GEJALA MEDAN TINGGI

OLEH : MUH. IDRIS 10582 203 08 TEK. ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR 20111. PENDAHULUAN

Isolasi memiliki peranan yang sangat penting dalam sistem tenaga listrik. Isolasi diperlukan untuk memisahkan bagian yang bertegangan dengan yang tidak bertegangan sehingga tidak terjadi lompatan listrik atau percikan diantaranya. Bahan isolasi akan menunjukkan sifatnya bila dipengaruhi medan

listrik. Minyak merupakan salah satu bahan isolasi yang termasuk dalam bahan dielektrik. Tegangan tembus isolasi merupakan tegangan yang mampu merusak ketahanan isolasi dari suatu bahan isolasi. Begitu juga dengan peristiwa korona yang merupakan salah satu fenomena dari tegangan tinggi. Selain itu juga, untuk mengetahui karakteristik dari kedua permasalahan tersebut yaitu peristiwa tegangan tembus dan korona maka dilakukan pengujian dengan menggunakan elektroda jarum-plat. Dengan sumber tegangan tinggi AC (Alternating Current) dan tegangan tinggi DC (Direct Current). Pemilihan elektroda jarum untuk memudahkan pengamatan saat pengujian.

2. FENOMENA PRE-BREAKDOWN

2.1. Isolasi Cair Isolasi cair memiliki dua fungsi yaitu sebagai pemisah antara bagian yang bertegangan dan juga sebagai pendingin sehingga banyak digunakan pada peralatan seperti transformator, pemutus tenaga, switch gear. 2.1.1 Karakteristik Isolasi Cair Pada dasarnya dielektrik cair harus memiliki sifat dielektrik yang baik, mempunyai karakteristik perpindahan panas yang bagus dan memiliki struktur kimia yang stabil saat pengoperasian. a. Sifat Listrik Sifat-sifat listrik yang sangat penting dalam menentukan kinerja dielektrik dari dielektrik cair adalah : i. Withstand Breakdown kemampuan untuk tidak mengalami ketembusan dalam kondisi tekanan listrik (electric stress) yang tinggi. ii. Resistivitas : suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi cair bila resistivitasnya lebih besar dari 109 ohm-meter. Resistivitas yang diperlukan pada sistem tegangan tinggi untuk material isolasi adalah 1016 ohm-meter atau lebih. b. Karakteristik Perpindahan Panas Pada peralatan yang terisi oleh isolasi cair (transformer, kabel, circuit breaker, dll) perpindahan panas biasanya dipengaruhi oleh konveksi. faktor utama yang mengontrol perpindahan panas adalah konduktivitas termal dan viskositas. Semakin tinggi nilai dari konduktivitas termal maka semakin dapat digunakan pada peralatan sebagaimana dapat dioperasikan secara berkelanjutan pada temperatur yang tinggi. Pada penggunaan yang lain, nilai konduktivitas termal yang rendah dan nilai viskositas yang tinggi dapat menjadi penyebab terjadinya pemanasan berlebihan pada area tertentu. c. Kestabilan Kimiawi Pada penggunaannya, isolasi cair yang terkena tekanan termal dan listrik karena adanya material seperti O2, air, serat dan hasil-hasil dari pemisahan bahan isolasi padat. Hal tersebut bisa mempengaruhi kestabilan dari rantai kimia dari isolasi cair. 2.1.2 Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan antara lain yang pertama adalah isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut hukum Paschen. Kedua isolasi cair akan mengis celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi. Ketiga isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi. Terdapat beberapa macam faktor yang diperkirakan mempengaruhi kegagalan minyak transformator seperti luas daerah elektroda, jarak celah (gap spacing), pendinginan, perawatan sebelum pemakaian (elektroda dan minyak), pengaruh kekuatan dielektrik dari minyak transformator yang diukur serta kondisi pengujian atau minyak transformator itu sendiri juga mempengaruhi kekuatan dielektrik

minyak 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 prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar supaya isolator tidak tembus. 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 isolator akan berubah bila material tersebut kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan tembus. Mekanisme Streamer Breakdown menjelaskan mengenai pengembangan pelepasan percikan langsung dari banjiran tunggal di mana muatan ruang (space charge) yang terjadi karena banjiran itu sendiri mengubah banjiran tersebut menjadi streamer plasma. Sesudah itu kehantaran naik dengan cepat, dan kegagalan terjadi dalam alur banjiran ini. Ciri utama teori kegagalan streamer adalah postulasi sejumlah besar fotoionisasi molekul dalam ruang di depan streamer dan pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada ujung elektroda.

