Bab II

Isolasi dan Diagnosis Isolasi Transformator

2.1. Isolasi Transformator

Isolasi pada peralatan sistem tenaga berfungsi untuk memisahkan bagian -

bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan atau dapat juga

antara bagian bertegangan dengan bagian bertegangan lain agar diantara bagian

tersebut tidak terjadi lompatan listrik (flash over).

2.1.1. Isolasi Cair Pada Transformator

Dielektrik atau isolasi cair telah lama dipergunakan pada berbagai

peralatan seperti transformator, kapasitor, kabel, dan switchgear. Isolasi cair yang

saat ini dipergunakan diantaranya minyak mineral, minyak parafin,minyak silikon,

dan beberapa minyak lain termasuk yang sedang dikembangkan yaitu minyak

nabati.

Pada trafo isolasi cair yang digunakan yaitu isolasi cair minyak. Isolasi

cair minyak pada trafo mempunyai dua fungsi utama yaitu sebagai isolasi listrik

dan sebagai media pendingin. Sebagai isolasi listrik, minyak harus mampu

menahan medan listrik tinggi. Sebagai media pendingin, maka sifat-sifat transfer

panas, viskositas, titik bakar dan beberapa sifat thermal lainnya penting untuk

diperhatikan.

2.1.1.1. Minyak Sebagai Isolasi

Pada peralatan tegangan tinggi terdapat daerah-daerah yang memiliki beda

tegangan dengan level yang cukup tinggi mencapai ratusan kilovolt. Jika antara

bagian yang berpotensial tinggi dengan bagian yang berpotensial rendah terjadi

hubungan singkat dapat menimbulkan arus yang tinggi sehingga dapat merusak

6

trafo dan juga dapat merusak peralatan-peralatan lain yang terhubung dengan

trafo tersebut. Minyak sebagai bahan isolasi trafo harus mampu menahan stress

medan listrik yang lebih tinggi agar trafo dapat beroperasi dengan normal. Dalam

fungsinya sebagai isolasi maka minyak haruslah mempunyai kekuatan dielektrik

yang tinggi, faktor rugi-rugi kecil dan resistivitas yang tinggi.

2.1.1.2. Minyak Sebagai Pendingin

Pada Trafo pemanasan dapat timbul akibat adanya rugi-rugi energi pada

belitan dan inti besi. Proses pemanasan pada trafo ini akan berlangsung secara

berkelanjutan selama pengoperasiannya dan akan menyebabkan kenaikan

temperatur pada belitan dan inti besi. Jika proses pemanasan ini tidak diimbangi

dengan proses pendinginan, maka akan terjadi pemanasan berlebih yang dapat

mengakibatkan terjadinya kerusakan pada trafo. Adanya minyak sebagai cairan

pengisi dalam trafo dapat membantu proses pendinginan belitan dan inti. Salah

satu kelebihan minyak yaitu dapat mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi

serta secara serentak melalui proses konversi energi dapat menyalurkan sekaligus

mereduksi panas yang timbul akibat rugi energi.

Pada kebanyakan trafo, minyak bumi (mineral oil) merupakan salah satu

media yang paling banyak digunakan karena kemampuannya dalam menyerap dan

mereduksi panas dalam trafo yang sangat baik. Namun seiiring berjalannya waktu,

minyak trafo akan mengalami proses penuaan (ageing) yang akan menyebabkan

degradasi. Oleh sebab itu, untuk menjaga kondisi minyak agar lebih tahan lama,

seringkali digunakan metode sirkulasi paksa (forced) dengan pompa. Metode

sirkulasi paksa merupakan minyak yang disirkulasikan keluar permukaan trafo

dan melewati proses pendinginan di luar kemudian disirkulasikan kembali ke

dalam trafo.Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap kemampuan laju penyaluran

panas pada minyak antara lain kapasitansi panas dan konduktivitas termal.

7

2.1.1.3 Struktur Kimia Minyak [1]

Pada dasarnya minyak trafo tersusun atas senyawa-senyawa hidrokarbon

dan non hidrokarbon.

2.1.1.3.1. Senyawa Hidrokarbon

Senyawa Hidrokarbon adalah senyawa kimia yang terdiri atas unsur-unsur

hidrogen (H) dan karbon (C). Senyawa hidrokarbon merupakan bagian terbesar

dari minyak. Senyawa ini dapat dibagi menjadi tiga kelompok besar yaitu

senyawa parafin, senyawa napthena, dan senyawa aromatik.

1. Senyawa Parafin

Parafin adalah senyawa hidrokarbon jenuh yang mempunyai rantai karbon

lurus atau bercabang. Dalam kimia organik dikenal sebagai senyawa dengan

rantai terbuka atau senyawa alifatis.

2. Senyawa Napthena

Senyawa napthena digolongkan sebagai senyawa hidrokarbon yang

mempunyai rantai tertutup atau struktur berbentuk cincin. Senyawa ini dikenal

pula sebagai senyawa alisiklis. Masing-masing cincin dapat berisi lima atau enam

atom karbon.Senyawa napthena dapat berupa monosiklik, disiklik, dan seterusnya

tergantung pada jumlah cincin yang dimilikinya. Pada masing-masing cincin pula

terhubung satu atau lebih rantai lurus atau berantai bercabang.

