ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS

(1)

TUGAS AKHIR – TE 141599

ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS

Rifqi Jauhari NRP 2213100061 Dosen Pembimbing

Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, ST., M.Sc.

Ir. Ni Ketut Aryani, MT.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

(2)

Halaman ini sengaja dikosongkan

(3)

FINAL PROJECT – TE 141599

PHYSICAL AND ELECTRICAL CHARACTERISTIC ANALYSIS FOR THE LIFE TIME ESTIMATION OF TRANSFORMER OIL USING ARRHENIUS LAW

Rifqi Jauhari NRP 2213100061 Advisors

Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, ST., M.Sc.

Ir. Ni Ketut Aryani, MT.

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

i

ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR

MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS Nama : Rifqi Jauhari

Pembimbing I : Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, S.T., M.Sc.

Pembimbing II : Ir. Ni Ketut Aryani, MT.

ABSTRAK

Studi ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik fisik dan elektrik dari isolasi minyak transformator disebabkan oleh tekanan termal, serta mengetahui estimasi umur dari isolasi minyak dalam tekanan termal. Eksperimen yang dilakukan adalah percepatan penuaan secara termal pada isolasi minyak menggunakan pemanas listrik dengan durasi waktu 168 jam dengan temperatur 100⁰C, 96 jam dengan temperatur 115⁰C, dan 48 jam dengan temperatur 125⁰C. Dari hasil eksperimen dilakukan analisa karakteristik fisik dengan cara pengamatan visual terhadap perubahan warna dan melakukan pengujian tegangan tembus untuk mengetahui karakteristik elektrik dari isolasi minyak. Kemudian dilakukan perhitungan untuk estimasi umur isolasi menggunakan pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus.

Pada eksperimen dengan temperatur 100⁰C, 115⁰C, dan 125⁰C didapatkan karakteristik fisik dengan warna yang berubah menjadi semakin keruh (hitam) dan untuk karakteristik elektrik didapatkan dengan nilai tegangan tembus yang semakin menurun. Estimasi umur isolasi minyak menggunakan pendekatan Hukum Arrhenius didapatkan pada temperatur 100⁰C sebesar 25663.2 jam, 115⁰C sebesar 4300.57 jam, dan 125⁰C sebesar 1408.71 jam. Untuk estimasi umur menggunakan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus didapatkan pada temperatur 100⁰C sebesar 20064.96 jam, 115⁰C sebesar 1526.57 jam, dan 125⁰C sebesar 1106.76 jam.

Kata Kunci : Minyak Transformator, Penuaan, Karakteristik Fisik, Karakteristik Elekrik, Hukum Arrhenius, Tegangan Tembus, Estimasi Umur

(10)

ii

(11)

iii

PHYSICAL AND ELECTRICAL CHARACTERISTIC ANALYSIS FOR THE LIFE TIME ESTIMATION OF TRANSFORMER OIL

USING ARRHENIUS LAW Name : Rifqi Jauhari

1^st Advisor : Dr.Eng. I Made Yulistya Negara, S.T., M.Sc.

2^nd Advisor : Ir. Ni Ketut Aryani, MT.

ABSTRACT

This study was implemented to know the physical characteristics and electric from isolation oil transformer caused by thermal stress, and to know the life time estimation of isolation oil in thermal stress. This experiment was implemented with thermally accelerated aging in isolating oils using an electric oven with duration of time 168 hours at a temperature 100⁰C, 96 hours at a temperature 115⁰C, and 48 hours at a temperature 125⁰C. From the results of experiments, that can be conclude an analysis of physical characteristics can be observed by visual observation of the color change and perform tests to determine the breakdown voltage characteristics of the electrical isolation oil. Then calculate the life time estimation of isolation using the Law of Arrhenius and the electrical isolation voltage endurance.

In experiments with a temperature of 100⁰C, 115⁰C, and 125⁰C obtained with the physical characteristics of the color change is increasing turbid (black) and the electrical characteristics is obtained by decreasing the value of breakdown voltage. Life time estimation of isolation oil using the Law of Arrhenius at a temperature of 100⁰C is 25663.2 hours, temperature of 115⁰C is obtained 4300.57 hours, and temperature of 125⁰C is obtained 1408.71 2 hours. Estimation life time used Electrical Isolation Voltage Endurance at a temperature of 100⁰C is obtained 20064.96 hours, at a temperature of 115⁰C is obtained 1526.57 hours, and at a temperature of 125⁰C is obtained 1106.76 hours.

Keywords: Oil Transformer, Aging, Physical Charateristic, Electrical Characteristic, Arrhenius Law, Breakdown Voltage, Life Time Oil `

(12)

iv

(13)

v

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur, kehadirat Allah Subhanahu wa ta’ala yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya Shalawat serta salam tidak lupa penulis panjatkan kepada Rasulullah Muhammad shallallahu

‘alaihi wa sallam. Sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Analisa Karakteristik Fisik dan Elektrik untuk Estimasi Umur Minyak Transformator Menggunakan Hukum Arrhenius ”.

Pengerjaan Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana pada bidang Teknik Sistem Tenaga, Jurusan Elektro, Fakultas Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Dalam pelaksanaan dan pembuatan Tugas Akhir ini tentunya sangat banyak bantuan yang penulis terima dari berbagai pihak. Melalui lembar ini, penulis ingin secara khusus menyampaikan ucapan terima kasih kepada:

1. Bapak I Made Yulistya Negara dan Ibu Ni Ketut Aryani atas segala pengetahuannya dan waktunya dalam membimbing penulis sampai terselesaikannya Tugas Akhir ini.

2. Kedua orang tua penulis, Bapak Lukman Hakim Jauhari dan Mama Sri Purwaning Untari yang telah memberikan nasihat, semangat, do’a dan dukungan materil kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan tepat pada waktunya.

3. Adik dan Kakak, serta keluarga besar yang selalu memberikan do’a, hiburan dan semangat kepada penulis selama mengerjakan Tugas Akhir

4. Seluruh dosen, staff, dan karyawan Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.

5. Teman–teman Angkatan 2013 atas semangat dan motivasi selama menempuh kuliah jurusan Teknik Elektro.

6. Teman-teman Laboratorium Tegangan Tinggi yang selalu membantu dan memberi hiburan kepada penulis selama mengerjakan Tugas Akhir.

7. Rahma Fida Fadhilah yang ada selalu untuk mengingatkan, memberi dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan Tugas Akhir.

8. Teman-teman Eclus yang telah menemani, memberikan semangat dan hiburan selama menempuh kuliah di jurusan Teknik Elektro.

(14)

vi

9. Karyawan PT. Bambang Djaja yang telah membantu memberikan bantuan untuk Tugas Akhir.

10. Pihak-pihak lain yang belum bisa penulis sebutkan satu per satu yang ikut membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir.

Penulis berharap semoga Tugas Akhir ini bermanfaat dan berguna bagi penulis khususnya dan juga bagi para pembaca pada umumnya.

Surabaya, Januari 2017

Penulis

(15)

vii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL LEMBAR PERNYATAAN LEMBAR PENGESAHAN

ABSTRAK ………... i

ABSTRACT……….. iii

KATA PENGANTAR………... v

DAFTAR ISI………. vii

DAFTAR GAMBAR………. xi

DAFTAR TABEL………. xv

BAB I PENDAHULUAN………. 1

1.1 Latar Belakang……….. 1

1.2 Sistematika Laporan………... 4

BAB II TRANSFORMATOR DAYA DAN ISOLASI CAIR…... 7

2.1Transformator………...………. 7 2.1.1Transformator Daya………... …….

