BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Isolator
Pada sistem tenaga listrik, mulai dari pembangkit, saluran transmisi sampai dengan saluran distribusi ke konsumen, dibutuhkan suatu sistem yang aman untuk mengalirkan aliran listrik. Untuk mendapatkan sistem yang aman dan untuk dapat mengurangi rugi-rugi daya pada saluran transmisi digunakanlah suatu sistem tegangan tinggi. Penggunaan sistem tegangan tinggi ini membutuhkan suatu peralatan yang disebut isolator untuk mengisolir konduktor dengan konduktor, maupun mengisolir konduktor dengan bagian peralatan yang terhubung secara listrik dengan tanah [1].
2.1.1 Bahan Dielektrik Isolator[1]
Karakteristik elektrik dan mekanik suatu isolator bergantung pada konstruksi dan bahan yang digunakan. Bahan dielektrik isolator harus memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi dan tidak dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitarnya. Pada umumnya ada tiga jenis bahan dielektrik yang digunakan untuk isolator yaitu porselen, gelas dan bahan komposit. Berikut akan dijelaskan tentang sifat-sifat umum dan pembuatan ketiga jenis bahan dielektrik tersebut.
1. Poselen
Porselen digunakan dalam pembuatan isolator piring, isolator tipe post dengan inti padat maupun berongga, isolator tipe pin dan isolator pin-post yang bentuknya dapat dilihat pada Gambar 2.1. Isolator porselen dibuat dari bahan campuran tanah porselin, kwarts dan veld spast yang bagian luarnya dilapisi dengan bahan glazuur agar bahan isolator tersebut tidak berpori-pori. Dengan lapiran glazuur ini permukaan isolator menjadi licin dan berkilat, sehingga tidak dapat menghisap air. Oleh sebab itu porselen dapat digunakan pada ruangan yang lembab maupun di udara terbuka.
Gambar 2.1. Bentuk-bentuk isolator porselen (a) Tipe pin (b) Tipe Post (c) Tipe Pin-post (d) Tipe piring
2. Gelas
elektrik isolator gelas alkali tinggi lebih buruk daripada gelas alkali rendah, juga lebih buruk daripada porselen. Jika isolator gelas alkali tinggi memikul tegangan tinggi searah , arus bocor pada isolator tersebut akan menimbulkan penguraian kimiawi pada gelas. Oleh karena itu, isolator gelas alkali tinggi tidak digunakan untuk instalasi tegangan searah. Pada tegangan bolak-balik penguraian kimia karena arus bocor secara praktis tidak terjadi, sehingga penuaan isolator akibat arus bocor berlangsung lebih lambat. Bahan gelas digunakan pada isolator tipe pin dan isolator piring.
3. Bahan komposit
Karakteristik elektrik dan mekanik isolator gelas tidak jauh berbeda dengan karakteristik elektrik dan mekanik isolator porselen, walaupun demikian kedua jenis isolator tersebut masih memiliki kelemahan, yaitu :
1. Massanya berat, 2. Mudah pecah,
3. Kemampuan menahan tegangan akan berkurang karena polutan yang mudah menempel pada permukaannya.
Untuk mengatasi kelemahan tersebut dikembangkan jenis isolator komposit. Bahan komposit tertua untuk isolator adalah kertas. Tetapi akhir-akhir ini yang paling diminati dan terus dikembangkan adalah karet silikon (silicon
rubber).
Isolator komposit kertas digunakan untuk isolator hantaran udara jenis post, mantel peralatan uji tegangan tinggi dan bushing. Isolator ini dibuat dari bahan kertas yang dikeringkan melalui pemanasan. Pada temperatur tinggi, kertas dilapisi dengan pernis, kemudian digulung membentuk tabung. Selanjutnya, tabung tersebut diawetkan melalui proses pemanasan sehingga tabung menjadi kokoh, permukaannya berkilat, dan tidak menjadi lembut jika mengalami pemanasan ulang. Akhirnya permukaan kertas dipernis lagi sehingga menghasilkan isolator yang kekuatan dielektriknya cukup tinggi.
Isolator komposit memiliki kelebihan dibandingkan isolator porselen dan gelas, beberapa kelebihan isolator komposit yaitu :
2. Pembuatannya lebih mudah.
3. Tidak ada rongga udara, sehingga tidak terjadi peluahan sebagian di dalam bahan isolator komposit.
4. Untuk memperoleh jarak rambat yang panjang, sarung dibuat berbentuk sederetan sirip tipis, sehingga bentuk isolator lebih sederhana.
5. Tekanan karena angin terhadap isolator lebih rendah, karena sirip-siripnya tipis.
6. Karena bentuknya yang sederhana dan bobotnya ringan, maka mudah membawa dan memasangnya.
7. Permukaan sarung memiliki sifat menolak air (hydrophobic), sehingga polutan yang terbawa air tidak menempel permukaan sarung.