3. Senyawa Aromatik

Senyawa ini memiliki satu atau lebih cincin aromatik yang dapat

bergabung dengan cincin alisiklik. Beberapa senyawa aromatik berfungsi sebagai

penghambat oksidasi (inhibitor) dan penjaga kestabilan. Jika jumlahnya terlalu

banyak akan bersifat merugikan yaitu berkurangnya kekuatan dielektrik, serta

berkurangnya kekuatan dielektrik, serta berkurangnya sifat pelarutan minyak

terhadap isolasi padat di dalamnya.

8

2.3.1.2.Senyawa Non Hidrokarbon

Senyawa non hidrokarbon yang terdapat dalam minyak trafo adalah

substansi asphalt / ter, senyawa organik yang mengandung belerang dan nitrogen,

asam napthen, ester, alkohol dan senyawa organometalik.

1. Ter

Selama proses pemurnian minyak isolasi, sebagian besar ter dihilangkan.

Pada minyak hasil pemurnian ini hanya ter dengan konsentrasi rendah yaitu 2 -

2,5% berat. Walaupun jumlahnya sangat sedikit, beberapa jenis senyawa ini

mempunyai pengaruh pada sifat kerja minyak trafo. Senyawa ini memberikan

warna yang khas pada minyak. Ter juga dapat mempercepat oksidasi.

Ter diklasifikasikan sebagai berikut :

a. Ter netral , senyawa yang larut dalam minyak eter yang berwujud cair atau

semi cair dengan massa jenis sekitar satu.

b. Asphaltena, substansi padat yang tidak larut dalam minyak eter tetapi larut

dalam benzena , senyawa benzena seri, kloroform dan karbon disulfida.

c. Karbena , substansi yang tidak larut dalam pelarut konvensional tetapi

dapat larut sebagian dalam pridin dan karbon disulfida.

2. Senyawa Sulfur (Belerang)

Senyawa sulfur selalu terdapat pada semua minyak mentah, jumlahnya

bervariasi mulai lebih kecil dari 1 % sampai dengan 20 % berat. Senyawa ini

mempunyai pengaruh pada sifat-sifat minyak dan turut menentukan proses yang

diperlukan untuk mengolah minyak. Bagian dari hasil penyulingan minyak yang

mempunyai titik didih rendah hampir semua senyawa sulfur terdapat didalamnya,

tetapi untuk hasil penyulingan yang mempunyai titik didih di atas 200 oC

kebanyakan mengandung senyawa sulfur dengan struktur siklis.

Beberapa senyawa belerang yang terdapat di dalam minyak bersifat

korosif dan tidak stabil. Oleh karena itu dalam proses destilasi minyak diusahakan

untuk menghilangkan atau menekan jumlah senyawa belerang agar korosi dapat

dicegah atau dikurangi.

9

3. Senyawa Nitrogen

Jumlah senyawa nitrogen yang terkandung dalam minyak cukup kecil,

yaitu kurang dari 0,8 %. Walaupun senyawa ini sangat sedikit terdapat dalam

minyak, senyawa ini memegang peranan yang sangat penting pada proses oksidasi

yang bersifat katalis sehingga kehadirannya tidak diharapkan.

4. Asam Napthena dan Senyawa yang Mengandung Oksigen

Asam napthena juga terdapat dalam minyak bumi dalam jumlah cukup

besar. Sebagian besar diantaranya terbuang selama proses pemurnian minyak

sehingga jumlahnya tinggal sedikit sekali sekitar 0,02 %. Disamping asam-asam

napthena,minyak juga mengandung asam-asam dari senyawa alifatik dan aromatik

dalam jumlah yang kecil sekali, selain itu masih terdapat pula senyawa ester ,

alkohol , keton , dan peroksida.

5. Senyawa yang Mengandung Logam

Isolasi cair dapat mengandung garam-garam dari asam organik dan

senyawa metal kompleks. Minyak juga mengandung logam besi, tembaga ,

aluminium , titanium, kalsium, molibdeum, timah ,magnesium , krom, dan perak

walaupun dalam jumlah yang sangat sedikit.

1.5.1. Isolasi Padat Pada Transformator

Secara umum isolasi padat mempunyai sifat dielektrik yang baik,

mempunyai kemampuan mekanik dan dapat menjadi protektor terhadap

lingkungan. Isolasi padat mempunyai berbagai keuntungan diantaranya bersifat

self supporting (tidak perlu didukung) dan tidak perlu wadah. Beberapa

kelemahan isolasi padat diantaranya recovery sifat isolasinya sangat rendah

sehingga sekali mengalami tembus maka sudah tidak dapat dipergunakan lagi dan

fungsi sebagai pedingin kurang baik.

Pada trafo, isolasi padat terdapat pada belitan. Tujuan isolasi pada belitan

yaitu untuk mengisolasi masing-masing belitan terhadap belitan yang lainnya,

sehingga tidak terjadi flashover antar belitan. Biasanya dalam aplikasinya Trafo

menggunakan Kertas sebagai bahan isolasi padat.

10

Kertas terbuat dari bahan baku selulosa. Kertas untuk dielektrik biasanya

diproses dari pulp kayu kraft yang berasal dari konifer, kayu lunak atau pinus.

Selulosa mempunyai rumus kimia (C6H12O5)n yang merupakan polimer dengan

berat molekul tinggi yang terdiri dari daerah kristalin yang bergabung dengan

bagian amorphous. Secara umum selulosa mempunyai ikatan linear. Namun tidak

jarang dilakukan cross linking ringan. Pada proses pembentukan kertas awal,

kandungan air dapat mencapai 98 % namun pada proses selanjutnya, kertas

dikeringkan dan kandungan kelembapan di dalamnya turun hingga sekitar 5 %.