2.1.2 Jenis Gangguan Internal pada Transformator….

8 9 2.2 Isolasi Minyak pada Transformator………..…………

2.2.1 Jenis Isolasi Minyak Transformator………

2.2.2 Isolasi Minyak Mineral………

2.2.3 Karakteristik Fisik Isolasi Minyak………...

2.2.4 Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak………….

2.2.5 Karakteristik Kimia Isolasi Minyak………...….

2.2.6 Standar Pengujian Karakteristik Isolasi Minyak..

9 10 10 11 12 13 14 2.3 Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair di Transformator...

2.3.1 Teori Kegagalan Zat Murni atau Elektronik...….

2.3.2 Teori Kegagalan Gelembung Udara………...….

2.3.3 Teori Kegagalan Bola Cair………..………...….

2.3.3 Teori Kegagalan Butiran Padat…...………....….

14 15 17 19 22 2.4 Penuaan Isolasi Minyak Transformator……..………..

2.5 Proses Percepatan Penuaan Termal…..……..………..

2.6 Standar Warna Minyak Transformator……….

2.7 Dasar Pengujian Tegangan Tinggi………

2.8 Penerapan Model Hukum Arrhenius………

2.9 Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus………

25 28 30 31 32 34

(16)

viii

BAB III EKSPERIMEN PERCEPATAN PENUAAN

TERMAL, PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA………. 37 3.1 Identifikasi Masalah……….. 37 3.2 Metodologi Penelitian ……….. 38 3.3 Peralatan Eksperimen….……….. 39 3.3.1 Pengkondisian Sampel Uji Isolasi Minyak ……. 39 3.3.2 Percepatan Penuaan Minyak Secara Termal…...

3.3.3 Pengamatan Visual untuk Karakteristik Fisik … 3.3.4 Pengujian Tegangan Tembus………..

3.4 Estimasi Umur Isolasi Minyak Transformator……….

3.4.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Menggunakan Pendekatan Hukum Arrhenius……….

3.4.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Menggunakan Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus ……….

42 45 46 49 49

51

BAB IV ANALISIS DATA………... 55

4.1 Analisa Pengaruh Penuaan terhadap Karakteristik Fisik Isolasi Minyak Setelah Percepatan Penuaan

Termal……….. 55

4.1.1 Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak

Temperatur 100⁰C……… 56

Temperatur 115⁰C………

4.1.3 Perbandingan Analisa Karakteristik Fisik Isolasi Minyak ………...……….

4.2 Analisa Pengaruh Penuaan terhadap Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak Setelah Percepatan Penuaan Termal ……….

4.2.1 Analisa Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak

58 61 63

65 65 67 68

(17)

ix

4.2.4 Analisa Karakteristik Elektrik Tegangan Tembus Isolasi Minyak………

4.3 Estimasi Umur Isolasi Minyak Transformator………..

4.3.1 Estimasi Umur Isolasi Minyak Pendekatan Hukum Arrhenius………

4.3.2 Estimasi Umur Isolasi Minyak Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus...

4.3.3 Perbandingan Estimasi Menggunakan Pendekatan Hukum Arrhenius dengan Pendekatan Ketahanan Isolasi Terhadap Tegangan Tembus………

70 72 72 77

85

BAB V PENUTUP………. 87

5.1 Kesimpulan ………... 87

5.2 Saran ………. 88

DAFTAR PUSTAKA ………... 89

RIWAYAT HIDUP PENULIS ………. 91

(18)

x

(19)

vii

3.3.2 The Acceleration of Aging Oil in Thermal …... 3.3.3 The Visual Observation to The Physical Characteristics………... 3.3.4 Breakdown Voltage Test……….. 3.4 Estimation Life Time Insulation Oil transformer……. 3.4.1 Estimation Life Time Oil Used Arrhenius Law... 3.4.1 Estimation Life Time Oil Used Insulation Voltage Endurance ……….. 42 45 46 49 49 51 CHAPTER IV DATA ANALYSIS……….. 55

4.1 Analysis The Influence of Aging to Characteristic of Physical Isolation Oil After The Acceleration of Aging Thermal ……… 55

4.1.1 Analysis of The Physical Characteristics Isolation Oil at 100⁰C……… 56 4.1.2 Analysis of The Physical Characteristics

Isolation Oil at 115⁰C………

4.1.2 Analysis of The Physical Characteristics Isolation Oil at 125⁰C………

4.1.3 Comparison Analysis of The Physical Characteristics Isolation Oil ………..

4.2 Analysis The Influence of Aging to Characteristic of Electric Isolation Oil after The Acceleration of Aging Thermal ………

4.2.1 Analysis of The Electric Characteristics Isolation Oil at 100⁰C………

4.2.2 Analysis of The Electric Characteristics Isolation 115⁰C………..

4.2.3 Analysis of The Electric Characteristics Isolation 125⁰C………..

4.2.4 Electric Characteristics Brekdown Voltage Analysis………...

58 61 63

65 65 67 68 70

(21)

ix

4.3 Estimation Life Time Isolation Oil Transformer ………

4.3.1 Estimation Life Time Oil Used Arrhenius Law…

4.3.2 Estimation Life Time Oil Used Insulation Voltage Endurance...

4.3.3 Comparison Estimation Used The Arrhenius Law With The Insulation Voltage Endurance.…..

72 72 77 85

CHAPTER V CLOSING……….. 87

5.1 Conclusion ………... 87

5.2 Suggestions ……… 88

BIBLIOGRAPHY………… ………... 89

CURRICULUM VITAE ………. 91

(22)

x

(23)

xi

DAFTAR GAMBAR

Hal Gambar 2.1 Bagian dan Prinsip kerja transformator 7

Gambar 2.2 Transformator Daya 8

Gambar 2.3 Struktur hidrokarbon pada minyak mineral dari Parafins (a),struktur dari Neftinis (b), struktur dari Aromatik

11

Gambar 2.4 Kegagalan elektronik 15

Gambar 2.5 Kegagalan kavitas pada media isolasi cair 17 Gambar 2.6 Grafik perbandingan hasil perhitungan sesuai

dengan teori kekuatan gagal medan gelembung

dengan hasil percobaan 18

Gambar 2.7 Sferoida 19

Gambar 2.8 Grafik hubungan kuat medan listrik terhadap

nilai γ 20

Gambar 2.9 Bola air yang memanjang memicu kegagalan 22 Gambar 2.10 Kegagalan butiran padat dalam media isolasi cair 22 Gambar 2.11 Mekanisme laju degradasi pada isolasi minyak 27 Gambar 2.12 Kurva bak mandi dari estimasi umur

transformator 27

Gambar 2.13 Grafik Tegangan dan Waktu Pengujian merusak

(destructive) 31

Gambar 3.1 Pengkondisian pemanasan pada gelas beaker 500

ml 41

Gambar 3.2 Katalis berupa kawat temabaga dengan panjang 10 cm (a). Sampel uji isolasi minyak Nynas Nytro Libra 500 ml dalam gelas beaker(b) 42 Gambar 3.3 Pengkondisian sampel uji isolasi minyak

menggunakan katalis berupa kawat tembaga 42 Gambar 3.4 Kelompok sampel uji temperatur 100⁰C 43 Gambar 3.5 Proses pemanasan sampel isolasi minyak di

dalam pemanas listrik (oven) 43

Gambar 3.6 Pengukuran temperatur pada 100⁰C 44 Gambar 3.7 Pengukuran temperatur pada 115⁰C 45 Gambar 3.8 Pengukuran temperatur pada 125⁰C 45 Gambar 3.9 Alat uji tegangan tembus Magger OTS80PB di

