bab iii pemakaian gas sf6 dan hampa udara pada pemutus tenaga

BAB III
PEMAKAIAN GAS SF6 DAN HAMPA UDARA PADA
PEMUTUS TENAGA JARINGAN TEGANGAN MENENGAH
3.1 Pemutus Tenaga Sulfur Hexafluoride (SF6)
Penggunaan gas SF6 sebagai media di dalam pemutus tenaga, karena gas
ini sangat stabil terhadap perubahan temperatur dan tidak ada tanda-tanda
perubahan secara kimiawi. Fungsi gas SF6 yang digunakan pada pemutus tenaga
tegangan menengah ini adalah sebagai pemadam busur api listrik dan sebagai
isolasi antara bagian-bagian yang bertegangan dan bagian yang bertegangan
dengan badan.
3.1.1 Sifat-sifat dari Gas SF6
Gas SF6 mempunyai beberapa sifat, yaitu :
a. Sifat-sifat fisik
b. Sifat-sifat dielektrik
c. Sifat-sifat kimiawi
17
3.1.1.1 Sifat-sifat Fisik
SF6 yang murni adalah tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun dan
tidak mudah tercampur. Berat jenis SF6 pada temperatur 200C dan pada tekanan
760 mmHg adalah 6,135 kg/m3. Jika dibandingkan dengan berat jenis udara
adalah lima kalinya.
Gas ini akan mencair pada temperatur yang rendah, temperatur pencairan
bergantung pada tekanan yang diberikan. Pada temperatur 100C dan tekanan 15
atm, gas akan mencair. Jika tekanan gas ini tinggi, temperatur pencairan tinggi.
Biadanya tekanan yang digunakan pada pemutus tenaga tegangan
menengah adalah 7 bar (kopling galvanic/cm2). Dengan tekanan sebesar itu,
kekuatan dielektrik menjadi besar sehingga dapat menahan tegangan transien yang
terjadi pada waktu pembukaan kontak-kontaknya, seperti yang dijelaskan pada
gambar 3.1.
Gambar 3.1 Kurva tekanan uap dari SF6
18
3.1.1.2 Sifat-sifat Dielektrik SF6
Kekuatan dielektrik dari SF6 diperlihatkan pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Grafik kekuatan dielektrik SF6
Pada gambar 3.2, dapat direpresentasikan yaitu : kekuatan dielektrik SF6
adalah 5 kali kekuatan dielektrik udara pada tekanan beberapa atmosphere.
Kekuatan dielektrik unsur gas ini akan bertambah besar menurut tekanannya.
3.1.1.3 Sifat-sifat Kimiawi SF6
Di dalam sebuah molekul SF6, atom sulfurnya terdapat pada daerah
valensi tertinggi dari daerah valensi molekulnya. Sedangkan keenam ikatan
molekulnya ialah kovalen, yang mana ini merupakan kelebihan dari molekul ini
yang stabil. Susunan molekul dari SF6 merupakan bidang delapan yang pada
keenam sudutnya ditempati atom fluoride.
19
SF6 adalah gas yang tidak mempunyai sifat kimia yang aktif sampai di atas
1500C dan tidak akan merusak logam, plastik dan bahan lain yang biasa
digunakan pada komponen pemutus tenaga. Hal ini dapat dibuktikan dengan
memanaskan gas tersebut sampai 5000C tanpa terjadi penguraian. Pada temperatur
tinggi yang disebabkan oleh busur api listrik, gas akan terurai dalam beberapa
unsur, yaitu SF2 dan SF4 dalam jumlah yang kecil dan unsur-unsur S2, F2, S, F.
Bila unsur SF2 ini bereaksi dengan air, akan membentuk unsur hydrogen fluoride
yang mempunyai sifat korosif terhadap porcelain.
Semua unsur yang terurai akan berkombinasi kembali menjadi unsur SF6
seperti semula setelah temperaturnya turun. Unsur SF6 yang murni terdiri dari
21,95% sulfur dan 78,05% fluoride.
