Dokumen referensi: BUSHING

BUSHING 1 Umum

Biasanya, untuk keamanan elektrik, konduktor tegangan tinggi dilalukan menerobos suatu bidang yang dibumikan, melalui suatu lubang terbuka yang dibuat sekecil mungkin dan biasanya membutuhkan suatu pengikat padu yang disebut bushing.

2 Konstruksi Suatu Bushing

Konstruksi suatu bushing sederhana ditunjukkan pada gambar 3.1.

Bagian utama dari suatu bushing adalah inti atau konduktor, bahan dielektrik dan flans yang terbuat dari logam. Fungsi inti adalah menyalurkan arus dari bagian dalam peralatan ke terminal luar dan bekerja pada tegangan tinggi. Dengan bantuan flans, isolator diikatkan pada badan peralatan yang dibumikan.

Bushing untuk tegangan AC sampai 30 kV dibuat dari porselen atau damar tuang;

untuk tegangan yang lebih tinggi, bahan isolasi yang lebih disukai adalah minyak trafo, gulungan hardboard atau softpaper dan kombinasi dielektrik cair dan padat, kemudian dibungkus dengan kerangka porselen.

Gambar 3.1 Konstruksi suatu bushing sederhana

Gambar 3.1 a memperlihatkan tekanan elektrik aksial Ea yang dapat menimbulkan peluahan luncur pada permukaan isolator. Tekanan elektrik radial Er dapat menimbulkan peluahan parsial pada rongga-rongga yang terdapat di antara flans dengan bagian luar isolator dan di antara inti dengan bagian dalam isolator. Untuk mencegah terjadinya peluahan ini, maka di antara isolator dengan

flans diberi lapisan konduktif dengan teknik penyemprotan; dan ujung lapisan yang terbentuk ditekuk untuk mengurangi efek medan pinggir. Untuk mencegah peluahan parsial pada ruang-ruang udara terbuka yang terdapat di antara inti dengan bahan isolasi, maka di antara inti dengan isolator dibuat juga lapisan konduktif atau mengusahakan inti berpadu dengan isolator. Misalnya dengan membuat isolasi dari bahan damar tuang sehingga intinya melekat langsung dengan dielektriknya, dengan demikian peluahan parsial pada ruang di antara inti dengan isolator dapat dicegah. Masalah peluahan luncur dapat dapat juga diatasi dengan mengurangi efek medan pinggir, yaitu dengan menekuk ujung elektroda dan membuat elektroda melekat ke bahan isolasi. Kemudian dengan pemilihan profil isolator yang tepat, maka kuat medan pada bidang miring yang berbatasan dengan udara dapat dikurangi di bawah nilai yang diizinkan. Jika tegangan suatu bushing porselen ditinggikan, maka pada harga suatu tegangan tertentu akan terjadi peluahan parsial pada rongga-rongga udara yang terdapat di antara elektroda dengan isolator; dan jika tegangan terus dinaikkan maka akhirnya akan terjadi peristiwa lewat-denyar. Dengan perkataan lain, kejadian lewat denyar pada busing porselen lebih dahulu diawali dengan kejadian peluahan parsial, karena pada bushing ini tidak ditemukan rongga-rongga udara di antara elektroda dengan isolator. Karena damar mudah dilekatkan ke metal dan dapat dicetak dalam berbagai bentuk, maka jenis isolasi damar menawarkan berbagai kemungkinan bentuk konstruksi.

Prinsip perataan distribusi tegangan pada awalnya tidak mempertimbangkan jenis bahan isolasi, tetapi pada akhirnya hal itu harus diperhatikan karena adanya hubungan tegangan awal peluahan pada pinggir elektroda yang runcing dengan ketebalan bahan isolasi yang menyelubungi elektroda tersebut. Jika tidak memakai tabir elektroda sebagai pengendalimedan pinggir, maka harus dipilih bahan isolasi yang tipis.

