PENGARUH TEGANGAN IMPULS LEWAT
DENYAR PADA ISOLATOR KERAMIK
TERSUSUN SERI
Harlian Setiadi
1, Tarcicius Haryono
2, Suharyanto
2Abstract—This study aims to determine the effect of
impulse voltage flashover to the number of series arrangement of a ceramic suspension insulators . Testing was done by giving impulse voltage to ceramic insulators on each series arrangement from 1 until 6. Sphere spark gap was set to produce impuls voltage value . Waveforms were observed on the oscilloscope . When the waveform was perfect, then no flashover occurs, but when the waveform was cut at the tail so the voltage value causing the insulator flashover happened. The results showed that the value of flashover voltage when used one series insulator is 186 kV, the when used two series is 399,6 kV, series three 549,6 kV, series four 667,6 kV, series five 775,2 kV, and series six 880,8 kV. From the experiment obtained that more the number of ceramic insulators connected in series the higher was the impulse flashover voltage value.
Intisari—Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui
pengaruh tegangan impuls lewat denyar terhadap cacah susunan seri isolator gantung keramik. Pengujian dilakukan dengan memberikan tegangan impuls pada tiap cacah isolator gantung keramik seri 1 sampai 6 buah. Sela bola diatur untuk mendapatkan nilai tegangan yang diinginkan. Bentuk gelombang diamati pada oscilloscope. Bila bentuknya sempurna, maka tidak terjadi lewat denyar, namun bila bentuk gelombang terpotong pada bagian ekor maka tegangan tersebut menandakan telah terjadi tegangan lewat denyar pada isolator. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai tegangan lewat denyar pada isolator cacah satu adalah 186 kV, lalu cacah dua 399,6 kV, cacah tiga 549,6 kV, cacah empat 667,6 kV, cacah lima 775,2 kV, dan cacah enam 880,8 kV. Dari data tersebut disimpulkan semakin banyak jumlah isolator yang diseri maka nilai tegangan impuls lewat denyarnya akan semakin tinggi.
Kata Kunci— Impuls, impulse, tegangan tinggi, high voltage, insulator, isolator.
I.PENDAHULUAN
Isolator adalah suatu komponen kelistrikan yang memisahkan secara elektris dua penghantar atau lebih yang bertegangan sehingga tidak terjadi kebocoran arus. Isolator pada sistem transmisi saluran udara
biasanya diletakkan antara tiang transmisi dan kabel transmisi untuk menyangga kabel supaya tetap menggantung dan menghalangi arus mengalir dari konduktor ke tanah melalui tiang transmisi.
Kegagalan isolasi adalah kondisi dimana suatu isolator tidak mampu menanggung tegangan yang ditahannya. Pada isolator padat seperti isolator keramik pasangan luar, terjadinya kegagalan dibedakan menjadi dua jenis yaitu kegagalan tembus (puncture) dan kegagalan permukaan berupa flashover. Kerugian terjadinya flashover antara lain dapat menyebaban drop tegangan dan juga dapat membahayakan orang-orang di sekitar menara transmisi.
Salah satu penyebab terjadinya tegangan lewat denyar (flashover) adalah tegangan lebih impuls yang disebabkan oleh sambaran petir. Tegangan lebih ini mempunyai bentuk gelombang aperiodik yang diredam (damped aperiodic) saperti pada waktu pelepasan muatan sebuah kapasitor melalui sebuah tahanan yang induktif. Pada tempat yang kena petir gelombangnya berekor pendek dan bermuka curam. Selama gelombang ini merambat melalui kawat transmisi bentuknya berubah (mukanya menjadi curam, ekornya bertambah panjang,dan amplitudonya berkurang), oleh karena pengaruh penghantaran dalam tanah dan efek-efek kawat [1].
II. DASAR TEORI A. Tegangan Impuls
Tegangan impuls adalah tegangan yang gelombangnya berbentuk mirip gelombang surja petir atau surya hubung yang biasanya digunakan untuk proses pengujian arrester. Jenis-jenis gelombang impuls dibedakan berdasarkan karakteristiknya antara lain nilai puncak, waktu muka gelombang (risetime), dan waktu ekor gelombang.