Atom fluoride mempunyai sifat elektronegatif, dan ini berfungsi untuk
menangkap elektron bebas ke bentuk muatan ion yang negatif, yang tidak dapat
digunakan sebagai pembawa arus. Sifat elektronegatif ini menyebabkan waktu
pembusuran pendek, kekuatan dielektrik dengan cepat dapat terbentuk.
Pada gambar 3.3 diberikan bentuk struktur molekul unsur SF6.
Gambar 3.3 Struktur molekul unsur SF6
20
Pada gambar 3.3 dapat direpresentasikan, yaitu : kestabilan yang tinggi
dari gas ini disebabkan enam ikatan kovalen dari molekul-molekulnya. Di
samping itu, ikatan ini berada diantara atom sulfur, sedangkan enam atom fluoride
membentuk suatu bangun octahedron.
Karena unsur SF6 tidak mempunyai sifat kimia yang aktif, maka akan
sangat menguntungkan bila dipakai pada pemutus tenaga tegangan menengah.
Bagian-bagian logam dan kontak-kontak yang dialiri arus dalam unsur SF6 tidak
akan rusak.
3.2 Bagian-bagian Utama Pemutus Tenaga SF6
Bagian-bagian utama dari pemutus tenaga SF6, adalah sebagai berikut :
a. Ruang pemutus tenaga SF6, berupa ruangan yang diselubungi oleh
porcelain dan dalam ruangan ini terdapat :
•
Kontak-kontak
•
Silinder
bergerak/silinder
penghembus
(moving
cylinder/blast
cylinder)
•
Torak tetap (fixed piston), ruangan pemutus tenaga ini terletak di atas
bagian penyangga. Setiap kutub dapat terdiri atas satu ruangan
pemutus tenaga. Fungsi kapasitor pada pemutus tenaga dengan media
gas SF6 adalah untuk mendapatkan pembagian tegangan (voltage
distribution) yang sama pada setiap celah kontak, sehingga kapasitas
pemutusan (breaking capacity) pada setiap celah adalah sama
besarnya.
21
b. Kontak-kontak, terdiri atas kontak tetap (fixed contact) dan kontak
bergerak (moving contact). Dapat dijelaskan pada gambar 3.4.
Keterangan gambar : 1. Isolator, 2. Bagian penyangga kontak tetap, 3. Jari-jari kontak tetap, 4.
Terminal atas, 5. Piston tetap, 6. Kontak busur bawah, 7. Batang penggerak, 8. Tabung kontak
bergerak, 9. Silinder bergerak, 10. Jari-jari kontak bergerak, 11. Kontak busur bergerak, 12.
Noozle dari bahan isolasi, 13. Isolator penyangga, 14. Terminal bawah
Gambar 3.4 Kontak-kontak pemutus tenaga gas SF6
c. Pengatur busur api listrik, pada pemutus tenaga dengan media gas SF6 ini
prinsip kerjanya adalah seperti terlihat pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Prinsip kerja pengatur busur api listrik
22
Prinsip kerja pengatur busur api dapat dijelaskan, yaitu : (a) proses
penutupan, yaitu : tabung kontak bergerak yang berhubungan dengan
kontak tetap bawah, begerak ke arah bagian-bagian kontak tetap atas.
Sehingga kontak tetap dan kontak bergerak akan terhubung yang
merupakan penghubung arus dari terminal atas ke terminal bawah, (b)
proses pembukaan, yaitu : tabung kontak begerak yang berhubungan
dengan kontak tetap bawah meninggalkan kontak tetap atas. Pertamatama, silinder bergerak akan terpisah dengan jari-jari kontak tetap.
