pengaruh tegangan impuls lewat denyar pada isolator keramik

Artikel Reguler
_____________________________________________________________________________
PENGARUH TEGANGAN IMPULS LEWAT
DENYAR PADA ISOLATOR KERAMIK
TERSUSUN SERI
Harlian Setiadi1, Tarcicius Haryono2, Suharyanto2
Abstract—This study aims to determine the effect of
impulse voltage flashover to the number of series
arrangement of a ceramic suspension insulators . Testing
was done by giving impulse voltage to ceramic insulators
on each series arrangement from 1 until 6. Sphere spark
gap was set to produce impuls voltage value . Waveforms
were observed on the oscilloscope . When the waveform
was perfect, then no flashover occurs, but when the
waveform was cut at the tail so the voltage value causing
the insulator flashover happened. The results showed
that the value of flashover voltage when used one series
insulator is 186 kV, the when used two series is 399,6 kV,
series three 549,6 kV, series four 667,6 kV, series five
775,2 kV, and series six 880,8 kV. From the experiment
obtained that more the number of ceramic insulators
connected in series the higher was the impulse flashover
voltage value.
Intisari—Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui
pengaruh tegangan impuls lewat denyar terhadap cacah
susunan seri isolator gantung keramik. Pengujian
dilakukan dengan memberikan tegangan impuls pada
tiap cacah isolator gantung keramik seri 1 sampai 6
buah. Sela bola diatur untuk mendapatkan nilai
tegangan yang diinginkan. Bentuk gelombang diamati
pada oscilloscope. Bila bentuknya sempurna, maka tidak
terjadi lewat denyar, namun bila bentuk gelombang
terpotong pada bagian ekor maka tegangan tersebut
menandakan telah terjadi tegangan lewat denyar pada
isolator. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai
tegangan lewat denyar pada isolator cacah satu adalah
186 kV, lalu cacah dua 399,6 kV, cacah tiga 549,6 kV,
cacah empat 667,6 kV, cacah lima 775,2 kV, dan cacah
enam 880,8 kV. Dari data tersebut disimpulkan semakin
banyak jumlah isolator yang diseri maka nilai tegangan
impuls lewat denyarnya akan semakin tinggi.
Kata Kunci— Impuls, impulse, tegangan tinggi, high
voltage, insulator, isolator.
I.PENDAHULUAN
Isolator adalah suatu komponen kelistrikan yang
memisahkan secara elektris dua penghantar atau lebih
yang bertegangan sehingga tidak terjadi kebocoran
arus. Isolator pada sistem transmisi saluran udara
biasanya diletakkan antara tiang transmisi dan kabel
transmisi untuk menyangga kabel supaya tetap
menggantung dan menghalangi arus mengalir dari
konduktor ke tanah melalui tiang transmisi.
Kegagalan isolasi adalah kondisi dimana suatu
isolator tidak mampu menanggung tegangan yang
ditahannya. Pada isolator padat seperti isolator
keramik pasangan luar, terjadinya kegagalan
dibedakan menjadi dua jenis yaitu kegagalan tembus
(puncture) dan kegagalan permukaan berupa flashover.
Kerugian terjadinya flashover antara lain dapat
menyebaban drop tegangan dan juga dapat
membahayakan orang-orang di sekitar menara
transmisi.
Salah satu penyebab terjadinya tegangan lewat
denyar (flashover) adalah tegangan lebih impuls yang
disebabkan oleh sambaran petir. Tegangan lebih ini
mempunyai bentuk gelombang aperiodik
yang
diredam (damped aperiodic) saperti pada waktu
pelepasan muatan sebuah kapasitor melalui sebuah
tahanan yang induktif. Pada tempat yang kena petir
gelombangnya berekor pendek dan bermuka curam.
Selama gelombang ini merambat melalui kawat
transmisi bentuknya berubah (mukanya menjadi
curam, ekornya bertambah panjang,dan amplitudonya
berkurang), oleh karena pengaruh penghantaran dalam
tanah dan efek-efek kawat [1].
II. DASAR TEORI
A. Tegangan Impuls
Tegangan
impuls
adalah
tegangan
yang
gelombangnya berbentuk mirip gelombang surja petir
atau surya hubung yang biasanya digunakan untuk
proses pengujian arrester. Jenis-jenis gelombang
impuls dibedakan berdasarkan karakteristiknya antara
lain nilai puncak, waktu muka gelombang (risetime),
dan waktu ekor gelombang.