8. Karena polutan tidak menempel pada permukaan isolator, maka tegangan lewat denyarnya tidak menurun karena polusi. Dengan kata lain, isolator komposit cocok dipasang pada aderah yang bobot polusinya berat.
9. Jika tingkat ketahanan tegangannya hendak dinaikkan, cukup mengganti sarungnya dengan sarung yang jarak rambatnya lebih panjang.
Kelemahan yang dimiliki isolator komposit antara lain ialah : 1. Harga material dasar untuk pembuatan komposit mahal. 2. Kekuatan mekanisnya lebih rendah.
3. Kurang terpadu karena ditemukan beberapa antar-muka.
4. Penuaan lebih cepat, karena timbulnya kerusakan pada permukaan isolator akibat : reaksi suatu unsur kimia pada permukaan isolator; karena radiasi sinar ultra violet; karena panas dan korona yang timbul pada fitting.
2.1.2 Isolator Piring[2]
Dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu dielektrik atau susunan “konduktor-dielektrik-konduktor” merupakan suatu susunan kapasitor. Semua isolator merupakan dua konduktor yang diisolasi oleh suatu dielektrik. Pada Gambar 2.2 ditunjukkan contoh suatu isolator merupakan satu unit isolator piring.
Gambar 2.2. Isolator dan parameter listriknya
Dalam jaringan transmisi hantaran udara, isolator yang umumnya dipakai adalah isolator rantai yang terdiri dari beberapa isolator piring yang dihubung seri. Jumlah piringan tersebut ditentukan oleh tingkat isolasi yang diperlukan dan tingkat polusi daerah yang dilaluinya. Pada Gambar 2.3 diperlihatkan konstruksi dasar isolator piring.
Gambar 2.3. Konstruksi isolator piring Kap
Perekat
Bahan Isolasi
Dilihat dari bentuknya, isolator dibagi menjadi 3 jenis seperti yang ditunjukan Gambar 2.4.
Gambar 2.4. a.Isolator Piring Standar
b. Isolator Anti-Fog c. Isolator Aerodinamis
Keterangan Gambar 2.4 :
a. Isolator piring dengan desain standar. Isolator ini digunakan pada daerah dengan bobot polusi rendah seperti daerah yang tidak ada industri.
b. Isolator piring dengan desain anti-fog. Isolator ini dirancang memiliki lekukan yang lebih dalam untuk memperpanjang jarak rambat arus, digunakan pada daerah dengan polusi tinggi seperti daerah industri berat.
c. Isolator piring dengan desain aerodinamis. Isolator ini dirancang memiliki daerah permukaan yang licin sehingga polutan sulit untuk menempel pada permukaannya. Isolator ini digunakan di daerah gurun. 2.2 Distribusi Tegangan pada Isolator Rantai[1]
Isolator rantai adalah beberapa isolator piring yang diserikan. Karena suatu isolator dapat dianggap merupakan suatu kapasitor maka jika beberapa isolator piring dirangkai menjadi isolator rantai seperti pada Gambar 2.5a, maka ditemukan tiga kelompok susunan “konduktor-dielektrik-konduktor”, masing-masing dibentuk oleh :
2. Jepitan logam isolator-udara-menara. Susunan ini membentuk kapasitansi jepitan logam isolator dengan menara yang ditanahkan (C2). Kapasitansi
ini disebut kapasitansi tegangan rendah.
3. Jepitan logam isolator-udara-konduktor transmisi. Susunan ini membentuk kapasitansi jepitan logam dengan konduktor tegangan tinggi, dan disebut kapasitansi tegagan tinggi (C3).
Karena itu, isolator rantai dapat dianggap merupakan susunan dari beberapa unit kapasitor yang terhubung seperti pada Gambar 2.5b.
(a) (b)
Gambar 2.5. (a) Susunan “konduktor-dielektrik-konduktor” pada isolator rantai dan (b) Susunan kapasitansi pada isolator rantai
Nilai kapasitansi C1, C2, dan C3 sulit dihitung dengan tepat sehingga
2.3 Arus Bocor pada Isolator[3]
Bila suatu bahan isolasi dikenai medan elektrik, arus akan mengalir pada permukaan bahan isolasi tersebut. Arus ini sering disebut arus bocor atau arus rambat. Besarnya arus bocor ini ditentukan oleh resistansi permukaan bahan isolasi. Mudah dipahami bahwa besarnya arus bocor dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitar isolator, yaitu temperature, tekanan, kelembaban, dan kandungan polusi di sekitar isolator tersebut. Secara teknis, sistem isolasi harus mampu memikul arus bocor tanpa menimbulkan pemburukan pada isolator atau setidaknya pemburukan pada arus bocor tersebut dapat dibatasi. Arus bocor menimbulkan panas pada permukaan isolator, dan efek samping yang ditimbulkannya adalah penguraian bahan kimia yang melapisi permukaan isolator. Efek yang sangat nyata dari penguraian kimia ini adalah timbulnya jejak arus pada permukaan isolator. Jejak arus inilah yang disebut kerak dielektrik. Kerak dielktrik pada bahan isolasi dapat membentuk suatu jalur konduktif. Keberadaan jalur konduktif ini menimbulkan peninggian tekanan medan elektrik pada bahan isolasi. Panas yang ditimbulkan arus rambat dapat juga menimbulkan erosi dielktrik tanpa didahului adanya kerak konduktif.
