DISTRIBUSI TEGANGAN PADA ISOLATOR RANTAI

III.1. Umum

Dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu dielektrik merupakan suatu

susunan kapasitor. Satu unit isolator hantaran udara ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Isolator tersebut membentuk suatu susunan konduktor-dielektrik-konduktor. Oleh

karena itu suatu isolator dapat dianggap merupakan suatu kapasitor.

Gambar 3.1. Ekivalensi suatu unit isolator hantaran udara

III.2. Kapasitansi Yang Dihasilkan Isolator Rantai

Isolator rantai yang digunakan pada transmisi tegangan tinggi hantaran udara

adalah isolator seperti pada Gambar 3.1. Pada gambar tersebut terlihat adanya

susunan logam-dielektrik-logam yang membentuk susunan sebuah kapasitor. Untaian

isolator tersebut akan menghasilkan tiga jenis kapasitansi, yaitu:

a. Kapasitansi masing-masing elemen isolator (C).

b. Kapasitansi antara sambungan isolator dengan menara transmisi atau bumi (Ce).

c. Kapasitansi antara sambungan isolator dengan konduktor tegangan tinggi (Ch).

Gambar 3.2. Susunan isolator rantai transmisi hantaran udara

Oleh karena itu, isolator rantai dapat dianggap merupakan susunan dari

beberapa unit kapasitor yang terhubung seri maupun paralel seperti ditunjukkan pada

Gambar 3.3.

19

Gambar 3.3. Bagian-bagian isolator rantai yang membentuk susunan kapasitor

III.3. Distribusi Tegangan dengan Mengabaikan Ce dan Ch

Pada suatu untaian isolator yang panjang, tegangan tidak didistribusikan

secara merata, hal ini disebabkan oleh karena pengaruh kapasitansi Ce dan Ch.

Dengan adanya kapasitansi Ce dan Ch maka arus bocor tidak seluruhnya melewati tiap

elemen, namun akan ada arus bocor yang menuju struktur menara dan ke sambungan

antara isolator. Dengan mengabaikan kapasitansi antara sambungan isolator rantai

dengan tanah (Ce) dan kapasitansi antara sambungan isolator rantai dengan konduktor

fasa (Ch), maka akan sama keadaannya kalau isolator tersebut dikenakan tegangan

searah. Dalam tegangan searah, tegangan sepanjang untai isolator didistribusikan

secara merata. Dengan demikian pada rantai isolator tersebut mengalir arus bocor dan

tegangan pada satu elemen dari isolator rantai adalah arus bocor pada isolator

20

tersebut dikalikan dengan tahanan tiap isolator. Rangkaian pengganti dari untaian

isolator ini terlihat seperti pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Rangkaian pengganti isolator rantai dengan mengabaikan Ce dan Ch

Elemen dari isolator rantai adalah sama sehingga distribusi tegangan pada

setiap elemen isolator adalah sama.

……….............................. (3.1)

.............................................................................. (3.2)

dimana: Vx = tegangan pada elemen ke-x dari isolator rantai yang ditinjau

V = tegangan total yang dikenakan pada isolator

n = jumlah elemen pada suatu isolator rantai

21

III.4. Distribusi Tegangan dengan Memperhitungkan C dan Ce

Dalam keadaan isolator dibebani tegangan akan timbul medan listrik diantara

sambungan isolator dengan sambungan isolator yang lain, antara sambungan isolator

dengan menara, dan antara sambungan isolator dengan kawat fasa.

Dibandingkan dengan besarnya kapasitansi masing-masing elemen isolator

(C), besarnya Ce jauh lebih kecil, tetapi pada kenyataannya tidak dapat diabaikan

karena mempengaruhi distribusi tegangan pada isolator rantai. Misalnya sebuah

rangkaian isolator yang terdiri atas empat satuan elemen isolator sebagaimana terlihat

pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Rangkaian pengganti dari isolator rantai dengan memperhitungkan

pengaruh C dan Ce

22

Dengan menganggap semua elemen isolator adalah identik, dan kapasitansi

masing-masing sambungan elemen isolator terhadap menara sama besar.

