrik pada celah udara adalah:
(2) Karena Su relatif sangat kecil
dibandingkan terhadap tebal keseluruhan dielektrik padat (S1 + S2),
maka kuat medan elektrik pada celah udara dapat ditulis sebagai berikut :
kuat medan dielektrik padat adalah :
Terlihat bahwa kuat medan elektrik pada
celah udara enam kali lebih besar daripada kuat medan elektrik dielektrik padat. Sedang kekuatan dielektrik udara jauh lebih kecil dari kekuatan dielektrik padat. Jika kuat medan dielektrik di celah udara melebihi kekuatan dielektrik udara, maka udara akan tembus listrik. Sementara itu dielektrik padat tidak mengalami tembus listrik, karena terpaan elektrik yang dialaminya masih dibawah kekuatan dielektriknya. Karena termbus listrik hanya terjadi di celah udar, maka peristiwa ini disebut peluahan sebagian (partial discharge)
Pada gambar 4 ditunjukkan suatu dielektrik padat yang didalamnya terdapat rongga udara beserta rangkaian ekivalennya. C1 adalah kapasitansi
rongga udara, C2 adalah kapasitansi
ekivalen dielektrik padat yang terhubung seri dengan rongga, dan C3 adalah
kapasitansi ekivalen dielektrik padat yang paralel dengan rongga. Jika di C1
terjadi peluahan, maka peluahan itu diibaratkan sebagai lompatan api pada sela F.
εrp , Ep
Gambar 4. objek uji dengan rongga
Jka tegangan sumber adalah sinusoidal, maka tegangan pada C1 adalah :
Dimana :V1 = tegangan dalam rongga
C1 = kapasitansi rongga udara
C2 = kapasitansi ekivalen dielektrik padat
yang terhubung seri
C3 = kapasitansi ekivalen dielektrik padat
yang paralel dengan rongga
Vmaks = tegangan maksimum yang
diterapkan
Jika peluahan di rongga udara dimisalkan terjadi pada tegangan V1, maka
tegangan sumber yang menimbulkan peluahan tersebut adalah :
dimana :
Vs = tegangan sumber
C1 = kapasitansi rongga udara
C2 = kapasitansi ekivalen dielektrik
padat yang terhubung seri
C3 = kapasitansi ekivalen dielektrik padat
yang paralel dengan rongga
Vt = tegangan parsial yang diterapkan Muatan C1 saat terjadi peluahan adalah :
Muatan ini dilepas mengisi C2
dan C3, sehingga tegangan C3 naik.
Karena proses peluahan ini berlangsung singkat, maka kenaikan tegangan C3
juga berlangsung singkat. Kemudian C1
dimuati lagi dan jika tegangan sumber masih lebih besar dari dari Vs, peluahan
C1 dan kenaikan tegangan C3 terulang
kembali. Demikian akan terjadi peluahan yang berulang-ulang di rongga udara. Peluahan yang berulang-ulang ini menghasilkan kenaikan tegangan C3
yang berbentuk impuls dan keberadaan impuls tegangan inilah yang diukur untuk mengetahui ada tidaknya peluahan parsial dalam dielektrik. Peluahan parsial akan berhenti bila tegangan sumber lebih rendah daripada Vs
Gambar 5. Tegangan Rongga dan Arus Peluahan
Peluahan sebagian dapat juga terjadi pada permukaan bahan isolasi. Sedangkan pada bahan isolasi gas peluahan sebagian terjadi di sekitar elektroda yang runcing. Peluahan sebagian di sekitar elektroda dalam gas biasanya disebut korona. Peluahan sebagian dapat juga terjadi pada bahan isolasi teresapi minyak, dimana peluahan akan menghasilkan gelembung gas dalam cairan dan selanjutnya akan mempermudah terjadinya peluahan lanjutan.