2.4 Tahanan Isolator[3]
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. Pada Gambar 2.6 ditunjukkan arus permukaan, arus
Gambar 2.6. Arus bocor pada permukaan isolator
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..
Rangkaian listrik ekivalen suatu isolator ditunjukkan pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Rangkaian ekivalen arus bocor isolator
Menurut Gambar 2.7 arus bocor yang mengalir pada permukaan isolator adalah sebesar :
Ib = Ip + Iv + Ic ... (1) Karena tahanan volume relatif besar dibandingkan dengan tahanan
permukaan, maka menyebabkan arus volume dapat diabaikan. Sehingga, arus bocor
total menjadi :
Ib = Ip + Ic ...(2)
Gambar 2.8. Rangkaian ekivalen arus bocor pada isolator
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.
2.5 Pengaruh Kadar Asam terhadap Arus Bocor Isolator[4]
2.5.1. Larutan Elektrolit dan Nonelektrolit
Larutan adalah campuran homogen dua zat atau lebih yang saling
melarutkan dan masing-masing zat penyusunnya tidak dapat dibedakan lagi secara
fisik. Larutan terdiri atas zat terlarut dan pelarut. Berdasarkan daya hantar
listriknya (daya ionisasinya), larutan dibedakan dalam dua macam, yaitu larutan
elektrolit dan larutan nonelektrolit. Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat
1. Elektrolit kuat
Larutan elektrolit kuat adalah larutan yang mempunyai daya hantar listrik
yang kuat, karena zat terlarutnya didalam pelarut (umumnya air), seluruhnya
berubah menjadi ion-ion. Yang tergolong elektrolit kuat adalah:
- Asam-asam kuat, seperti : HCl, H2SO4, HNO3 dan lain-lain.
- Basa-basa kuat, yaitu basa-basa golongan alkali dan alkali tanah, seperti:
NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 dan lain-lain.
- Garam-garam yang mudah larut, seperti: NaCl, KI, Al2(SO4)3 dan lain-lain.
2. Elektrolit lemah
Larutan elektrolit lemah adalah larutan yang daya hantar listriknya lemah.
Yang tergolong elektrolit lemah:
- Asam-asam lemah, seperti : CH3COOH, HCN, H2CO3, H2S dan lain-lain
- Basa-basa lemah seperti : NH4OH, Ni(OH)2 dan lain-lain
- Garam-garam yang sukar larut, seperti : AgCl, CaCrO4, PbI2 dan lain-lain
Larutan nonelektrolit adalah larutan yang tidak dapat menghantarkan arus
listrik, karena zat terlarutnya di dalam pelarut tidak dapat menghasilkan ionion
(tidak mengion).
2.5.2 Daya Hantar Listrik
Larutan elektrolit dapat menghantarkan arus listrik karena di dalam larutan
tersebut terkandung atom-atom atau kumpulan atom yang bermuatan listrik (ion)
yang bergerak bebas. Molaritas suatu larutan elektrolit mempengaruhi daya hantar
listrik larutan tersebut. Semakin tinggi molaritas suatu larutan elektrolit, maka
akan semakin besar daya hantar listrik di antara kedua elektroda. Atau dengan
kata lain, semakin banyak jumlah zat suatu elektrolit, maka akan semakin tinggi
konduktivitasnya. Sebaliknya, semakin rendah molaritasnya, maka semakin kecil
daya hantar listriknya (konduktivitas berkurang).
2.6 Curah Hujan[5]
Pada umumnya, jatuhnya titik-titik air ini disebut hujan, dan jumlah hujan yang jatuh disebut curah hujan (precipitation). Salju, badai dan lain-lain, yang telah berubah menjadi air harus ditambahkan pada curah hujan. Sebagian dari curah hujan menghilang karena menguap atau meresap ke dalam tanah. Sebalian lagi mengalir pada permukaan tanah menuju ke sungai-sungai. Curah hujan dinyatakan dengan tingginya air dalam suatu tabung, biasanya dalam mm.
Curah hujan 1 (satu) milimeter artinya dalam luasan satu meter persegi pada tempat yang datar tertampung air setinggi satu milimeter atau tertampung air sebanyak satu liter. Intensitas hujan adalah banyaknya curah hujan persatuan jangka waktu tertentu. Tabel 2.1 menunjukkan curah hujan tahunan di beberapa tempat di dunia.
Tabel 2.1 Curah hujan tahunan di beberapa tempat di dunia Tempat Curah Hujan
Tahunan (mm)
