STUDI AWAL PENGUKURAN ARUS BOCOR PADA BAHAN HDPE DENGAN METODE INCLINED-PLANE TRACKING

(1)

STUDI AWAL PENGUKURAN ARUS BOCOR PADA BAHAN HDPE DENGAN METODE INCLINED-PLANE TRACKING

Rohmat Nugroho¹, Abdul Syakur¹, Hermawan¹, Hamzah Berahim², Rochmadi³

1Jurusan Teknik Elektro – Fakultas Teknik Universitas Diponegoro

2Jurusan Teknik Elektro – Fakultas Teknik – Universitas Gadjah Mada

3Jurusan Teknik Kimia– Fakultas Teknik – Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika Utara – Yogyakarta

E-mail : gakusei2003@yahoo.com, rohmatn@gmail.com

ABSTRAK

Sistem tenaga listrik yang baik harus didukung oleh sistem isolasi yang baik pula. Di daerah pantai dan industri, kondisi lingkungan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja isolator. Adanya kontaminan garam dan bahan kimia di udara dapat menempel pada permukaan isolator pasangan luar dan menyebabkan terjadinya arus bocor ( Leakage Current = LC) yang mengalir pada permukaan isolator tersebut. Adanya arus bocor merupakan peristiwa awal yang dapat mengakibatkan terjadinya penjejakan karbon ( tracking ) dan erosi pada permukaan isolator yang lama-kelamaan menyebabkan kegagalan sebuah isolator.

Makalah ini mempresentasikan hasil penelitian tentang pengukuran arus bocor skala laboratorium pada material isolasi polimer High Density Polyethylene (HDPE) dengan metode pengukuran inclined-plane tracking menggunakan tegangan AC 50 Hz. Pengukuran arus bocor dilakukan pada material HDPE yang permukaannya diberi kekasaran tambahan dan yang tidak diberi kekasaran tambahan sebagai perbandingan. Pengamatan arus bocor untuk setiap pengukuran dilakukan selama 6 jam dan pengambilan data dilakukan setiap 30 menit sebanyak 12 kali.

Pengolahan data arus bocor meliputi nilai magnitude maksimal rata-rata arus bocor sebagai fungsi waktu dan fungsi tegangan, proses FFT bentuk gelombang arus bocor menggunakan software bantu Labview 7.1 untuk mengetahui spektrum harmonik arus bocor sehingga nilai % THD arus bocor dapat diketahui.

Berdasarkan hasil pengukuran menunjukkan adanya karakteristik nilai maksimum rata-rata arus bocor sebagai fungsi waktu yang relatif acak dan sebagai fungsi tegangan yang meningkat, serta karakteristik %THD sebagai fungsi waktu yang relatif menurun.

Kata kunci : arus bocor, tracking, HDPE, FFT, THD

1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Pertumbuhan industri dan perekonomian sangat ditunjang oleh ketersedian energi listrik. Letak pusat pembangkit energi listrik yang seringkali jauh dari pusat beban sehingga memerlukan sarana penyaluran yang handal untuk menjamin ketersedian pasokan energi listrik. Saluran udara tegangan tinggi dan tegangan ekstra tinggi menjadi pilihan untuk menyalurkan energi listrik dalam jumlah besar.

Material isolasi merupakan hal utama dalam teknik tegangan tinggi yang memiliki peran penting dalam menjaga perfoma dan keselamatan dari peralatan- peralatan listrik. Penyaluran daya listrik ke tempat tujuan harus memiliki keandalan yang baik sehingga saluran listrik dan gardu-gardu induk dioperasikan dan diproteksi untuk meminimalkan jumlah kegagalan yang terjadi. Disisi lain, total biaya untuk desain, instalasi dan operasi dari peralatan proteksi harus terjangkau.

Leakage Current (arus bocor) merupakan fenomena yang sangat penting dalam hubungannya dengan pengoperasian isolator yang dipengaruhi oleh berbagai kondisi lingkungan. Kejadian arus bocor yang mengalir pada permukaan isolator merupakan

proses awal yang memicu terjadinya tracking atau penjejakan karbon pada permukaan isolator, dimana pengaruh kondisi lingkungan seperti polusi, kelembaban dan temperatur menyebabkan degradasi permukaan isolator. Pada kondisi lingkungan dengan polusi tinggi dan kelembaban tinggi, lapisan polutan yang menempel pada permukaan terjadi pembasahan (wetting) sehingga arus bocor yang mengalir dapat menyebabkan pemanasan polutan pada lapisan.