1Mahasiswa,
JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasiUniveristasGa
djah Mad, Jln. Grafika No 2, Bulaksumur, Yogyakarta
55281 INDONESIA (telp: 0274-552305; e-mail:
[email protected])
2Dosen,
JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasiUniveristasGa
djah Mad, Jln. Grafika No 2, Bulaksumur, Yogyakarta
55281 INDONESIA (telp: 0274-552305)
Gbr 1.Gelombang impuls standar.
77
Volume 1 Nomor 2, Juli 2014
_______________________________________________________________________________
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
_______________________________________________________________________________
Nilai puncak pada gelombang impuls berada pada
titik 1,0 atau 100% nya (Vs). Titik muka gelombang
(Tf) merupakan perpotongan pada sumbu waktu yaitu
ketika nilai tegangan atau arus bernilai 0 (V0) dengan
garis yang menghubungkan titik ketika tegangan atau
arus bernilai 10% (0,1) dan 90% (0,9) pada muka
kurva. Selanjutnya untuk mendapatkan ekor
gelombang (Tt) diambil dari titik awal muka
gelombang (Tf) sampai dengan titik perpotongan
antara tegangan atau arus ketika 50% (0,5) dengan
sumbu T.
Gelombang penuh adalah gelombang yang tidak
terputus oleh lompatan api atau tembusan sehingga
memiliki waktu muka gelombang (Tf) dan waktu
sampai setengah puncak (Tt). Gelombang ini
dinyatakan dengan sandi : ±(TfxTt)µs, dengan
polaritasnya sekaligus. Bentuk gelombang standar
menurut IEC adalah ±(1,2 x 50) µs [2].
Pengukuran gelombang impuls dapat dilakukan
dengan berbagai cara. Salah satunya dengan
menggunakan CRO (Cathode Ray Oscillograph).
Dengan mengunakan CRO dapat diamati antara lain
tegangan
puncak,
bentuk
gelombang,
dan
ketidaknormalan bentuk impuls (menggambarkan
kerusakan alat yang diuji uji). CRO hanya dapat
digunakan untuk mengukur tegangan rendah saja, jadi
untuk mengukur tegangan tinggi diperlukan pembagi
tegangan menggunakan resistor dan kapasitor.
B. Isolator Padat
Isolasi adalah sifat bahan yang memisahkan secara
elektris dua penghantar atau lebih yang bertegangan
sehingga tidak terjadi kebocoran arus. Sedangkan
isolator adalah alat yang digunakan untuk menjalankan
fungsi sebagai isolasi [3]. Isolator merupakan salah
satu kelengkapan kelistrikan yang harus ada di
jaringan transmisi dan distribusi maupun sistem
lainnya dengan tujuan untuk mencegah hubungan
langsung antara penghantar tegangan tinggi dengan
tanah.
Salah satu jenis isolator padat adalah isolator
gantung keramik. Isolator ini biasanya terdiri dari clay
(50%), felspar (25%), dan quartz (25%) yang dicampur
hingga menjadi padat lalu dilakukan pelapisan.
Campuran bahan tersebut membuat isolator ini
memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi sehingga
menjadi isolator yang paling banyak digunakan selain
isolator kaca.
Gbr2.Isolator Gantung 20 kV.
C. Kegagalan Isolasi
Kegagalan isolasi adalah kondisi dimana suatu
isolator tidak dapat berfungsi sebagai isolasi karena
tidak mampu menanggung tegangan yang ditahannya
[5].Tegangan lewat denyar (flashover) yang terjadi
pada permukaan isolator padat disebabkan oleh
tegangan yang harus ditahan oleh permukaan isolator
yang melebihi kemampuannya. Kemampuan sebuah
isolator menahan tegangan ditentukan oleh antara lain
besarnya resistans permukaan bahan, jenis bahan,
kontaminasi pada permukaan isolator, kelembaban
udara, suhu udara, dan tekanan udara [7].
Gbr3.Gambaran kegagalan isolasi.
Mekanisme terjadinya tegangan lewat denyar
(flashover) adalah pertama tegangan yang diberikan
pada isolator menekan udara sekitar dengan medan
listrik sehingga menimbulkan proses ionisasi yang
memunculkan ion-ion negatif di udara di sekitar
isolator. Jika pada isolasi padat ada medan listrik E,
maka elektron akan mengalami tekanan listrik
(electric-stres) [5]. Tekanan medan listrik ini akan
memaksa elektron terlepas dari intinya. Lamakelamaan ion-ion negatif ini semakin banyak dan
apabila jarak antara kutub negatif dan positif isolator
tidak cukup jauh dibandingkan dengan udara yang
telah terionisasi maka dapat menurunkan nilai
tegangan lewat denyarnya (flashover) karena arus
dapat dengan mudah melewati ion-ion negatif tersebut.
