Analisis Perbadingan Distribusi Medan Listrik Pada
advertisement
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2016) 1-6 1 Analisis Perbadingan Distribusi Medan Listrik Pada Isolator Berbahan Kaca dan Keramik Menggunakan Finite Element Method Lucky Andika Novario, I Made Yulistya Negara, dan R. Wahyudi Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected], [email protected], [email protected] Abstrak— Isolator adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan muatan listrik. Karena itu isolator digunakan sebagai pembatas antara bagian yang bertegangan dan yang tidak bertegangan. Isolator pin adalah salah satu jenisnya isolator yang digunakan pada tiang lurus (tangent pole) dan tiang sudut (angle pole) untuk sudut 5° sampai 30° dengan tiang besi sebagai penyangga. Pada tugas akhir ini akan dilakukan analisis perbandingan distribusi medan pada isolator pin yang berbahan gelas dan yang berbahan keramik. Metode yang digunakan adalah dengan menggunakan simulasi yang berbasis FEM (Finite Element Method).. Serta membandingkan kondisi isolator dalam keadaan normal dan keadaan mendapat ganggunan kontaminan air dan keretakan pada permukaan isolator. Kata Kunci : Isolator Pasak berbahan keramik dan kaca, Kontaminan I I. PENDAHULUAN solator listrik memiliki peranan penting dalam suatu sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik. Isolator berfungsi sebagai pembatas bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan dan menopang kawat penghantar terhadap gaya tarik terhadap tiang listrik [1]. Pada penggunaan sehari-harinya isolator tentu akan menumbulkan medan listrik. Perubahan nilai medan listrik pada isolator dapat mempengaruhi nilai arus bocor (leakage current) dan tegangan tembus (breakdown), Nedab kustruj dapat munul karena ada gaya (F) yang bertumbu pada suatu muatan listrik[3,5,6]. Perbedaan bahan pembentuknya tentu akan menimbulkan nilai medan yang berbeda pada masing-masing isolator tersebut. Untuk menganalis distribusi medan pada isolator akan digunakan metode yang bernama FEM (Finite Element Method). {2,5,8]. Pada kondisi di lapangan isolator tidak mungkin bersih tanpa ada kontaminan. Kontaminan tersebut tentu akan mempengaruhi distribusi medan listrik pada permukaan isolator tersebut. Jenis kontaminan yang ada bisa berupa air hujan, dan retakan pada permukaan yang dikarenakan tumbukan terhadap benda asing. [4,10] Pada studi kali ini, simulasi berbasis Finite Element Method (FEM) digunakan untuk menganalisa perbandingan distribusi medan listrik pada isolator pin berbahan porselin dan berbahan kaca.[7,8,9] Serta membandingkan kondisi medan listrik pada isolator ketika terdapat kontaminan seperti air hujan, serta gangguan fisik seperti retakan pada permukaan.[10] II. PENGERTIAN ISOLATOR LISTRIK DAN JENIS KONTAMINAN A. Jenis isolator Isolator yang digunakan pada tugas akhir ini adalah isolator pasak. Isolator pasak merupakan isolator yang digunakan pada saluran distribusi tegangan menengah dan diletakkan pada tiang lurus (tangent pole) dan tiang sudut (angle pole) untuk sudut 5° sampai 30°. Untuk kali ini digunakan bahan inti keramik dan kaca. B. Pembentukan Sudut Kontak Air Pada Permukaan Isolator Sudut kontak merupakan sudut yang terbentuk antara dua batas permukaan yaitu air dengan permukaan isolator. Sifat hydrophobic pada suatu permukaan isolator mempengaruhi besar sudut kontak air yang menempel di permukaan isolator. Besar sudut kontak air pada suatu permukaan dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu : 1. Basah keseluruhan Sudut kotak yang terbentuk antara butir air dengan permukaan isolator kurang dari 90 derajat. 