Lapisan ini dapat membentuk pita kering (dry band) akibat dialiri arus bocor yang terus menerus. Kondisi ini pada tegangan tertentu dapat menyebabkan pelepasan muatan melintasi pita kering. Busur pelepasan muatan dapat memanjang sehingga terjadi penjejakan karbon yang melalui seluruh permukaan isolator. Oleh sebab itu arus bocor sangat penting untuk diteliti sebagai indikator unjuk kerja permukaan isolator.

Arus bocor atau Leakage Current (LC) yang mengalir dari sumber tegangan menuju sisi ground dari sebuah isolator dapat menyediakan informasi yang berguna untuk menggambarkan keadaan sebuah isolator yang terkontaminasi. Proses analisis arus bocor dapat diselidiki berdasarkan bentuk gelombang dan spektrum harmonik arus bocor. Magnitude, Total

(2)

Harmonic Distortion (THD) dan durasi terjadinya discharges sangat signifikan mempengaruhi perfoma dari material isolasi. Oleh karena itu, identifikasi dari arus bocor dapat digunakan sebagai deteksi awal terjadinya kegagalan pada isolator tegangan tinggi.

2. DASAR TEORI 2.1 Isolasi Polimer

Polyethylene adalah polimer yang terdiri dari rantai panjang monomer ethylene (nama IUPAC ethylene adalah ethene). Di dunia polimer industri, nama Polyethylene biasa disingkat menjadi PE sama seperti polimer-polimer lain, misalnya polypropylene dan polystyrene yang disingkat menjadi PP dan PS.

Molekul ethylene, C2H4 adalah CH2=CH2, yaitu dua group CH2 yang dihubungkan dengan ikatan rangkap 2 dinyatakan dengan :

Gambar 2.1 Molekul (a) ethylene (b) polyethylene

HDPE adalah suatu polyethylene termoplastik yang berasal dari polimerisasi ethylene, terbuat dari petroleum dan dibutuhkan sekitar 1,75 kg petroleum untuk membuat satu kg HDPE. Menurut klasifikasi yang digunakan di Amerika Serikat oleh ASTM D1248, HDPE mempunyai densitas sekitar 0,950 g/cm³. HDPE dapat dibuat pada skala pabrik dengan cara ekstruksi seperti ekstruksi film, dan ekstruksi pipa. Selain itu dapat dibuat dengan injection molding, rotational molding dan blow molding.

2.2 Fenomena arus bocor dan surface tracking Sebagian besar isolator tegangan tinggi digunakan untuk pemasangan luar. Kondisi lingkungan yang terpolusi dapat menyebabkan permukaan sebuah isolator menjadi tertutupi dengan lapisan debu maupun bahan kimia untuk periode waktu yang lama. Lapisan polutan yang menutupi permukaan isolator tersebut tidak memiliki efek yang besar saat kondisi siolator kering. Akan tetapi, saat kondisi lingkungan sekitar yang lembab dan basah, partikel kontaminan pada permukaan isolator akan larut oleh air dan membentuk jalur kontinyu antara elektroda tegangan tinggi dan ground.

Saat permukaan isolator basah, akan mengalir arus bocor resistif yang umumnya memiliki magnitude yang lebih besar bandingkan dengan arus bocor kapasitif pada saat permukaan isolaor kering. Adanya arus bocor menghasilkan pemanasan yang tidak seragam pada lapisan kontaminan sehingga menyebabkan terbentuknya dryband atau pita kering.

Distribusi tegangan disepanjang permukaan isolator yang basah dan terpolusi tidak seragam saat terbentuknya dryband sehingga breakdown dapat terjadi jika tegangan pada dryband melebihi tegangan

Panas yang dihasilkan dari percikan tersebut menyebabkan tejadinya pembentukan karbon dipermukaan isolator. Proses ini berlangsung secara terus menerus dan terakumulasi sehingga dapat menyebabkan kegagalan isolasi saat karbon yang terbentuk menjembatani antara kedua elektroda.

Fenomena ini disebut dengan surface tracking yang umum terjadi pada permukaan isolator yang basah dan terkontaminasi oleh bahan kimia.

Arus bocor yang mengalir dari sumber tegangan menuju sisi ground dari sebuah isolator dapat menyediakan informasi yang berguna untuk menggambarkan keadaan sebuah isolator yang terkontaminasi. Proses analisis arus bocor dapat diselidiki berdasarkan bentuk gelombang dan spektrum harmonik arus bocor. Magnitude, Total Harmonic Distortion (THD) dan durasi terjadinya discharges sangat signifikan mempengaruhi perfoma dari material isolasi. Oleh karena itu, identifikasi dari arus bocor dapat digunakan sebagai deteksi awal terjadinya kegagalan pada isolator tegangan tinggi.