2.1 Perataan Distribusi Tegangan Pada Suatu Bushing

Bushing untuk tegangan di atas 60 kV biasanya dilengkapi dengan elektroda perata distribusi tegangan, yaitu elektroda tipis yang dipasang di antara flans dengan inti (lihat gambar 3.1 b). Elektroda ini disebut elektroda perata atau

sering juga disebut elektroda pengantara (intermediate electrode). Penambahan elektroda perata membuat diameter flans semakin besar. Untuk mengurangi penambahan diameter bushing, maka bahan elektroda perata dibuat dari bahan logam tipis (foil). Dengan adanya beberapa elektroda perata di antara inti dengan flans, maka ada beberapa kapasitor yang terhubung seri di antara inti dengan flans seperti ditunjukkan pada gambar 3.1 c. Dengan mengatur diameter dan panjang elektroda perata, nilai kapasitansi dari setiap kapasitor dapat dibuat sama (C1=C2) sehingga potensial pada bidang batas antara bahan isolasi dengan medium sekitar menjadi sama rata. Hal ini mendorong perlunya dibuat pembagian kapasitansi yang merata dengan halus, yang dalam prakteknya hanya dapat direalisasi jika bahan isolasi terbuat dari gulungan pita tipis. Oleh karena itu, prinsip perata tegangan hanya dapat digunakan jika bahan isolasi bushing terbuat dari hardboard atau softpaper dan film plastik. Pada gambar 3.2, diperlihatkan efek elektroda perata terhadap distribusi medan elektrik pada suatu bushing silindris.

Gambar 3.2 Efek Elektroda Perata Terhadap Distribusi Medan Listrik Telah ditunjukkan pada gambar 3.1, bahwa tekanan elektrik yang dialami oleh suatu bushing terdiri dari medan elektrik radial (Er) dan aksial (Ea). Tekanan elektrik kritis terdapat pada bidang batas permukaan isolasi dengan media sekitar.

Komponen radial Er dari kuat medan listrik dapat menyebabkan tembusnya bahan isolasi, sementara komponen aksial Ea pada keadaan tertentu dapat menyebabkan peluahan luncur di sepanjang bidang batas. Kekuatan elektrik bahan isolasi ditentukan oleh tegangan yang menimbulkan terjadinya lewat denyar pada bidang batas, karena nilainya lebih rendah dari tegangan yang menimbulkan terjadinya

tembus listrik pada isolator. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa tekanan elektrik arah aksial jauh lebih kritis daripada tekanan elektrik arah radial.

2.2 Perhitungan Tegangan Awal Peluahan (Inception Voltage)

Tebal lapisan dielektrik di antara dua elektroda perata sangat kecil dibandingkan dengan diameternya. Sehingga perhitungan tegangan awal peluahan dapat dilakukan seperti halnya pada model kapasitor plat sejajar, di mana tegangan awal peluahan parsial bolak-balik pada pinggir elektroda dapat dihitung secara pendekatan, yaitu:

V

_e

=k

_k

( ^{ε s}

^r

)

^0,5

^{(kV )}

...3.1 Di mana s adalah tebal lapisan dielektrik dalam cm dan kk adalah factor konfigurasi yang tergantung pada jenis elektroda dan dielektrik. Nilai kk dapat diasumsikan seperti pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Faktor Konfigurasi Elektroda

Konfigurasi Kk

Pinggir / ujung logam Di udara 8

Dalam SF6 21

Pinggir metal atau grafit dalam minyak 30

Pinggir grafit di udara 12

2.3 Kapasitansi Satu Lapisan

Agar pemakaian isolasi optimal maka ukuran elektroda perata diatur sedemikian sehingga beda tegangan pada setiap lapisan merata, yaitu sebesar:

ΔV=V

N ...3.2 Di mana ΔV adalah beda tegangan di antara dua elektroda perata yang berdekatan, N adalah jumlah total lapisan.

Untuk memperoleh keadaan di atas, kapasitansi setiap kapasitoryang dibentuk oleh dua elektroda yang berdekatan harus sama (C1=C2 atau Cn-1=Cn).

Ada dua kemungkinan yang dapat dilakukan untuk memperoleh keadaan tersebut,

yaitu: mengatur tebal lapisan atau diameter elektroda, atau mengatur panjang elektroda perata.

