Laporan Kerja Praktek PT Krakatau Steel (Persero)

BAB II
TEORI PENUNJANG
2.1
Sejarah Teknologi Lengkapan Kabel
Awalnya teknologi lengkapan untuk jointing dan terminasi kabel
menggunakan
poured bitumen compound panas telah digunakan
beberapa tahun yang lalu. Teknologi semacam ini memerlukan
pengerjaan yang lama dan diperlukan keahlian personel yang tinggi.
Teknologi lengkapan kabel tersebut pada akhirnya menghilang karena
digantikan dengan teknologi yang lebih modern. Teknologi lengkapan
kabel yang baru pemasangannya memerlukan waktu yang lebih singkat
dan tidak diperlukan keahlian personel yang tinggi. Saat ini lengkapan
kabel jenis heat-shrinkage, cold-shrinkage, premoulded rubber, dan
pita
dengan sifat elektris tertentu adalah merupakan metode
pembentukan lengkapan kabel yang banyak digunakan pada kabel TM
20 kV.
2.2
Konstruksi Dasar Kabel Tegangan Menengah 20 kV
Secara umum konstruksi kabel tegangan menengah (20 kV) terdiri
dari komponen bila dimulai dari dalam adalah konduktor, konduktor
Universitas Mercu Buana
5|
skreen, isolasi, isolasi screen, konsentrik netral,Armouring (pelindung
mekanis), dan selubung luar (jacket).
Gambar 2.1 Konstruksi kabel satu inti
Gambar 2.2 Konstruksi kabel tiga inti
Universitas Mercu Buana
6|
2.2.1
Konduktor
Konduktor terdiri dari pilinan kawat aluminium murni atau tembaga
yang dipadatkan (compacted) dengan ukuran luas penampang sesuai IEC 60502-2
atau SPLN 43 - 5.
2.2.2
Konduktor Screen
Konduktor screen adalah lapisan bahan semikonduktor diatas konduktor
agar permukaan luar konduktor yang tidak rata akibat pilinan konduktor
menjadi halus disamping itu konduktor skreen berfungsi menjaga agar medan
listrik pada permukaan konduktor divergent secara merata dan mengurangi
stress medan listrik pada permukaan konduktor yang tajam akibat pilinan
konduktor. Komponen konduktor skreen dari bahan dasar polymer yang
sesuai dengan bahan isolasi kabel carbon black sebagai konduktivitas,
organic peroxide untuk crosslinking dan antioxidant untuk stablitasnya.
Konduktor screen harus mempunyai tingkat konduktivitas yang sesuai sehingga
dapat diperoleh electrical potential yang sama dengan konduktor kabel agar
dapat memberikan medan listrik yang merata pada permukaan isolasi. Interface
antara lapisan konduktor skreen dengan isolasi kabel harus tidak terdapat
rongga (void free), hal ini untuk mencegah timbulnya partial discharge dan
tumbuhnya vented water tree dan agar umur kabel bisa menjadi panjang.
2.2.3
Isolasi
Isolasi terdiri dari bahan crosslinked polyethelene (XLPE) yang
merupakan bahan isolasi jenis thermoset yang dibentuk dari bahan dasar
Universitas Mercu Buana
7|
kompon polyethylene (PE) dengan ditambah bahan crosslinking agent. Dengan
proses crosslinking bahan isolasi PE yang mempunyai suhu kerja maksimum
70
o
C dapat menjadi bahan isolasi XLPE yang mempunyai suhu kerja
maksimum 90
o
C dan suhu kerja emergency maksimum 130
o
C secara
komulatip selama 1500 jam dalam masa operasi kabel.
2.2.4
Isolasi Skreen
Isolasi skreen adalah lapisan bahan thermosetting semikonduktor
yang diextrusi di permukaan luar isolasi kabel. Isolasi skreen adalah dari bahan
sejenis dengan konduktor screen dan mempunyai persyaratan yang sama yakni
pada interface antara isolasi skreen dan isolasi tidak boleh terdapat rongga (void
free). Isolasi skreen harus melekat kuat terhadap isolasi namun demikian harus
dapat dikupas/dipisahkan dari isolasi dengan cukup mudah (strippable) dan tanpa
meninggalkan kotoran sisa bahan semikonduktor pada permukaan isolasi yang
dapat mengganggu dalam persiapan pembuatan terminasi atau jointing.
Isolasi skreen berfungsi :
untuk membatasi/menyekat medan listrik pada inti kabel,
untuk medapatkan stress tegangan dalam isolasi terdistribusi radial,
untuk melindungi isolasi terhadap tegangan induced,
untuk membatasi interference dari luar dan
untuk menyalurkan arus balik ke tanah bila terjadi gangguan
phase ke phase atau phase ke tanah.
