Teknologi dan Diagnosa Kabel Daya

TEKNOLOGI DAN DIAGNOSIS KABEL DAYA

1

DR. UMAR KHAYAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Teknik Tegangan Tinggi

PENDAHULUAN

Kabel bawah tanah saat ini banyak digunakan

untuk distribusi daya listrik didalam kota dan

dalam daerah yang populasinya rapat.

Keuntungan kabel tanah dibandingkan dengan overhead lines, antara lain:

 Tidak ada gangguan suplai listrik meskipun

dalam kondisi iklim ekstrim seperti petir, (pada overheadlines bisa terjadi flash over, short circuit yang mengakibatkan gangguan dalam suplai

daya listrik)

 Tidak memerlukan pertangguang jawaban kepada publik jika terjadi kecelakaan, seperti tower tumbang.

 Tidak akan menimbulkan muasalah jika terjadi shortcircuit yang melintasi jalan utama

 Tidak berpengaruh pada estetika lingkungan.

PENDAHULUAN

Kekurangan kabel tanah dibandingkan dengan overhead lines :

 Biaya investasi lebih mahal

 Instalasi lebih kompleks

PENDAHULUAN

KONSTRUKSI KABEL DAYA

5

DR. UMAR KHAYAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Teknik Tegangan Tinggi

Filler

Bedding Armour Outer sheath

Binder tape Conductor

Conductor Screen XLPE insulation Copper Screen Insulation Screen

Construction of XLPE cables

N2XSEYBY / NA2XSEYBY

Conductor

•Mengalirkan arus beban

Conductor screen

• Menghaluskan dan mencegah adanya void pada interface konduktor dan isolasi

Insulation

•Mencegah aliran arus listrik dari konduktor yang bertegangan ke ground atau ke konduktor di dekatnya.

•Menahan stress listrik yang dihasilkan oleh tegangan

•Menahan stress superposisi tegangan transien pada konduktor

Insulation screen

•Ensures that the electrical field is confined within the polymeric insulation

Copper Screen

•Keeps the insulation screen at Earth potential.

•Carries the charging current.

•Serves as a path for earth fault currents.

Filler

•Fills gaps between cores

•Rounds up the cable

Construction of XLPE cables

•Strippable type and bonded type.

•Binds the cores & filler together and separates the cores from the next layer

Binder Tape

Bedding / Cover / Seprei

•Berfungsi sebagai bantalan armour

•Bedding yang ditekan melindungi jalan masuk air

•Protects against mechanical stresses

Armour

•Serves as a path for earth fault currents.

•Steel Tape Armour (STA)

•Galvanized Steel Wire (GSW) or (SWA) Types of armour:

Construction of XLPE cables

•Galvanized Steel Strip

•Aluminum wire armour (single core cables).

Oversheath

•Protects against external impact or pressure

•Protects against corrosion

•Protects from water ingress Types of outer sheath

•PVC •PE •LSF(LSZH)

Conducting Coating on the outer sheath

•Graphite coating

•Extruded semi-conducting layer (For HV cables)

• Enables to check sheath integrity

13

Struktur Kabel Tiga Fasa

DIMENSI DAN BERAT KABEL

15

TEORI KABEL DAYA

DR. UMAR KHAYAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Teknik Tegangan Tinggi

1. Pendahuluan 2. Konstruksi kabel - Konduktor - Insulator

* impregnated paper

* material sintetis

* gas terkompresi

- Screening - Armoring 3. Jenis kabel

- Kabel dengan isolasi kertas - Kabel dengan isolasi sintetik - Kabel yang diisi minyak

- Kabel yang diisi gas 4. Sheath phenomena

5. Rugi-rugi Armor

6. Konstanta kabel

- Resistansi konduktor - Kapasitansi kabel - Induktansi kabel

7. Medan listrik dalam isolasi kabel 8. Kapasitas hantar arus

9. Panas transien pada kabel 10. Jointing dan terminating 11. Stress control dalam kabel - Interseath grading - Capacitance grading