Gbr 1.Gelombang impuls standar. 1Mahasiswa,
JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasiUniveristasGa djah Mad, Jln. Grafika No 2, Bulaksumur, Yogyakarta 55281 INDONESIA (telp: 0274-552305; e-mail: harlian_te09@mail.ugm.ac.id)
2Dosen,
JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasiUniveristasGa djah Mad, Jln. Grafika No 2, Bulaksumur, Yogyakarta
Nilai puncak pada gelombang impuls berada pada titik 1,0 atau 100% nya (Vs). Titik muka gelombang (Tf) merupakan perpotongan pada sumbu waktu yaitu ketika nilai tegangan atau arus bernilai 0 (V0) dengan garis yang menghubungkan titik ketika tegangan atau arus bernilai 10% (0,1) dan 90% (0,9) pada muka kurva. Selanjutnya untuk mendapatkan ekor gelombang (Tt) diambil dari titik awal muka gelombang (Tf) sampai dengan titik perpotongan antara tegangan atau arus ketika 50% (0,5) dengan sumbu T.
Gelombang penuh adalah gelombang yang tidak terputus oleh lompatan api atau tembusan sehingga memiliki waktu muka gelombang (Tf) dan waktu sampai setengah puncak (Tt). Gelombang ini dinyatakan dengan sandi : ±(TfxTt)µs, dengan polaritasnya sekaligus. Bentuk gelombang standar menurut IEC adalah ±(1,2 x 50) µs [2].
Pengukuran gelombang impuls dapat dilakukan dengan berbagai cara. Salah satunya dengan menggunakan CRO (Cathode Ray Oscillograph). Dengan mengunakan CRO dapat diamati antara lain tegangan puncak, bentuk gelombang, dan ketidaknormalan bentuk impuls (menggambarkan kerusakan alat yang diuji uji). CRO hanya dapat digunakan untuk mengukur tegangan rendah saja, jadi untuk mengukur tegangan tinggi diperlukan pembagi tegangan menggunakan resistor dan kapasitor.
B. Isolator Padat
Isolasi adalah sifat bahan yang memisahkan secara elektris dua penghantar atau lebih yang bertegangan sehingga tidak terjadi kebocoran arus. Sedangkan isolator adalah alat yang digunakan untuk menjalankan fungsi sebagai isolasi [3]. Isolator merupakan salah satu kelengkapan kelistrikan yang harus ada di jaringan transmisi dan distribusi maupun sistem lainnya dengan tujuan untuk mencegah hubungan langsung antara penghantar tegangan tinggi dengan tanah.
Salah satu jenis isolator padat adalah isolator gantung keramik. Isolator ini biasanya terdiri dari clay (50%), felspar (25%), dan quartz (25%) yang dicampur hingga menjadi padat lalu dilakukan pelapisan. Campuran bahan tersebut membuat isolator ini memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi sehingga menjadi isolator yang paling banyak digunakan selain isolator kaca.
Gbr2.Isolator Gantung 20 kV.
C. Kegagalan Isolasi
Kegagalan isolasi adalah kondisi dimana suatu isolator tidak dapat berfungsi sebagai isolasi karena tidak mampu menanggung tegangan yang ditahannya [5].Tegangan lewat denyar (flashover) yang terjadi pada permukaan isolator padat disebabkan oleh tegangan yang harus ditahan oleh permukaan isolator yang melebihi kemampuannya. Kemampuan sebuah isolator menahan tegangan ditentukan oleh antara lain besarnya resistans permukaan bahan, jenis bahan, kontaminasi pada permukaan isolator, kelembaban udara, suhu udara, dan tekanan udara [7].
Gbr3.Gambaran kegagalan isolasi.
Mekanisme terjadinya tegangan lewat denyar (flashover) adalah pertama tegangan yang diberikan pada isolator menekan udara sekitar dengan medan listrik sehingga menimbulkan proses ionisasi yang memunculkan ion-ion negatif di udara di sekitar isolator. Jika pada isolasi padat ada medan listrik E, maka elektron akan mengalami tekanan listrik (electric-stres) [5]. Tekanan medan listrik ini akan memaksa elektron terlepas dari intinya. Lama-kelamaan ion-ion negatif ini semakin banyak dan apabila jarak antara kutub negatif dan positif isolator tidak cukup jauh dibandingkan dengan udara yang telah terionisasi maka dapat menurunkan nilai tegangan lewat denyarnya (flashover) karena arus dapat dengan mudah melewati ion-ion negatif tersebut. Sehingga pada suatu nilai tegangan tertentu arus akan dapat melewati permukaan isolator ditandai dengan lompatan bunga api.
