Post on 24-Jan-2023
BUSHING
1 Umum
Biasanya, untuk keamanan elektrik, konduktor
tegangan tinggi dilalukan menerobos suatu bidang yang
dibumikan, melalui suatu lubang terbuka yang dibuat
sekecil mungkin dan biasanya membutuhkan suatu pengikat
padu yang disebut bushing.
2 Konstruksi Suatu Bushing
Konstruksi suatu bushing sederhana ditunjukkan pada
gambar 3.1.
Bagian utama dari suatu bushing adalah inti atau
konduktor, bahan dielektrik dan flans yang terbuat dari
logam. Fungsi inti adalah menyalurkan arus dari bagian
dalam peralatan ke terminal luar dan bekerja pada
tegangan tinggi. Dengan bantuan flans, isolator
diikatkan pada badan peralatan yang dibumikan.
Bushing untuk tegangan AC sampai 30 kV dibuat dari
porselen atau damar tuang; untuk tegangan yang lebih
tinggi, bahan isolasi yang lebih disukai adalah minyak
trafo, gulungan hardboard atau softpaper dan kombinasi
dielektrik cair dan padat, kemudian dibungkus dengan
kerangka porselen.
Gambar 3.1 Konstruksi suatu bushing sederhana
Gambar 3.1 a memperlihatkan tekanan elektrik
aksial Ea yang dapat menimbulkan peluahan luncur pada
permukaan isolator. Tekanan elektrik radial Er dapat
menimbulkan peluahan parsial pada rongga-rongga yang
terdapat di antara flans dengan bagian luar isolator
dan di antara inti dengan bagian dalam isolator. Untuk
mencegah terjadinya peluahan ini, maka di antara
isolator dengan flans diberi lapisan konduktif dengan
teknik penyemprotan; dan ujung lapisan yang terbentuk
ditekuk untuk mengurangi efek medan pinggir. Untuk
mencegah peluahan parsial pada ruang-ruang udara
terbuka yang terdapat di antara inti dengan bahan
isolasi, maka di antara inti dengan isolator dibuat
juga lapisan konduktif atau mengusahakan inti berpadu
dengan isolator. Misalnya dengan membuat isolasi dari
bahan damar tuang sehingga intinya melekat langsung
dengan dielektriknya, dengan demikian peluahan parsial
pada ruang di antara inti dengan isolator dapat
dicegah. Masalah peluahan luncur dapat dapat juga
diatasi dengan mengurangi efek medan pinggir, yaitu
dengan menekuk ujung elektroda dan membuat elektroda
melekat ke bahan isolasi. Kemudian dengan pemilihan
profil isolator yang tepat, maka kuat medan pada bidang
miring yang berbatasan dengan udara dapat dikurangi di
bawah nilai yang diizinkan. Jika tegangan suatu bushing
porselen ditinggikan, maka pada harga suatu tegangan
tertentu akan terjadi peluahan parsial pada rongga-
rongga udara yang terdapat di antara elektroda dengan
isolator; dan jika tegangan terus dinaikkan maka
akhirnya akan terjadi peristiwa lewat-denyar. Dengan
perkataan lain, kejadian lewat denyar pada busing
porselen lebih dahulu diawali dengan kejadian peluahan
parsial, karena pada bushing ini tidak ditemukan rongga-
rongga udara di antara elektroda dengan isolator.
Karena damar mudah dilekatkan ke metal dan dapat
dicetak dalam berbagai bentuk, maka jenis isolasi damar
menawarkan berbagai kemungkinan bentuk konstruksi.
Prinsip perataan distribusi tegangan pada awalnya
tidak mempertimbangkan jenis bahan isolasi, tetapi pada
akhirnya hal itu harus diperhatikan karena adanya
hubungan tegangan awal peluahan pada pinggir elektroda
yang runcing dengan ketebalan bahan isolasi yang
menyelubungi elektroda tersebut. Jika tidak memakai
tabir elektroda sebagai pengendalimedan pinggir, maka
harus dipilih bahan isolasi yang tipis.