12. Pendinginan artificial pada tanah

13. Menemukan lokasi gangguan pada kabel - Metode pulsa

14. Kabel superkonduktor

Struktur Kabel

Medan Listrik pada Silinder Koaksial

¹⁹

Distribusi Potensial Distribusi Kuat Medan Listrik

Kuat Medan Listrik Tertinggi Kuat Medan Listrik

Kerapatan Fluks Listrik

Medan Listrik pada Silinder Koaksial

Distribusi Potensial Distribusi Kuat Medan Listrik

Hubungan Tegangan dan Kuat Medan Listrik

Tahanan Dielektrik

Kapasitansi Kabel

Materi di Dalam Medan Listrik

 Setiap bahan pada dasarnya tersusun dari partikel partikel elementer bermuatan listrik, dengan atom- atom yang terbentuk dari inti bermuatan positif dan sejumlah elektron-elektron negatif bermuatan listrik yang sama yang menjadikannya keluar bermuatan netral. Dengan demikian setiap bahan terlihat seolah tidak bermuatan listrik.

 Jika suatu medan listrik diberikan pada bahan tersebut, maka pada pembawa muatan positif dan negatif akan bekerja gaya dengan arah yang berlawanan, yang

bersuperposisi dengan gaya ikat atom. Setiap bahan memiliki karakteristik listrik yang berbeda-beda.

21

Polarisasi

 Didalam pengaruh medan elektrostatis, sebuah atom terdeformasi akibat gaya yang bekerja pada inti dan kulit atom, yang menyebabkan terbentuknya dipol listrik pergeseran titik berat muatan atom dan kulit elektron (Polarisasi Deformasi).

 Pada kebanyakan isolasi sudah terdiri dari molekul- molekul polar atau group-group molekul dengan

momen dipol yang tetap dengan distribusi distribusi muatan yang tidak simetris.

 Kuat medan listrik awalnya memutar dan

mengarahkan distribusi dipol yang tak beraturan

(Polarisasi Dipole atau Polarisasi Orientasi).

Konstanta Dielektrik (ε r )

 Dalam hal berputarnya dipol pada polarisasi orientasi mendapat tentangan gaya balik yang besar dan dihambat oleh pergesekan, terjadilah rugi rugi polarisasi atau biasa disebut dengan Rugi-Rugi Dielektrik.

 Setiap jenis pergeseran pembawa muatan selalu menyebabkan pengaliran arus, yang dengan

demikian bahan isolasi dapat ditentukan tingkat konduktivitas listriknya.

 Polarisasi bahan isolasi listrik didalam

perhitungannya dilihat besaran konstanta dielektriknya ε r

23

Faktor Rugi Dielektrik d = tan δ (50 Hz, 20ºC), r

Kuat Medan Tembus Listrik E d berbagai bahan isolasi.

BAHAN ISOLASI KONSTANTA DIELEKTRIKA ε

_R

FAKTOR RUGI DIELEKTRIK 10

³

Tan δ

KUAT MEDAN TEMBUS LISTRIK E

_D

(kV/cm) Porselen 5 sampai 6,5 17 sampai 25 340 sampai 380 Stealit 5,5 sampai 6,5 2,5 sampai 3 200 sampai 300 Kertas Keras 4 sampai 7 20 sampai 100 300 sampai 600 Kertas

Impragnisasi 4 sampai 4,3 5 sampai 10 500 sampai 600

Epoxid Resin 2,8 sampai 5 3 sampai 10 200 sampai 400

Polyester Resin 3,8 sampai 5 3 sampai 50 200 sampai 290

Polyvinylchloride 2,3 sampai 2,4 50 sampai 80 150 sampai 190

Karet Keras 2,5 sampai 5 2 sampai 6 200 sampai 300

Minyak Mineral 2,2 sampai 2,6 - sampai 10 200 sampai 350

Chloplen 4,5 sampai 7 - sampai 2 150 sampai 250

Pengaruh Temperatur pada ε r

 Konstanta dielektrik ε r dari beberapa bahan isolasi teknik biasanya menaik dengan

kenaikan temperatur.

 Konstanta dielektrik ε r kecil

ketergantungannya terhadap frekuensi.