Kertas mempunyai sifat higrokopis (mudah menyerap air). Oleh karena itu dalam

itu dalam pemakaiannya dikeringkan dahulu kemudian diimpregnasi dengan

minyak mineral, minyak sintetik atau minyak sayur (vegetable oil). Konstanta

dielektrik kertas sangat tergantung dari minyak impregnasi dan selulosa bahan

kertasnya.

Secara umum isolasi kertas mempunyai karakteristik sebagai berikut :

Biasanya t < 0,8 mm

εr sekitar 3 dan tan δ sekitar 25 %.

Bersifat Higroskopis

Selalu digunakan dalam bentuk kombinasi dengan minyak atau resin

Impregnasi minyak : fleksibel

Impregnasi resin : keras dan kaku

Pada Trafo, Kertas dalam pemakaiannya biasanya bersamaan dengan

isolasi cair dalam bentuk impregnasi. Impregnasi kertas menggunakan minyak

akan mengurangi pengaruh kelembapan dan terisinya pori-pori kertas sehingga

sifat dielektrik dalam bentuk komposit menjadi lebih baik.

1.6. Parameter Kualitas Isolasi Transformator [2]

Peralatan trafo tenaga merupakan bagian penting dalam jaringan tenaga

listrik. Peralatan ini perlu untuk dijaga kondisinya agar dapat beroperasi optimal.

Salah satu bagian penting yang dapat menggambarkan kondisi trafo secara

11

keseluruhan adalah peralatan isolasi. Peralatan isolasi trafo terdiri dari isolasi cair

(minyak) dan isolasi padat (kertas). Saat ini PT PLN telah melakukan beberapa

pengujian untuk mengetahui kualitas isolasi trafo, yaitu :

1.6.1. Tegangan Tembus Minyak (Breakdown Voltage)

Merupakan pengujian untuk mengetahui pada tegangan berapa isolasi

minyak trafo mengalami breakdown. Metode pengujian yang dapat dilakukan

antara lain ASTM D-1816 dan ASTM D-877. Standar nilai hasil pengujian untuk

kedua metode tersebut adalah ;

Tabel 2.1 Standar IEEE C57.106 pengujian kekuatan dielektrik

Metode <69 kV 69 – < 230 kV >230 kV

ASTM D-1816 ( 1 mm) 23 28 30

ASTM D-1816 ( 2 mm) 40 47 50

Semakin tinggi nilai hasil pengujian tegangan tembus minyak, maka

kekuatan isolasi minyak juga akan semakin tinggi. Tegangan tembus minyak

mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya partikel-partikel hasil

oksidasi dan kandungan air dalam minyak. Dalam membuat analisa kondisi

isolasi, selain hasil pengujian kekuatan dielektrik harus diperhatikan juga

kandungan air dan oksigen. Kombinasi antara dua zat ini dengan energi panas

akan mengakibatkan kerusakan pada isolasi kertas sebelum nilai kekuatan

dielektrik di bawah standar.

12

Gambar 2.1 Alat Ukur Tegangan Tembus Minyak Trafo

1.6.2. Tegangan Antar Muka (Interfacial Tension /IFT)

Nilai IFT adalah besarnya daya yang dibutuhkan untuk menarik sebuah

cincin kecil ke atas sejauh 1 cm melalui permukaan antara air dan minyak (ASTM

D-971). Minyak yang bagus (baru) mempunyai nilai IFT antara 40 – 50 dyne/cm.

Nilai IFT dipengaruhi oleh banyaknya partikel-partikel kecil hasil oksidasi

minyak dan kertas. Oksidasi akan menghasilkan air dalam minyak, meningkatkan

nilai keasaman minyak dan pada kondisi tertentu akan menyebabkan

pengendapan(sludge). Standar hasil pengujian IFT menggunakan metode ASTM

D-971 adalah sebagai berikut

Tabel 2.2 Standar IEEE C57.106 pengujian Tegangan Antar Muka

IFT <69 kV 69 – <230 kV >230 kV

ASTM D-971 25 30 32

Minyak harus di reklamasi ketika nilai IFT mencapai 25 dyne/cm. Pada

kondisi ini, minyak sudah banyak mengandung kontaminasi hasil oksidasi dan

akan terjadi pengendapan.

13

Gambar 2.2 Alat Ukur Tegangan Antar Permukaan

1.6.3. Kandungan Air dalam Minyak (Water Content)

Salah satu hal yang membahayakan trafo adalah kandungan air.

Kandungan air dan oksigen yang tinggi akan mengakibatkan korosi,

menghasilkan asam, endapan dan cepat menurunkan usia trafo. Dari hasil

penelitian EPRI diperolah bahwa setiap peningkatan kandungan air 2 kali lipat

pada temperatur yang sama akan menurunkan usia isolasi menjadi 0.5 kali.

Kandungan air dalam trafo dapat berasal dari udara saat trafo dibuka untuk

keperluan inspeksi, dan apabila terjadi kebocoran maka uap air akan masuk ke

dalam trafo karena perbedaan tekanan parsial uap air.