Terbentuknya jalur karbon disepanjang permukaan isolator dikarenakan terjadinya peluahan elektrik secara terus menerus. Proses surface tracking yang terjadi pada permukaan isolator yang meliputi peristiwa arus bocor maupun percikan di sepanjang dryband dapat dibedakan menjadi beberapa jenis.

Menurut Suda dan Fernando terjadinya arus bocor sampai flashover dapat diklasifikasikan dalam beberapa jenis. Pada kondisi kering, permukaan isolator memiliki impedansi yang tinggi dan sangat kecil arus bocor kapasitif mengalir pada permukaan.

Pada saat kondisi permukaan isolator basah menyebabkan mengalirnya larutan elektrolit akibat kontaminan pada permukaan isolator. Arus bocor resistif akan mengalir dengan magnitude yang lebih besar pada lapisan konduktif disepanjang permukaan isolator. Arus bocor ini tidak seragam dikarenakan lapisan konduksi yang tidak terdistribusi secara merata pada permukaan isolator. pada tahap ini, rangkaian ekivalen permukaan isolator diwakilkan oleh sebuah resistansi Rw.

Mengalirnya arus dengan densitas yang cukup besar menyebabkan meningkatnya temperatur. Panas yang dihasilkan dari arus bocor dapat menyebabkan terbentuknya dryband. Rangkaian ekivalen permukaan isolator setelah munculya dryband diwakili impedansi paralel dari resistor (Rd) dan kapasitor (Cd).

Kondisi fisik Rangkaian ekivalen

(3)

Gambar 3.1 klasifikasi arus bocor pada permukaan isolator

Karena impedansi dryband lebih tinggi dibandingkan dengan impedansi lapisan kontaminan, maka gradien tegangan yang diterapkan pada isolator akan lebih besar berada pada dryband. Jika medan listrik lokal melebihi nilai breakdown maka akan terjadi discharge yang dapat membakar struktur molekul dari isolator membentuk jejak karbon.

Tekanan listrik, arus bocor dan peluahan dryband secara langsung mengawali terjadinya tracking dan erosi. Sedangkan tekanan pengaruh lingkungan seperti kelembaban, radiasi ultraviolet dan variari suhu mempengaruhi kondisi permukaan isolator polimer. Pada umumnya, material polimer akan mengalami penurunan sifat hidrofobik setelah dikenakan tekanan listrik dan tekanan dari lingkungan. Penurunn sifat hidrofobik ini akan meningkatkan terjadinya arus bocor dan mengarahkan terjadinya surface tracking dan erosi.

Kondisi lingkungan sekitar terdiri banyak tipe partikel kontaminan. Kontaminan yang berbeda memberikan tingkat arus bocor yang berbeda pula dikarenakan komponen ionik kontaminan yang berbeda meskipun berada pada medan listrik yang sama. Tingkat kontaminasi yang berbeda dari elektrolit menyebabkan perbedaan konduktivitas lapisan pada permukaan isolator yang mempengaruhi tingkat arus bocor yang mengalir.

3. SISTEM PENGUKURAN DAN AKUISISI DATA

3.1 Alat dan Bahan 3.1.1 Sampel

Sampel HDPE yang akan diuji memiliki dimensi ukuran panjang 120 mm, lebar 50 mm dan tebal 6 mm, ukuran dari sampel material mengacu dengan standar IEC 587:1984 seperti yang terlihat pada gambar 3.2 sebagai berikut :

10

5 25 50

95

120

Gambar 3.2 Ukuran material HDPE yang digunakan.

3.2.2 Elektroda

Elektroda yang digunakan terdiri dari dua jenis elektroda sesuai dengan standar IEC 587:1984, seperti yang terlihat dalam gambar 3.3 dan 3.4

Gambar 3.3 Bentuk elektroda tegangan tinggi (ukuran dalam mm).

Gambar 3.4 Bentuk dan ukuran elektroda ground

Gambar 3.5 Pemasangan elektroda pada material.

3.3.2 Perancangan perangkat lunak

Perangkat lunak atau software yang digunakan dalam proses analisa dan perhitungan adalah program Labview 7.1. Program Labview memiliki dua bagian utama yaitu Block Diagram dan Front Panel seperti gambar x berikut :

(4)

Gambar 3.6 FFT dan perhitungan THD pada block diagram Labview 7.1.