Ukuran elektroda perata suatu bushing dapat dihitung dengan bantuan gambar 3.3, di mana ditunjukkan suatu lapisan dielektrik yang berada di antara elektroda perata ke n dengan elektroda perata ke n-1. Lapisan dinomori mulai dari titik pusat (n = 0) sampai ke pinggir flans (n = n).

Gambar 3.3 Simbol Ukuran Elektroda Perata

Misalkan tebal lapisan dielektrik adalah:

S_n=r_n−r_n−1 ...3.3 Jika selisih pinggir dua elektroda berdekatan di sisi kiri bln sama dengan di sisi kanan brn, maka diperoleh bushing yang simetris. Selisih pinggir elektroda kiri dan kanan akan berbeda jika dielektrik yang berbatasan dengan isolator bushing berbeda, misalnya pada trafo daya, di mana sebagian isolator bushing berbatasan dengan udara dan sebagian lagi berbatasan dengan minyak trafo. Dalam hal ini, bahagian isolator bushing yang berbatasan dengan udara lebih panjang dari bahagian isolator bushing yang terbenam dalam minyak trafo.

Dengan mengabaikan efek medan pinggir, maka kapasitansi yang dibentuk dua elektroda berdekatan adalah sebagai berikut:

C_n=2πε₀ε_ra_n lnr_n

r_n−1 ...3.4 Di mana εr adalah permeabilitas relative bahan dielektrik isolator bushing.

Karena semua kapasitor Cn terhubung seri satu dengan lainnya, dan tegangan pada setiap satu kapasitor sama sebesar ΔV, maka kapasitansi Cn = konstan = C.

Ada dua kemungkinan perataan yang dilakukan, yaitu perataan arah radial dan perataan tegangan arah aksial. Berikut ini akan dijelaskan perhitungan dimensi elektroda perata untuk masing-masing jenis perataan tersebut.

2.4 Perataan Tegangan Arah Radial

Untuk perataan tegangan pada arah radial, maka kuat medan radialnya Er = ΔV/Sn harus konstan. Hal ini dapat dipenuhi apabila tebal lapisan dielektrik Sn

konstan. Dengan persamaan dapat diturunkan kapasitansi Cn+1: C_n+1=2πε₀ε_ra_n+1

lnr_n+1

r_n ...3.5 Agar tegangan pada setiap lapisan sama, maka harus dipenuhi persyaratan Cn+1=Cn. Dengan mempersamakan persamaan 3.4 dengan 3.5, maka diperoleh:

a_n+1=a_n lnr_n+1

r_n lnr_n

r_n−1 ...3.6 Bila lapisan dielektrik sangat tipis dibandingkan terhadap radius elektroda, atau Sn = rn-rn-1 << rn, maka dapat dituliskan:

a_n+1≈a_nr_n−1

r_n ...3.7 Dengan persamaan 3.7 dapat ditentukan tebal lapisan berikutnya dengan menggunakan data tebal lapisan sebelumnya. Biasanya, radius lapisan paling dalam diketahui lebih dahulu, yaitu sama dengan radius konduktor di mana pemilihan radius konduktor ditentukan dengan mempertimbangkan arus yang akan dialirkannya. Tebal dielektrik Sn diperoleh dari ΔV yang dirancang pada satu lapisan dielektrik dan harga maksimal medan radial Er yang diizinkan terjadi pada bahan dielektrik:

S_n= ΔV

E_rmaks ...3.8

Jika panjang a0 ditetapkan, maka ukuran elektroda-elektroda yang lain dapat ditentukan.

2.5 Perataan Tegangan Arah Aksial

Untuk perataan aksial, kuat medan aksialnya harus konstan:

E_a=ΔV/b_n=konstan ...3.9 Kemudian selisih pinggir elektroda berdekatan pada setiap sisi (kiri dan kanan) harus sama panjang dan konstan ; Bln = konstan = b1, brn = konstan = br.