Standar hasil pengujian kandungan air dalam minyak menggunakan metode

ASTM D-1533 [2] adalah sebagai berikut :

Tabel 2.3 Standar IEEE C57.106 pengujian kandungan air dalam minyak

Kandungan Air <69 kV 69 – <230 kV >230 kV

ASTM D-1533 35 25 20

14

Nilai diatas tidak sepenuhnya menjamin kondisi isolasi trafo. Karena

kandungan air dalam minyak akan sangat berbahaya apabila mencapai 30%

saturasi air dan minyak harus direklamasi. Untuk itu pada waktu pengambilan

sampel minyak untuk pengujian kandungan air harus dicatat temperatur minyak

trafo. Temperatur ini sangat diperlukan pada waktu melakukan analisa. Persentase

saturasi air dalam minyak dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.3 Persentase saturasi air dalam minyak

Selain itu, kandungan air dalam minyak dapat digunakan untuk

memperkirakan jumlah kandungan air dalam kertas

Tabel 2.4 Perbandingan distribusi air dalam minyak dan kertas

Temperatur (oC) Air dalam minyak Air dalam kertas

20 1 3000

40 1 1000

60 1 300

15

Kandungan air pada kertas terutama terkumpul pada sepertiga belitan

bagian bawah dimana suhu minyak rendah. Hal ini akan memungkinkan

terjadinya flashover antar belitan.

Gambar 2.4 Alat Ukur Kandungan Air dalam Minyak Trafo

1.6.4. Angka Keasaman ( Neutralization Number / NN)

Merupakan jumlah kalium hidroksida (KOH) yang dibutuhkan (dalam mg)

untuk menetralkan 1 gram minyak sampel. Semakin banyak KOH yang

dibutuhkan, maka semakin asam minyak dan semakin besar pula angka

kenetralannya. Proses oksidasi pada kertas dan minyak akan menghasilkan asam.

Kandungan asam dalam minyak mempercepat penurunan kondisi minyak dan

kertas, yaitu :

asam akan membentuk lebih banyak asam dari minyak dan kertas

bereaksi dengan kertas menghasilkan air

asam bersifat korosif terhadap logam dan akan membentuk lebih banyak

partikel-partikel logam pada belitan dan bagian bawah tangki minyak.

16

Standar hasil pengujian angka kenetralan minyak dengan metode pengujian

ASTM D-974 adalah sebagai berikut :

Tabel 2.5. Standar IEEE C57.106 pengujian angka keasaman

Metode <69 kV 69 – <230 kV >230 kV

ASTM D 974 0.2 0.15 0.1

Berdasarkan hasil pengujian IFT dengan NN, dapat dibuat analisa lebih

lanjut dengan membandingkan nilai keduanya :

Tabel 2.6 Nilai perbandingan IFT dengan NN

Kondisi Minyak IFT NN IFT / NN

Bagus 30,0 – 45,0 0,00 – 0,10 300 – 1500

Proprosional A 27,1 – 29,9 0,05 – 0,10 271 – 600

Marginal 24,0 – 27,0 0,11 – 0,15 160 – 318

Jelek 18,0 – 23,9 0,16 – 0,40 45 – 159

Sangat jelek 14,0 – 17,9 0,41 – 0,65 22 – 44

Sangat sangat jelek 9,00 – 13,9 0.66 – 1,50 6 – 21

Rusak > 1,51

Dari hasil perbandingan di atas, apabila hasil pengujian IFT : 29,2

dyne/cm, NN : 0,3 dan IFT / NN : 96 maka minyak diklasifikasikan ke dalam

kondisi jelek.

17

Gambar 2.5 Alat Ukur Kadar Asam Minyak Trafo

1.6.5. Flash Point

Temperatur minimum dimana minyak menghasilkan uap yang cukup

untuk dibakar bersama udara. Flash point merupakan indikator ketidakstabilan

minyak. Minyak yang bagus mempunyai nilai flash point tinggi, nilai standar

berdasarkan metode pengujian ASTM D-92 adalah 150oC dan akan terus

berkurang apabila kandungan air, oksigen, gas-gas terlarut meningkat dan ikatan

rantai karbon minyak berkurang.

Gambar 2.6 Alat Ukur Flash Point pada minyalk trafo

18

1.6.6. Warna

Untuk mendeteksi kecepatan penurunan atau kontaminasi yang serius.

Nilai standar berdasarkan metode pengujian ASTM D-1500 adalah <3,5. Hasil

pengujian yang tinggi menggambarkan adanya karbon, partikel isolasi dan

material terlarut lainnya. Karbon terbentuk pada waktu timbul partial discharge

maupun arcing. partikel-partikel dapat berupa furan maupun hasil oksidasi.

Gambar 2.7 Alat Ukur Flash Point pada minyak trafo

1.6.7. Sludge

Sludge dihasilkan oleh adanya oksigen dan kandungan air dalam minyak

trafo. Sludge terutama terjadi pada belitan trafo bagian bawah dan terus

meningkat. Slugde akan mengakibatkan suhu trafo naik pada beban yang dan hasil

pengujian IFT akan mengalami penurunan.

19

Gambar 2.8 Alat Ukur sludge (endapan) pada minyak trafo

1.6.8. Rasio CO/CO2

Jumlah gas CO2 dan CO dalam trafo meningkat seiring dengan

peningkatan suhu operasi trafo. Berdasarkan hasil pengujian DGA menurut

standar IEEE C57.104 , akumulasi gas CO2 dan CO menggambarkan kondisi

kertas yang dibedakan ke dalam 4 status seperti pada tabel berikut :

Tabel 2.7. Akumulasi gas CO2 dan CO

CO2 (ppm) CO (ppm)

Kondisi 1 0 - 2500 0 - 350

Kondisi 2 2501 – 4.000 351 - 570

Kondisi 3 4001 – 10.000 571 – 1.400

Kondisi 4 > 10.000 > 1.400

Kondisi 1 adalah kondisi normal operasi sedangkan kondisi 4 kertas sudah

mendekati kerusakan.