2. Basah sebagian Sudut kotak yang terbentuk antara butir air dengan permukaan isolator pada sekitar 90 derajat. 3. Hampir tidak basah Sudut kotak yang terbentuk antara butir air dengan permukaan isolator pada lebih dari 90 derajat. > 90o 90o < 90o Gambar 1. Pembentukan sudut kontak permukaan isolator C. Keretakan Pada Permukaan Isolator Keretakan permukaan isolator dapat mempengatuhi nilai medan listrik. Beberapa hal yang dapat menyebakan keretakan pada isolator antara lain adalah kesalahan pada saat proses pembuatan, pengiriman, dan insatalasi, atau ada tumbukan dari luar. Keretakan ini dapat mengurangi kemampuan dielektrik dan kemampuan hydrophobic suatu isolator. Hal ini dapat mempengaruhi efektifitas kerja isolator. JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2016) 1-6 2 III. METODE PENGHITUNGAN MEDAN LISTRIK ISOLATOR PASAK A. Metode Element Hingga (FEM) Metode elemen hingga merupakan salah satu metode numerik yang sering digunakan untuk menyelesaikan permasalahan struktur, termal dan elektromagnetik. Dalam metode ini permasalahan diselesaikan dengan menggunakan pendekatan prinsip dasar proses diskretasi. Proses diskretisasi pada elemen hingga adalah proses pembagian pada pemodelan struktur objek dengan membaginya dalam elemen-elemen kecil yang jumlahnya tidak terbatas tergantung objek tersebut [1,2]. Elemen-elemen tersebut adalah bentuk mesh-mesh kecil yang terdapat pada obyek tersebut. Metode perhitungannya adalah menghitung mesh-mesh kecil yang nantinya digabung menjadi suatu bentuk yang lebih besar untuk digabungkan. Hasil yang didapatkan berasal dari nilai pendekatan yang kontinyu terhadap yang berhubungan antar bagian meshnya sehingga menjadi bentuk yang diharapkan[5,8]. B. Perhitungan Medan Listrik dan Energi pada Medan Listrik Medan listrik adalah daerah ini masih dipengaruhi oleh sifat kelistrikan dari suatu muatan. Medan listrik ini erat hubungannya dengan coulomb, dimana satuan dari medan listrik ini adalah N/C atau Newton/Coulomb. B. Penerapan Perhitungan Medan dengan Metode Elemen Hingga Dari persamaan Maxwell dapat kita ketahui bahwa nilai potensial listrik (V) memiliki hubungan dengan kerapatan flux listrik (D). Dari situ juga dapat diturunkan antara hubungan flux listrik (D) dengan kuat medan listrik (E). Sehingga didapat hubungan antara potensial listrik (V), flux listrik (D), medan listrik (E) dan gradien ∇ [2,3] ∇. π· = ππ£ (7) Hubungan D dan E, π· = π0 ππ πΈ dimana, π0 ππ = π (8) (9) Bila polarisasi dianggap nol, akan didapat persamaan berupa, ππ£ ∇. ∇π = − (10) π Keterangan : E = Intensitas Medan Listrik (V/m) V = Potensial Listrik (V) D = Kerapatan Fluks Listrik (C/m2) Dari persamaan (9) diatas didapatkan hasil bahwa nilai permitivitas bahan (ππ ) berpengaruh terhadap nilai intensitas medan listrik (E) Gambar 2. Medan listrik yang timbul dari titik satu ke titik lainnya Rumus matematika untuk medan listrik [2,3] merupakan penuruan dari hukum Coulomb π πΈ= π (1) 4ππ0 π 2 1π‘ Bila memiliki suatu nilai potensial listrik (V), maka medan listrik juga dapat dihitung menggunakan persamaan gradien potensial : ππ ππ ππ ∇π = π + π + π (2) ππ₯ π₯ ππ¦ π¦ ππ§ π§ Sehingga didapatkan nilai E : πΈ = −∇π (3) Medan listrik tentu memiliki muatan energi (WE) pada suatu muatan daerah [2] : 1 ππΈ = ∫ ππ£ πππ£ (4) 2 πππ Total energi (WE) pada medan listrik pada suatu volum v adalah : 1 ππΈ = ∫ π(πΈ)2 ππ£ (5) 2 π menggabungkan rumus (3) dan (5) didapatkan total energi (WE) : 1 ππΈ = ∫ π(∇π)2 ππ£ (6) 2 π Persamaan poisson (7) diatas memiliki nilai gradien yang dapat diuraikan menjadi persamaan laplace berikut : π2π π2π π2π ππ£ ∇2 π = ππ₯ + 2 ππ¦ + 2 ππ§ = − (11) 2 ππ₯ ππ¦ ππ§ π Persamaan laplace (11) bila dirumuskan dalam koordinat kartesius diumpakan nilai 0, dapat menjadi bentuk persamaan : π2π π2π π2π (12) ∇2 π = ππ₯ + 2 ππ¦ + 2 ππ§ = 0 2 ππ¦ ππ§ ππ₯ Dimana nilai ππ£ = 0 C. Perhitungan Medan dan Penyatuan Element Segitiga Inti dari metode elemen hingga adalah diskretisasi, yaitu pembentukan mesh elemen-elemen segitiga kecil dengan jumlah yang tak terbatas. Dengan mengetahui nilai potensial (V) pada satu elemen segitiga maka akan didapat nilai medan listrik pada permukaan isolator tersebut. Gambar 3.Pemodelan bentuk elemen segitiga JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2016) 1-6 3 Persamaan mencari energi pada medan elektrostatik untuk tiap elemen dapat didapatkan dari fungsi berikut: 1 π π π π ππ (13) ππΈ = 2 0 π Berikut metode penyatuan elemen-elemen segitiga yang telah terbentuk. E. Simulasi Pengaruh Kontaminan Air Pada Permukaan Untuk melihat pengaruh sudut kontak butiran air terhadap distribusi medan listrik maka akan dilakukan simulasi terhadap pengaruh sudut kontak butiran air terhadap distribusi medan listriknya pada sirip pertama isolator pasak. Gambar 4. Penggabungan dua elemen segitiga Gambar 6. Pemodelan sudut kontak 90π pada isolator pasak Dari penggabungan beberapa elemen didapatkan nilai energinya : 1 π π = π0 ππ ππππ πππππ 2 Dimana segitiga π = πΆ π ππππ πΆ tadi (14) Dimana pembentukkan besar sudut kontak butiran air berpengaruh terhadap nilai medan listrik pada pinggir butiran air. Hal ini disebabkan oleh dua faktor yaitu : 1. Sudut kontak pembentukkan butir air 2. Nilai epsilon antara air, udara di sekitar dan bahan isolator (15) Persamaan (18) dapat dijabarkan menjadi suatu matrik koefisien yang terhubung antar satu segitiga dengan yang lainnya. Matriks koefisiensi dari pengabungan dua element segitiga seperti pada gamba dibawah ini : π= π64 (1) (2) π22 + (1) π44 π32 (1) π54 [ π56 π45 (1) π23 (1) (1) (1) (2) π12 + π31 π65 π13 (2) π21 + π46 (1) (2) (1) π11 + π66 (2) (2) (1) π33 0 (1) 0 π55 ] (16) (2) D. Pemodelan Isolator Pasak Kedalam Bentuk Elemen Segitiga Pada simulasi berbasis FEM (Finite Element Method) ini perhitungan nilai medan listriknya menggunakan pemodelan elemen segitiga (Tetrahedral Mesh) pada isolator jenis ALP33-920 Gambar 7. Pengaruh sudut kontak dan nilai epsilon Dimana π merupakan nilai permitivitas bahan dan π merupakan sudut yang terbentuk dari persentuhan ketiga bahan antara air,udara dan bahan permukaan yang terkena butir air. Nilai medan listrik pada permukaan isolator dapat diketahui melalui [7]: ∞ πΈπ = ∑ a π ππ‘+π−1 Dan (17) π=0 ∞ πΈπ = ∑ bπ π π‘+π−1 (18) π=0 Nilai πΈπ dan πΈπ tergantung dari jarak π dan π, posisi dari persentuhan tiga titik, singularitas eksponen t dan factor a π dan bπ F. Simulasi Pengaruh Retak pada Permukaan Keretakan mampu mengakibatkan gangguan pada medan distribusi medan listrik pada isolator. Untuk melihat pengaruh dari keretakan pada isolator terhadap nilai medan listrik maka akan dilakukan pemodelan isolator yang memiliki lubang pada sirip pertama isolator. Sehingga dapat dianalisi