Quality Control PT. Bambang Djaja 47

(24)

xii

Gambar 3.10 Proses jalanya arah gelembung gas pada posisi elektroda vertikal(a). Proses jalanya arah gelembung gas pada posisi elektroda

horisontal(b) 48

Gambar 3.11 Bejana pengujian tegangan tembus pada Magger

OTS80PB 48

Gambar 3.12 Elektroda berbentuk jamur dengan jarak 2,5 mm 48 Gambar 4.1 Penampilan tampak depan sampel uji isolasi

minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 96 jam(d), 120 jam(e), dan 168 jam(f) pada temperatur 100⁰C 56 Gambar 4.2 Penampilan tampak atas sampel uji isolasi

minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 96 jam(d), 120 jam(e), dan 168 jam(f) pada temperatur 100⁰C 57 Gambar 4.3 Penampilan tampak depan sampel uji isolasi

minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 72 jam(d), dan 96 jam(e),

pada temperatur 115⁰C 58

Gambar 4.4 Penampilan tampak atas sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 24 jam (b), 48 jam (c), 72 jam(d), dan 96 jam(e),

Gambar 4.5 Penampilan tampak bawah sampel uji isolasi minyak dengan durasi waktu 72 jam (a) dan durasi waktu 96 jam (b) pada temperatur 115⁰C 60 Gambar 4.6 Penampilan tampak depan sampel uji isolasi

minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 6 jam (b), 12 jam (c), 24 jam(d), 36 jam(e), dan 48 jam(f) pada temperatur 125⁰C 61 Gambar 4.7 Penampilan tampak atas sampel uji isolasi

minyak dengan durasi waktu 0 jam atau baru (a), 6 jam (b), 12 jam (c), 24 jam(d), 36 jam(e), dan 48 jam(f) pada temperatur 125⁰C 62 Gambar 4.8 Penampilan tampak bawah sampel uji isolasi

minyak dengan durasi waktu 48 jam pada

temperatur 125⁰C 63

(25)

xiii

Gambar 4.9 Penampilan visual sampel uji isolasi minyak dengan pengurutan sesuai durasi waktu pada

temperature 100⁰C 63

Gambar 4.12 Grafik data tegangan tembus antara tegangan tembus dan durasi waktu pada temperatur 100⁰C 66 Gambar 4.13 Grafik data tegangan tembus antara tegangan

tembus dan durasi waktu pada temperatur 115⁰C 68 Gambar 4.14 Grafik data tegangan tembus antara tegangan

tembus dan durasi waktu pada temperatur 125⁰C 69 Gambar 4.15 Gafik tren penurunan tegangan tembus isolasi

minyak pada variasi temperatur yang berbeda 71 Gambar 4.16 Kurva Arrhenius pada percepatan penuaan

sampel uji isolasi minyak transformator bejenis minyak mineral dalam variasi temperatur 75 Gambar 4.17 Kurva Estimasi Umur Isolasi Minyak pada

variasi temperatur antara 85⁰C-150⁰C dengan ∆T

= 5⁰C 77

Gambar 4.18 Kurva persamaan eksponensial tegangan tembus

Gambar 4.21 Grafik eksponensial perbandingan estimasi umur

isolasi minyak transfomator 86

(26)

xiv

(27)

xv

DAFTAR TABEL

Hal Tabel 2.1 Karakteristik isolasi minyak dan standar metode

pengujian 14

Tabel 2.2 Petunjuk untuk melihat warna minyak

transformator 30

Tabel 2.3 Kategori peralatan berdasarkan tegangan

operasinya 35

Tabel 2.4 Aplikasi dan interpretasi dari tes pengujian

tegangan tembus 36

Tabel 3.1 Karakteristik dan spesifikasi isolasi minyak berjenis minyak mineral berlebel Nynas Nitro

Libra 40

Tabel 3.2 Jadwal kelompok sampel uji isolasi minyak untuk eksperimen percepatan penuaan termal 44 Tabel 3.3 Penamaan sampel pada sampel uji isolasi minyak 46 Tabel 3.4 Standar dielectric strength minyak isolasi 52 Tabel 4.1 Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji

isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal

Tabel 4.2 Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal

Tabel 4.3 Nilai hasil pengujian tegangan tembus sampel uji isolasi minyak setelah percepatan penuaan termal

Tabel 4.4 Nilai hasil perhitungan dari eksperimen percepatan penuaan sesuai temperatur dan durasi

waktu yang diterapkan 73

Tabel 4.5 Estimasi umur isolasi minyak secara ekesperimen 76 Tabel 4.6 Temperatur saat pengujian tegangan tembus

sampel uji isolasi minyak pada saat 100⁰C 79 Tabel 4.7 Temperatur saat pengujian tegangan tembus

sampel uji isolasi minyak pada saat 115⁰C 80 Tabel 4.8 emperatur saat pengujian tegangan tembus

sampel uji isolasi minyak pada saat 125⁰C 81

(28)

xvi

(29)

1

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada sistem tenaga listrik menggunakan sistem tegangan AC (Alternating Current) mulai dari pembangkitan, transmisi hingga distribusi, transformator merupakan salah satu aset yang paling penting dan berharga dalam penyaluran tenaga listrik. Transformator berfungsi sebagai mentransformasikan tegangan tanpa mengubah frekuensi dari listrik yang dibangkitkan. Dalam operasi sistem tenaga listrik transformator tidak lepas dari fenomena kegagalan, baik berupa kegagalan termal, kegagalan mekanik, maupun kegagalan elektrik. Jika kegagalan terjadi secara terus menerus maka akan mengurangi dari umur transformator itu sendiri, bahkan dapat menyebabkan kerusakan yang fatal pada transformator. Kehandalan kerja transformator perlu dikontrol secara kontinu untuk kerja transformator efektif dan dapat dioperasikan secara kontinu. Jika terjadi kerusakan pada transformator, maka untuk perbaikannya, dibutuhkan waktu yang tidak singkat dan tidak mudah untuk diperbaiki. Hal ini nantinya akan berdampak pada kerugian finansial yang sangat besar.

Transformator daya yang bekerja secara kontinu selama 24 jam akan memiliki suatu batasan umur yang efektif, dimana hal ini akan menunjukkan apakah transformator tersebut masih layak dan handal untuk dioperasikan ke dalam sistem tenaga listrik atau tidak memungkinkan untuk dioperasikan. Kelangsungan kinerja dari transformator sangat bergantung pada kualitas sistem isolasinya. Salah satu sistem isolasi pada transformator yang sering digunakan adalah pada kualitas isolasi minyak transfomator. Menurut standar pada IEEE, umur untuk pemakaian transformator daya hingga 180000 jam atau 20,55 tahun, sedangkan menurut standar IEC tidak dapat ditentukan secara spesifik, tetapi diperkirakan umur transformator hingga 30 tahun tergantung pada tingkat penuaan yang dipengaruhi oleh suhu hotspot.

Terdapat beberapa fenomena kegagalan pada transformator yang salah satu penyebabnya adalah adanya panas berlebih yang sering terjadi pada sistem isolasi transformator. Terdapat beberapa faktor yang menimbulkan panas pada transformator, seperti: pembebanan berlebih pada transformator, pelepasan beban muatan, pemanasan dielektrik, Arus Eddy, rugi histerisis, adanya proses oksidasi yang menghasilkan karat, lingkungan sekitar dengan suhu yang tinggi, dan lain sebagainya.

(30)

2

Suhu yang tinggi ini menjadi parameter yang paling banyak berpengaruh terhadap penuaan pada sistem isolasi transformator, sehingga transformator memerlukan sistem pendingin untuk mengontrol suhu yang tinggi akibat berbagai faktor. Suhu yang tinggi akan memicu reaksi berantai yang akan mempercepat penurunan umur dan kualitas kerja dari sistem isolasi transformator, baik pada isolasi minyak maupun isolasi kertas pada transformator, dan menimbulkan turunnya efektifitas kerja sistem pendingin sehingga nantinya mengakibatkan transformator mengalami kerusakan.