Universitas Mercu Buana
8|
2.2.5
Metalik skreen/Konsentrik netral
Konsentrik
netral
mempunyai
beberapa
fungsi,
pertama
untuk
memastikan bahwa lapisan semikonduktor isolasi skreen berada pada tegangan
tanah untuk keamanan operasi, kedua menyalurkankan arus bocor isolasi ke
tanah, ketiga untuk menyalurkan arus netral atau arus balik unbalance pada
sistem tiga phase, dan keempat untuk menyalurkan arus urutan nol pada kondisi
terjadi gangguan pada sistem. Konsentrik netral harus terdiri dari komponen metal
yang berupa pita, kawat atau kombinasi pita dengan kawat, komponen metal
konsentrik netral harus kontak dengan isolasi skreen. Luas penampang
konsentrik netral harus memadai untuk dapat menampung arus netral atau arus
urutan nol pada kondisi terjadi gangguan pada sistem.
2.2.6
Armouring (pelindung mekanis)
Armour pada kabel tenaga yang ditanam dalam tanah bisanya
dimaksudkan
untuk melindungi kabel dari gangguan mekanis selama
pemasangan dan dalam masa operasi. Bahan armour yang banyak digunakan
adalah dari bahan berupa pita baja atau kawat baja yang digalvanis.
2.2.7
Selubung Luar (jacket)
Selubung luar dimaksudkan sebagai pelindung elektris, mekanis,
thermal, kimia, dan lingkungan pada komponen kabel yang berada didalam
selubung luar. Selubung luar kabel tenaga TM 20 kV terdiri dari bahan Polyvinyl
chloride (PVC) atau Polyethylene (PE).
Universitas Mercu Buana
9|
2.3
Medan listrik pada kabel
Dalam pembuatan terminasi atau jointing diperlukan persiapan kabel
yang diantaranya meliputi pemotongan/pengupasan metalik skreen pada lapisan
isolasi pada ujung potongan kabel dengan panjang yang cukup untuk dapat
dibuat koneksi. Pengupasan skreen pada lapisan isolasi akan merubah struktur
kapasitor yang simetris radial pada kabel. Bila lapisan skreen pada isolasi terputus,
maka pada ujung kupasan skreen isolasi akan menjadi titik stress yang tinggi akibat
konsentrasi medan listrik . Medan listrik pada ujung kabel yang dipotong seperti
diperlihatkan pada Gambar 2.3
Gambar 2.3 Medan listrik pada ujung kabel yang dipotong
Bila pengendalian medan listrik pada ujung kabel tidak dilakukan,
akan mengakibatkan terjadinya gangguan prematur pada titik dimana stress
medan akan melampaui batas toleransi kemampuan isolasi kabel. Disamping
itu, stress medan yang tinggi pada daerah tersebut akan menimbulkan partial
discharge dan korona pada permukaan yang akan memicu terjadinya gagguan
(breakdown) sehingga akan memperpendek umur kabel. Oleh karena itu sangat
Universitas Mercu Buana
10 |
diperlukan teknik atau metode untuk mengurangi stress medan listrik pada ujung
kupasan skreen isolasi agar umur kabel menjadi panjang dan kualitas operasi
kabel menjadi baik. Metode untuk mengurangi stress pada ujung kupasan skreen
isolasi tersebut ada dua jenis, yakni pertama dengan metode stress cone
(mengurangi stress medan listrik dengan metode kerucut/contong), ke dua dengan
menggunakan material yang mempunyai permittivtas tinggi (high permittivity
material). Metode untuk mengurangi stress medan listrik tersebut adalah dengan
cara mengontrol atau mengendalikan medan listrik.
Metode tradisional untuk mengendalikan medan listrik pada pembuatan
terminasi dan jointing adalah dengan menggunakan stress cone. Stress cone
menggunakan
prinsip
penyelesaian
secara
geometrikal
dengan
cara
mengendalikan kapasitansi pada daerah ujung potongan skreen isolasi. Bentuk
lekuk stress cone akan memecah secara uniform garis equipotential yang
hasilnya dapat menurunkan potential gradient pada permukaan isolasi. Pengaruh
stress cone pada terminasi diperlihatkan pada Gambar 2.4. Dalam hal ini
pengendalian medan listrik tidak akan berfungsi baik bila bentuk lekuk stress
cone mengalami cacat.