mengenai pengaruh lubang terhadap medan listrik sirip pertama. Gambar 5. Pemodelan elemen segitiga pada isolator pasak JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2016) 1-6 Gambar 8. Pemodelan ke retakan pada permukaan isolator pasak IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISA DATA A. Perbandingan Medan Listrik Pada Isolator Keramik dan Kaca Nilai medan listrik antara isolator pasak berbahan keramik dan kaca. Nilai medan tertinggi keramik adalah 7.42 × 104 kV/m dan isolator berbahan kaca adalah 7.54 × 104 kV/ m. (a) (b) Gambar 9. Perbandingan medan listrik isolator keramik (a) dan kaca (b) 4 C. Perbandingan Medan Listrik Pada Sirip Pertama keadaan normal dan kontaminan air I,II dan III Berikut merupakan perbandingan medan listrik dilihat dari penarikan garis biru sebagai bagian yang dihitung. Dimana tiap kondisi mengalami perbedaan. Dapat dilihat dari hasil kurva bahwa besar sudut kontak butrian air memiliki pengaruh terhahadap nilai medan listrik pada permukaan isolator. Dimana semakin kecil sudut kontak nilai medan listrik makin besar. Dan nilai medan listrik pada ujung isolator makin besar dikarenakan terjadi penumpukan medan listrik pada satu titik yaitu ujung isolator tersebut. Gambar 11. Perbandingan medan listrik pada sirip isolator B. Perbandingan Medan Listrik Pada Badan Isolator Keramik dan Kaca Nilai awal keramik sebesar 2,11 × 102 kV/m sedangkan kaca 1,92 × 102 kV/m dan mengalami penurunan secara berkala sampai di titik terbawahnya yaitu sebesar 0,47 × 102 kV/m untuk keramik dan 0,378 × 102 kV/m untuk kaca. Gambar 10. Perbandingan medan listrik pada badan isolator Gambar 11. Perbandingan medan listrik pada sirip isolator kontaminan I JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2016) 1-6 5 ketika berada di daerah keretakan sebesar 3,11 × 102 kV/m, sedangkan pada bahan kaca pada titik teratas adalah sebesar 2,70 × 102 kV/m, dan naik pada bagian keretakan sebesar 3,02 × 102 kV/m, dan pada ujung sirip 4, 66 × 102 kV/m pada bahan keramik dan sebesar 3,57 × 102 kV/m pada bahan kaca. Gambar 12. Perbandingan medan listrik pada sirip isolator kontaminan II Gambar 14. Perbandingan medan listrik pada sirip isolator dengan keretakan E. Perbandingan Pengaruh Keretakan Pada Sirip Pertama Keramik dan Kaca Terhadap Medan Listrik Pada Sirip Lainnya kondisi normal keramik adalah sebesar 1,06× 102 kV/m sedangkan pada saat terjadi kertakan sebesar 1,11 × 102 kV/ m. Sedangkan bahan kaca pada kondisi normal nilai medan listrik di sirip pertama adalah sebesar 0,972× 102 kV/m, sedangkan pada saat terjadi kertakan sebesar1,08 × 102 kV/m. Gambar 13. Perbandingan medan listrik pada sirip isolator kontaminan III D. Perbandingan Pengaruh Keretakan Terhadap Medan Listrik Pada Sirip Pertama Isolator Keramik dan Kaca Berikut merupakan perbandingan medan listrik dilihat dari penarikan garis biru sebagai bagian yang dihitung. Untuk bahan keramik nilai awalnya 2,75 × 102 kV/m, tetapi naik Gambar 15. Perbandingan medan listrik antar sirip retak F. Perbandingan Pengaruh Keretakan Pada Sirip Pertama Keramik dan Kaca Secara Melingkar Terhadap Medan Listrik JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2016) 1-6 Nilai kurva medan listrik bahan keramik pada ujung sirip isolator kondisi normal sebesar 8,64× 102 kV/m, sedangkan pada kondisi retak sebesar 9,02× 102 kV/m. Sedangkan kurva medan listrik bahan kaca pada ujung sirip isolator kondisi normal sebesar 6,14 × 102 