Penuaan isolasi minyak pada transformator akan menyebabkan penurunan terhadap kehandalan dan umur transformator. Selain berdampak pada kerugian finansial yang besar, hal ini juga akan berpengaruh terhadap kualitas tenaga listrik yang disuplai kepada pelanggan. Dalam studi ini, dilakukan analisa dan estimasi umur minyak transformator dengan melakukan percepatan penuaan termal pada isolasi minyak transformator melalui eksperimen dan menganalisis pengaruh percepatan penuaan termal terhadap karakteristik fisik dan elektrik isolasi minyak serta mengestimasi umur isolasi minyak transformator menggunakan Hukum Arrhenius. Melalui studi ini, hasil yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat dalam dunia tenaga listrik, khususnya pada pengkajian estimasi umur minyak transformator sehingga dapat mengambil langkah-langkah efektif dan preventif dalam menangani permasalahan yang berkaitan dengan isolasi minyak transformator, baik dalam penggantian maupun purifikasi minyak transformator.

Berdasarkan uraian di atas penelitian ini berjudul “Analisa Karakteristik Fisik dan Elektrik Untuk Estimasi Umur Minyak Transformator Menggunakan Hukum Arrhenius” Permasalahan yang akan dibahas dalam studi ini yaitu menganalisa karakteristik fisik dan elektrik dari isolasi minyak transformator setelah dan sebelum dilakukan percepatan penuaan termal, serta melakukan estimasi umur minyak transformator menggunakan Hukum Arrhenius dan dibandingkan dengan menggunakan ketahan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan. Tujuan dari studi ini adalah mensimulasikan percepatan penuaan termal pada isolasi minyak transformator melalui eksperimen dan mengetahui karakteristik fisik dan elektrik pasca penuaan termal serta memprediksi estimasi umur dari isolasi minyak transformator menggunakan Hukum Arrhenius.

(31)

3

Dalam menyelesaikan permasalahan pada studi ini diperlukan batasan permasalahan. Objek yang diuji adalah minyak mineral jenis Nynas Nitro Libra sebagai isolasi minyak transformator. Dalam melakukan penuaan percepatan termal, dilakukan sesuai dengan standar IEC 61125. Dalam menganalisa pengaruh penuaan termal hanya dilakukan terhadap karakteristik fisik, yaitu pengamatan secara visual terhadap perubahan fisik minyak dan karakteristik elektrik, yaitu tegangan tembus minyak isolasi. Dalam pengolahan data estimasi umur minyak transformator menggunakan hukum Arrhenius yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std. 101-1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data” dan dibandingkan dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std 930 - 1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electricl Insulation Voltage Endurance Data”.

Dalam studi ini, diperlukan metode penelitian yang tepat agar pelaksanaan studi sesuai dengan perencanaan. Metode penelitian pada studi ini meliputi studi literatur, persiapan dan pengkondisian sampel, eksperimen penuaan percepatan termal, pengambilan data, pengolahan data dan estimasi umur minyak transformator dan kesimpulan.

Dalam studi literatur, pengumpulan dan mempelajari referensi dilakukan untuk mencari pengertian, definisi dan berbagai tulisan yang berhubungan dengan studi ini. Beberapa kata kunci untuk studi literatur seperti transformator, isolator minyak, karakteristik minyak sebagai isolasi cair pada tranformator, proses penuaan terhadap isolasi minyak, estimasi umur minyak isolasi berdasarkan pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan. Dari literatur yang didapat akan dijadikan sebagai pendukung dalam studi ini.

Setelah studi literatur terlaksanakan, selanjutnya adalah persiapan dan pengkondisian sampel. Persiapan tahap pertama untuk memulai studi dengan mempersiapkan alat dan bahan untuk dilakukannya percepatan termal, serta sampel isolasi minyak yang ingin diuji. Dalam studi ini digunakan sampel minyak Nynas Nitro Libra yang didapat dari PT. Bambang Djaya. Setelah tahap persiapan alat dan bahan, dilakukan pengkondisian sampel dimana setiap sampel dibagi menjadi 16 dan diberi katalis tembaga sepanjang 10 cm.

Setelah dilakukan persiapan dan pengkondisian sampel, dilanjutkan dengan eksperimen percepatan penuaan secara termal.

(32)

4

Dalam eksperimen percepatan penuaan secara termal dilakukan sesuai dengan standart IEC 61125. Sampel minyak mineral dipanaskan di dalam pemanas (oven) listrik selama 168 jam pada temperatur 100⁰C, 90 jam pada temperatur 115⁰C, dan 48 jam pada temperatur 125⁰C.

Pengambilan data dilakukan secara pengujian tegangan tembus pada setiap sampel isolasi minyak transformator menggunakan standar IEC 60156, dengan menggunakan elektroda berbentuk jamur dan jarak elektroda 2,5mm.

Pengolahan data eksperimen dan estimasi umur isolasi minyak transformator dengan menerapkan model Hukum yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std. 101-1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Data” dan dibandingkan dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan yang sesuai perhitungan standar ANSI/IEEE Std 930 - 1987 “IEEE Guide for the Statistical Analysis of Electricl Insulation Voltage Endurance Data”.

Memberikan kesimpulan bagaimana karakteristik fisik dan elektrik setelah dilakukan percepatan penuaan secara termal dan mendapatkan estimasi umur minyak transformator dengan pendekatan Hukum Arrhenius yang akan dibandingkan dengan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan.

1.2 Sistematika Laporan

Penelitian studi ini terdiri dari lima bab. Setiap bab memiliki lingkup pembahasan tersendiri.

Bab pertama merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.

Bab kedua menjelaskan transformator daya dan isolasi cair sebagai penunjang laporan studi meliputi, definisi transformator daya, minyak sebagai isolator cair pada transformator, mekanisme kegagalan isolasi cair pada transformator, Hukum Arrhenius dan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus.

Bab ketiga akan membahas tentang metode pengujian dimana akan membahas dan menjelaskan mengenai penuaan minyak tranformator, proses percepatan penuaan termal, penerapan estimasi umur dalam model pendekatan Hukum Arrhenius dan pendekatan ketahanan isolasi terhadap tegangan tembus dengan model kegagalan.

(33)

5

Bab keempat akan dibahas mengenai hasil pengujian dan analisa data. Pengujian karakteristik fisik dengan dilakukan pengamatan secara visual dan karakteristik elektrik dengan dilakukan pengujian tegangan tembus pada isolasi minyak. Dilakukan analisa estimasi umur minyak transformator.

Bab kelima merupakan penutup dari studi pengujian dan estimasi umur minyak transformator. Bab lima berisikan kesimpulan dari hasil pengujian yang telah dilakukan dan juga berisi saran-saran. Kesimpulan diambil melalui pengamatan, pengujian dan analisis pada sampel isolasi minyak transformator.

(34)

6

(35)

7

BAB 2

TRANSFORMATOR DAYA DAN ISOLASI CAIR

2.1 Transformator

Transformator merupakan peralatan listrik yang statis.

Transformator disebut sebagai peralatan listrik yang statis karena tidak ada bagian yang berputar ataupun bergerak, tidak seperti generator ataupun motor. Transformator dapat memindahkan energi listrik bolak- balik (AC) dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya dengan mengubah besaran tegangan tanpa mengubah frekuensi. Pengubahan besaran tegangan pada transformator memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik pada kumparan transformator. Fenomena induksi elektromagnetik yang terjadi pada transformator dalam satu waktu adalah induksi sendiri pada setiap belitan kumparan diikuti oleh induksi bersama yang terjadi antar belitan kumparan.