Kemudian jari-jari busur akan terpisah dengan batang-batang busur, (c)
pada saat ujung busur terpisah dengan batang-batang busur akan terjadi
loncatan, busur api segera dipadamkan oleh hembusan gas SF6, (d) untuk
membuka dan menutup dari pemutus tenaga adalah dengan menaikkan dan
menurunkan posisi dari kontak bergerak yang terhubung pada batang
penggerak yang digerakkan oleh mekanis penggerak.
d. Bagian penyangga, terbuat dari porcelain, dipasang vertikal pada rangka
tangki dan berfungsi sebagai penyangga dari ruangan pemutus tenaga.
Dalam bagian ini terdapat batang penggerak dari bahan isolasi dari
mekanis penggerak pemutus tenaga. Sedangkan gas SF6 di dalam bagian
penyangga berfungsi untuk mengisolasi antara bagian-bagian yang
bertegangan dan bagian yang bertegangan dengan badan.
e. Mekanis penggerak, mekanis penggerak berfungsi untuk menggerakkan
kontak bergerak, sebagai media untuk pemutusan dan penutupan dari
pemutus tenaga.
23
Pemutusan dan penutupan oleh mekanis penggerak dapat secara :
a. Mekanis
b. Pneumatic
c. Hidrolis
d. Elektris
Pemilihan mekanis penggerak ini tergantung pada perencanaan
pemutus tenaga dan letak pengoperasiannya.
3.3 Pemakaian Pemutus Tenaga SF6 Pada Peralatan Hubung
Hal utama yang penting dari pemutus tenaga ini di dalam pemakaiannya
pada peralatan hubung jaringan tegangan menengah, yaitu :
a. Instalasinya yang mudah
b. Perawatan yang tidak rumit
c. Pada operasi mekanis, kekuatan dan daya tahan dapat mencapai lebih dari
30 tahun
d. Operasi optimum yang aman
Kontak-kontak pemutus tenaga media SF6 tidak memerlukan perawatan,
karena kontak-kontak tertutup rapat dalam tabung. Pemutus tenaga ini diperlukan
penggantian jika telah memutuskan arus hubung singkat yang besar sebanyak 10
kali.
Permukaan elektroda kontak-kontak pemutus tenaga media SF6 harus
halus, agar proses ionisasinya merata. Dengan permukaan elektroda yang kasar
akan mempengaruhi tegangan breakdown.
24
Gas SF6 bersifat elektronegatif, yang membuat pemutus tenaga dengan
media ini sangat ideal, yaitu :
a. Pada panas yang tinggi yang dihasilkan oleh busur api terjadi
penghamburan gas yang sangat cepat.
b. Terjadi penggabungan kapasitansi kekuatan dielektrik yang sangat cepat
antar kontak secara spontan.
Pada gambar 3.6 diberikan grafik tegangan breakdown antara dua
elektroda dengan jarak 1 cm sebagai fungsi pemutus tekanan absolut.
Gambar 3.6 Grafik tegangan breakdown dua elektroda
25
Dari gambar 3.6 terlihat bahwa tegangan breakdown akan bertambah
sesuai dengan bertambahnya tekanan.
Pada tabel 3.1 diberikan karakteristik listrik pemutus tenaga SF6 yang
dipergunakan pada panel tegangan menengah.
Tabel 3.1 Karakteristik listrik pemutus tenaga SF6 pada panel tegangan menengah
Tegangan
24 kv
Arus
630 A
Luas penampang
78,54 mm2
Massa material
0,699 kg / m
Tahanan panas
100
mm2 / km
Spesifik heat
40 cal / gr / detik
Panjang konduktor
0,5 km
Arus gangguan ( I2 )
325 A
Temperatur tertinggi
500C
Temperatur tertinggi pada material
400C
Panas yang diberikan pada bahan kontak
300C
Panas yang ditimbulkan
200C
3.4 Pemutus Tenaga Hampa Udara (Vacuum)
Berbeda dengan pemutus tenaga lain, pemutus tenaga hampa ini tidak
menggunakan media seperti cairan atau gas. Di dalam pemutus tenaga hampa
udara ini terdapat suatu wadah dengan kehampaan yang tinggi (+ 10-7 mmHg).