Universitas Mercu Buana
11 |
Gambar 2.4 Pengendalian medan listrik dengan stress cone
Metode ke dua dalam teknik pengendalian medan listrik adalah dengan
cara memilih material yang mempunyai karakteristik elektris yang tepat untuk
dapat mengurangi
stress
yakni dengan menggunakan lapisan bahan high
permittivity pada permukaan isolasi kabel. Bahan high permittivity tersebut akan
membelokkan/membiaskan garis medan listrik kearah ujung kabel sehingga
dapat mengurangi stress pada ujung kupasan skreen isolasi. Pengaruh lapisan high
permittiviy pada terminasi kabel diperlihatkan pada Gambar 2.5
Universitas Mercu Buana
12 |
Gambar 2.5 Pengendalian medan listrik dengan high permitivity material
(stress control tubing)
Metode pengendalian medan listrik dengan high permittivity material
mempunyai beberapa keterbatasan. Medan listrik akan dibiaskan bila melewati
dari satu isolasi ke isolasi lain. Relatip permittivity bahan akan menentukan arah
bias, bila permittivity dinaikkan, garis medan listrik akan terbias jauh ke ujung
sehingga dapat mengakibatkan partial discharge. Metode pengendalian medan
listrik dengan cara ini tergantung pada geometry. Pengendali stress semacam ini
biasanya diproduksi dalam bentuk tabung yang dapat memberikan kelebihan
dalam pemasangannya. Namun demikian pemilihan material harus sangat hati-hati
karena kalau tidak akan dapat mengakibatkan partial discharge.
Universitas Mercu Buana
13 |
2.4
Gejala Partial Discharge dan Tracking
Gejala ini biasa terjadi karena masalah cuaca yang tidak menentu sehingga
menimbulkan hal-hal yang kurang baik.
2.4.1
Partial Discharge
Bila dua electroda yang berbeda potensial berada diudara, maka akan
timbul medan listrik diantara elektroda tersebut. Intensitas medan listrik antara
dua elektroda kemungkinan merata, tidak merata atau sangat tidak merata yang
tergantung pada jenis elektrodanya dan jarak yang memisahkannya. Pada daerah
medan listrk terdapat electron dan ion yang bergerak, electron bergerak ke arah
anoda dan ion positip bergerak kearah katoda. Dengan meningkatnya medan
listrik, gerakan electron dan ion positip akan menjadi lebih cepat. Bila energi
kinetic cukup besar, terutama pada electron, akan memperbesar mobilitasnya, hal
ini selanjutnya dapat menyebabkan ionisasi pada udara karena proses tubrukan
(collision), dimana hal ini disebut sebagai collision ionization. Collision
ionization menghasilkan bentuk lepasan dan suatu electron avalanche akan
terbentuk. Elektron-elektron pada akhirnya menjadi menumpuk pada anoda
meninggalkan ion positip yang mengumpul pada katoda. Proses ionisasi ini
disebut sebgai awal ionisasi (Primary Ionization) yang menghasilkan arus listrik
yang lemah. Bila medan listrik cukup tinggi maka akan membentuk proses
ionisasi ke dua pada katoda oleh karena bombarder ion positip atau oleh protons
dari
electron avalanche, sehingga proses lepasan dan perpindahan kearah
electrode yang berlawanan menjadi sangat intensip. Hal ini akan menghasilkan
sesuatu dalam bentuk lompatan (spark) yang mana dikenal sebagai Electric
Breakdown pada media udara. Sedangkan faktor-faktor yang mempengaruhi
Universitas Mercu Buana
14 |
antara lain adalah tekanan, temperature, jarak pemisahan, dan tegangan yang
diberikan.
Bila bentuk elektroda dan jarak pemisahan sedemikian rupa sehingga
menimbulkan suatu medan tidak homogen yang kuat, maka kondisi elektrical
breakdown hanya terjadi pada daerah yang berdekatan pada elektroda yang
mempunyai lengkungan dengan radius kecil. Bila ditempat tertentu medan
listrik meningkatkan kuat medan ionisasi, maka akan terjadi collision
ionisation dan terjadi breakdown lokal yang dikenal sebagai Partial Discharge.
Bila kuat medan listrik cukup tinggi, discharge akan terjadi hampir pada
seluruh siklus pada tegangan bolak-balik, hal ini dikenal sebagai Corona.
Corona diasosiasikan sebagai bunyi desis, membentuk pijaran, membentuk
ozone dan juga mengakibatkan rugi daya. Bentuk partial discharge semacam ini
disebut juga sebagai external partial discharge.
Pada peralatan tegangan tinggi, partial discharge dapat juga terjadi pada
suatu ruang yang berisi gas pada bahan isolasi padat atau bahan isolasi cair
(cavities, voids, gas bubbles). Bentuk partial discharge ini dikenal sebagai
internal partial discharge. Internal partial discharge beresiko merusak isolasi,
karena panas dan erosi pada permukaan isolasi akan membentuk breakdown
channel.
2.4.2
Tracking
Tracking adalah suatu formasi bagian konduktip yang permanen yang
melintas pada permukaan isolasi dan dalam hal ini bagian yang konduktip berasal
dari akibat degradasi pada permukaan isolasi tersebut.
Universitas Mercu Buana
15 |
Gejala tracking secara esensial terdiri tiga, yakni :

Hadirnya suatu lapisan/film bersifat konduktip yang melintas pada permukaan
isolasi.