Gambar 3.7 Front panel program FFT pada Labview 7.1.

3.2 Rangkaian Pengukuran dan Akuisisi Data Peralatan pengukuran yang telah disediakan kemudian dirangkai untuk keperluan pengukuran.

Gambar 3.8 menunjukkan sistem pengukuran arus bocor menggunakan metode Inclined-Plane Tracking (IPT).

Gambar 3.8 Rangkaian sistem pengukuran arus bocor.

Arus bocor yang muncul pada sampel dideteksi dengan rangkaian resistor pengukuran sebagai berikut :

Gambar 3.9 Rangkaian resistor pengukuran arus bocor.

Melalui proses perhitungan didapatkan persamaan :

I1 = 0,02857 VCF

Pengukuran dilakukan untuk tegangan :

Tabel3.1 tegangan pengukuran dari nilai aliran kontaminan Tegangan (kV) Aliran kontaminan (ml/menit)

2.5 0.15

4. HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS 4.1 Karakteristik Nilai Maksimum Arus Bocor

sebagai fungsi waktu

Bagian ini menjelaskan hasil pengukuran arus bocor maksimum pada material polimer HDPE untuk penerapan tegangan 2,5 kVrms, 3,5 kVrms dan 4,5 kVrms. Pengukuran di laboratorium dilakukan selama 6 jam dan dilakukan pengambilan data setiap 30 menit.

0 0,5 1 1,5 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pengambilan data

arus bocor (mA)

siklus positif siklus negatif

Gambar 4.1 Karakteristik arus bocor maksimum rata-rata sebagai fungsi waktu pada tegangan 2,5 kVrms

0 0,5 1 1,5 2 2,5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

arus bocor (mA)

0 0,5 1 1,5 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

arus bocor (mA)

Untuk tegangan terapan 2,5 kV dan 3,5 kV terlihat nilai magnitude arus bocor cenderung bersifat acak dimana nilai magnitude arus bocor mengalami kenaikan dan penurunan sebagi fungsi waktu.

(5)

I = f (E,q,σ,p,h) (4.1) dimana f adalah suatu fungsi tak tentu, E tegangan

yang diterapkan, q besarnya aliran kontaminan, σ konduktifitas kontaminan, p tekanan atmosfer sekitar dan h kelembaban udara. Saat awal pengukuran, aliran kontaminan mulai membasahi sebagian permukaan material sehingga membentuk jalur konduksi yang tidak kontinyu, hal ini dapat menyebabkan munculnya arus bocor kapasitif yang berupa pulsa-pulsa arus dengan magnitude yang bervariasi. Seiring bertambahnya waktu aliran kontaminan dapat membentuk pola jalur konduksi yang kontinyu sehingga akan menyebabkan mengalirnya arus bocor resistif dengan magnitude yang cenderung konstan. Mengalirnya arus bocor menimbulkan pemanasan pada permukaan material yang memicu terbentuknya pita kering atau dry band.

Dry band yang terbentuk menyebabkan mengalirnya arus bocor resistif yang tidak linier karena konduktifitas dry band yang tidak seragam. Semua proses ini dapat berulang-ulang secara stokastik karena dalam praktek pola distribusi kontaminan pada permukaan material HDPE tidak membentuk pola yang tetap.

4.2 Karakteristik Nilai Maksimum Arus Bocor sebagai fungsi tegangan

Penerapan tegangan 2,5 kV lebih banyak didapatkan bentuk gelombang arus bocor berupa pulsa pulsa arus dan gabungan pulsa arus dengan sinyal sinus terdistorsi sedangkan untuk penerapan tegangan 3,5 kV dan 4,5 kV lebih banyak didapatkan arus bocor bentuk sinus terdistorsi. Hal ini dikarenakan penerapan tegangan 2,5 kV menggunakan aliran kontaminan paling kecil sehingga menyebabkan jalur konduksi permukaan material lebih tidak seragam dan tidak kontinyu menyebabkan arus yang mengalir berupa peluahan- peluahan sesaat dalam waktu singkat.

0 0,5 1 1,5 2

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

tegangan (kV) arus bocor maksimum rata-rata (mA)

Gambar 4.4 Karakteristik arus bocor maksimum rata-rata sebagai fungsi tegangan

Bentuk pulsa arus memiliki magnitude yang lebih besar dibandingkan dengan magnitude bentuk sinus terdistirsi dikarenakan pulsa arus merupakan peritiwa surja hubung sesaat dikarenakan switching dengan frekuensi yang cukup tinggi.