Sehingga pada suatu nilai tegangan tertentu arus akan
dapat melewati permukaan isolator ditandai dengan
lompatan bunga api.
D. Faktor Koreksi Udara
Proses terjadinya tegangan lewat denyar sangat
berhubungan dengan udara. Sehingga keadaan udara
pada saat pengujian seperti suhu, tekanan udara, dan
kelembaban perlu mendapat perhatian khusus.
Keadaan udara tersebut tentu berbeda untuk tiap-tiap
daerah atau tempat pengujian. Kecuali memang
keadaan tempat pengujian sengaja menggunakan
keadaan standar. Misalnya menurut Japanese Industrial
Standart (JIS) C3801 dan Japanese Electrotechnical
Committe (JEC) Standard 106 keadaan standar adalah
udara dengan tekanan udara 760 mmHg (1013 mbar),
suhu sekitar 20° C, dan kelembaban mutlak 11
gram/𝑚3 [3].
Oleh karena ada perbedaan hasil uji maka untuk
dapat membandingkan hasil pengujian dengan tabel-
78
Volume 1 Nomor 2, Juli 2014
_______________________________________________________________________________
Artikel Reguler
_____________________________________________________________________________
tabel normalisasi yang ada diperlukan perhitungan
untuk merubah hasil tersebut ke dalam keadaan
standar. Perhitungan tersebut menggunakan rumus:
𝑉𝑠 =
𝑉𝐵
𝑑
.........................................(1)
Vs = tegangan lompatan pada keadaan standar
𝑉𝐵 = tegangan lompatan yang diukur pada keadaan
sebenarnya
d = keadaan udara relatif (relative air density)
𝑑=
0,289 𝑏𝐵
273+ 𝑡𝐵
pada isolator yang diuji. Sebaliknya ketika pengujian
pertama terjadi lewat denyar secara 3 kali beruntun
maka jarak sela bola diturunkan untuk mencari
tegangan yang tidak menyebabkan kegagalan isolasi.
7) Setiap gelombang yang muncul di oscilloscope
disimpan kedalam flashdisk. Lalu kemudian diukur
tegangan puncaknya dan lama gelombang impulsnya
kemudian dicatat. Selain itu juga dicatat suhu ruangan,
kelembapan, dan tekanan udaranya.
B. Diagram Alir Penelitian
.....................................(2)
𝑏𝐵 = tekanan udara pada waktu pengujian (mm Hg)
𝑡𝐵 = suhu sekeliling pada waktu pengujian (° C)
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Tahapan Pengujian
1) Menyiapkan 6 buah isolator keramik yang telah
dibersihkan dan didinginkan setelah sebelumnya
dipanaskan untuk menghilangkan kelembapan pada
isolator.
2) Menggantungkan isolator pada tempat yang
telah disediakan sebelumnya lalu menyambungkan
kabel output generator impuls ke ekor isolator gantung.
Selanjutnya kepala isolator digroundkan.
3) Menghubungkan oscilloscope dengan pembagi
tegangan.
4) Untuk pengujian, pertama sela bola diatur pada
jarak tertentu. Lalu tegangan masukan dinaikkan
secara perlahan dengan menggunakan variak sampai di
titik tegangan yang menyebabkan terjadi lompatanarus
(sparkover) pada sela bola. Lompatan api ini
menyebabkan tegangan pada kapasitor terlepas secara
seri menghasilkan tegangan impuls. Apabila besar nilai
tegangan impuls tidak menyebabkan kegagalan isolasi
pada isolator yang diuji, maka bentuk gelombang
impuls yang ditampilkan pada osiloskop akan
berbentuk sempurna. Tetapi bila bila terjadi kegagalan
isolasi pada isolator yang diuji maka bentuk
gelombang impuls yang ditampilkan akan terlihat
terpotong beberapa saat ketika tegangan mulai turun di
bagian ekor impulsnya.
5) Untuk setiap jarak sela bola dilakukan beberapa
kali pengujian. Pengujian dilakukan untuk jarak sela
bola yang sama sampai didapatkan 3 hasil terjadinya
lewat denyar atau tidak secara berurutan. Apabila hasil
yang didapat pada jarak sela bola yang sama berlainan
yaitu terjadi tegangan lewat denyar dan tidak maka
jarak sela bola ditambah sampai didapat nilai tegangan
lewat denyar.