D. Faktor Koreksi Udara
Proses terjadinya tegangan lewat denyar sangat berhubungan dengan udara. Sehingga keadaan udara pada saat pengujian seperti suhu, tekanan udara, dan kelembaban perlu mendapat perhatian khusus. Keadaan udara tersebut tentu berbeda untuk tiap-tiap daerah atau tempat pengujian. Kecuali memang keadaan tempat pengujian sengaja menggunakan keadaan standar. Misalnya menurut Japanese Industrial Standart (JIS) C3801 dan Japanese Electrotechnical Committe (JEC) Standard 106 keadaan standar adalah udara dengan tekanan udara 760 mmHg (1013 mbar), suhu sekitar 20° C, dan kelembaban mutlak 11 gram/𝑚3 [3].
Oleh karena ada perbedaan hasil uji maka untuk dapat membandingkan hasil pengujian dengan
tabel-tabel normalisasi yang ada diperlukan perhitungan untuk merubah hasil tersebut ke dalam keadaan standar. Perhitungan tersebut menggunakan rumus:
𝑉𝑠 =𝑉𝐵
𝑑 ...(1) Vs = tegangan lompatan pada keadaan standar
𝑉𝐵 = tegangan lompatan yang diukur pada keadaan sebenarnya
d = keadaan udara relatif (relative air density)
𝑑 =0,289 𝑏𝐵
273+ 𝑡𝐵 ...(2) 𝑏𝐵 = tekanan udara pada waktu pengujian (mm Hg) 𝑡𝐵 = suhu sekeliling pada waktu pengujian (° C)
III. METODOLOGI PENELITIAN A. Tahapan Pengujian
1) Menyiapkan 6 buah isolator keramik yang telah dibersihkan dan didinginkan setelah sebelumnya dipanaskan untuk menghilangkan kelembapan pada isolator.
2) Menggantungkan isolator pada tempat yang telah disediakan sebelumnya lalu menyambungkan kabel output generator impuls ke ekor isolator gantung. Selanjutnya kepala isolator digroundkan.
3) Menghubungkan oscilloscope dengan pembagi tegangan.
4) Untuk pengujian, pertama sela bola diatur pada jarak tertentu. Lalu tegangan masukan dinaikkan secara perlahan dengan menggunakan variak sampai di titik tegangan yang menyebabkan terjadi lompatanarus (sparkover) pada sela bola. Lompatan api ini menyebabkan tegangan pada kapasitor terlepas secara seri menghasilkan tegangan impuls. Apabila besar nilai tegangan impuls tidak menyebabkan kegagalan isolasi pada isolator yang diuji, maka bentuk gelombang impuls yang ditampilkan pada osiloskop akan berbentuk sempurna. Tetapi bila bila terjadi kegagalan isolasi pada isolator yang diuji maka bentuk gelombang impuls yang ditampilkan akan terlihat terpotong beberapa saat ketika tegangan mulai turun di bagian ekor impulsnya.
5) Untuk setiap jarak sela bola dilakukan beberapa kali pengujian. Pengujian dilakukan untuk jarak sela bola yang sama sampai didapatkan 3 hasil terjadinya lewat denyar atau tidak secara berurutan. Apabila hasil yang didapat pada jarak sela bola yang sama berlainan yaitu terjadi tegangan lewat denyar dan tidak maka jarak sela bola ditambah sampai didapat nilai tegangan lewat denyar.
6) Apabila telah didapatkan hasil pengujian yang sama 3 kali secara beruntun dan hasilnya tidak terjadi tegangan lewat denyar maka jarak sela bola terus ditambah sampai terjadinya tegangan lewat denyar
pada isolator yang diuji. Sebaliknya ketika pengujian pertama terjadi lewat denyar secara 3 kali beruntun maka jarak sela bola diturunkan untuk mencari tegangan yang tidak menyebabkan kegagalan isolasi.
7) Setiap gelombang yang muncul di oscilloscope disimpan kedalam flashdisk. Lalu kemudian diukur tegangan puncaknya dan lama gelombang impulsnya kemudian dicatat. Selain itu juga dicatat suhu ruangan, kelembapan, dan tekanan udaranya.