Secara sederhana transformator dapat dibagi menjadi tiga bagian utama, yaitu belitan primer, belitan sekunder, dan inti besi yang terbuat dari besi berlapis yang berlaminasi. Belitan sekunder terhubung dengan sumber listrik bolak balik yang akan membangkitkan fluks magnet dan akan dihantarkan oleh inti besi ke belitan sekunder, fluks pada belitan sekunder akan menginduksikan gaya gerak listrik (GGL). Prinsip kerja dan bagian transformator dapat ditunjukan pada Gambar 2.1. [1]

Gambar 2.1 Bagian dan Prinsip kerja transformator

Dalam pengoperasian penyaluran tenaga listrik, transformator merupakan peralatan listrik yang sangat penting dalam sistem pembangkitan, transmisi dan distribusi. Karena itu, dalam kondisi ini

(36)

8

suatu transformator diharapkan dapat beroperasi dengan maksimal.

Mengingat transformator bekerja secara terus menerus, maka pemeliharaan transformator diperhatikan dengan tepat dan sebaik mungkin.

2.1.1 Transformator Daya

Salah satu peralatan listrik dalam sistem tenaga listrik adalah transformator yang dapat disebut transformator daya atau power transformer. Salah satu contoh transformator daya dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Transformator Daya

Gambar 2.2 merupakan transformator daya yang merupakan bagian dari sistem tenaga listrik, berfungsi mentransformasikan tegangan tinggi ke tegangan rendah ataupun sebaliknya. Berdasarkan fasa, transformator daya terdapat dua macam, yaitu transformator daya satu fasa dan transformator tiga fasa. Transformator tiga fasa dapat disusun dari tiga transformator satu fasa ataupun langsung dengan satu transformator tiga fasa. Berdasarkan pemakaian, transformator daya terdapat tiga macam, yaitu :

1. Transformator Step Up

Transformator step up digunakan sebagai, mentransformasikan tegangan dari pembangkit atau generator ke saluran transmisi.

(37)

9 2. Transformator Transmisi

Transformator transmisi digunakan sebagai mentransformasikan tegangan antar saluran transmisi.

3. Transformator control

Transformator control berfungsi sebagai pengatur perbandingan transformasi tegangan untuk mendapatkan tegangan operasi yang diinginkan. Transformator control terdapat tap changer atau perubah tap, perubah tap terdapat di satu sisi ataupun dapat di kedua sisi[2].

2.1.2 Jenis Gangguan Internal pada Transfomator

Terdapat beberapa gangguan internal pada transformator yang dapat menimbulkan gas yang terlarut pada isolasi minyak saat transformator beroperasi yaitu :

1. Partial Discharge

Munculnya peristiwa pelepasan atau loncatan bunga api listrik pada suatu bagian dari bahan isolasi padat transformator.

2. Arching

Arching atau busur api yang terjadi pada isolasi minyak pada transformator.

3. Thermal Fault

Pemanasan yang terjadi pada transformator mengakibatkan kenaikan suhu pada isolasi minyak dan selulosa transformator 4. Deterioration

Pemburukan kertas penyekat pada transformator yang disebabkan panas pada sambungan[3].

2.2 Isolasi Minyak pada Transormator

Isolator atau isolasi merupakan suatu sifat bahan yang mampu untuk memisahkan dua buah penghantar atau lebih yang mempunyai jarak yang berdekatan untuk mencegahnya adanya kebocoran arus atau hubung singkat, dan dapat melindungi sebagai pelindung mekanik dari kerusakan diakibatkan oleh korosif atau tekanan, baik tekanan elektrik ataupun tekanan mekanik. Salah satu isolator pada transformator yaitu isolasi minyak transformator.

Isolasi minyak transformator sebagai isolator cair pada transformator yang mempunyai beberapa tugas utama, yaitu sebagai media isolator, media pendingin, media untuk memadamkan busur api, dan media pelindung terhadap oksidasi maupun korosi.

(38)

10 2.2.1 Jenis Isolasi Minyak Transformator

Berdasarkan pembuatan, Isolasi minyak pada transformator terdapat tiga jenis, yaitu minyak mineral, minyak sintetik, dan minyak organik. Isolasi minyak mineral merupakan minyak yang berasal dari minyak bumi yang diproses secara destilasi, untuk mendapatkan tahanan yang tinggi dan stabilitas panas yang baik diperlukan beberapa proses destilasi. Isolasi minyak sintetik merupakan minyak yang diproses secara kimia untuk mendapatkan karakteristik yang lebih baik dari isolasi minyak mineral namun isolasi minyak sintetik memiliki kekurangan, yaitu berbahaya terhadap lingkungan. Isolasi Minyak Organik merupakan minyak yang diperoleh dari ekstraksi beberapa tumbuhan seperti jarak, kedelai, dan kelapa[4].

2.2.2 Isolasi Minyak Mineral

Minyak bumi telah digunakan pada tahun 1891 oleh Sebastian de Ferranti pada isolasi minyak transformator. Minyak bumi merupakan campuran dari beberapa hidrokarbon yang terdapat dalam fase cair dalam reservoir di bawah permukaan tanah dan yang tetap cair pada tekanan atmosfer melalui fasilitas destilasi. Minyak bumi terdiri dari senyawa hidrokarbon dan sedikit sulfur. Berdasarkan susunan rantai hidrokarbon, maka senyawa inti dalam minyak bumi dibedakan menjadi beberapa kelompok utama, yaitu:

1. Linear (Senyawa Parafinis)

Rumus umum pada senyawa Parafinis adalah CnH2n+2, misalnya metana CH4 dalam bentuk gas dan normal butana C4H10. Minyak bumi linear digolongkan sebagai fraksi hidrokarbon jenuh yang mempunyai titik didih relatif rendah.

2. Sikloalifatik (Senyawa Naftenis)

Rumus umum pada senyawa Neftenis adalah CnH2n. Minyak bumi Sikoloafatik mempunyai struktur ikatan berbentuk lingkaran dengan enam atom karbon atau 14 atom karbon dengan tiga kelompok lingkaran.

3. Aromatik

Minyak bumi aromatik merupakan senyawa yang mempunyai struktur enam atom karbon, terbagi menjadi dua golongan yakni monoaromatik (satu ikatan lingkaran) dan poliaromatik (dua atau lebih ikatan lingkaran). Minyak bumi Aromatik digolongkan dengan fraksi hidrokarbon paling berbahaya, dikarenakan mempunyai titik didih tinggi dan mudah terlarut dalam air laut.

(39)

11

Kelompok minyak bumi berdasarkan struktur molekul hidrokarbon dapat dilihat pada Gambar 2.3.

(a) (b) (c)

Gambar 2.3 Struktur hidrokarbon pada minyak mineral dari Parafins (a),struktur dari Neftinis (b), struktur dari Aromatik [4]

Minyak bumi memerlukan proses penyulingan sehingga menjadi minyak yang mempunyai kegunaan untuk aplikasi tertentu. Proses minyak bumi menggunakan unit destilasi vakum melalui beberapa proses, yaitu ekstraksi, filtrasi, re-distalasi, dan hidrogenasi. Minyak mineral hasil penyulingan dari minyak bumi diketahui baik sebagai bahan isolator untuk peralatan listrik, khususnya pada peralatan listrik transformator, karena memiliki karakteristik fisik dan elektrik yang baik. Tetapi dalam permasalahan dalam penggunaan minyak mineral pada transformator dapat membahayakan lingkungan dan memicu ledakan pada transformator. Sehingga isolasi minyak harus memiliki beberapa karakteristik supaya dapat menjalankan fungsi sebagai bahan isolasi pada transformator.