Peluahan parsial ini perlu dideteksi karena jika berlangsung lama akan merusak dielektrik padat yang berbatasan dengan rongga, sehingga
rongga semakin besar dan pada akhirnya menurunkan tegangan tembus dielektrik. Peluahan dalam rongga akan mengakibatkan benturan elektron pada satu sisi rongga dan benturan ion pada sisi lain. Pada tegangan bolak-balik, permukaan rongga akan menerima benturan elektron secara bergantian. Peluahan tegangan bolak-balik yang berlangsung terus-menerus dalam rongga dielektrik padat akan menimbulkan terjadinya erosi pada permukaan rongga.
Pada sistem isolasi cairan, peluahan akan menimbulkan pelepasan ikatan kimia dalam cairan dan akan menghasilkan
gelembung gas.
3. Metode Penelitian Bahan/Materi Penelitian
Bahan yang dipergunakan pada penelitian adalah kabel dengan isolasi jenis XLPE dan PVC.
Tabel 1. Data kabel XLPE dan PVC Jenis kabel Variabel XLPE PVC Luas permukaan/pen ampang isolasi 3 x 240 mm2 3 x 240 mm2 Permitifitas udara 1,0005 4 1,00054 Kapasintasi per phasa 0,25 µF/km 0,25 µF/km Tebal isolasi 5,5 mm 3,7 mm Tegangan 12/20 kV 12/20 kV Jenis penghantar Alumin ium Alumuni um Diameter konduktor 18,2 mm 6,9 mm Suhu normal / pemukaan bahan 20 º C 20 º C Permitivitas relatif kekuatan dialektrik 2,3 7 3.1 Jalan Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan melalui tahap-tahap sebagai berikut :
1. Pengambilan data langsung dengan menganalisis kegagalan isolasi pada kabel
2. Pemilihan landasan teori kegagalan isolasi dan partial discharge
Analisis dan pemilihan tegangan yang paling optimal berdasarkan landasan teori dan rumus yang ada
4. Analisa dan Pembahasan Kabel (NA2XSEBY) isolasi XLPE Menghitung peluahan parsial dan tekanan peluahan parsial menggunakan persaman : Vt C C C Vs . 2 2 1
Dimana : Vs = Tegangan sumber ( V ) = 20 kV = 20000 Volt
C1 = Kapasintasi rongga udara
C2 = Kapasintais ekivalen elektrik padat
yang terhubung seri pada rongga Vt = Tegangan yang jika terjadi parsial
Untuk mencari tegangan sumber dicari dulu, nilai kapaistasnya ( C ) pada : Kabel(NA2XSEBY) XLPE Dimana :
d = 0,2 mm ( di asumsikan ) k = 2,3
A = 3 x 240 mm2
Untuk mencari nilai kapasintasi pada rongga ( C1 ) : d A K C1 8,854. . Dimana : εo = 8,854 x 10-12 PF K = Kostanta dielektrik ( 2,3 ) d = jarak antara plat ( rongga ) diasumsikan 0,2 mm A = Luas penampang = 3 x 240 mm2
mm
mm
x
F
x
C
2
,
0
240
3
.
3
,
2
.
10
854
,
8
6 2 1
mm
mm
F
x
2
,
0
720
.
3
,
2
.
10
854
,
8
6
2
mm F / 073 , 0
Jika tegangan sumber sinussoidal, maka tegangan sumber pada C1 adalah :
t
V
C
C
C
V
.
maks.
sin
.
2 1 2 1
Dimana :V1 = Tegangan sumber pada C1
C2 = 0,25 µF/km = 250000 µF/mm C1 = 0,073 µF/mm Vmaks = 20000 Volt
2.
.f t volt V1 14.199,9958536 .Maka tegangan sumber ( Vs ) dapat
dicari dengan menggunakan persamaan :
Vt
C
C
C
V
s.
2 2 1
Dimana : Vs = Tegangan sumber C1 = 0,073 µF/mm C2 = 0,25 µF/km
t
volt
V
s
14
.
200
.
= -14,2 KV.tMuatan q1 saat terjadi peluahan :
∆Q = C1 .V1
= -1.036,59 colomb.t
Kabel (NA2XSEBY) isolasi PVC Menghitung peluahan parsial dan tekanan peluahan parsial menggunakan persaman :
Vt
C
C
C
V
s.