B. Diagram Alir Penelitian
Gbr4.Diagram alir penelitian. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Nilai Tegangan Lewat Denyar
TABELI
NILAITEGANGANIMPULSLEWATDENYAR
No. Jumlah Isolator Tegangan Lewat Denyar (kV) 1 1 186 2 2 399,6 3 3 549,6 4 4 667,6 5 5 775,2 6 6 880,8
Gbr5.Grafik teganganimpulslewatdenyar.
Oleh karena tegangan lewat denyar terjadi di udara, sehingga keadaan udara sangat menentukan kapan terjadinya tegangan lewat denyar tersebut. Keadaan udara seperti suhu, tekanan udara, dan kelembaban udara sangat menentukan.Menurut Japanese Industrial Standart (JIS) C3801 dan Japanese Electrotechnical Committe (JEC) Standard 106, keadaan standar adalah tekanan barometer 760 mm Hg (1013 mbar), suhu sekitar 20° C, dan kelembaban mutlak 11gram/ .Oleh karena itu diperlukan sebuah koreksi udara untuk menyamakan nilai tegangan yang didapat pada berbagai keadaan udara ke keadaan udara standar. Untuk memperoleh nilai tegangan yang sesuai standard digunakan persamaan 2-1 dan 2-2.Berikut ditampilkan table hasil percobaan yang telah menggunakan factor koreksi udara.
TABELIII
NILAI TEGANGAN IMPULS LEWAT DENYAR SETELAH MENGGUNAKAN FAKTOR KOREKSI UDARA
No. Jumlah Isolator Tegangan Lewat Denyar (kV) 1 1 195,62 2 2 420,27 3 3 578,03 4 4 691,62 5 5 813,41 6 6 923,72
Gbr6. Grafik teganganimpulslewatdenyar setelah menggunakan faktor koreksi udara.
Dari grafik di atas baik yang menggunakan faktor koreksi udara atau yang tidak dapat diamati bahwa
nilai tegangan lewat denyar selalu naik berbanding lurus dengan jumlah isolator yang diseri. Ini terjadi karena setiap penambahan jumlah isolator yang diseri maka bertambah pula jarak antara katoda dan anodanya. Sehingga ini menyebabkan naiknya nilai tegangan untuk mengionisasi udara di sekitar isolator untuk dapat menyebabkan terjadinya lompatan arus. B. Basic Impulse Insulation Level (BIL)
Basic Impulse Insulation Level atau disingkat BIL adalah adalah acuan tingkatan yang dinyatakan oleh tegangan puncak impuls dengan gelombang standar tidak lebih lama dari 1.5x40 µs. Perlengkapan isolasi seperti yang ditunjukkan oleh tes yang sesuai harus sama dengan atau lebih besar dari tingkat isolasi dasar [6]. Maksudnya adalah bahwa suatu peralatan isolasi tertentu dengan suatu rating tegangan tertentu harus mampu menahan tegangan impuls minimal sebesar yang tertera pada BIL.
TABELIV
BASIC IMPULSE INSULATION LEVEL (BIL)
Rating Tegangan (kV) BIL (kV) 2,5 45 5 60 8,66 75 15 110 23 150 34,5 200 46 250 69 350 92 450 115 550 138 650 161 750
(Sumber: Basic Impulse Insulation Levels. Jurnal American Institute of Electrical Engineers No.59 Hal:596-598 [6].)
Pada percobaan kali ini jenis isolator yang digunakan memiliki rating tegangan 10 kV yang artinya cocok digunakan untuk isolasi tegangan sistem yang memiliki tegangan 10 kV. Pada BIL terlihat pada rating tegangan 15 kV nilai BIL nya adalah 110 kV. Pada percobaan ketika menggunakan 1 isolator tegangan lewat denyar terjadi pada 195,62 kV. Dengan rating tegangan isolator 10 kV artinya isolator tersebut masih baik dan layak digunakan.