2.2.3 Karakteristik Fisik Isolasi Minyak

Isolasi minyak transformator yang baik mempunyai karakteristik fisik diantaranya, yaitu :

1. Kejernihan penampilan

Kejernihan penampilan dilihat dari warna minyak, warna minyak yang baik memiliki warna yang jernih, bersih, dan bebas endapan. Selama transformator dioperasikan, isolasi minyak akan melarutkan suspensi atau endapan. Semakin banyak isolasi minyak mengalami endapan yang terlarut, maka warna minyak akan semakin gelap.

2. Viskositas Kinematik

Viskositas Kinematik merupakan nilai tahanan dari cairan untuk mengalir secara kontinu dan merata tanpa adanya gaya gesekan

(40)

12

ataupun gaya yang lain. Sebagai media pendingin, nilai viskositas memegang peranan penting dalam pendinginan, sebagai faktor pemindahan panas secara aliran konveksi.

Semakin rendah nilai viskositas dari minyak, semakin bagus konduktivitas termalnya, sehingga semakin baik kualitas dari isolasi minyak transformator.

3. Massa Jenis

Massa jenis merupakan perbandingan massa suatu volume cairan pada suhu 15,56⁰C dengan massa volume air. Massa jenis isolasi minyak transformator harus lebih ringan dari pada massa jenis air.

4. Titik Nyala

Titik nyala merupakan nilai batas isolasi minyak dapat dipanaskan sampai temperatur tertentu sebelum uap yang timbul menjadi api yang berbahaya. Semakin tinggi nilai titik nyala semakin baik isolasi minyak transformator.

5. Titik Tuang

Titik tuang merupakan merupakan nilai batas isolasi minyak akan terus mengalir saat didinginkan pada temperatur di bawah normal. Semakin rendah nilai titik tuang semakin baik isolasi minyak transformator[5].

2.2.4 Karakteristik Elektrik Isolasi Minyak

Isolasi minyak transformator yang baik mempunyai karakteristik fisik diantaranya, yaitu :

1. Tegangan Tembus

Tegangan tembus merupakan nilai batas kemampuan untuk menahan tekanan elektrik. Kandungan air dan partikel-partikel pada isolasi minyak dapat menurunkan nilai batas tegangan tembus. Sehingga isolasi minyak yang baik memiliki batas tegangan tembus yang tinggi.

2. Tahanan Jenis

Nilai tahanan jenis sangat berpengaruh pada kontaminan yang bersifat konduktif, semakin banyak kontaminan konduktif maka semakin rendah tahanan jenis isolasi minyak.

3. Faktor Disipasi Dielektrik

Faktor disipasi elektrik merupakan ukuran dari rugi-rugi dielektrik minyak. Tingginya nilai faktor disipipasi dilektrik menunjukkan adanya kontaminasi atau kerusakan disebabkan

(41)

13

oleh air, hasil oksidasi, koloid bermuatan, logam alkali, dan lainya. Faktor disipasi dielektrik berhubungan dengan tahanan jenis, sehingga tingginya faktor nilai disipasi dielektrik akan menunjukkan rendahnya tahanan jenis minyak.

4. Tegangan Antar Permukaan

Hasil kerusakan isolasi minyak diantaranya ada kontaminasi dengan zat terlarut dan gas bebas umumnya akan menurunkan nilai tegangan antar permukaan. Penurunan tegangan permukaan sebagai pertanda bagi awal kerusakan isolasi minyak[5].

2.2.5 Karakteristik Kimia Isolasi Minyak

Isolasi minyak transformator yang baik mempunyai karakteristik kimia diantaranya, yaitu :

1. Angka Kenetralan

Angka kenetralan merupakan angka yang menunjukkan kadar penyusun asam minyak isolasi, dapat mendeteksi kontaminasi minyak, menunjukkan kecenderungan perubahan kimia, dan cacat kimia atau terdapatnya indikasi perubahan kimia dalam penambahan bahan tambahan (additive). Angka kenetralan sebagai penunjuk umum untuk menentukan pergantian atau purifikasi isolasi minyak.

2. Stabilitas Oksidasi

Stabilitas oksidasi merupakan nilai untuk mempertahankan dari proses oksidasi yang terjadi pada isolasi minyak. Proses oksidasi menyebabkan bertambahnya kecenderungan isolasi minyak untuk membentuk zat asam dan zat padat (pengotor) yang akan membentuk endapan. Zat asam yang dibentuk akan menyebabkan korosi pada logam dalam peralatan transformator sedangkan zat padat akan menyebabkan naiknya viskositan kinematik sehingga konduktivitas termal menjadi terganggu. Isolasi minyak diharapkan memiliki stabilitas oksidasi yang tinggi dan kemampuan pelarutan yang rendah sehingga presentase terjadinya proses oksidasi semakin kecil.

3. Kandungan Air

Nilai kandungan air berpengaruh terhadap tegangan tembus dan tahanan jenis isolasi minyak. Naiknya temperatur akan menyebabkan air mengalir dari isolasi kertas menuju isolasi minyak dan menurunkan tegangan tembus. Isolasi minyak

(42)

14

yang baik mempunyai nilai kandungan air serendah mungkin[5].

2.2.6 Standar Pengujian Karakteristik Isolasi Minyak

Stanadar dan metode pengujian karakteristik fisik, elektrik dan kimia isolasi minyak transformator dapat mengacu pada standar di tabel berikut.

Tabel 2.1 Karakteristik isolasi minyak dan standar metode pengujian[5].

No Karakteristik Standar IEC Standar ASTM

1 Massa Jenis 296 D 1298

2 Viskositas

Kinematik 296 D 445

3 Titik Nyala 296 A D 92

4 Angka

Kenetralan 296 D 974

5 Kadar Air ISO.R.760 D 1553

6 Korosi Belerang 296 D 130

7 Stabilitas

Oksidasi 474 D 2440

8 Angka per

Oksidasi - D 1563

9 Tegangan

Antarpermukaan - D 971

10 Kandungan Gas - D 831

11 Tegangan

Tembus 60156 D 877

12 Resistivitas 93 D 1169

13 Faktor Disipasi

Elektrik 250 D 924

2.3 Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair di Transfomator[6]

Isolasi berfungsi sebagai pemisah antara bagian yang mempunyai beda potensial sehingga diantara bagian tersebut tidak terjadi percikan (spark over) atau lompatan listrik (flash over). Kegagalan isolasi pada peralatan listrik dapat menyebabkan kerusakan sehingga kontinuitas pada sistem tenaga listrik terganggu. Kegagalan isolasi cair berupa lompatan listrik pada media isolasi cair akan menyebabkan pembentukan

(43)

15

gelembung gas, pembentukan butiran zat padat hasil dekomposisi zat cair, dan pembentukan lubang pada konduktor.

Terdapat empat jenis teori kegagalan pada media isolasi cair, yaitu teori kegagalan zat murni atau elektronik, teori gelembung udara atau kavitasi, teori kegagalan bola cair, dan teori butiran padat pada isolasi cair.

2.3.1 Teori Kegagalan Zat Murni atau Elektronik

Teori kegagalan zat murni atau elektronik merupakan perluasan teori kegagalan pada media isolasi gas, sehingga kegagalan pada media isolasi cair dianggap serupa dengan media isolasi gas. Kegagalan zat murni atau elektronik diperlukan elektron awal yang dimasukkan ke dalam media isolasi cair, elektron awal inilah yang memulai proses kegagalan. Jika diantara kedua elektroda yang berbentuk runcing di berikan tegangan yang tinggi sehingga muncul kuat medan listrik yang tinggi di bagian runcing tersebut, sehingga kuat medan yang kuat tersebut akan mengeluarkan elektron e^-1, awal terbentuknya banjiran elektron (avalnce) dapat dilihat di Gambar 2.4.

.