6) Apabila telah didapatkan hasil pengujian yang
sama 3 kali secara beruntun dan hasilnya tidak terjadi
tegangan lewat denyar maka jarak sela bola terus
ditambah sampai terjadinya tegangan lewat denyar
Gbr4.Diagram alir penelitian.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Nilai Tegangan Lewat Denyar
TABEL I
NILAI TEGANGAN IMPULS LEWAT DENYAR
No.
Jumlah Isolator
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Tegangan Lewat
Denyar (kV)
186
399,6
549,6
667,6
775,2
880,8
79
Volume 1 Nomor 2, Juli 2014
_______________________________________________________________________________
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
_______________________________________________________________________________
nilai tegangan lewat denyar selalu naik berbanding
lurus dengan jumlah isolator yang diseri. Ini terjadi
karena setiap penambahan jumlah isolator yang diseri
maka bertambah pula jarak antara katoda dan
anodanya. Sehingga ini menyebabkan naiknya nilai
tegangan untuk mengionisasi udara di sekitar isolator
untuk dapat menyebabkan terjadinya lompatan arus.
B. Basic Impulse Insulation Level (BIL)
Gbr5.Grafik teganganimpulslewatdenyar.
Oleh karena tegangan lewat denyar terjadi di udara,
sehingga keadaan udara sangat menentukan kapan
terjadinya tegangan lewat denyar tersebut. Keadaan
udara seperti suhu, tekanan udara, dan kelembaban
udara sangat menentukan.Menurut Japanese Industrial
Standart (JIS) C3801 dan Japanese Electrotechnical
Committe (JEC) Standard 106, keadaan standar adalah
tekanan barometer 760 mm Hg (1013 mbar), suhu
sekitar 20° C, dan kelembaban mutlak 11gram/ .Oleh
karena itu diperlukan sebuah koreksi udara untuk
menyamakan nilai tegangan yang didapat pada
berbagai keadaan udara ke keadaan udara standar.
Untuk memperoleh nilai tegangan yang sesuai standard
digunakan persamaan 2-1 dan 2-2.Berikut ditampilkan
table hasil percobaan yang telah menggunakan factor
koreksi udara.
TABEL III
NILAI TEGANGAN IMPULS LEWAT DENYAR SETELAH MENGGUNAKAN
FAKTOR KOREKSI UDARA
No.
1
2
3
4
5
6
Jumlah
Isolator
1
2
3
4
5
6
Tegangan Lewat
Denyar (kV)
195,62
420,27
578,03
691,62
813,41
923,72
Basic Impulse Insulation Level atau disingkat BIL
adalah adalah acuan tingkatan yang dinyatakan oleh
tegangan puncak impuls dengan gelombang standar
tidak lebih lama dari 1.5x40 µs. Perlengkapan isolasi
seperti yang ditunjukkan oleh tes yang sesuai harus
sama dengan atau lebih besar dari tingkat isolasi dasar
[6]. Maksudnya adalah bahwa suatu peralatan isolasi
tertentu dengan suatu rating tegangan tertentu harus
mampu menahan tegangan impuls minimal sebesar
yang tertera pada BIL.
TABELIV
BASIC IMPULSE INSULATION LEVEL (BIL)
Rating Tegangan
(kV)
2,5
5
8,66
15
23
34,5
46
69
92
115
138
161
BIL (kV)
45
60
75
110
150
200
250
350
450
550
650
750
(Sumber: Basic Impulse Insulation Levels. Jurnal American Institute
of Electrical Engineers No.59 Hal:596-598 [6].)
Pada percobaan kali ini jenis isolator yang
digunakan memiliki rating tegangan 10 kV yang
artinya cocok digunakan untuk isolasi tegangan sistem
yang memiliki tegangan 10 kV. Pada BIL terlihat pada
rating tegangan 15 kV nilai BIL nya adalah 110 kV.
Pada percobaan ketika menggunakan 1 isolator
tegangan lewat denyar terjadi pada 195,62 kV.
Dengan rating tegangan isolator 10 kV artinya isolator
tersebut masih baik dan layak digunakan.
C. Bentuk Gelombang Impuls
Gbr6. Grafik teganganimpulslewatdenyar setelah menggunakan
faktor koreksi udara.
Dari grafik di atas baik yang menggunakan faktor
koreksi udara atau yang tidak dapat diamati bahwa
Gbr7.Bentuk gelombang impuls sempurna.
80
Volume 1 Nomor 2, Juli 2014
_______________________________________________________________________________
Artikel Reguler
_____________________________________________________________________________
Pada gambar di atas dapat diamati bahwa bentuk
gelombangnya lurus sampai ke bawah tanpa terpotong.