Dengan demikian panjang satu elektroda dapat dituliskan:

a_n+1=a_n−b₁−b_r ...3.10 Agar Cn+1=Cn, maka syaratnya adalah:

lnr_n+1 r_n =a_n+1

a_n ln r_n

r_n−1 ...3.11 Dengan pendekatan bahwa lapisan dielektrik dianggap sangat tipis dibandingkan terhadap radius elektroda, atau Sn = rn-rn-1 << rn, maka dapat dituliskan:

S_n+1≈S_na_n+1 a_n ⋅ r_n

r_n−1 ...3.12 Dimensi lapisan berikutnya diperoleh dengan menggunakan data dimensi lapisan sebelumnya. Panjang lintasan kawat denyar L dihitung dengan pendekatan sebagai berikut (lihat gambar 3.2 a):

L≈Nb_r ...3.13 Urutan perhitungan bushing dengan perata aksial adalah sebagai berikut:

1. Tentukan terlebih dahulu jumlah lapisan N dengan berpedoman kepada pengalaman, bahwa tegangan pegujian AC (Vp) di antara dua lapisan adalah sekitar 12 kV. Sebagai contoh, untuk bushing 110 kV dengan Vp

sebesar 260 kV, maka banyak lapisannya adalah sekitar N=260/12=22.

2. Pilih panjang lewat denyar L dengan mempertimbangkan bahwa pada tegangan Vp, kuat medan rata-rata pada permukaan bidang batas harus lebih rendah dari batas yang ditentukan. Untuk udara batas kuat medan dapat dimisalkan sekitar 3 s/d 4 kV/cm; dan di dalam minyak tergantung

dari konstruksi dan komponen minyak yang digunakan. Tetapi secara umum dapat diambil nilainya sekitar 2 sampai 4 kali lebih tinggi dari yang diizinkan untuk udara. Dengan diketahuinya L, maka panjang br dan b1

dapat dihitung dengan persamaan .

3. Biasanya, radius inti r0 dan panjang total a0 sudah diketahui sebelumnya.

Kemudian ditetapkan nilai awal r1, dengan demikian nilai r yang lain dapat dihitung dengan persamaan .

4. Akhirnya, dilakukan pemeriksaan terhadap hasil perhitungan. Harus dipenuhi syarat bahwa kuat medan radial Er tertinggi pada saat tegangan sama dengan tegangan uji (Vp) tidak boleh melebihi kekuatan dielektrik bahan isolasi, dan tegangan kerja tertinggi yang diizinkan harus jauh lebih kecil dari Ve (lihat persamaan 3.3).

3 Beberapa Pokok Pengujian Tegangan Tinggi

Adapun pokok-pokok pengujian tegangan tinggi dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

Tabel 3.2 Beberapa pokok pengujian tegangan tinggi

Kelas Isolasi

(kV)

Tegangan Pengujian AC *⁾ Tegangan Pengujian *⁾ Impuls Kering

± (1 x 40) mikrodetik (kV)

Pasangan Luar (kV) Pasangan Dalam (kV) Kering

1 Menit

Basah 10 Detik

Kering 1 Menit

Pasangan Luar

Pasangan Dalam

3 25 20 20 50 45

6 30 25 25 65 60

10 45 35 35 100 90

20 70 60 60 165 150

30 95 80 80 220 200

(40) (120) (100) (275)

(50) (145) (120) (300)

60 175 145 385

70 200 165 440

*) ( ) Kwasi-standar pengujian dielektrik untuk bushing 4 Pengujian Isolator

Pengujian lompatan 50 % dilakukan dan grafik hubungan tegangan dengan waktu diambil, hanya untuk keadaan kering. Untuk lebih jelasnya tentang pengujian terhadap isolator, lihat tabel di bawah ini :

Tabel 3.3 Pengujian isolator

Isolator Gantung

Isolator Tegangan

Tinggi

“Pin-Type”

Isolator EHV “Pin-Type”

250 m m

180 m m

Pin Besa

r

Pin Keci

l

10 kV

20 kV

30 kV

40 kV

50 kV

60 kV Tegangan

Lompatan 50 %, Bolak- balik,

50 Hz, Kering (kV)

80 60 50 45 85 11

0 13

5 16

0 18

5 21

0

Tegangan Lompatan 50 %, Bolak- balik,

50 Hz, Basah (kV)

50 32 30 27 55 75 95 11

5

13 5

15 5

Tegangan Lompatan 50 %, Impuls (kV)