 Konstanta Dielektrik Epoxy Resin pada 50Hz ε r = 3,7 dan pada 1MHz ε r = 3,6.

25

Konstanta Dielektrik ε

_r

berbagai bahan isolasi sebagai fungsi temperatur δ.

1) Porselen; 2) dan 3) Kertas Keras; 4) Epoxy Resin; 5) Polyvinylchloride

Rugi-Rugi Dielektrik



Rugi-rugi dielektrik terjadi pada materi isolasi yang diletakkan antara elektroda bertegangan.



Disini selain mengalir arus kapasitif I

_C

juga mengalir arus riil I

_W

.



Rugi-rugi semacam ini, pertama diakibatkan adanya

konduktivitas diri g bahan isolasi yang sebenarnya sangat rendah (g~10

^-16

sampai10

^-10

S/cm)



dan terutama karena dibutuhkannya energi yang secara terus menerus diperlukan untuk polarisasi dipol dengan adanya

tegangan bolak balik

27

Rugi-Rugi Dielektrik

rangkaian pengganti kondensator C yang mengandung rugi rugi dielektrik yang paralel dengan tahanan riil R. Sudut antara arus total I dengan arus kapasitif I_C disebut sudut rugi dielektrik d.

Rugi-Rugi Dielektrik

29

Untuk tegangan sebesar U frekuensi w = 2Wf didapat

faktor rugi dielektrik

^:

dan rugi-rugi daya

Faktor Rugi Dielektrik tan δ Tergantung Temperatur ϑ 1)

Kertas Keras; 2) Porselen; 3) Gelas; 4) Isolasi Minyak yang

Bagus; 5) Menengah; 6) Rendah

Kabel yang digunakan biasanya terdiri dari satu, tiga atau empat inti (core).

Setiap core berupa konduktor metalik yang dilapisi oleh isolasi. Kabel akan

terlapisi keseluruhannya dengan sarung kabel.

Untuk kabel bawah tanah biasanya ditambahkan pelindung baja untuk melindungi secara mekanik.

Pada kabel multi core tegangan tinggi dan ekstra tegangan tinggi, setiap core akan dilapisi oleh lapisan (screen)

metallik.

KONSTRUKSI KABEL

PVC Insulated Power Cable Taiyang industry (China)

 Kabel biasanya menggunakan bahan

tembaga dan aluminium dengan tingkat kemurnian metal (>99.95%).

 Ketidak murnian akan menyebabkan turunnya sifat konduktif dari kabel.

 Konduktivitas aluminium hanya 60% dari konduktivitas tembaga.

KONDUKTOR

Karakteristik material isolator kabel yang harus dimiliki:

 Kuat dielektrik yang tinggi (high dielectric strength)

 Tahanan isolasi yang tinggi (high insulation resistance)

 Memiliki tahan panas yang rendah (sufficiently low thermal resistivity)

 Umur pakai yang lama

 Permitivity (ε

_r

) yang tinggi dan rugi-rugi tangen delta (tan δ) yang rendah

 Stabil secara kimia dalam rentang suhu yang besar

 Mudah dipabrikasi, mudah dipasang dan mudah ditangani

 Ekonomis

ISOLATOR

Material isolator untuk kabel tegangan tinggi secara umum diklasifikasikan atas:

 Impregnated paper

 Material sintetik

 Gas terkompresi

ISOLATOR

Hasil investigasi menyatakan belitan konduktor yang terjalin dapat meningkatkan medan listrik sebesar 20-30% dalam isolator kabel.

Untuk mengurangi efek tersebut maka lapisan konduktor dalam bentuk aluminium foil atau pita kertas karbon semikonduktor diputar mengelilingi belitan konduktor.

Dengan memberikan lapisan pelindung isolasi mengelilingi setiap core dari kabel multi core akan membatasi medan listrik.

SCREENING

Untuk menanggulangi stress mekanik yang dialami kabel maka pelapisan dengan baja diperlukan (armoring). Selubung PVC berada dibagian luar setelah selubung metal untuk memberikan bantalan mekanik dan isolasi kimia. Penggunaan selubung PVC untuk melindungi armoring adalah untuk melindungi armor dari korosi.