2.1 Perataan Distribusi Tegangan Pada Suatu Bushing
Bushing untuk tegangan di atas 60 kV biasanya
dilengkapi dengan elektroda perata distribusi tegangan,
yaitu elektroda tipis yang dipasang di antara flans
dengan inti (lihat gambar 3.1 b). Elektroda ini disebut
elektroda perata atau sering juga disebut elektroda
pengantara (intermediate electrode). Penambahan elektroda
perata membuat diameter flans semakin besar. Untuk
mengurangi penambahan diameter bushing, maka bahan
elektroda perata dibuat dari bahan logam tipis (foil).
Dengan adanya beberapa elektroda perata di antara inti
dengan flans, maka ada beberapa kapasitor yang terhubung
seri di antara inti dengan flans seperti ditunjukkan
pada gambar 3.1 c. Dengan mengatur diameter dan panjang
elektroda perata, nilai kapasitansi dari setiap
kapasitor dapat dibuat sama (C1=C2) sehingga potensial
pada bidang batas antara bahan isolasi dengan medium
sekitar menjadi sama rata. Hal ini mendorong perlunya
dibuat pembagian kapasitansi yang merata dengan halus,
yang dalam prakteknya hanya dapat direalisasi jika
bahan isolasi terbuat dari gulungan pita tipis. Oleh
karena itu, prinsip perata tegangan hanya dapat
digunakan jika bahan isolasi bushing terbuat dari
hardboard atau softpaper dan film plastik. Pada gambar 3.2,
diperlihatkan efek elektroda perata terhadap distribusi
medan elektrik pada suatu bushing silindris.
Gambar 3.2 Efek Elektroda Perata Terhadap Distribusi Medan
Listrik
Telah ditunjukkan pada gambar 3.1, bahwa tekanan
elektrik yang dialami oleh suatu bushing terdiri dari
medan elektrik radial (Er) dan aksial (Ea). Tekanan
elektrik kritis terdapat pada bidang batas permukaan
isolasi dengan media sekitar. Komponen radial Er dari
kuat medan listrik dapat menyebabkan tembusnya bahan
isolasi, sementara komponen aksial Ea pada keadaan
tertentu dapat menyebabkan peluahan luncur di sepanjang
bidang batas. Kekuatan elektrik bahan isolasi
ditentukan oleh tegangan yang menimbulkan terjadinya
lewat denyar pada bidang batas, karena nilainya lebih
rendah dari tegangan yang menimbulkan terjadinya tembus
listrik pada isolator. Oleh karena itu, dapat dikatakan
bahwa tekanan elektrik arah aksial jauh lebih kritis
daripada tekanan elektrik arah radial.
2.2 Perhitungan Tegangan Awal Peluahan (Inception Voltage)
Tebal lapisan dielektrik di antara dua elektroda
perata sangat kecil dibandingkan dengan diameternya.
Sehingga perhitungan tegangan awal peluahan dapat
dilakukan seperti halnya pada model kapasitor plat
sejajar, di mana tegangan awal peluahan parsial bolak-
balik pada pinggir elektroda dapat dihitung secara
pendekatan, yaitu:
Ve=kk( sεr )0,5
(kV )............................3.1
Di mana s adalah tebal lapisan dielektrik dalam cm
dan kk adalah factor konfigurasi yang tergantung pada
jenis elektroda dan dielektrik. Nilai kk dapat
diasumsikan seperti pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Faktor Konfigurasi Elektroda
Konfigurasi Kk
Pinggir / ujung
logam
Di udara 8Dalam SF6 21
Pinggir metal atau grafit dalam
minyak30
Pinggir grafit di udara 12
2.3 Kapasitansi Satu Lapisan
Agar pemakaian isolasi optimal maka ukuran
elektroda perata diatur sedemikian sehingga beda
tegangan pada setiap lapisan merata, yaitu sebesar:
ΔV=VN ...................................3.2
Di mana ΔV adalah beda tegangan di antara dua elektroda
perata yang berdekatan, N adalah jumlah total lapisan.
Untuk memperoleh keadaan di atas, kapasitansi
setiap kapasitoryang dibentuk oleh dua elektroda yang
berdekatan harus sama (C1=C2 atau Cn-1=Cn). Ada dua
kemungkinan yang dapat dilakukan untuk memperoleh
keadaan tersebut, yaitu: mengatur tebal lapisan atau
diameter elektroda, atau mengatur panjang elektroda
perata.