Gambar 1. Distribusi Bidang Listrik pada Bidang Gap Non-Uniform

2.2. Fenomena Korona Korona merupakan proses dimana arus, mungkin diteruskan, muncul dari sebuah elektroda berpotensial tinggi di dalam sebuah fluida yang netral, dengan mengionisasi fluida hingga menciptakan plasma di sekitar elektroda. Bila dua kawat sejajar yang penampangnya kecil dibandingkan dengan jarak antar kawat tersebut diberi tegangan, maka akan terjadi korona. Pada tegangan yang cukup rendah tidak terlihat apa-apa, bila tegangan dinaikkan maka akan tejadikorona secara bertahap. Pertama kali, kawat kelihatan bercahaya yang berwarna ungu muda, mengeluarkan suara berdesis (hissing) dan berbau ozon. Jika tegangan dinaikkan terus, maka karakteristik diatas akan terlihat semakin jelas, terutama pada bagian yang kasar, runcing atau kotor serta cahaya bertambah besar dan terang. Bila tegangan masih terus dinaikkan akan terjadi busur api. Korona bisa bermuatan positif atau negatif. Hal ini ditentukan oleh polaritas tegangan di elektroda yang kelengkungannya tinggi. Jika elektroda bemuatan positif berkenaan dengan elektoda rata terciptalah korona positif, tapi jika negatif yang tercipta adalah korona negatif. Inception Voltage korona atau tegangan awal korona didefinisikan sebagai tegangan yang terukur pada saat terjadi lucutan pertama kali saat pengujian dilakukan. Definisi ini sebagai acuan untuk mendapatkan nilai inception voltage secara langsung, dikarenakan pada pengujiannya tidak digunakan

oscilloscope untuk mendapatkan sinyal yang menunjukkan awal terjadi korona. 3. PENGUJIAN 3.1. Elektroda Elektroda yang digunakan dalam pengujian ini adalah elektroda jarum-plat. Elektroda ini terbuat dari bahan stainless steel. Elektroda jarum di manfaatkan sebagai anoda sedangkan elektroda plat sebagai katodanya. Diameter dari elektroda jarum yang digunakan yaitu 1.0, 1.5 dan 2.0 mm. 3.2. Minyak Isolasi Jenis minyak isolasi yang digunakan sebagai bahan uji pada penelitian ini adalah TRANSFORMER OIL POWEROIL TO 1020 60U yang di produksi oleh APAR INDUSTRIES LTD. Dibutukan 3 liter minyak trafo untuk mengisi tempat pengujian.

Gambar 2. Elektroda Jarum dan Elektroda Plat

Gambar 3. Elektroda Set

Gambar 4. Rangkaian Pengujian Tegangan Tinggi AC

Gambar 5. Rangkaian Pengujian Tegangan Tinggi DC

Gambar 6. Skema Pengujian

3.3. Rangkaian Pengujian Rangkaian pembangkitan yang digunakan adalah rangkaian pengujian tegangan AC dan DC (gambar 4 dan 5). Rangkaian tersebut yang digunakan untuk mengetahui tegangan tembus dan nilai korona (inception Voltage) agar dapat diketahui karakteristiknya. Elektroda plat dan jarum di susun pada elektroda set seperti gambar 3. 3.4. Langkah-Langkah Pengujian Pengujian dilakukan di laboratorium Tegangan Tinggi milik Teknik Elektro ITS, dengan menggunakan tegangan tinggi AC dan DC. Langkah-langkah pengujian dibagi menjadi 3 (tiga) tahap yaitu tahap persiapan, tahap pengujian dan tahap akhir pengujian, dimana prosesnya yaitu: Menyiapkan peralatan test ( elektroda set, perlengkapan utama pembangkitan tegangan tinggi), kemudian menyusunnya menjadi rangkaian seperti gambar 6 yaitu rangkaian pembangkitan tegangan tinggi. Sebelum dilakukan pengujian maka sebaiknya peralatan test dibersihkan dari kotoran dan debu,. Setelah dipastikan bersih maka jarak sela kedua elektroda dapat di atur. Setelah persiapan selesai maka akan dilakukan pengujian dengan langkah-langkah yaitu Mengatur Test Method dari kontrol box pada posisi AC atau DC dengan menggunakan bat-handle switch, kemudian menempatkan charging range pengatur tegangan pada kedudukan 0%. Aktifkan kontrol box. Kemudian mengatur tegangan melalui transformator pengatur tegangan secara perlahan sampai didapatkan nilai inception Voltage korona dan