Apabila salah satu atau kedua gas telah mencapai kondisi 2 atau 3, maka

rasio peningkatan jumlah CO2 / CO sangat membantu dalam menentukan kondisi

isolasi padat. Pada trafo yang beroperasi pada beban dan suhu normal, hasil

20

pengujian rasio pertambahan gas CO2 akan 7 sampai 20 kali lebih besar dibanding

CO. Kondisi normal ini dapat dipertimbangkan untuk rasio pertambahan

mencapai 5. Apabila rasio kurang dari 5 disertai dengan pertambahan gas H2,

CH4, C2H6 maka ada kemungkinan terjadi masalah di dalam trafo dan kertas

mengalami penurunan kondisi yang cepat apabila rasio CO2/CO kurang dari 3.

Pada kondisi ini trafo mendekati kerusakan sehingga perlu dilakukan inspeksi

internal pada isolasi kertas.

Gambar 2.9 Alat Ukur Dissolved Gas Analysis termasuk CO dan CO2

1.6.9. Furan

Pengujian furan dilakukan apabila hasil pengujian rasio pertambahan

CO2/CO bernilai 3 atau kurang. Furan adalah molekul organik yang dihasilkan

dari penurunan isolasi kertas akibat pemanasan berlebih, oksidasi dan asam.

Pengujian yang dilakukan adalah pengujian untuk 5 macam furan yang

disebabkan oleh hal, yaitu :

5H2F (5 hidroksimetil 2 furaldehid) yang disebabkan oleh oksidasi

2FOL (2 fulfurol) disebabkan kandungan air yang tinggi pada kertas

2FAL (2 furaldehid) disebabkan oleh pemanasan berlebih

21

2ACF (2 Asetilfuran) disebabkan oleh petir

5M2F (5 Metil 2 Furaldehid) disebabkan oleh hotspot pada belitan.

Pada isolasi yang bagus, seharusnya jumlah keseluruhan furan yang

terdeteksi kurang dari 100 ppb. Jika terjadi kerusakan pada kertas, maka hasil uji

furan akan lebih dari 100 ppb sampai 70.000 ppb. Minyak harus direklamasi jika

jumlah furan melebihi 250 ppb, karena kertas telah mengalami penurunan kondisi

dan usia trafo berkurang. Hasil pengujian furan ini dikorelasikan dengan hasil

pengujian IFT dan keasaman. Asam menyerang isolasi kertas menghasilkan furan

dan akan menyebabkan IFT turun. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik,

analisa hasil pengujian dilakukan berdasarkan pada tren hasil pengujian bukan

pada satu hasil pengujian saja.

Hal yang perlu diperhatikan dalam menjaga kondisi isolasi trafo adalah

kandungan gas oksigen. Gas ini sangat berbahaya karena menimbulkan oksidasi di

dalam trafo. Oksigen di dalam minyak berasal dari adanya kebocoran dan

penurunan kondisi isolasi. Beberapa ahli dan organisasi termasuk EPRI meyakini

bahwa kandungan oksigen dalam lebih dari 2000 ppm akan mempercepat

pemburukan kondisi kertas. Minyak harus di-treatment apabila kandungan

oksigen mencapai 10.000 ppm.

1.6.10. Faktor Rugi-Rugi Dielektrik (tan δ) [1]

Faktor Rugi-rugi dielektrik (tan δ) merupakan indikator rugi-rugi energi

pada material isolasi dalam kondisi tegangan bolak-balik (AC). Secara umum,

rugi-rugi dielektrik disebabkan oleh adanya elektron bebas dalam isolasi cair.

Keberadaan elektron bebas inilah yang akan menyebabkan timbulnya arus

konduksi (IR) dalam minyak. Sudut rugi-rugi dielektrik δ akan membesar jika arus

konduksi semakin besar. Rangkaian Ekivalen dan diagram fasor material isolasi

adalah sebagai berikut :

22

(a) (b)

Gambar 2.10 (a).Rangkaian Ekivalen pararel material isolasi

(b).Diagram fasor rangkaian

Nilai tan δ berbanding lurus dengan disipasi energi dalam bentuk panas

pada material isolasi. Semakin besar nilai tan δ minyak transformator

mengindikasikan bahwa disipasi energi dalam bentuk panas pada minyak tersebut

cukup signifikan. Hal ini menunjukkan bahwa dalam minyak terdapat kerusakan

atau kandungan kontaminan baik berupa uap air, karbon,varnish, senyawa

sodium, maupun kontaminan penggangu lainnya. Karena itu nilai tan δ minyak

transformator dapat menentukan unjuk kerjanya karena dapat dijadikan parameter

untuk mengevaluasi efesiensi dielektrik serta menilai kerusakan dielektrik karena

penggunaan yang cukup lama. Selain itu, pengujian tan δ pada minyak

transformator dapat menentukan apakah zat kontaminan masih dapat dalam batas

yang diperbolehkan atau tidak.

