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]
∇.  = 
(7)
Hubungan D dan E,
 = 0  
dimana,
0  = 
(8)
(9)
Bila polarisasi dianggap nol, akan didapat persamaan berupa,

∇. ∇ = −
(10)

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 ( ) 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

=

(1)
40 2 1
Bila memiliki suatu nilai potensial listrik (V), maka medan
listrik juga dapat dihitung menggunakan persamaan gradien
potensial :



∇ =
 +
 +

(2)
     
Sehingga didapatkan nilai E :
 = −∇
(3)
Medan listrik tentu memiliki muatan energi (WE) pada suatu
muatan daerah [2] :
1
 = ∫  
(4)
2 
Total energi (WE) pada medan listrik pada suatu volum v adalah
:
1
 = ∫ ()2 
(5)
2 
menggabungkan rumus (3) dan (5) didapatkan total energi (WE)
:
1
 = ∫ (∇)2 
(6)
2 
Persamaan poisson (7) diatas memiliki nilai gradien yang dapat
diuraikan menjadi persamaan laplace berikut :
2
2
2

∇2  =
 + 2  + 2  = −
(11)
2




Persamaan laplace (11) bila dirumuskan dalam koordinat
kartesius diumpakan nilai 0, dapat menjadi bentuk persamaan :
2
2
2
(12)
∇2  =
 + 2  + 2  = 0
2



Dimana nilai  = 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
    
(13)
 =
2 0 
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 90 pada isolator pasak
Dari penggabungan beberapa elemen
didapatkan nilai energinya :
1

 = 0  

2
Dimana
segitiga
 =    
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 :
=
64
(1)
(2)
22 +
(1)
44
32
(1)
54
[ 56
45
(1)
23
(1)
(1)
(1)
(2)
12 +
31
65
13
(2)
21 + 46
(1)
(2)
(1)
11 + 66
(2)
(2)
(1)
33
0
(1)
0
55 ]
(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  merupakan nilai permitivitas bahan dan 
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]:
∞
 = ∑ a  +−1
Dan
(17)
=0
∞
 = ∑ b  +−1
(18)
=0
Nilai  dan  tergantung dari jarak  dan , posisi dari
persentuhan tiga titik, singularitas eksponen t dan factor a  dan
b
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]
Download