Ukuran elektroda perata suatu bushing dapat
dihitung dengan bantuan gambar 3.3, di mana ditunjukkan
suatu lapisan dielektrik yang berada di antara
elektroda perata ke n dengan elektroda perata ke n-1.
Lapisan dinomori mulai dari titik pusat (n = 0) sampai
ke pinggir flans (n = n).
Gambar 3.3 Simbol Ukuran Elektroda Perata
Misalkan tebal lapisan dielektrik adalah:Sn=rn−rn−1 .................................3.3
Jika selisih pinggir dua elektroda berdekatan di
sisi kiri bln sama dengan di sisi kanan brn, maka
diperoleh bushing yang simetris. Selisih pinggir
elektroda kiri dan kanan akan berbeda jika dielektrik
yang berbatasan dengan isolator bushing berbeda,
misalnya pada trafo daya, di mana sebagian isolator
bushing berbatasan dengan udara dan sebagian lagi
berbatasan dengan minyak trafo. Dalam hal ini, bahagian
isolator bushing yang berbatasan dengan udara lebih
panjang dari bahagian isolator bushing yang terbenam
dalam minyak trafo.
Dengan mengabaikan efek medan pinggir, maka
kapasitansi yang dibentuk dua elektroda berdekatan
adalah sebagai berikut:
Cn=2πε0εran
lnrnrn−1 ...............................3.4
Di mana εr adalah permeabilitas relative bahan
dielektrik isolator bushing.
Karena semua kapasitor Cn terhubung seri satu
dengan lainnya, dan tegangan pada setiap satu kapasitor
sama sebesar ΔV, maka kapasitansi Cn = konstan = C.
Ada dua kemungkinan perataan yang dilakukan, yaitu
perataan arah radial dan perataan tegangan arah aksial.
Berikut ini akan dijelaskan perhitungan dimensi
elektroda perata untuk masing-masing jenis perataan
tersebut.
2.4 Perataan Tegangan Arah Radial
Untuk perataan tegangan pada arah radial, maka
kuat medan radialnya Er = ΔV/Sn harus konstan. Hal ini
dapat dipenuhi apabila tebal lapisan dielektrik Sn
konstan. Dengan persamaan dapat diturunkan
kapasitansi Cn+1:
Cn+1=2πε0εran+1
lnrn+1
rn .............................3.5
Agar tegangan pada setiap lapisan sama, maka harus
dipenuhi persyaratan Cn+1=Cn. Dengan mempersamakan
persamaan 3.4 dengan 3.5, maka diperoleh:
an+1=an
lnrn+1
rn
lnrnrn−1 .............................3.6
Bila lapisan dielektrik sangat tipis dibandingkan
terhadap radius elektroda, atau
Sn = rn-rn-1 << rn, maka dapat dituliskan:
an+1≈anrn−1
rn ................................3.7
Dengan persamaan 3.7 dapat ditentukan tebal
lapisan berikutnya dengan menggunakan data tebal
lapisan sebelumnya. Biasanya, radius lapisan paling
dalam diketahui lebih dahulu, yaitu sama dengan radius
konduktor di mana pemilihan radius konduktor ditentukan
dengan mempertimbangkan arus yang akan dialirkannya.
Tebal dielektrik Sn diperoleh dari ΔV yang dirancang
pada satu lapisan dielektrik dan harga maksimal medan
radial Er yang diizinkan terjadi pada bahan dielektrik:
Sn=ΔV
Ermaks .................................3.8
Jika panjang a0 ditetapkan, maka ukuran elektroda-
elektroda yang lain dapat ditentukan.
2.5 Perataan Tegangan Arah Aksial
Untuk perataan aksial, kuat medan aksialnya harus
konstan:Ea=ΔV/bn=konstan .........................3.9
Kemudian selisih pinggir elektroda berdekatan pada
setiap sisi (kiri dan kanan) harus sama panjang dan
konstan ; Bln = konstan = b1, brn = konstan = br.