Karakteristik tan δ digunakan untuk mengevaluasi efesiensi dielektrik. Tan

δ cukup peka untuk mendeteksi serta menilai kerusakan dielektrik akibat telah

dipergunakan untuk waktu yang lama. Pengaruh langsung dari naiknya nilai δ

adalah terjadinya pemanasan dielektrik. Sedangkan pengaruh tidak langsungnya

adalah naiknya korosi logam, laju kerusakan dielektrik, kelarutan air, emulsifikasi

air dan kecepatan oksidasi.

23

Hal yang perlu diperhatikan dalam menjaga kondisi isolasi trafo adalah

kandungan gas oksigen. Gas ini sangat berbahaya karena menimbulkan oksidasi di

dalam trafo. Oksigen di dalam minyak berasal dari adanya kebocoran dan

penurunan kondisi isolasi. Beberapa ahli dan organisasi termasuk EPRI meyakini

bahwa kandungan oksigen dalam lebih dari 2000 ppm akan mempercepat

pemburukan kondisi kertas. Minyak harus di-treatment apabila kandungan

oksigen mencapai 10.000 ppm.

1.7. Proses Degradasi pada Isolasi Transformator

Kegagalan isolasi (insulation breakdown, insulation failure) disebabkan

karena beberapa hal antara lain isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya

kekuatan dielektrik dan karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada

perinsipnya tegangan pada isolasi merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress)

yang harus dilawan oleh gaya dalam isolasi itu sendiri agar isolasi tidak gagal.

Dalam struktur molekul material isolasi, elektron-elektron terikat erat pada

molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang

disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka

sifat isolasi pada tempat itu hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan

tegangan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul ke

molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik

isolasi akan berubah bila material tersebut kemasukan suatu ketidakmurnian

(impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat

menurunkan tegangan gagal. Berikut ini beberapa faktor yang mempengaruhi

mekanisme kegagalan yaitu :

Partikel

Ketidak murnian memegang peranan penting dalam kegagalan isolasi.

Partikel debu atau serat selulosa dari sekeliling dielektrik padat selalu

tertinggal dalam cairan. Apabila diberikan suatu medan listrik maka

partikal ini akan terpolarisasi. Jika partikel ini memiliki permitivitas e2

yang lebih besar dari permitivitas carian e1, suatu gaya akan terjadi pada

24

partikel yang mengarahkannya ke daerah yang memiliki tekanan elektris

maksimum diantara elektroda elektroda. Jika partikel tersebut lembab atau

basah maka gaya ini makin kuat karena permitivitas air tinggi. Partikel

yang lain akan tertarik ke daerah yang bertekanan tinggi hingga partikel

partikel tersebut bertautan satu dengan lainnya karena adanya medan. Hal

ini menyebabkan terbentuknya jembatan hubung singkat antara elektroda.

Arus yang mengalir sepanjang jembatan ini menghasilkan pemanasan

lokal dan menyebabkan kegagalan.

Air

Air yang dimaksud adalah berbeda dengan partikel yang lembab. Air

sendiri akan ada dalam minyak yang sedang beroperasi/dipakai. Namun

demikian pada kondisi operasi normal, peralatan cenderung untuk

membatasi kelembaban hingga nilainya kurang dari 10 %. Medan listrik

akan menyebabkan tetesan air yang tertahan didalam minyak yang

memanjang searah medan dan pada medan yang kritis, tetesan itu menjadi

tidak stabil. Kanal kegagalan akan menjalar dari ujung tetesan yang

memanjang sehingga menghasilkan kegagalan total.

Gelembung

Pada gelembung dapat terbentuk kantung kantung gas yang terdapat dalam

lubang atau retakan permukaan elektroda, yang dengan penguraian

molekul molekul cairan menghasilkan gas atau dengan penguatan cairan

lokal melalui emisi elektron dari ujung tajam katoda. Gaya elektrostatis

sepanjang gelembung segera terbentuk dan ketika kekuatan kegagalan gas

lebih rendah dari cairan, medan yang ada dalam gelembung melebihi

kekuatan uap yang menghasilkan lebih banyak uap dan gelembung

sehingga membentuk jembatan pada seluruh celah yang menyebabkan

terjadinya pelepasan secara sempurna.

25

1.7.1. Penuaan (Aging)

Kandungan air, oksigen, dan produk penuaan minyak trafo (termasuk

keasaman di dalamnya) merupakan penyebab degradasi isolasi trafo yang

kemudian dapat mengurangi umur trafo secara signifikan. Parameter-parameter itu

muncul karena adanya pengaruh dari luar diantaranya suhu, stress medan yang

tinggi dan lain-lain.

Proses pemburukan isolasi trafo melibatkan difusi air yang terjadi

perlahan-lahan, gas, dan produk dari penuaan akan memberikan pengaruh buruk

pada keadaan sebagian struktur isolasi yang disebut struktur tipis (isolasi kertas

pada belitan dan coils, pressboard shets) yang merupakan 40-60% dari total

massa isolasi trafo. Bagian paling panas dari isolasi merupakan faktor penyebab

percepatan kegagalan isolasi.

Pada kenyataannya, fluida merupakan bagian terbesar dari trafo dan

berperan sebagai pemain utama dalam menentukan kondisi keseluruhan sistem.