125 100 12

0 16

0 20

0 24

0 28

0 32

0 Tegangan

Tembus (Kv) 140 120 90 80 15

0 20

0 25

0 27

0 30

0 35

0 Tegangan

Ketahan 50 Hz (kV)^a)

75 55 45 40 c) c) c) c) c) c)

Tegangan Ketahanan 50 Hz

75 65

dalam minyak (kV)^b)

Tegangan Frekuensi Tinggi (kV)

Tegangan frekuensi tinggi selama 3-5 detik

Catatan :

a) Tegangan diterapkan selama 2 menit b) Tegangan diterapkan selama 1 menit

c) Pengujian lapisan dilakukan sebagai berikut :

Untuk setiap lapisan tegangan sebesar 90 % dari tegangan lompatan minimum untuk setiap lapisan diterapkan selama 2 menit.

Untuk dua lapisan tegangan sebesar 90 % dari tegangan lompatan kering diterapkan selama 2 menit.

5 Pengujian Pada Bushing

Pengujian yang dilakukan terhadap suatu bushing meliputi : pengukuran Tg δ, pengukuran peluahan parsial, pengujian ketahanan AC, pengujian peluahan terlihat, pengujian ketahanan impuls penuh, pengujian ketahanan impuls terpotong dan surja hubung.

5.1 Pengukuran Tg δ

Pengukuran Tg δ merupakan pengujian rutin. Alat ukur yang digunakan adalah jembatan Schering. Tg δ diukur dengan bushing tetap terpasang pada peralatan atau dicelupkan dalam minyak. Konduktornya dihubungkan ke terminal tegangan tinggi trafo uji sedang tangki atau badan dihubungkan ke terminal detektor jembatan Schering. Tegangan pengujian dinaikkan secara bertahap, kemudian diturunkan secara bertahap juga. Kapasitansi dan Tg δ pada setiap tahap tegangan diukur. Kemudian kurva yang menyatakan hubungan tegangan dengan kapasitansi dan Tg δ digambar.

5.2 Pengukuran Peluahan Parsial

Pengukuran ini merupakan pengujian rutin yang bertujuan untuk menemukan adanya deteriorasi atau kegagalan isolasi karena terjadinya peluahan

muatan sebagian dalam isolator bushing. Pengukuran dilakukan dengan detektor peluahan parsial. Pengukuran dilakukan untuk berbagai tegangan sehingga diperoleh kurva yang menyatakan hubungan besaran peluahan dengan tegangan.

5.3 Pengujian Ketahanan AC

Rangkaian dan prosedur pengujiannya sama dengan pengujian isolator.

Lama pengujian adalah satu menit. Pengujian dilakukan pada kondisi kering dan basah. Bushing dinyatakan baik jika selama pengujian tidak terjadi lompatan api.

5.4 Pengujian Peluahan Terlihat

Pengujian ini dimaksudkan untuk menentukan apakah bushing menimbulkan interferensi radio saat bekerja. Peluahan terlihat dengan mata adalah peluahan yang terjadi pada cincin perata (grading ring) dan tanduk pelindung (arching horn). Alat penguji sama dengan alat penguji ketahanan AC, hanya dilakukan dalam ruang gelap.

5.5 Pengujian Ketahanan Impuls Penuh

Pengujian ketahanan impuls penuh dilakukan dalam dua keadaan, yaitu dalam keadaan bushing terpasang sebagaimana di lapangan dan dalam keadaan dicelup dalam minyak. Tegangan pengujian adalah tegangan impuls penuh standar, dengan polaritas yang sesuai dengan spesifikasi. Tegangan impuls diberikan lima kali. Jika terjadi dua kali lompatan api, maka bushing dinyatakan gagal uji. Jika lompatan api terjadi satu kali, maka diadakan pengujian tambahan 10 kali lagi. Jika tidak terjadi lompatan api, maka bushing dinyatakan lulus uji.

Jika bushing dicelupkan dalam minyak isolasi, maka pengujian dilakukan dengan tegangan impuls standar, gelombang penuh dan 15 % lebih tinggi dari tegangan pengujian bushing di udara. Tegangan impuls diberikan lima kali.