Dengan demikian panjang satu elektroda dapat
dituliskan:an+1=an−b1−br ............................3.10
Agar Cn+1=Cn, maka syaratnya adalah:
lnrn+1
rn=an+1
anln
rnrn−1 ...........................3.11
Dengan pendekatan bahwa lapisan dielektrik
dianggap sangat tipis dibandingkan terhadap radius
elektroda, atau Sn = rn-rn-1 << rn, maka dapat dituliskan:
Sn+1≈Snan+1
an⋅rnrn−1 ...........................3.12
Dimensi lapisan berikutnya diperoleh dengan
menggunakan data dimensi lapisan sebelumnya. Panjang
lintasan kawat denyar L dihitung dengan pendekatan
sebagai berikut (lihat gambar 3.2 a):L≈Nbr ..................................3.13
Urutan perhitungan bushing dengan perata aksial
adalah sebagai berikut:
1. Tentukan terlebih dahulu jumlah lapisan N dengan
berpedoman kepada pengalaman, bahwa tegangan
pegujian AC (Vp) di antara dua lapisan adalah
sekitar 12 kV. Sebagai contoh, untuk bushing 110 kV
dengan Vp sebesar 260 kV, maka banyak lapisannya
adalah sekitar N=260/12=22.
2. Pilih panjang lewat denyar L dengan
mempertimbangkan bahwa pada tegangan Vp, kuat
medan rata-rata pada permukaan bidang batas harus
lebih rendah dari batas yang ditentukan. Untuk
udara batas kuat medan dapat dimisalkan sekitar 3
s/d 4 kV/cm; dan di dalam minyak tergantung dari
konstruksi dan komponen minyak yang digunakan.
Tetapi secara umum dapat diambil nilainya sekitar
2 sampai 4 kali lebih tinggi dari yang diizinkan
untuk udara. Dengan diketahuinya L, maka panjang
br dan b1 dapat dihitung dengan persamaan .
3. Biasanya, radius inti r0 dan panjang total a0
sudah diketahui sebelumnya. Kemudian ditetapkan
nilai awal r1, dengan demikian nilai r yang lain
dapat dihitung dengan persamaan .
4. Akhirnya, dilakukan pemeriksaan terhadap hasil
perhitungan. Harus dipenuhi syarat bahwa kuat
medan radial Er tertinggi pada saat tegangan sama
dengan tegangan uji (Vp) tidak boleh melebihi
kekuatan dielektrik bahan isolasi, dan tegangan
kerja tertinggi yang diizinkan harus jauh lebih
kecil dari Ve (lihat persamaan 3.3).
3 Beberapa Pokok Pengujian Tegangan Tinggi
Adapun pokok-pokok pengujian tegangan tinggi dapat
dilihat pada tabel di bawah ini :Tabel 3.2 Beberapa pokok pengujian tegangan tinggi
Kelas
Isolasi
(kV)
Tegangan Pengujian AC *) Tegangan Pengujian
*)
Impuls Kering
± (1 x 40)
mikrodetik
(kV)
Pasangan Luar (kV)
Pasangan
Dalam
(kV)
Kering
1 Menit
Basah
10 Detik
Kering
1 Menit
Pasangan
Luar
Pasangan
Dalam3 25 20 20 50 456 30 25 25 65 6010 45 35 35 100 9020 70 60 60 165 15030 95 80 80 220 200(40) (120) (100) (275)(50) (145) (120) (300)60 175 145 38570 200 165 440
*) ( ) Kwasi-standar pengujian dielektrik untuk bushing
4 Pengujian Isolator
Pengujian lompatan 50 % dilakukan dan grafik
hubungan tegangan dengan waktu diambil, hanya untuk
keadaan kering. Untuk lebih jelasnya tentang pengujian
terhadap isolator, lihat tabel di bawah ini :Tabel 3.3 Pengujian isolator
Isolator
Gantung
Isolator
Tegangan
Tinggi
“Pin-Type”
Isolator EHV “Pin-Type”
250
mm
180
mm
Pin
Besa
r
Pin
Keci
l
10
kV
20
kV
30
kV
40
kV
50
kV
60
kV
Tegangan
Lompatan
50 %, Bolak-
balik,
50 Hz, Kering
(kV)
80 60 50 45 85 110 135 160 185 210
Tegangan
Lompatan
50 %, Bolak-
balik,
50 Hz, Basah
(kV)
50 32 30 27 55 75 95 115 135 155
Tegangan
Lompatan
50 %, Impuls
(kV)
125 100 120 160 200 240 280 320
Tegangan
Tembus (Kv)140 120 90 80 150 200 250 270 300 350
Tegangan
Ketahan 50 Hz
75 55 45 40 c) c) c) c) c) c)
(kV)a)
Tegangan
Ketahanan 50
Hz
dalam minyak
(kV)b)
75 65
Tegangan
Frekuensi
Tinggi (kV)
Tegangan frekuensi tinggi selama 3-5 detik
Catatan :
a) Tegangan diterapkan selama 2 menit
b) Tegangan diterapkan selama 1 menit
c) Pengujian lapisan dilakukan sebagai berikut :
Untuk setiap lapisan tegangan sebesar 90 % dari
tegangan lompatan minimum untuk setiap lapisan
diterapkan selama 2 menit.