Seluruh ketidakmurnian pada minyak (air, gas, dan produk penuaan lainnya)

merupakan bagian dari seluruh sistem dielektrik. Produk penuaan yang agresif

akan diserap oleh bahan isolasi yang kemudian akan menghancurkan selulosa dan

juga memberikan pengaruh buruk pada minyak baru setelah refill. Rekondisi

minyak merupakan keputusan yang tepat untuk perpanjangan umur trafo

1.7.2. Kadar Air

Ada tiga faktor yang dapat menyebabkan kadar air dalam isolasi trafo

menjadi berlebihan yaitu :

Embun yang tertinggal di dalam struktur tebal isolasi trafo tidak menguap

Air yang berasal dari udara luar

Penuaan selulosa dan minyak

Sumber utama kontaminasi air adalah embun yang berasal dari udara luar.

Mekanisme masuknya air ke dalam isolasi trafo adalah dengan masuknya udara

26

yang lembab atau bisa saja air dari luar masuk melalui bagian trafo yang tidak

tertutup rapat (kebocoran). Air hujan pun dapat menjadi sumber kontaminasi air

dalam trafo dalam waktu yang cepat. Selain itu pengembunan di dalam trafo pun

dapat terjadi saat pembukaan trafo ke udara untuk keperluan inspeksi.

Penuaan yang terjadi pada minyak trafo dan selulosa dapat menghasilkan

air dalam jumlah yang banyak sehingga menyebabkan nilai suhu akan naik dan

kerusakan pun terjadi dengan cepat. Dalam hal ini molekul air akan berpindah

terutama dari sekitar titik panas ke belitan.

1.7.3. Kontaminasi Partikel

Selulosa, besi, alumunium, tembaga dan partikel lainnya timbul dari

proses pembuatan /produksi dari minyak trafo itu sendiri. Terjadinya penuaan dan

meningkatnya temperatur lama-kelamaan akan terbentuk partikel-partikel yang

mengendap. Terjadinya pemanasan berlebih di atas 500oC dapat menimbulkan

terbentuknya karbon.

Kontaminasi partikel merupakan faktor penting yang menyebabkan

menurunnya kekuatan dielektrik pada isolasi trafo, oleh karena itu dalam

memproduksi minyak trafo akan sangat lebih baik jika meminimasikan jumlah

partikel yang dapat mengkontaminasi minyak tersebut. Partikel yang paling

berbahaya adalah partikel yang bersifat konduktif diantaranya karbon, logam,

fiber.

Melakukan identifikasi dan mengetahui jumlah kontaminasi partikel pada

isolasi trafo merupakan salah satu hal yang penting dalam melakukan condition

monitoring.

1.7.4. Penuaan Isolasi Kertas

Gambar 2.11 memperlihatkan bagan tentang proses penuaan isolasi

minyak-kertas pada trafo karena adanya air, kontaminasi partikel dan produk dari

penuaan minyak. Bagian dielektrik yang aman di antara isolasi mayor dan isolasi

27

minor yang telah terkontaminasi air akan ditentukan oleh nilai kekuatan dielektrik

pada isolasi minyak.

Gambar 2.11 Bagan penuaan pada isolasi minyak-kertas trafo [9]

Munculnya gelembung sangat mungkin disebabkan oleh aktivitas partial

discharge (PD) yang dapat terjadi bahkan saat rated voltage. Keberadaan

gelembung tersebut menjadi masalah yang serius pada “trafo panas”. “Trafo

panas” terjadi bukan hanya karena tingginya temperatur dan kandungan air tapi

juga karena adanya udara dan menurunnya tegangan antar muka pada minyak.

fenomena inilah yang disebut penuaan.

Kandungan air yang tinggi akan menyebabkan kegagalan isolasi dengan

cepat. Sedangkan keberadaan partikel konduktif dapat mengurangi kekuatan

dieletrik minyak. Selain itu air juga menyebabkan terjadinya depolimerisasi

selulosa. Fenomena ini akan menjadi lebih berbahaya dengan adanya zat asam.

Oleh karena itu sebaiknya condition monitoring pada trafo yang terkontaminasi

harus mempertimbangkan juga kontaminasi pada minyak oeh partikel konduktif

dan produk penuaan minyak itu sendiri.

28

1.8. Diagnosis Isolasi Transformator [1]

Salah satu metoda yang banyak dipergunakan untuk mengetahui kondisi

isolasi transformator adalah dengan menganalisa gas terlarut dalam minyak

(dissolved gas analysis,DGA). Dengan menggunakan kromatografi gas maka

spesies dan konsentrasi gas dalam minyak dapat diketahui. Selanjutnya dari

spesies dan konsentrasi gas tersebut diinterpretasikan kondisi isolasi trafo.

Beberapa teknik atau metode menginterpretasikan data DGA seperti :

a. Total Combustible Gas – TCG

b. Key Gas Method

c. Roger’s Ratio Method

1.8.1. Metode Total Combustible Gas (TCG)

Menurut IEEE trafo yang sehat harus mengandung 0 – 720 ppm (v/v)

konsentrasi TCG atau gas-gas yang mudah terbakar yaitu Hidrogen (H2) dan

hidrokarbon rantai pendek seperti metana (CH4), etana (C2H6),etilen (C2H4), dan

asitilen (C2H2). Berdasarkan Standar IEEE C57-104-1991 serta ASTM D-3612

memberikan petunjuk mengenai penggunaan analisis dengan TCG serta

kandungan gas-gas secara individual.