Ini menandakan bahwa pada nilai tegangan tersebut
tidak terjadi tegangan lewat denyar. Untuk waktu
tegangan impulsnya adalah 1,2x34 µs yang artinya
telah memenuhi standar tegangan impuls untuk standar
Amerika. Untuk nilai puncak gelombang impuls
berada pada titik 100% nya (V1). Dapat dilihat di sana
nilai tegangan puncaknya adalah 1,62 kemudian
dikalikan 90.000 (perbandingan pembagi tegangan)
untuk mendapatkan hasil nilai tegangan sebenarnya.
Untuk lamanya
muka
gelombang dilihat
perpotongan pada sumbu waktu yaitu ketika nilai
tegangan atau arus bernilai 0 dengan garis yang
menghubungkan titik ketika tegangan atau arus
bernilai 10% dan 90% (hampir mendekati waktu
tegangan puncak). Selanjutnya untuk mendapatkan
ekor gelombang diambil dari titik awal muka
gelombang dari t=0 sampai dengan titik perpotongan
antara tegangan ketika 50% dengan sumbu waktu.
Untuk bentuk gelombang yang terpotong karena
terjadinya tegangan lewat denyar bentuk gelombang
tegangannya terpotong di bagian ekor bukan di bagian
muka gelombang ataupun tepat di saat gelombang
mencapai puncaknya. Ini terjadi karena medan listrik
yang menekan elektron di sekitar isolator untuk
terlepas dari intinya paling kuat terjadi pada saat nilai
tegangan mencapai puncak. Sehingga ketika jumlah
elektron bebas telah mencapai nilai yang cukup untuk
terjadinya tegangan lewat denyar saat itu nilai
tegangan telah melewati nilai puncaknya. Oleh karena
kecepatan arus listrik yang sangat cepat mendekati
kecepatan cahaya (300.000 km/s) maka nilai tegangan
yang terpotong yang terlihat pada grafik akan terjadi di
bagian ekornya atau saat nilai tegangan impuls
2) Semakin banyak cacah isolator yang diseri maka
semakin besar nilai tegangan lewat denyarnya.
3) Bentuk gelombang impuls yang terjadi pada saat
ada tegangan lewat denyar, terpotong pada bagian ekor
bukan pada bagian saat nilai tegangan berada pada
puncaknya.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. T.
Haryono, M.Sc. dan Bapak Dr. Eng. Suharyanto,
ST.,M.Eng. atas segala ilmu dan bimbingan yang telah
diberikan.Lalu penulis juga berterima kasih kepada
laboran Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi
Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
Universitas Gadjah Mada Mas pras dan Mas Daryadi
yang telah membantu dalam terlaksananya percobaanpercobaan yang penulis lakukan.
REFERENSI
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Agung,
Antonius
P.
(2006).
PembangkitGelombangImpulsGanda.
Skripsi
S1,
JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasi
FT UGM.
TidakDipublikasikan.
Stevenson, Willian D. (1983). Analisis Sistem Tenaga Listrik.
Jakarta: Erlangga.
Arismunandar, Artono. (2001). TeknikTeganganTinggi.
Jakarta: PT. PradyaParamita.
Yandri, V.R., &Nurhatisyah. (2012). FenomenaFlashover
AkibatArusBocorPada Isolator Keramik Dan Resin Epoksi.
JurnalTeknikElektro ITP, Vol. 1 No. 2.
Abriansa, Baskoro. (2010). Pengaruh Kontaminan Zat Yang
Terkandung Dalam Asap Batubara Terhadap Tegangan
Flashover Dan Kinerja Pada Isolator Gantung. Skripsi S1,
JurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasi
FT UGM.
TidakDipublikasikan.
Sporn, Philip. Powel C. A. (1940). Basic Impulse Insulation
Levels. Jurnal American Institute of Electrical Engineers
No.59 Hal:596-598.
Gbr8 .Bentuk gelombang tegangan impuls lewat denyar.
menurun. Semakin besar waktu ekor grafik tegangan
lewat maka nilai tegangan tersebut semakin mendekati
nilai aman dimana tidak akan terjadi tegangan lewat
denyar (flashover).
V. KESIMPULAN
1) Nilai tegangan lewat denyar untuk satu isolator
adalah 195,62kV, lalu untuk dua isolator adalah 420,27
kV, untuk tiga isolator adalah 578,03 kV, untuk empat
isolator adalah 691,62 kV, untuk lima isolator adalah
813,41 kV, dan untuk enam isolator adalah 923,72 kV.
81
Volume 1 Nomor 2, Juli 2014
_______________________________________________________________________________