 Timbul mekanisme arus bocor melalui lapisan konduktip yang disela dengan
adanya loncatan listrik (sparks).

Timbul degradasi pada permukaan isolasi yang pasti disebabkan oleh loncatan
listrik.
Lapisan/film konduktip tersebut biasanya berupa lembab pada
atmosfir yang diserap oleh benda dalam bentuk kontaminasi lapisan garam, debu
karbon sisa pembakaran, endapan hasil industri atau serat selulose. Bagian
konduktip dapat juga berasal dari endapan debu metal. Degradasi pada permukaan
isolasi ini hampir semata-mata merupakan akibat panas dari lompatan listrik
(spark) dan panas tersebut membetuk karbon pada permukaan isolasi bila
terjadi tracking.
Kegagalan isolasi padat yang disebabkan oleh tracking tidak harus
terjadi hanya pada permukaan isolasi, namun pada isolasi yang terdiri dari
lapisan-lapisan kegagalan dapat terjadi pada antar lapisan (interface) yang
disebabkan oleh kelembaban yang masuk ke dalam lapisan. Contoh jejak tracking
yang terjadi pada permukaan antar lapisan isolasi pada jointing yang persiapannya
kurang baik.
Universitas Mercu Buana
16 |
2.5
Sifat Kelistrikan
Sifat kelistrikan merupakan perambatan energi jika ada konduktor
sebagai penghantarnya, sedangkan perambatan akan terhenti jika adanya
isolator.
2.5.1
Daya
Daya merupakan banyaknya perubahan tenaga terhadap waktu
dalam besaran tegangan dan arus. Satuan daya adalah Watt (W) atau
Horse Power (HP). Daya dalam Watt yang diserap oleh satuan beban
pada setiap saat adalah hasil kali jatuh tegangan sesaat diantara beban
dalam Volt dengan arus sesaat yang mengalir dalam beban tersebut
dalam Ampere. Guna keperluan analisa, daya dalam sirkuit arus bolakbalik, dirinci lagi sesuai tipe dari daya tersebut, dimana tipe daya
tersebut adalah:
a. Daya sesaat
b. Daya kompleks
c. Daya aktif
d. Daya reaktif
e. Daya vector
Hubungan antara daya dan arus tergantung pada tegangan, dan
biasanya tegangan dalam suatu rangkaian adalah konstan, maka
hubungan vaktorisasi untuk daya dapat digambarkan sama dengan
Universitas Mercu Buana
17 |
hubungan vektoris pada arus seperti dapat dilihat pada gambar 2.6 dan
2.7.
Arus kerja
φ
Arus total
Arus reaktif
Gambar 2.6 Vektor arus
P = Daya aktif (kW)
φ
S = Daya total (kVA)
Q = Daya reaktif
(kVAr)
Gambar 2.7 Hubungan segitiga daya
Dari gambar 2.6 dan 2.7 jelaslah terlihat bahwa:
S=√
(2.1)
Atau
Q=√
(2.2)
Dimana:
Universitas Mercu Buana
18 |
P : daya aktif (Watt)
Q : daya reaktif (Var)
S : daya total (VA)
2.5.2
Faktor Daya
Beban listrik umumnya berupa beban induktif dengan faktor daya
80% mengikut. Oleh sebab itu, beban seperti ini yang distribusi arusnya
mengikut (lagging) terhadap tegangan, seperti yang terlihat pada gambar
cosinus dari sudut yang dibentuk antara arus dan tegangan dikenal sebagai
faktor-daya (power factor) yang dirumuskan sebagai berikut.
(2.3)
Faktor daya = cos φ =
Dimana sudut φ adalah sudut fasanya, dan arus mengikut tegangan dari
beban yang bersangkutan.
2.5.3
Perbaikan Faktor Daya
Banyak peralatan listrik mempunyai faktor daya yang rendah,
dimana peralatan tersebut memerlukan arus listrik yang lebih besar
dibanding dengan peralatan listrik yang faktor dayanya lebih besar untuk
Universitas Mercu Buana
19 |
kapasitas dan tegangan yang sama. Hal ini disebabka karena alat tersebut
memerlukan arus efekif sebagai tambahan. Makin rendah faktor daya
suatu peralatan, maka semakin besar kebutuhan arusnya.
Rendahnya power factor pada sebuah gedung perkantoran,
industri, hotel, rumah sakit dan sebagainya disebabkan karena banyaknya
beban induktif. Rendahnya power factor berakibat fatal apabila sistem
operasi pada beban rendah. Besarnya faktor daya (cosφ) dapat dihitung
berdasarkan pada persamaan:
Cosφ =
=
(2.4)
dimana:
P = Daya aktif (kW)
S = Daya total (kVA)
φ = Sudut fasa
Universitas Mercu Buana
20 |