ARMORING

JENIS KABEL

PAPER-INSULATED CABLES

Kabel berikat tiga core (three-core belted cable) menggunakan impregnated paper di mana untuk setiap konduktor di isolasi untuk setengah dari besaran tegangan jaringan.

Isolasi ekstra digunakan sebagai sabuk pelindung keliling pada ketiga core untuk memberikan

isolasi yang cukup untuk menahan tegangan fasa antara setiap konduktor dan selubung.

http://coppercanada.ca

Isolasi kertas lebih lemah dibawah medan listrik tangensial daripada medan listrik radial. Oleh karena itu didalam kabel berikat ada

kecenderungan arus bocor mengalir sepanjang lapisan dibawah

komponen tangensial dari medan. Setelah itu akan timbul panas yang akhirnya dapat menimbulkan kerusakan (breakdown).

JENIS KABEL

PAPER-INSULATED CABLES

Komponen medan tangensial dalam sabuk berikat dapat di hilangkan dengan menggunakan kabel tipe- H.

Dalam kabel tipe-H, tidak ada isolasi sabuk. Screening core umumnya tipis dan fleksibel sehingga tidak ada daya disipasi banyak di dalamnya.

High Voltage Breakdown and Testing Professor J R LucasMay 2010

the new 110-kV-XLPE pipe-type cable http://www.nexans.de/eservice/Germany-en

JENIS KABEL

SYNTHETIC-INSULATED CABLES

Dua kelebihan kabel dengan isolasi plastik

1. Kekuatan selubung plastik untuk menahan masuknya kelembaban yang menyebabkan korosi.

2. Beratnya yang lebih ringan, mengurangi kemungkinan rusak saat instalasi dan pemberian warna pada selubung core yang memudahkan identifikasi.

Kabel yang diisi minyak diisolasi dengan kertas dan menggunakan minyak yang bertekanan 3 sampai dengan 4 atm. Tekanan minyak menghalangi terbentuknya void.

Karena itu lama waktu kekuatan dielektrik kabel dengan diisi minyak dan isolasi kertas adalah dua kali dari pada kabel dengan isolasi kertas saja.

Selain itu minyak juga akan bertindak sebagai pendingin kabel.

JENIS KABEL

OIL-INSULATED CABLES

http://coppercanada.ca

JENIS KABEL

OIL-INSULATED CABLES

http://coppercanada.ca

JENIS KABEL

GAS-INSULATED CABLES

http://www.yelp.com

Kabel yang diisi gas adalah jenis kabel dengan isolasi kertas tetapi diletakkan dalam pipa baja yang mengandung gas terkompresi, biasanya gas nitrogen dengan demikian isolasoi akan mengalami tekanan. Void yang mungkin terbentuk di isolasi kabel diisi dengan gas pada tekanan yang cukup untuk menekan ionisasi. Dengan pengisian gas diperkirakan tegangan kerja kabel akan naik menjadi dua kali dengan ukuran kabel yang sama. Gas juga bertindak sebagai pendingin dan pipa baja memberikan perlindungan mekanik pada kabel.

Electrical Consulting Engineers

SHEATH PHENOMENA

Arus AC yang mengalir sepanjang kabel akan menghasilkan medan magnet yang berubah terhadap waktu yang akan menghubungkan selubung metal dan menginduksikan gaya gerak listrik.

Ggl induksi sepanjang selubung kabel tiap core pada kabel single core akan menggerakkan arus jika selubung berikat satu dengan yang lainnya.

Besarnya tergantung pada arus yang mengalir di core,

frekuensi, dan pengaturan dan peletakan core serta

tahanan selubung (El-kadi, 1984).

RUGI-RUGI ARMOR

Proses armoring pada kabel dapat dianggap sebagai penambahan selubung metal dengan rugi-rugi yang terdapat didalamnya. Jika armoring adalah bahan magnetik tambahan rugi-rugi terhadap

histerisis magnetik akan ada. Dalam kabel single core, sering sekali besarnya rugi-rugi histerisis menjadi penghalang dari kegunaan

material armoring.