Elemen-elemen kontak dibuka dan ditutup dari luar. Karena ruang yang hampa
sekali mempunyai daya isolasi yang sangat tinggi, gerakan elemen kontak sangat
kecil.
Pada umumnya pemutus tenaga media hampa yang digunakan pada
tegangan menengah/distribusi ini mempunyai penampilan yang kompak dan
ringan, waktu hidupnya panjang, operasinya aman dan bebas pencemaran.
26
Bentuk yang kompak dari pemutus tenaga membuat ukuran panel hubung
diperkecil dan mengurangi ruang instalasinya. Bentuk yang ringan dari pemutus
tenaga membuat lebih mudah untuk ditempatkan pada panel (cubicle).
Waktu hidup dari kontak pemutus tenaga adalah panjang, dan penggantian
dari pemutus tenaga hampa udara jarang dilakukan.
Pada waktu pengoperasian, suara yang terdengar sangat rendah. Tidak
perlu takut adanya bahaya ledakan dan api. Operasi mekanis dari pemutus tenaga
terlindungi dari debu dan kotoran, karena tertutup oleh rumah dari bahan pelat
baja.
Pada gambar 3.7 dijelaskan konstruksi dari pemutus tenaga hampa udara.
Keterangan gambar : 1. Plat-plat penahan, 2. Rumah pemutus dari bahan isolasi, 3. Pelindung
kondensasi uap, 4. Kontak bergerak, 5. Kontak tetap, 6. Penahan fleksibel dari bahan logam,
7. Pelindung penahan fleksibel, 8. Ujung kontak
Gambar 3.7 Pemutus tenaga hampa udara
27
Pemutus tenaga hampa udara dikenal memiliki dua hal penting, yaitu :
a. Kekuatan isolasi yang tinggi
b. Kecepatan pemadaman busur api yang tinggi
Ketika rangkaian arus bolak-balik terbuka oleh pemisahan kontak-kontak
di dalam hampa udara (gambar 3.7), pemutusan terjadi pada arus nol yang
pertama dengan kekuatan dielektrik melalui kontak-kontak dengan kecepatan
ribuan kali lebih tinggi daripada media yang digunakan pada pemutus tenaga
konvensional. Hal ini membuat pemutus hampa udara ini lebih efisien, lebih kecil,
dan lebih murah. Waktu hidup pemutus tenaga ini juga lebih panjang
dibandingkan pemutus tenaga konvensional dan tidak diperlukan perawatan.
Pemutus tenaga hampa ini adalah tipe kedap udara (hermentically sealed),
sehingga tidak memasukkan udara luar.
Dengan sepasang kontak-kontak, yang satu bergerak dan yang satunya
diam. Gerakan diatur dari sistem mekanis luar yang dihubungkan dengan kontak
bergerak pemutus tenaga hampa udara.
Ketika kontak tertutup, rangkaian akan bekerja. Ketika kontak terpisah,
busur api listrik akan terbentuk. Busur api akan diikuti dengan uap yang berasal
dari katoda. Partikel uap ini di dalam ruang hampa udara akan dikondensasikan ke
dalam pelindung (metal vapor condensing shield).
Busur api akan padam dengan sendirinya karena tidak ada zat antara
(kehampaan yang tinggi) dalam tabung pemutus tenaga.
Pada arus nol dari gelombang arus bolak-balik, kebanyakan partikel uap
telah dikondensasikan dan kekuatan dielektrik hampa udara kembali seperti
semula. Permasalahan pada pemutus tenaga hampa udara ini adalah pada bahan
kontak-kontak pemutusnya.