4.3 Karakteristik nilai Total Harmonic Distortion (THD) sebagai fungsi waktu Salah satu hasil pengukuran arus bocor untuk penerapan tegangan 2,5 kV seperti berikut :

Gambar 4.5 Bentuk dan spektrum harmonik arus bocor padategangan 2,5 kV

harmonisa ke-1 (fundamental) = 0,390982 mA

harmonisa ke-2 = 0,025815 mA

%THD = 31,3798 %

0 20 40 60 80 100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

nilai %THD

tegangan 2,5 kV tegangan 3,5 kV tegangan 4,5 kV

Gambar 4.6 Karakteristik THD sebagai fungsi waktu Dari gambar 4.6 terlihat karakteristik %THD arus bocor cenderung mengalami penurunan seiring lamanya waktu penerapan tegangan. Fenomena penurunan nilai % THD sebagai fungsi waktu dapat dijelaskan sebagai berikut : saat tegangan pertama kali diterapkan terjadilah proses ionisasi yang mengakibatkan lepasnya ikatan elektron pada elektrode, material maupun atom netral di udara secara berantai. Elektron yang terlepas akan bergerak menuju anode. Pada saat yang sama pada permukaan material diberikan aliran kontaminan yang memudahkan terjadinya arus bocor mengalir. Adanya aliran arus bocor menyebabkan panas pada permukaan isolasi sehingga dapat mengeringkan lapisan kontaminan sehingga terbentuk pita kering / dry band yaitu lapisan konduktif dengan resistansi tidak seragam. Adanya dry band berarti adanya penambahan panjang elektroda sehingga jalur tracking semakin pendek. Semakin lama waktu penerapan tegangan panas yang terjadi di permukaan material semakin besar mengakibatkan lapisan dry band semakin menebal sehingga konduktifitasnya semakin besar dan semakin seragam. Munculnya pita kering pada permukaan material menyebabkan berkurangnya sifat hidrofobik permukaan material, yaitu sifat menolak air dan semakin bersifat hidrofilik

(6)

yaitu sifat menyerap air. Sehingga arus bocor yang mengalir pada permukaan material akan semakin kontinyu ditunjukkan dengan nilai %THD yang semakin menurun.

5. KESIMPULAN

1. Bentuk gelombang arus bocor pulsa memiliki magnitude yang lebih besar dibandingkan bentuk gelombang arus bocor sinus terdistorsi.

2. Karakteristik arus bocor maksimum rata-rata terhadap fungsi waktu cenderung acak untuk bentuk pulsa dan cenderung tetap untuk bentuk sinus terdistorsi.

3. Karakteristik nilai % THD arus cenderung menurun terhadap fungsi waktu dikarenakan nilai konduktifitas lapisan polutan pada permukaan material semakin besar dan semakin seragam.

4. Aliran larutan kontaminan yang semakin besar menyebabkan arus bocor resistif yang muncul akan semakin cepat.

DAFTAR PUSTAKA

[1] M.A.M. Piah , A. Darus, and A. Hassan,

”Leakage Current and Surface Discharge Phenomena: Effect on Tracking and Morphological Properties of LLDPE-Natural Rubber Compounds”, Proceedings of the 7th lntemational Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials June 1-5 2003 Nagoya.

[2] IEC 587, 1984, Methods of Evaluating resistance to tracking and erosion of electrical insulating materials used under severe ambient conditions, British Standards Institution, British standard (BS).

[3] Naidu,M.S.,Kamaraju,V., “ High Voltage Engineering “ second edition, New Delhi : Mc Graw-Hill Publishing Company Limited, 1995.

[4] Folland, Gerald B., “Fourier analysis and its applications “, California : Wadsworth &

Brooks, 1992.

[5] Mohamed Afendi bin Mohamed Piah,”Leakage Current andSurfaceTracking characterization of new natural rubber-based material for High Voltage insulation”Thesis Universiti Teknologi Malaysia, 2004.

[6] M.A.M. Piah , A. Darus, ” Modeling Leakage Current and Electric Field Behavior of Wet Contamined Insulator ”, IEEE Transactions on Power Delivery Vol.19 No.1, Januari 2004.

[7] Syakur, A., “ Laporan Pelaksanaan Short Term Research Placement di Institute of High Voltage and High Current Faculty of Electrical Engineering University Teknologi Malaysia “, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik

[8] Fianda, Ade, ” Karakteristik Partial Discharge Pada Peristiwa Electrical Treeing Dalam Material Polimer Linier Low Density Polyethylene (LLDPE)”, Tugas Akhir S-1, Universitas Diponegoro, Semarang, 2008.