C. Bentuk Gelombang Impuls
Pada gambar di atas dapat diamati bahwa bentuk gelombangnya lurus sampai ke bawah tanpa terpotong. Ini menandakan bahwa pada nilai tegangan tersebut tidak terjadi tegangan lewat denyar. Untuk waktu tegangan impulsnya adalah 1,2x34 µs yang artinya telah memenuhi standar tegangan impuls untuk standar Amerika. Untuk nilai puncak gelombang impuls berada pada titik 100% nya (V1). Dapat dilihat di sana nilai tegangan puncaknya adalah 1,62 kemudian dikalikan 90.000 (perbandingan pembagi tegangan) untuk mendapatkan hasil nilai tegangan sebenarnya.
Untuk lamanya muka gelombang dilihat perpotongan pada sumbu waktu yaitu ketika nilai tegangan atau arus bernilai 0 dengan garis yang menghubungkan titik ketika tegangan atau arus bernilai 10% dan 90% (hampir mendekati waktu tegangan puncak). Selanjutnya untuk mendapatkan ekor gelombang diambil dari titik awal muka gelombang dari t=0 sampai dengan titik perpotongan antara tegangan ketika 50% dengan sumbu waktu.
Untuk bentuk gelombang yang terpotong karena terjadinya tegangan lewat denyar bentuk gelombang tegangannya terpotong di bagian ekor bukan di bagian muka gelombang ataupun tepat di saat gelombang mencapai puncaknya. Ini terjadi karena medan listrik yang menekan elektron di sekitar isolator untuk terlepas dari intinya paling kuat terjadi pada saat nilai tegangan mencapai puncak. Sehingga ketika jumlah elektron bebas telah mencapai nilai yang cukup untuk terjadinya tegangan lewat denyar saat itu nilai tegangan telah melewati nilai puncaknya. Oleh karena kecepatan arus listrik yang sangat cepat mendekati kecepatan cahaya (300.000 km/s) maka nilai tegangan yang terpotong yang terlihat pada grafik akan terjadi di bagian ekornya atau saat nilai tegangan impuls
Gbr8 .Bentuk gelombang tegangan impuls lewat denyar. menurun. Semakin besar waktu ekor grafik tegangan lewat maka nilai tegangan tersebut semakin mendekati nilai aman dimana tidak akan terjadi tegangan lewat denyar (flashover).
V.KESIMPULAN
1) Nilai tegangan lewat denyar untuk satu isolator adalah 195,62kV, lalu untuk dua isolator adalah 420,27 kV, untuk tiga isolator adalah 578,03 kV, untuk empat isolator adalah 691,62 kV, untuk lima isolator adalah 813,41 kV, dan untuk enam isolator adalah 923,72 kV.
2) Semakin banyak cacah isolator yang diseri maka semakin besar nilai tegangan lewat denyarnya.
3) Bentuk gelombang impuls yang terjadi pada saat ada tegangan lewat denyar, terpotong pada bagian ekor bukan pada bagian saat nilai tegangan berada pada puncaknya.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. T. Haryono, M.Sc. dan Bapak Dr. Eng. Suharyanto, ST.,M.Eng. atas segala ilmu dan bimbingan yang telah diberikan.Lalu penulis juga berterima kasih kepada laboran Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Universitas Gadjah Mada Mas pras dan Mas Daryadi yang telah membantu dalam terlaksananya percobaan-percobaan yang penulis lakukan.
REFERENSI
[1] Agung, Antonius P. (2006).
PembangkitGelombangImpulsGanda. Skripsi S1, JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasi FT UGM. TidakDipublikasikan.
[2] Stevenson, Willian D. (1983). Analisis Sistem Tenaga Listrik. Jakarta: Erlangga.
[3] Arismunandar, Artono. (2001). TeknikTeganganTinggi.
Jakarta: PT. PradyaParamita.
[4] Yandri, V.R., &Nurhatisyah. (2012). FenomenaFlashover
AkibatArusBocorPada Isolator Keramik Dan Resin Epoksi. JurnalTeknikElektro ITP, Vol. 1 No. 2.
[5] Abriansa, Baskoro. (2010). Pengaruh Kontaminan Zat Yang
Terkandung Dalam Asap Batubara Terhadap Tegangan Flashover Dan Kinerja Pada Isolator Gantung. Skripsi S1,
JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasi FT UGM. TidakDipublikasikan.
[6] Sporn, Philip. Powel C. A. (1940). Basic Impulse Insulation
Levels. Jurnal American Institute of Electrical Engineers