2 2 1
Dimana : Vs = Tegangan sumber ( V ) = 20 kV = 20000 Volt
C1 = Kapasintasi rongga udara
C2 = Kapasintansi ekivalen elektrik
padat terhubung seri pada rongga Vt = Tegangan yang diterapkan
Untuk mencari tegangan sumber dicari dulu, nilai kapaistasnya ( C ) pada : Kabel(NA2XSEBY) XLPE Dimana :
εo = 8,854 x 10-12 PF = ( 8,854 x 10-6 µF)
k = 7
A = 3 x 240 mm2
Untuk mencari nilai kapasintasi pada rongga ( C1 ) adalah: d A K C1 8,854. . Dimana : εo = 8,854 x 10-12 PF K = Kostanta dielektrik ( 2,3 ) d = jarak antara plat A = 3 x 240 mm2
mm
mm
x
F
x
C
2
,
0
240
3
.
7
.
10
854
,
8
6 2 1
mm
mm
F
x
2
,
0
720
.
7
.
10
854
,
8
6
2
mm
F
2
,
0
0446
,
0
mm F / 223 , 0
Jika tegangan sumber sinus soldal, maka tegangan sumber pada C1 adalah:
t
V
C
C
C
V
.
maks.
sin
.
2 1 2 1
Dimana :V1 = Tegangan sumber pada C1
C2 = 0,25 µF/km = 250000 µF/mm
C1 = 0,223 µF/mm
Vmaks = Tegangan maksimum pada capasitor
= 20000 Volt Hz f 50 . 14 , 3 . 2 . . 2
V114,38Kv.tMaka tegangan sumber ( Vs ) dapat
dicari dengan menggunakan persamaan :
Vt
C
C
C
V
s.
2 2 1
Dimana : Vs = Tegangan sumber C1 = 0,223 µF/mm C2 = 0,25 µF/km = 14.386,7831738volt.t t volt x 14.386,7831738 . 000000932 , 1 t volt. 7965823 , 14386 t Kv. 38 , 14
Muatan q1 saat terjadi peluahan :
∆Q = C1 .V1
= 0,233 µF x-14.386,78317 Volt.t = - 3,20colomb.t
5. Kesimpulan
Bedasarkan hasil analisis dan perhitungan dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Jika kekuatan intrinsik tidak tercapai pada tekanan normal, maka dapat dihitung kekuatan maksimum dimana bahan menjadi stres yang
menyebabkan kegagalan
elektromekanik. Untuk tegangan uji pada kabel NA2XSEBY 30 KV dalam waktu 5 menit, pada isolasi XLPE sebesar 23,31 KV dan PVC sebesar 24,87 KV.
2. Setelah mengetahui kapasitansi pada rongga udara dengan besar rongga udara 0,2 mm, maka dapat dilihat tegangan sinusoidal pada C1 dan Vs (tegangan sumber terjadi peluahan). Hal ini terjadi pada isolasi XLPE sebesar-14,2 KV dan
PVC sebesar -14,38 KV. Yang mana peluahan terjadi apabila tegangan sumber V sebesar 20 KV lebih besar dari pada Vs. Dan sebaliknya peluahan akan berhenti jika tegangan sumber V lebih rendah dari pada Vs.
Daftar Pustaka
Arismunandar (1982). Teknik Tegangan Tinggi Suplemen. Jakarta : Ghalia Indonesia.
Arismunandar (1990). Teknik Tegangan Tinggi. Jakarta : Pradnya Paramita. Kind, Dieter. (1993). Pengantar Teknik
Eksperimental Tegangan Tinggi. Bandung : Institut Teknologi Bandung Press. L. Tobing, Bonggas. (2003). Dasar Teknik
Pengujian Tegangan Tinggi. Jakarta : PT. Gramedia Pustaka Umum.
Muhaimamin. (2007). Bahan-Bahan Listrik. Jakarta : Pradnya Paramita.
Tranka Kabel, XLPE Insulated Medium Voltage Power Cables ,Jakarta: PT. Traka Kabel.