Pada Gambar 3.5, misalnya tegangan operasi adalah V, sedangkan jatuh tegangan

melalui elemen isolator adalah V1, V2, V3, dan V4 dimulai dari isolator paling atas

mengarah ke kawat fasa, sehingga dapat ditulis dengan persamaan :

Tujuannya adalah untuk mengetahui besarnya tegangan operasi V terhadap tegangan

Vn. Dari Gambar 3.5 di atas, besarnya arus yang mengalir tiap elemen isolator dapat

dicari.

Pada titik A, persamaan arus adalah :

…………………….…………… (3.3)

Juga,

……………………………………….… (3.4)

dimana :

I1 = arus yang melalui isolator 1

I2 = arus yang melalui isolator 2

adalah frekuensi sudut jaringan

sehingga dari persamaan (3.3) dan (3.4) akan didapat:

…………………………….…… (3.5)

23

Pada titik B, persamaan arus adalah :

…………………..……… (3.6)

dimana :

………………………........……………. (3.7)

dari persamaan (3.6) dan persamaan (3.7) akan didapat nilai V3:

…………………………………. (3.8)

dengan menggantikan V2 dengan V1 akan diperoleh:

………………………………… (3.9)

Pada titik C, persamaan arus adalah :

…………………. (3.10)

dimana :

…………………………………………. (3.11)

dari persamaan (3.10) dan (3.11) didapatkan nilai V4:

………………………….. (3.12)

dengan menggantikan V2 dan V3 dengan V1 akan diperoleh:

24

…………………………. (3.13)

Dengan demikian telah diperoleh besaran-besaran V2, V3, V4 terhadap V1 dengan

rasio kapasitansi m, sehingga terlihat bahwa :

V 4 ¿ V 3 ¿ V 2 ¿ V 1¿

Oleh sebab itu elemen isolator yang paling dekat ke kawat fasa akan memikul

tegangan yang lebih tinggi dibandingkan dengan elemen isolator yang lain.

III.5. Distribusi Tegangan dengan Memperhitungkan C, Ce, dan Ch

Besarnya kapasitansi Ch dan kapasitansi Ce masih jauh lebih kecil dibanding

dengan nilai kapasitansi yang dimiliki elemen isolator C, namun demikian kapasitansi

Ch dan kapasitansi Ce tidak dapat diabaikan pengaruhnya. Adanya kapasitansi Ce dan

kapasitansi Ch akan berpengaruh terhadap distribusi tegangan pada sambungan

isolator, dimana arus bocor akan mengalir ke arah struktur menara dan ke arah

sambungan isolator yang berasal dari konduktor tegangan tinggi, dengan demikian

arus yang mengalir di masing-masing elemen isolator tidak sama besar, maka

tegangan di tiap-tiap elemen isolator tidak sama.

Rangkaian pengganti dari isolator rantai tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:

25

Gambar 3.6. Rangkaian pengganti dari isolator rantai dengan memperhitungkan

pengaruh C, Ce, dan Ch

Berdasarkan Gambar 3.6, pada titik A diperoleh persamaan :

ia + I 2 = I 1 + i1 ……………………………..…………… (3.14)

dari persamaan (3.14) diperoleh V1

sehingga:

……….……...…………………. (3.15)

26

Pada titik B, diperoleh persamaan :

ib + I3 = I2 + i2 ………………………………….……… (3.16)

dari persamaan (3.16) diperoleh V2

sehingga :

……………..…………………. (3.17)

Pada titik C, diperoleh persamaan :

ic + I 4 = I 3 + i3 …..…………..…………………. (3.18)

dari persamaan (3.16) diperoleh V3

sehingga :