Tabel 2.8 Konsentrasi gas-gas terlarut (ppm) berdasarkan metode TCG Status H2 CH4 C2H2 C2H4 C2H6 CO CO2 TDCG

Kondisi 1 100 120 35 50 65 350 2500 720 Kondisi 2 101-700 121-400 36-50 51-100 66-100 351-570 2500 -

4000 721-

1920

Kondisi 3 701-

1800 401-

1000 51-80 101-

200

101-

150 571-

1400

4001-

10000 1921-

4630

Kondisi 4 >1800 >1000 >80 >200 >150 >1400 >10000 >4630

29

Masing-masing kondisi trafo diatas dikelompokkan sesuai konsentrasi

TCG ataupun konsentrasi Combustible Gas maksimum yang diijinkan. Untuk

diagnosis dan penanganan terhadap kondisi trafo berdasarkan tabel berikut.

Tabel 2.9 Diagnosis dan penanganan terhadap kondisi trafo berdasarkan metode

TCG

Kondisi

Konsentrasi TCG

dan atau konsentrasi

gas individual

Diagnosis

Prosedur

Penanganan

Kondisi

1

TCG < 720 ppm

atau konsentrasi

tertinggi gas individual

berdasarkan tabel 2.8

Trafo beroperasi

Dengan normal

Tidak perlu dilakukan

penanganan khusus

Lanjutkan pengoperasian

Kondisi

2

TCG 721-1920 ppm

atau konsentrasi

tertinggi gas individual

berdasarkan tabel 2.8

TCG berada dia atas normal ,

kegagalan

mungkin terjadi

pada kondisi ini

Lanjutkan tindakan pencegahan agar

gejala tidak terus berlanjut

Lakukan investigasi untuk masing-

masing combustible gas yang

melebihi batas normal

Kondisi

3

TCG 1921- 4630 ppm

atau konsentrasi

tertinggi gas individual

berdasarkan tabel 2.8

TCG pada level inimenunjuk

kan telah terjadi dekomposisi

tingkatan tinggi

Segera lakukan tindakan

pencegahan agar gangguan tidak

berlanjut

Lakukan investigasi lebih cermat

untuk masing-masing combustible

gas yang terdeteksi

Kondisi

4

TCG > 4630 ppm

atau konsentrasi tertinggi

gas individual

berdasarkan tabel 2.8

Terjadi dekomposisi yang

sangat berlebihan

dan menyeluruh

dalam minyak.

Meneruskan operasional

dapat menyebab kan

gangguan yang serius

Laju pembentukan gas dan

penyebabnya harus segera

diidentifikasi dan dilokalisir

Segera ambil tindakan perbaikan

30

1.8.2. Metode Gas Kunci (Key Gas Method)

Berdasarkan pada standar IEEE C57.104.1991. Dengan melihat komposisi

gas-gas kunci pada data maka dapat mempermudah dalam mendiagnosis kondisi

trafo.

Tabel 2.10 Metode Gas Kunci dan Diagnosis gangguan

Gas Kunci Kriteria Diagnosis

Gangguan

Asetilen (C2H2) Konsentrasi gas C2H2 dan H2 dalam jumlah yang

besar disertai timbulnya gas CH4 dan C2H4 dalam

jumlah kecil. CO dan CO2 juga dapat timbul jika

terjadi dekomposisi pada selulosa

Arching

Hidrogen (H2) Konsentrasi H2 dalam jumlah yang besar, CH4

tidak terlalu banyak, serta C2H6 dan C2H4 dalam

jumlah kecil. CO dan CO2 juga dapat timbul jika

terjadi dekomposisi pada selulosa

Corona (PD)

Etilen (C2H4) Konsentrasi C2H4 dalam jumlah besar. C2H6, CH4

dan H2 dalam jumlah kecil, serta sedikit

konsentrasi CO

Overheating of oil

Karbonmonoksida

(CO)

Konsentrasi CO dan CO2 dalam jumlah besar.

Gas-gas hidrokarbon dapat juga timbul

Overheating

of cellulose

1.8.3. Metode Rasio Rogers

Metode ini merupakan salah satu perangkat pelengkap untuk analisis

kandungan gas terlarut dalam minyak trafo. Rasio Rogers diperoleh dengan

membandingkan kuantitas dari berbagai gas-gas kunci yang akan memberikan

sebuah nilai rasio suatu gas kunci terhadap gas lainnya.

Rasio Rogers diperoleh dengan perbandingan gas-gas CH4 /H2 ,C2H6/CH4

,C2H4/C2H6 , C2H2/C2H4. Jika diperoleh perbandingan gas-gas tersebut >1 maka

rasio Rogers bernilai 1 dan jika perbandingan gas-gas tersebut ≤ 1 maka rasio

Rogers bernilai 0 Nilai dan diagnosis gangguan dengan Rasio Rogers dapat dilihat

pada Tabel 2.11 berikut.

31

Tabel 2.11 Diagnosis gangguan dengan Rasio Rogers

CH4/H2 C2H6/CH4 C2H4/C2H6 C2H2/C2H4

R1 R2 R3 R4 Diagnosis

0 0 0 0 Normal deterioration

1 0 0 0 Slight overheating – below 150oC

1 1 0 0 Slight overheating –150oC-200 oC

0 1 0 0 Slight overheating –200oC-300 oC

0 0 1 0 General conductor overheating

1 0 1 0 Circulating currents and/or

overheating joints

0 0 0 1 Flashover without power follow -

through

0 1 0 1 Tap changer selector breaking

current

0 0 1 1 Arc with power follow-through –or

persistent sparking