28
3.4.1 Bahan-bahan Kontak
Hal terpenting pada pemutus tenaga hampa udara adalah pemilihan dari
bahan kontak. Bahan kontak pemutus tenaga hampa udara ini harus memenuhi
beberapa syarat tertentu, yaitu :
a. Konduktivitas listrik yang tinggi, baik untuk dapat membawa arus beban
b. Konduktivitas panas yang baik untuk menghamburkan panas yang tinggi
dengan cepat selama terjadinya pembusuran.
c. Kerapatan (density) yang tinggi
d. Titik didih yang tinggi untuk mengurangi pengikisan yang disebabkan
oleh busur api
e. Tingkat chopping arus yang rendah, ini diperlukan untuk mencegah
tegangan lebih bilamana terjadi pemutusan arus induktif yang kecil.
Bahan yang mempunyai titik lebur dan titik didih tinggi mempunyai
tekanan uap yang rendah pada temperatur yang tinggi, tetapi sebagai konduktor
yang jelek. Untuk itu dibutuhkan bahan yang dapat memenuhi kriteria di atas.
Karena itu, untuk mendapatkan penggabungan bahan yang berlawanan
dalam satu bahan, harus dikombinasikan dari dua atau lebih logam dan bahan non
logam. Copper, bismuth, copper tellurium, copper thalium, silver bismuth, silver
tellurium adalah beberapa contohnya.
Biasanya bahan campuran yang digunakan pada kontak-kontak pemutus
tenaga hampa adalah dari bahan copper bismuth dan copper chromium. Keandalan
pemutus tenaga akan berkurang jika dalam pemutus terdapat gas.
Jika terdapat gas dalam ruangan pemutus tenaga akan terjadi ionisasi yang
lebih banyak karena benturan partikel dengan atom dan molekul.
29
Pada gambar 3.8 diberikan grafik dari beberapa campuran logam.
Gambar 3.8 Waktu hidup busur rata-rata dengan arus dari campuran logam
3.4.2 Konstruksi Dari Kontak Hampa Udara
Pemutus tenaga hampa udara adalah peralatan yang sangat sederhana
seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.7. Dua buah kontak terdapat di dalam
tabung yang berisi hampa udara.
Kontak satu diam dan kontak satunya bergerak dengan jarak yang pendek.
Pelindung logam yang mengelilingi kontak dan melindungi isolasi tabung.
Konstruksi hampa udara ini terdiri dari dua bagian, yaitu :
a. Ruangan/kamar (chamber)
b. Operasi mekanis
30
3.4.2.1 Kamar (chamber) Hampa Udara
Terbuat dari bahan sintetik seperti urathane foam yang tertutup bahan
fibre glass atau porcelain. Di dalam chamber terdapat dua buah kontak dan
fleksibel logam. Fleksibel logam, umumnya terbuat dari baja yang digunakan
untuk penghembus gerakan batang kontak gerak yang dihubungkan dengan
mekanis penggerak luar.
3.4.2.2 Operasi Mekanis
Pada umumnya pemutus tenaga ini menggunakan mekanis penggerak
untuk menggerakkan kontak gerak yang terdapat dalam tabung. Mekanis
penggerak ini terdapat di luar tabung yang dihubungkan dengan kontak gerak.
Operasi mekanis umumnya menggunakan sistem pegas.
Pada umumnya operasi mekanis dikenal dalam dua macam, yaitu operasi
solenoid dan operasi mekanis spring. Kedua metode tersebut adalah :
a. Tipe solenoid, pada operasi penutupan, dilakukan dengan menggunakan
gaya tarik dari listrik magnet.
b. Tipe motor spring (pegas), ada operasi penutupan dengan menggunakan
energi yang tersimpan dalam sebuah pegas pengisian oleh motor listrik.
3.5 Pemakaian Pemutus Tenaga Hampa Udara Pada Peralatan Hubung
Pemutus tenaga hampa udara mempunyai waktu hidup yang panjang,
operasinya aman, bentuknya yang kompak dan ringan serta bebas dari
pencemaran.
31
Penggantian dari pemutus tenaga hampa udara jarang dilakukan. Pada
waktu pengoperasian, suara yang terdengar sangat rendah. Tidak perlu takut
adanya bahaya ledakan dan api.