Gambar 2.4. Kegagalan elektronik[6]

Dalam teori kegagalan elektronik dianggap bahwa elektron- elektron akan mendapatkan energi dari kuat medan listrik sehingga elektron dapat membentur molekul-molekul. Proses pembenturan elektron dengan molekul dapat dikatakan proses ionisasi, sehingga proses ionisasi akan memperbanyak elektron yang akan menyebabkan banjiran elektron.

(44)

16

Elektron yang dihasilkan berupa e1,e2,e3,e4...,en sehingga akan menyebabkan timbulnya arus konduksi dalam media isolasi cair pada kuat medan listrik tinggi. Menurut Schottky, arus yang timbul tersebut mempunyai kerapatan sebesar :

𝐽 = 𝐽_𝑡𝑒^4.4√𝐸^𝑇 [ 𝐴 𝑐𝑚²] dengan,

𝐽𝑡 = 𝐴𝑇²𝑒⁻^𝑘𝑇^∅

𝐸 = 𝑀𝐸𝑎

dimana, J = Kereapatan arus konduksi [𝐴𝑐𝑚⁻²] Jt = Kerapatan arus termionik [𝐴𝑐𝑚⁻²] Ea = Kuat medan yang diterapkan [𝑉𝑐𝑚⁻¹]

M = Faktor ketidakrataan permukaan (=10 untuk permukaan halus)

Persamaan diatas menunjukkan ketergantungan pada keadaan suhu pada media isolasi cair. Kondisi yang memungkinkan terjadinya banjiran elektron, didapatkan dengan menyamakan perolehan energi pada elektron yang menempuh lintasan besar rata-rata, yaitu

𝑈1= 𝐹𝜆 = 𝑒 𝐸𝜆

Dengan energi yang diperlukan untuk mengionisasi molekul 𝑈2= 𝑐ℎ

dimana, E = medan yang diterapkan [𝑉𝑐𝑚⁻¹] U = energi [𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒]

F = gaya [𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛]

𝜆 = lintasan bebas rata – rata [𝑐𝑚]

ℎ = kuantum energi untuk mengionisasikan molekul [𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒]

𝑐 = konstanta

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(45)

17 2.3.2 Teori Kegagalan Gelembung Udara

Teori kegagalan Gelembung udara merupakan tidak kemurnian media isolasi cair yang bercampur dengan gelembung udara, gelembung udara merupakan pemicu dari tahap awal kegagalan total pada media cair.

Menurutkan Kao dan Krasucki, sebab-sebab timbulnya gelembung udara adalah sebagai berikut :

1. Permukaan elektroda yang tidak rata, sehingga dapat menimbulkan kantong-kantong udara pada elektroda yang tidak rata pada permukaannya.

2. Adanya tabrakan elektron pada media isolasi cair sehingga menimbulkan produk berupa gelembung udara.

3. Penguapan cairan karena adanya tegangan tembus pada bagian elektroda yang tidak teratur

4. Media isolasi cair mengalami perubahan suhu dan tekanan Medan listrik dalam gelembung udara yang terdapat pada media isolasi cair dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :

𝐸_𝑏= 3𝜀1𝐸0

2𝜀₁+ 1

dimana, 𝐸𝑏 = medan listrik dalam gelembung udara [𝑉𝑐𝑚⁻¹] 𝜀₁ = permitivitas media isolasi cair

𝐸0 = medan listrik dalam media cair tanpa gelembung [𝑉𝑐𝑚⁻¹]

Jika nilai 𝐸_𝑏 sama dengan medan batas untuk ionisasi gas.

Maka akan terjadi lompatan listrik dalam gelembung. Ini dapat mempercepat pembentukan gas karena dekomposisi media isolasi cair dan dapat menyebabkan terjadinya kegagalan.

Gambar 2.5 Kegagalan kavitas pada

media isolasi cair[6]

(2.6)

(46)

18

Karena pengaruh medan listrik antara kedua elektroda, gelembung udara yang terdapat pada media isolasi cair antara kedua elektroda tersebut akan menjadi memanjang searah medan, lihat pada Gambar 2.5. Hal ini disebabkan oleh gelembung udara berusaha membuat energi potensial minimum. Gelembung-gelembung udara yang memanjang tersebut akan menyambung dan membentuk jembatan yang pada akhirnya akan menyebabkan terjadinya kegagalan. Guna mendapatkan kriteria kegagalan, volume gelembung selama berubah menjadi memanjang dianggap konstan. Kekuatan gagal medan gelembung udara adalah, sebagai berikut:

𝐸₀= 1

𝜀₁− 𝜀₂√2𝜋𝜎(2𝜀1+ 𝜀2)

𝑟 [𝜋

4√ 𝑣𝑏

2𝑟𝐸₀− 1]

Dimana, 𝜎 = gaya tegangan (tension) permukaan media cair [𝑁𝑚⁻¹] 𝜀₁ = permitivitas media cair

𝜀2 = permitivitas gelembung

𝜀₂ = jari-jari awal gelembung(dianggap seperti bola) [𝑐𝑚]

𝑉_𝑏 = jatuh tegangan dalam gelembung [𝑉]

Persamaan diatas dapat diartikan implisit dan sangat berpengaruh terhadap jari-jari awal gelembung r. Oleh karena r adalah fungsi dari tekanan suhu luar media isolasi cair, maka jika r besar akan mengakibatkan kekuatan gagal 𝐸₀ akan kecil sekali.

Gambar 2.6 Grafik perbandingan hasil perhitungan sesuai dengan teori kekuatan gagal medan gelembung dengan hasil percobaan. [6]

(2.7)

(47)

19

Gambar 2.6 diatas merupakan perbandingan antara perhitungan teoritis dengan percobaan menurut teori kekuatan gagal medan gelembung. Grafik tersebut menunjukkan bahwa teori tersebut kurang relevan pada aktual karena misalnya l untuk cairan n-heksana, ternyata terdapat perbedaan yang cukup besar antara perhitungan teori dengan percobaan. Sebab diakibatkan tidak memperhitungkan gelembung udara kecil awal sebelum terjadinya gelembung besar dengan jari-jari r.

2.3.3 Teori Kegagalan Bola Cair

Jika suatu media isolai mengandung sebuah bola cair dari jenis cairan lain, maka akan menyebabkan kegagalan akibat ketidakstabilan bola cair tersebut dalam medan listrik. Medan listrik akan mempengaruhi bentuk bola cair. Bola cair yang diberikan medan listrik E akan merubah menjadi sferoida lihat pada Gambar 2.7 dengan medan didalamnya sebesar 𝐸₂, sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut:

Gambar 2.7 Sferoida[6]

𝐸₂= 𝜀1𝐸 𝜀1− (𝜀1− 𝜀2)𝐺 dimana, 𝐺 = ¹

𝛾²−1{^{𝛾 cos}⁻¹^𝛾

(𝛾²−1) − 1} dan 𝛾 = ^𝑅²

𝑅₁

𝑅2 = jari-jari panjang sferoida [cm]

𝑅₁ = jari-jari pendek sferoida [cm]

𝜀₁ = permitivitas media isolasi cair 𝜀2 = permitivitas bola cair

(2.8)

(48)

20

Persamaan kuat medan listrik dalam media isolasi cair, yaitu :

𝐸 = 600 √(𝜋𝜎 𝜀1𝑅) ( 𝜀₁

𝜀1− 𝜀2

− 𝐺) 𝐻

dimana, 𝐻 = 2𝛾¹³(2𝛾 − 1 − ¹

𝛾²) 𝑅 = ³

4𝜋 volume sferoida [cm³] 𝜎 = gaya tegangan permukaan [Nm^-1]

Kemudian bentuk persamaan di atas dapat ditulis menjadi : 𝐸

600√𝜋𝜎 𝜀₁𝑅

= √( 𝜀1

𝜀₁− 𝜀₂− 𝐺) 𝐻

Persamaan 2.11 sebagai persamaan yang mempunyai hubungan fungsi 𝛾 terlihat pada Gambar 2.8 di bawah ini.