Untuk dua lapisan tegangan sebesar 90 % dari
tegangan lompatan kering diterapkan selama 2
menit.
5 Pengujian Pada Bushing
Pengujian yang dilakukan terhadap suatu bushing
meliputi : pengukuran Tg δ, pengukuran peluahan
parsial, pengujian ketahanan AC, pengujian peluahan
terlihat, pengujian ketahanan impuls penuh, pengujian
ketahanan impuls terpotong dan surja hubung.
5.1 Pengukuran Tg δ
Pengukuran Tg δ merupakan pengujian rutin. Alat
ukur yang digunakan adalah jembatan Schering. Tg δ
diukur dengan bushing tetap terpasang pada peralatan
atau dicelupkan dalam minyak. Konduktornya dihubungkan
ke terminal tegangan tinggi trafo uji sedang tangki
atau badan dihubungkan ke terminal detektor jembatan
Schering. Tegangan pengujian dinaikkan secara bertahap,
kemudian diturunkan secara bertahap juga. Kapasitansi
dan Tg δ pada setiap tahap tegangan diukur. Kemudian
kurva yang menyatakan hubungan tegangan dengan
kapasitansi dan Tg δ digambar.
5.2 Pengukuran Peluahan Parsial
Pengukuran ini merupakan pengujian rutin yang
bertujuan untuk menemukan adanya deteriorasi atau
kegagalan isolasi karena terjadinya peluahan muatan
sebagian dalam isolator bushing. Pengukuran dilakukan
dengan detektor peluahan parsial. Pengukuran dilakukan
untuk berbagai tegangan sehingga diperoleh kurva yang
menyatakan hubungan besaran peluahan dengan tegangan.
5.3 Pengujian Ketahanan AC
Rangkaian dan prosedur pengujiannya sama dengan
pengujian isolator. Lama pengujian adalah satu menit.
Pengujian dilakukan pada kondisi kering dan basah.
Bushing dinyatakan baik jika selama pengujian tidak
terjadi lompatan api.
5.4 Pengujian Peluahan Terlihat
Pengujian ini dimaksudkan untuk menentukan apakah
bushing menimbulkan interferensi radio saat bekerja.
Peluahan terlihat dengan mata adalah peluahan yang
terjadi pada cincin perata (grading ring) dan tanduk
pelindung (arching horn). Alat penguji sama dengan alat
penguji ketahanan AC, hanya dilakukan dalam ruang
gelap.
5.5 Pengujian Ketahanan Impuls Penuh
Pengujian ketahanan impuls penuh dilakukan dalam
dua keadaan, yaitu dalam keadaan bushing terpasang
sebagaimana di lapangan dan dalam keadaan dicelup dalam
minyak. Tegangan pengujian adalah tegangan impuls penuh
standar, dengan polaritas yang sesuai dengan
spesifikasi. Tegangan impuls diberikan lima kali. Jika
terjadi dua kali lompatan api, maka bushing dinyatakan
gagal uji. Jika lompatan api terjadi satu kali, maka
diadakan pengujian tambahan 10 kali lagi. Jika tidak
terjadi lompatan api, maka bushing dinyatakan lulus uji.
Jika bushing dicelupkan dalam minyak isolasi, maka
pengujian dilakukan dengan tegangan impuls standar,
gelombang penuh dan 15 % lebih tinggi dari tegangan
pengujian bushing di udara. Tegangan impuls diberikan
lima kali. Bushing dinyatakan lulus uji jika tidak
terjadi lompatan api.