Di bawah ini akan ditunjukkan dua buah gambar, diantaranya gambar 3.9,
adalah contoh potongan media hampa udara dan pada gambar 3.10 menjelaskan
kuat jatuh (breakdown strength) dari variasi beberapa bahan isolasi.
Gambar 3.9 Potongan pemutus tenaga hampa udara
32
Gambar 3.10 Tegangan breakdown
Karakteristik listrik pemutus tenaga hampa udara yang digunakan pada
panel tegangan menengah, dijelaskan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2 Karakteristik listrik pemutus tenaga hampa udara pada panel tegangan
menengah
Tegangan
24 kv
Arus
1250 A
Massa material
1,330 kg / m
Luas penampang
706,9 mm2
Tahanan panas
100
mm2 / km
Spesifik heat
40 cal / gr / detik
Panjang konduktor
0,5 km
Arus gangguan ( I2 )
325 A
Temperatur tertinggi
500C
Temperatur tertinggi pada material
400C
Panas yang diberikan pada bahan kontak
300C
Panas yang ditimbulkan
200C
33
3.6 Perhitungan Short Time Current Pada Pemutus Tenaga Saluran
Tegangan Menengah
Persamaan untuk menghitung temperatur rise dari material, adalah [2] :
θ = θ 2 − θ1
(3.1)
Dan, persamaan untuk menghitung tahanan konduktor atau kontak adalah
sebagai berikut [2] :
R=ρ .
l
A
(3.2)
Dimana :
ρ = tahanan spesifik
l
= panjang konduktor
A = luas penampang
Dan persamaan untuk menghitung efisiensi thermis, adalah [3] :
n=
Panas yang diberikan pada bahan kontak
panas yang ditimbulkan
(3.3)
Bila dimisalkan :
M = masa dari material yang dipanaskan oleh arus
S
= spesifik heat dari material kontak (cal / gr / detik)
θ = temperatur rise dari material
n
= efisiensi thermis
maka [3] :
M θ S = 0,24. I 2 . R. t. n
(3.4)
Jadi, apabila diketahui M, θ, S, R, n dan t = 1 detik, maka besarnya I (short
time current test) dapat ditentukan, yaitu [3] :
I=
M θ S
(3.5)
0,24. R.t.n
34
3.7 Perhitungan Waktu Hubung Singkat
Lamanya waktu hubung singkat, adalah [2] :
t=
K 2 A2
I2
(3.6)
Dimana :
t
= lamanya hubung singkat (detik)
K = konstanta (0,0113)
A = luas penampang (mm2)
I
= harga dari arus hubung singkat (ampere)
3.8 Perhitungan Jumlah Angka Pemutusan (Number of Switching)
Jumlah angka pemutusan (number of switching) n, adalah sekian kali PMT
membuka atau memutus arus. Pada saat terjadi pemutusan arus beban atau
manipulasi jaringan n adalah l, tetapi bila pembukaan pemutus tenaga disebabkan
karena arus gangguan (lebih besar dari arus nominal) pemutus tenaga, maka n ≠ l.
Tetapi dinyatakan n1 (n Ekivalen) dan besarnya tergantung pada arus gangguan,
dan dinyatakan dengan rumus [3] :
I
n = 300 2
I1
1, 5
1
(3.7)
Dimana :
I1 = arus kapasitas pemutusan (breaking capacity)
I2 = arus gangguan
I2 atau arus gangguan daoat diukur pada gardu-gardu distribusi yang
dilengkapi dengan alat antara lain oscillopertubograph.
35
3.9 Perhitungan Daya
Untuk perhitungan daya yang dapat disalurkan melalu pemutus tenaga,
digunakan persamaan [1] :
P =
(3.8)
3 .V. I
Dimana :
P = daya yang disalurkan (KVA)
V = tegangan nominal (volt)
I
= arus nominal (ampere)
36