Dalam kabel single core tiga fasa rugi-rugi armor dibagi menjadi:

• Rugi-rugi karena arus eddy dalam armoring

• Rugi-rugi karena medan magnet yang dihasilkan arus pada

konduktor.

KONSTANTA KABEL

Resistansi konduktor

- Arus DC mengalir merata di luas penampang konduktor - Arus AC mengalir di permukaan kulit konduktor (skin effect) - Hal ini mengakibatkan Resistansi AC >> Resistansi DC

Kapasitansi Kabel

- Kapasitansi kabel akan menentukan arus pengisiian kabel.

- Arus pengisian kabel akan membuat daya hantar arus berkurang

Induktansi Kabel

Dibandingkan dengan overhead line, kabel bawah tanah lebih kecil nilai induktansinya. Induktansi kabel tiap fasa ditentukan oleh:

- Jumlah lapisan selubung metal yang diberikan

- Keberadaan armoring dan bahan pembentuknya

- Jarak kabel dengan konduktor lain

Kapasitansi kabel

Dimana:

- a adalah radius konduktor

- b adalah radius dalam dari selubung

- ε

₀

adalah permitivitas ruang hampa

- ε

_r

adalah relatif bahan isolasi kabel

MEDAN LISTRIK

DALAM ISOLASI KABEL

Dimana:

•V adalah tegangan

•A adalah radius konduktor

•B radius selubung

MEDAN LISTRIK

DALAM ISOLASI KABEL

Solusi untuk mengurangi ratio E

_max

/E

_av

.

1.Dengan menggunakan isolasi multilayer dengan layer terluar memiliki nilai ε

_r

yang lebih kecil.

2.Membagi isolasi kabel homogen dengan meletakkan selubung metalik.

Kedua saran telah diaplikasikan dan menemui kesulitan dalam praktek

baik dalam proses pabrikasi maupun dalam operasional.

KAPASITAS HANTAR ARUS DAN PANAS KABEL

Kapasiatas hantaran arus ditentukan sebagai arus maksimum yang dapat dibawa secara kontinu tanpa melewati batas suhu

isolasi yang diijinkan.

Sehingga besarnya arus pada sebuah kabel tergantung besarnya panas

yang timbul didalamnya dan disipasi disekitarnya. Sehingga pada gilirannya tergantung pada tahanan panas (thermal resistivity) kabel dan tanah

disekitarnya.

KAPASITAS HANTAR ARUS DAN PANAS KABEL

Rangkaian panas ekivalen pada kabel single core rugi-rugi daya konduktor

W_ctahanan panas isolasiG=I²R _d tahanan selubung G_b

tahanan serving G_ser tahanan tanah G_s

KAPASITAS HANTAR ARUS DAN PANAS KABEL

Suhu maksimum isolasi θ_c muncul pada permukaan konduktor. Panas dibangkitkan oleh rugi-rugi daya konduktor W_c=I²R yang mengalir melalui tahanan panas G_d

isolasi, tahanan selubung G_b, tahanan serving G_ser dan tahanan tanah G_s , yang mana suhu adalah θ_a. Rugi-rugi dielektrik W_d diasumsikan terkonsentrasi pada setengah dari keseluruhan isolasi. Rugi-rugi W_sh dan W_ar pada selubung dan armoring juga berkontribusi pada kenaikan suhu. λ_sh dan λ_a adalah rasio rugi-rugi selubung dan rugi-rugi armor terhadap rugi-rugi konduktor. Δθ_d = W_d((G_d/2)+G_b+G_ser+G_s)

Persamaan diatas tidak memasukkan perhitungan faktor koreksi untuk skin effect

PANAS TRANSIEN PADA KABEL

Panas transien akan timbul oleh:

• Short circuit. Semua panas yang timbul akan tersimpan dalam kabel batas suhu dapat mencapai 120⁰C.

• Siklus beban.

• Pembebanan darurat jangka pendek.

JOINTING AND TERMINATING

Karena proses pabrikasi, pengiriman dan instalasi yang terbatas makan kabel HV dibuat dalam jumlah yang terbatas panjangnya sehingga untuk penyambungan dilakukan pada di lapangan.