Gambar 2.8 Grafik hubungan huat medan listrik terhadap nilai 𝛾[6]

(2.9)

(2.10)

(49)

21

Pada Gambar 2.8 dapat dilihat bahwa untuk nilai ^𝜀²

𝜀₁ melebihi dari 20, maka nilai E akan melewati maksimum jika 𝛾 naik, sehingga dapat dikatakan tidak ada bentuk sferoida yang stabil diatas tekanan listrik kritis. Pada Gambar 2.8 juga dapat dilihat jika ^𝜀²

𝜀₁ kurang dari 20, maka tidak ada medan kritis meskipun 𝛾 dapat melonjak cepat dengan kenaikan medan listrik. Untuk bola cair yang menghantarkan listrik, maka ^𝜀²

𝜀₁ = ∞ sehingga persamaan menjadi :

𝐸 = 600 √(𝜋𝜎 𝜀1𝑅) ( 𝜀₁

𝜀1− 𝜀2

− 𝐺) 𝐻 [𝑉𝑐𝑚⁻¹]

Sehingga medan listrik kritis dimana bola cair menjadi tidak stabil dapat ditulis dalam persamaan :

𝐸𝑘 = 487,7√ 𝜎

𝜀₁𝑅 [𝑉𝑐𝑚⁻¹]

Sebagai contoh untuk bola cair dalam media isolasi minyak dengan 𝜎 = 43 dyne/cm, 𝜀₁= 2 dan 𝑅 = 1 µm, maka medan listrik kritisnya adalah 𝐸𝑘 = 0,266 MVcm^-1.

Medan listrik kritis ini jauh lebih rendah daripada kekuatan gagal media isolasi cair yang bersih, sehingga merupakan sumber kegagalan pada media isolasi cair. Bola air yang sangat kecil pun, misal R = 0,05 µm masih dapat mengakibatkan terjadinya kegagalan pada medan listrik Ek=1 MVcm^-1.

Contoh kegagalan dielektrik diakibatkan bola cair pada media isolasi cair pada media silikon cair dapat kita lihat pada Gambar 2.9.

Setelah terjadi bola cair dan keadaan tidak stabil maka bola cair air akan memanjang, sehingga jika bola cair sudah mencapai dua pertiga celah elektroda, maka saluran-saluran lecutan akan timbul sehingga akan terjadi kegagalan total.

(2.11)

(2.12)

(50)

22

Gambar 2.9 Bola air yang memanjang memicu kegagalan 2.3.4 Teori Butiran Padat

Kegagalan butiran padat merupakan jenis kegagalan yang disebabkan oleh adanya partikel atau butiran zat padat pada media isolasi cair yang akan menyebabkan terjadinya kegagalan. Butiran padat mempunyai sifat permitivitas berlainan dengan permitivitas zat isolasi cair. Jika butiran-butiran padat mempunyai permitivitas 𝜀₂ dan permitivitas media isolasi cair adalah 𝜀₁, dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Kegagalan butiran padat dalam media isolasi cair[6]

(51)

23

Besarnya gaya yang bekerja pada butiran padat dalam medan yang tak seragam dapat dinyatakan dalam rumus, yaitu :

𝐹 = 𝑟³𝜀₁𝜀₂− 𝜀₁

𝜀₂+ 𝜀₁𝐸 𝑔𝑟𝑎𝑑 𝐸 Dimana, F = gaya [Newton]

r = jari-jari butiran [cm]

grad E = gradien tegangan [Vcm^-1]

Secara khusus, persamaan di atas dapat ditulis menjadi seperti:

𝐹 = ( 1

2𝑟³) (𝜀₂− 𝜀₁ 𝜀2+ 𝜀1

) 𝐸² 𝑔𝑟𝑎𝑑

Untuk persamaan di atas terdapat dua kemungkinan yang terjadi, yaitu : 1. Jika 𝜀₂ > 𝜀₁, maka menyebabkan arah gaya yang bekerja pada

butiran padat menjadi searah dengan tekanan elektrik maksimum (FA), sehingga butiran padat akan terdorong kearah medan yang paling kuat.

2. Jika 𝜀2 < 𝜀1, maka arah gaya berlawanan dengan tekanan listrik maksimum (FB)

Gaya F semakin besar jika 𝜀2 membesar. Untuk butiran yang mempunyai nilai 𝜀₂= ∞, maka akan menyebabkan gaya yang bekerja pada butiran padar dalam medan yang tak seragam menjadi :

𝐹 = ( 1

2𝑟³) 𝐸² 𝑔𝑟𝑎𝑑

Untuk medan yang seragam, seperti elektroda bola ataupun pada elektroda piringan sejajar dengan celah kecil, medan paling kuat bertempat pada tempat yang seragam. Dalam hal ini 𝐸² 𝑔𝑟𝑎𝑑 = 0 dan butiran dalam keadaan seimbang. Karena itu, butiran akan ditarik oleh gaya ke tempat dimana medan seragam. Akibatnya butiran padat akan menempati antara kedua elektroda dan seakan membuat jembatan yang dapat disebut jembatan serat, kemudian jembatan serat ini yang akhirnya akan mengawali terjadinya kegagalan pada media isolasi cair.

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(52)

24

Adanya butiran penghantar di antara elektroda akan mengakibatkan pembesaran medan dalam media isolasi cair di dekat butiran padat. Pembesaran medan ditentukan oleh bentuk butiran, yaitu :

1. Butiran padat bulat (𝛾 = 1) ; 𝐸₁= 3 𝐸 2. Butiran padat sferoida (𝛾 = 2) ; 𝐸1= 5.8 𝐸 3. Butiran padat sferoida (𝛾 = 5) ; 𝐸1= 18 𝐸 dimana, 𝛾 = perbandingan jari-jari pendek sferoida

E = medan dalam cairan tanpa butiran [Vcm^-1] E1 = medan dalam cairan pada ujung butiran [Vcm^-1]

Apabila E1 melebihi tegangan gagal cairan maka akan terjadi kegagalan setempat yang kemudian menimbulkan gelembung- gelembung yang akhirnya dapat mengakibatkan kegagalan total pada cairan. Gerakan butiran yang disebabkan oleh gaya F akan dihambat oleh kekentalan medan isolasi cair. Dalam hubungan ini dapat dihitung dalam rumus waktu yang diperlukan terjadinya kegagalan menurut Kok-Corbey besarnya adalah :

𝑡𝑏= 𝜂²𝑐 𝑔⁴𝑟⁷(𝐸_𝑏²− 𝐸₀²)𝑁

dimana, 𝐸_𝑏 = kekuatan gagal untuk waktu penerapan tekanan listrik singkat [ Vcm^-1]

𝐸₀ = kekuatan gagal dalam waktu lama [ Vcm^-1] g = faktor kekasaran (asperity)

= 3 untuk kekasaran berbentuk setengah bola N = konsentrasi butiran

𝜂 = kekentalan (viskositas) [mm²s^-1] r = jari-jari butiran [cm]

c = konstanta

𝑡𝑏 = waktu kegagalan [s]

Untuk waktu penerapan tegangan yang lama akan merubah persamaan, sehingga persamaan lamanya waktu kegagalan diatas berubah menjadi :

(𝑔¹− 1)𝑟³𝐸₀²= 2𝑘𝑇

(2.16)

(2.17)

ANALISA KARAKTERISTIK FISIK DAN ELEKTRIK UNTUK ESTIMASI UMUR MINYAK TRANSFORMATOR MENGGUNAKAN HUKUM ARRHENIUS