Bushing dinyatakan lulus uji jika tidak terjadi lompatan api.

5.6 Pengujian Ketahanan Impuls Terpotong dan Surja Hubung

Adakalanya bushing diuji dengan tegangan tinggi impuls terpotong.

Pengujian ini biasanya dilakukan terhadap bushing bertegangan di atas 220 kV.

Saat ini dilakukan juga pengujian peluahan surja hubung terhadap bushing tegangan tinggi. Pengujian dilakukan seperti halnya pengujian ketahanan impuls penuh di atas.

6 Pemerisaian (shielding)

Penggunaan elektroda perata atau penambahan perisai (shielding) untuk meningkatkan mutu peralatan atau untuk menjaga ketelitian pengukuran dengan sensitivitas tinggi bukanlah hal baru.

Pengukuran dengan sensitivitas tinggi sering dilakukan dalam percobaan- percobaan yang menggunakan tegangan tinggi. Pengukuran peluahan parsial dalam prakteknya dapat terganggu ketika ada bagian sirkit bertegangan tinggi yang menunujukkan reaksi seperti antena atau penerima gelombang elektromagnetik dari luar. Selain itu, gelombang elektromagnetik dapat timbul ketika terjadi peristiwa tembus listrik pada sirkit bertegangan tinggi, dan hal ini dapat menyebabkan efek gangguan terhadap sekitarnya. Dalam prakteknya menunjukkan bahwa pengaruh gangguan dari luar pada pengukuran tegangan tinggi dengan sensitivitas tinggi secara umum lebih kuat daripada gangguan yang disebabkan oleh penelitian tegangan tinggi itu sendiri. Ini berdasarkan kenyataannya bahwa pulsa-pulsa pengganggu yang berasal dari sirkit bertegangan tinggi hanya sesekali dan terjadi dalam waktu yang singkat. Sebagai contoh alat yang menyebabkan gangguan eksternal adalah kendaraan dengan bodi yang tidak tepat atau motor listrik yang menghasilkan interferensi permanen.

Peniadaan yang hampir sempurna terhadap gangguan dari luar terhadap pengukuran, dan pada waktu yang sama peniadaan gangguan dari penelitian terhadap sekitarnya, dapat dengan menggunakan logam tanpa cacat. Pada prakteknya, logam ini dijadikan perisai, dan cara kerja logam ini menyerupai sangkar Faraday. Standar yang diwajibkan terhadap logam yang direncanakan akan digunakan untuk perisai memiliki perbedaan yang cukup besar dengan logam yang dijadikan sebagai lantai laboratorium tegangan tinggi.

Pemasangan sangkar Faraday yang sempurna sangat diperlukan untuk setiap penelitian. Tetapi perhatian ini lebih ditekankan ketika pengukuran peluahan parsial dengan sensitivitas tinggi dilakukan.

7 Silinder Konsentris

Bushing yang telah dilengkapi dengan elektroda perata dapat diilustrasikan menjadi sebuah silinder konsentris seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.4 di bawah ini.

Gambar 3.4 Irisan penampang silinder konsentris

Adapun medan listrik yang dialami oleh P di titik sebarang dapat ditulis dengan :

E_p= V xlnR

r 3.14 Di mana : Ep = medan listrik yang dialami oleh P (N/C)

V = tegangan yang diterapkan (Volt)

X = jarak P dengan sumbu silinder dalam (m) R = jari-jari silinder luar (m)

r = jari-jari silinder dlam (m)

Medan listrik maksimal yang dialami oleh silinder konsentris adalah : E_maks= V

rlnR

r 3.15

Jari-jari optimal (rop) adalah nilai jari-jari silinder dalam yang menyebabkan besar medan listrik maksimal yang terkecil yang terjadi pada silinder konsentris dan dapat ditulis dengan :

r_op=R e= R

2,7 3.16 Dan,

E_op=V

r_op=2,7V

R 3.17

Di mana : Eop = medan listrik maksimal yang terkecil yang dialami oleh silinder konsentris (N/C)