Ada empat buah metode dalam instalasi kabel:

• Sambung langsung dalam tanah. Kabel diletakkan dalam parit yang diisi dengan material yang memiliki tahanan panas yang lebih rendah

• Dalam saluran atau kanal yang biasanya terbuat dari beton

• Dalam saluran khusus atau dalam pipa. Mempunyai keunggulan bahwa kabel berikutnya bisa dipasang tanpa perlu penggalian

• Di udara dipasang dalam kanal

PENGENDALIAN TEKANAN (STRESS) DALAM KABEL

Ada dua metode yang mana pendistribusian seragam tekanan pada isolasi kabel dapat tercapai, dengan menggunakan interseath dan dengan menggunakan isolasi material yang berbeda nilai permitivitasnya.

PENGENDALIAN TEKANAN (STRESS) DALAM KABEL -INTERSEATH-

Jika interseath dengan radius r₁ dan r₂ dimasukkan

kedalam dielektrik dan dijaga pada tegangan V₁ dan V₂

Konduktor dan selubung memiliki radius a dan b.

Tekanan antar dua silinder metalik akan berbanding terbalik terhadap jarak dari titik axis. Sehingga tekanan (stress) pada titik dengan jarak r dari konduktor (a<r<r1): E₁=A₁/r

PENGENDALIAN TEKANAN (STRESS) DALAM KABEL

-CAPACITANCE GRADING-

Jika dielektrik kabel terdiri dari dua lapisan yang terbagi dengan jarak r1, permitivitas akan menjadi ε₁ dan ε₂. Tekanan pada lapisan dalam adalah E₁=A₂/(ε₁r) dan untuk lapisan terluar adalah E₂=A₂/(ε₂r)

sehingga besarnya E₁ dan E₂ adalah

ARTIFICIAL COOLING KABEL BAWAH TANAH

Untuk mengurangi resistansi termal bagian luar kabel digunAkan artificial cooling.

Metode ini memiliki dua bentuk:

• Internal cooling: dengan pemompaan air atau minyak isolasi sepanjang saluran kabel.

• External cooling:air di pompa melalui pipa plastik yang berada disebelah kabel.

MENEMUKAN LOKASI GANGGUAN PADA KABEL

Gangguan dalam kabel multi konduktor dapat dibagi berdasarkan kondisinya:

- Gangguan tanah resistansi tinggi atau rendah (high or low resistance eatrh fault) yang melibatkan satu atau lebih konduktor

- Gangguan rangkaian terbuka(open-circuit) dengan resistansi tinggi atau rendah pada rangkaian yang putus.

- Gangguan flashing (self-healing)

MENEMUKAN LOKASI GANGGUAN PADA KABEL

-METODE PULSA-

Pulsa tegangan dari sumber dapat digunakan antara konduktor yang mengalami gangguan dan selubung metal. Pulsa ini akan berjalan sepanjang kabel sampai pada titik gangguan dimana pulsa akan dipantulkan. Amplitudo dan polaritas dari pantulan tergantung pada resistansi titik gangguan.

Dengan menggunakan jejak pulsa pada osiloskop sinar katoda, waktu t_x yang

merupakan waktu perjalanan pulsa dari titik pengiriman sampai titik gangguan dan dipantulkan kembali. Dan mengetahui v, kecepatan perambatan gelombang

elektromagnetik sepanjang kabel, jarak X titik gangguan dapat dihitung.

KABEL SUPERKONDUKTOR

Material superkonduktor adalah material yang resistivitas elektriknya sangat kecil sekali atau bernilai nol dibawah suhu kritis T_C. Jika digunakan pada kabel maka superkonduktor berarti transmisi bebas rugi-rugi dengan daya sangat besar.

Suhu kritis T_C dan kuat medan magnet kritis H_C lebih rendah dari H₀ dihubungkan sebagai berikut:

Dimana g adalah sebuah konstanta. Persamaan diatas menyatakan bahwa kuat medan kritis H_c(T) pada suhu T lebih rendah daripada kuat medan kritis H₀.