kV/m, sedangkan pada kondisi retak sebesar 6,66× 102 kV/m. 6 [5] Yusrizal Afif, “Analisis Distribusi Medan Listrik Pada Isolator Gantung Bahan Polimer Menggunakan Finite Element Method”, Institut Teknologi Sepuluh November, 2014 [6] I Made Yulistya Negara, “Teknik Tegangan Tinggi Prinsip dan Aplikasi Praktis”, Graha Ilmu, 2013 [7] Vassiliki T. Kontargyri, Ioannis F. Gonos, Ioannis A. Stathopoulos, and Alex M.Michaelides, “Simulation of the Electric Field on High Voltage Insulators using the Finite Element Method”, IEEE 2006. [8] Dr.M.Padma Lalitha, K.Venkata Pavan Kumar, and Venkatesu Samala, “Design and Simulation of Voltage and Electric Field Distribution on Disc Insulators Using Finite Element Method in Opera Software”, IEEE 2014. [9] Taklaja, P., Kiitam, I., Niitsoo, J., Kluss, J., Hyvonen, P., “Electric Field Distribution in Glass and Porcelain Pin Insulators”, IEEE 2015 [10] S. Feier-Iova and V. Hinrichsen,” Predicition of Partial Discharges At Water Drops On Insulating Surface Stressed by Electrical Field”, 2009 SAIEE RIWAYAT HIDUP Gambar 16. Perbandingan medan listrik pada sirip isolator yang retak secara melingkar V. KESIMPULAN Perbandingan nilai medan listrik pada bahan keramik dan kaca didaptkan perbedaan karena nilai permitivitas antara kedua bahan yang berbeda yang mempengaruhi kerapat flux. Dimana nilai permitivitas keramik lebih tinggi daripada kaca sehingga menghasilkan nilai medan listrik yang lebih besar. Pembentukkan sudut air pada permukaan sirip isolator memiliki pengaruh terhadap nilai medan listrik. Hal ini disebabkan oleh besar sudut yang terbentuk oleh butiran air dan perbedaan yang cukup besar antara nilai permitivitas bahan dengan nilai permitivitas air. Pada keretakan nilai medannya turun karena nilai permitivitas udara lebih kecil daripada bahan, tetapi pada bagian yang bersudut nilainya naik karean medannya terkumpul DAFTAR PUSTAKA [1] Ravindra Arora and Wolfgang Mosch, “High Voltage and Electrical Insulation Engineering”, Wiley-IEEE Press, August 2011 [2] Saiful Azmi, “Penggunaan FEM (Finite Element Method) Dalam Memetakan Medan Listrik pada Permukaan Isolator Jenis Pin dan Post 20KV dan Udara Disekitarnya”, Universitas Diponegoro, Semarang, 2011 [3] Hayt William H. And John A. Buck, “Elektromagnetika Edisi Ketujuh”, Penerbit Erlangga, Januari 2006. [4] N.A. Othman,* M.A.M. Piah, Z. Adzis, H. Ahmad, N.A. Ahmad, “Simulation of Voltage and Electric-Field Distribution for contaminated Glass Insulator”, IEEE December 2013 Lucky Andika Novario, lahir di Bandung, 8 November 1992. Merupakan anak pertama dari pasangan Indra Tjahyono dan Dyah Kushindarti. Riwayat pendidikan penulis yaitu, SDK Yahya Bandung (1999-2001), lalu melanjutkan di SDK Cor Jesu Malang (2001-2005), melanjutkan studinya di SMPN 3 Malang dan lulus pada tahun 2008. Kemudian melanjutkan di SMAN 3 Malang dan lulus pada tahun 2011. Kemudian melanjutkan pendidikan di Jurusan Teknik Elektro di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada tahun 2011. Selama kuliah, penulis aktif di organisasi Himpunan Mahasiswa Elektro sebagai Kepala Departemen dari Departemen Lingkar Kampus. Selain aktif di organisasi, penulis juga menjadi koordinator asisten dan menjadi trainer di Laboratorium Tegangan Tinggi Elektro ITS. Penulis mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga dan fokus pada riset mengenai dsitribusi medan isolator jaringan. Penulis dapat dihubungi melalui email : [email protected]