5.6 Pengujian Ketahanan Impuls Terpotong dan Surja
Hubung
Adakalanya bushing diuji dengan tegangan tinggi
impuls terpotong. Pengujian ini biasanya dilakukan
terhadap bushing bertegangan di atas 220 kV. Saat ini
dilakukan juga pengujian peluahan surja hubung terhadap
bushing tegangan tinggi. Pengujian dilakukan seperti
halnya pengujian ketahanan impuls penuh di atas.
6 Pemerisaian (shielding)
Penggunaan elektroda perata atau penambahan
perisai (shielding) untuk meningkatkan mutu peralatan
atau untuk menjaga ketelitian pengukuran dengan
sensitivitas tinggi bukanlah hal baru.
Pengukuran dengan sensitivitas tinggi sering
dilakukan dalam percobaan-percobaan yang menggunakan
tegangan tinggi. Pengukuran peluahan parsial dalam
prakteknya dapat terganggu ketika ada bagian sirkit
bertegangan tinggi yang menunujukkan reaksi seperti
antena atau penerima gelombang elektromagnetik dari
luar. Selain itu, gelombang elektromagnetik dapat
timbul ketika terjadi peristiwa tembus listrik pada
sirkit bertegangan tinggi, dan hal ini dapat
menyebabkan efek gangguan terhadap sekitarnya. Dalam
prakteknya menunjukkan bahwa pengaruh gangguan dari
luar pada pengukuran tegangan tinggi dengan
sensitivitas tinggi secara umum lebih kuat daripada
gangguan yang disebabkan oleh penelitian tegangan
tinggi itu sendiri. Ini berdasarkan kenyataannya bahwa
pulsa-pulsa pengganggu yang berasal dari sirkit
bertegangan tinggi hanya sesekali dan terjadi dalam
waktu yang singkat. Sebagai contoh alat yang
menyebabkan gangguan eksternal adalah kendaraan dengan
bodi yang tidak tepat atau motor listrik yang
menghasilkan interferensi permanen.
Peniadaan yang hampir sempurna terhadap gangguan
dari luar terhadap pengukuran, dan pada waktu yang sama
peniadaan gangguan dari penelitian terhadap sekitarnya,
dapat dengan menggunakan logam tanpa cacat. Pada
prakteknya, logam ini dijadikan perisai, dan cara kerja
logam ini menyerupai sangkar Faraday. Standar yang
diwajibkan terhadap logam yang direncanakan akan
digunakan untuk perisai memiliki perbedaan yang cukup
besar dengan logam yang dijadikan sebagai lantai
laboratorium tegangan tinggi.
Pemasangan sangkar Faraday yang sempurna sangat
diperlukan untuk setiap penelitian. Tetapi perhatian
ini lebih ditekankan ketika pengukuran peluahan parsial
dengan sensitivitas tinggi dilakukan.
7 Silinder Konsentris
Bushing yang telah dilengkapi dengan elektroda
perata dapat diilustrasikan menjadi sebuah silinder
konsentris seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.4 di
bawah ini.
Gambar 3.4 Irisan penampang silinder konsentris
Adapun medan listrik yang dialami oleh P di titik
sebarang dapat ditulis dengan :
Ep=V
xlnRr
3.14
Di mana : Ep = medan listrik yang dialami oleh P
(N/C)
V = tegangan yang diterapkan (Volt)
X = jarak P dengan sumbu silinder dalam
(m)
R = jari-jari silinder luar (m)
r = jari-jari silinder dlam (m)
Medan listrik maksimal yang dialami oleh silinder
konsentris adalah :
Emaks=V
rlnRr
3.15
Jari-jari optimal (rop) adalah nilai jari-jari
silinder dalam yang menyebabkan besar medan listrik
maksimal yang terkecil yang terjadi pada silinder
konsentris dan dapat ditulis dengan :
rop=Re=
R2,7
3.16
Dan,
Eop=Vrop
=2,7VR
3.17
Di mana : Eop = medan listrik maksimal yang
terkecil yang dialami oleh
silinder konsentris
(N/C)