………………..……………… (3.19)

dan,

V = V1 + V2 + V3 + V4 ………….………………………. (3.20)

sehingga dari persamaan (3.20) didapat V4

V4 = V – (V1 + V2 + V3) ……………….…………………. (3.21)

dimana, V adalah tegangan sistem

27

III.6. Perataan Tegangan di Setiap Unit Isolator

Ada beberapa metode didalam perataan tegangan disetiap unit isolator, yaitu :

1). Dengan mengatur besar nilai kapasitansi sambungan isolator terhadap

bumi (Ce)

Kapasitansi Ce diupayakan sekecil mungkin, dengan demikian arus bocor

yang menuju struktur menara (bumi) akan sangat kecil dan memungkinkan untuk

diabaikan. Di dalam mendapatkan nilai kapasitansi Ce yang sangat kecil adalah

dengan mengatur jarak antara sambungan isolator terhadap menara pendukung

(bumi), dimana jarak berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi yang dihasilkan,

oleh sebab itu jika jarak antara menara dan sambungan isolator diperbesar akan

diperoleh nilai kapasitansi Ce yang sangat kecil.

2). Dengan grading tiap isolator

Nilai kapasitansi sendiri dari isolator disesuaikan berdasarkan tingkat

tegangan. Isolator yang memikul tegangan yang paling besar yaitu isolator paling

dekat dengan konduktor fasa, isolator yang digunakan adalah isolator yang memiliki

nilai kapasitansi sangat kecil. Dan isolator yang memikul tegangan paling kecil, maka

digunakan isolator yang memiliki nilai kapasitansi yang besar. Dengan demikian

tegangan di setiap unit isolator akan sama.

28

3). Dengan menggunakan Guard Ring

Tegangan di setiap unit isolator dapat dibuat sama dengan cara menggunakan

Guard Ring. Ada beberapa bentuk yang umum dijumpai, antara lain : Ring, 8-shaped,

horn shaped. Metode perataan dengan menggunakan horn shaped, sering disebut

dengan bentuk busur tanduk.

Gambar 3.7 Perataan tegangan di setiap isolator dengan menggunakan guard ring

berupa busur tanduk

Prinsip perataan tegangan dengan menggunakan busur tanduk ini adalah

penyeimbangan arus bocor, sehingga akan menghilangkan atau mengurangi arus

bocor yang menuju ke arah struktur menara. Pengaturannya dapat dilihat pada

Gambar 3.7 di atas. Untuk semua isolator yang identik, besar kapasitansi C sama.

29

Demikian pula semua kapasitansi ke bumi (Ce) adalah sama besarnya. Tegangan di

tiap isolator mempunyai busur tanduk yang sama, dengan demikian arus yang

melaluinya juga sama besar yaitu I.

Dari Gambar 3.7, persamaan arus yang melalui isolator paling atas adalah

Ia + I = i1 + I ………….………………………. (3.22)

dan dengan perata tegangan menggunakan busur tanduk, dibuat pendekatan bahwa

i1 = Ia ………..…….…………………………………… (3.23)

i2 = Ib …………………………………………………… (3.24)

i3 = Ic …………….………………..….. (3.25)

………………………..……….... (3.26)

dari Gambar 3.7, potensial yang disebabkan Ia adalah 3V

…………………………………. (3.27)

dari persamaan (3.23), (3.26), dan (3.27) diperoleh Ch1

…………………………………. (3.28)

dari Gambar 3.7, potensial yang disebabkan Ib adalah 2V

…………………………………. (3.29)

.……………………………..… (3.30)

dari persamaan (3.25), (3.29), dan (3.30), diperoleh Ch2

30

………………………...……….. (3.31)

dari Gambar 3.7, potensial yang disebabkan Ic adalah V

………………………………….. (3.32)

……………………………..…… (3.33)

dari persamaan (3.25), (3.32), dan (3.33), diperoleh Ch3

……………………..…………... (3.34)

Dengan membuat sejumlah n isolator, maka akan diperoleh persamaan

kapasitansi ke-x dari suatu untaian isolator, yaitu:

………………..………………… (3.35)

dimana n = jumlah isolator

x = isolator ke-x

31