tegangan tembus (Streamer breakdown voltage). Catat nilai tegangan tembusnya. 4. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS 4.1. Hasil Pengujian Pengujian dilakukan sebanyak 5 kali untuk setiap jarak sela yang dibuat berbeda dan dengan ukuran elektroda yang berbeda-beda juga. Hasil dari pengujian diperoleh rata-rata nilai inception voltage dan tegangan tembus (streamer breakdown) adalah sebagai berikut : Tabel 1. Rata-rata Nilai Inception Voltage Korona Tegangan Tinggi AC No 1 2 3 Jarak Sela ( cm ) 1 2 3 Inception Voltage Korona (kV) 1.0 mm 1.5 mm 2.0 mm 16,6 17,4 20 28 30 33,2 35,2 38,4 39,4

Tabel 2. Rata-rata Nilai Inception Voltage Korona Tegangan Tinggi DC No 1 2 3 Jarak Sela ( cm ) 1 2 3 Inception Voltage Korona (kV) 1.0 mm 1.5 mm 2.0 mm 26,6 28,4 32,2 43,4 47,2 48,6 58,4 64 66

Tabel 3. Rata-rata Nilai Tembus Tegangan Tinggi AC No 1 2 3 Jarak Sela ( cm ) 1 2 3 Streamer Breakdown (kV) 1.0 mm 1.5 mm 2.0 mm 18,2 19,8 22,6 32,6 34,4 37 38,8 41,6 43,2

Tabel 4. Rata-rata Nilai Tembus Tegangan Tinggi DC No 1 2 3 Jarak Sela ( cm ) 1 2 3 Streamer Breakdown (kV) 1.0 mm 1.5 mm 2.0 mm 29,2 31,6 35 46 49,8 52,4 60,6 65,8 70,2

4.2. Analisis Hasil Pengujian Pada gambar 7-10 adalah salah satu contoh hasil pengujian untuk memperoleh karakteristik korona dan Tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage). Elektroda set mulai diberikan tegangan, disini akan terlihat arus minyak yang berputar disekitar elektroda karena pengaruh medan yang kuat. Tegangan semakin dinaikkan dan pada tegangan terukur 30

kV muncul flashover untuk pertama kali atau dikenal dengan istilah Inception Voltage. Pada saat Inception Voltage, maka pada saat itulah kekuatan dielektrik cair untuk menahan tegangan tembus seperti pada gambar 8. Pada saat tegangan semakin diperbesar menjadi 34 kV maka terjadi peristiwa tembus atau Streamer Breakdown Voltage. Tegangan saat terjadi peristiwa tembus dicatat sebagai tegangan tembus seperti terlihat pada gambar 9. Setelah terjadi flashover akan muncul gelembung- gelembung gas (Gambar 10), Gelembung ini muncul akibat proses ionisasi dalam isolasi minyak. Gelembung-gelembung ini juga akan mempengaruhi Streamer Breakdown Voltage. Berdasarkan grafik Gambar 11 dan gambar 12 maka dari hasil pengujian grafik bergerak secara linear, grafik ini juga menunjukkan pengaruh besarnya ujung permukaan elektroda yaitu untuk elektroda jarum dengan ukuran 1.0 ; 1.5 dan 2.0 mm terhadap Inception Voltage korona. Dimana semakin besar ukuran ujung permukaan elektroda maka makin besar tegangan yang diperlukan untuk mencapai peristiwa korona, begitu juga semakin besar jarak sela maka semakin besar juga nilai Inception Voltage, hal ini berarti bahwa nilai inception voltage korona dipengaruhi oleh : 1. Besar ujung permukaan (tip) dari elektroda 2. Jarak sela elektroda dengan elektroda lainnya Perbedaannya pada nilai Inception Voltage tegangan tinggi DC lebih tinggi dari nilai Inception Voltage tegangan tinggi AC. Hal itu disebabkan oleh perbedaan muatan, dimana pada tegangan tinggi DC hanya muatan positif, sedangkan pada tegangan tinggi AC terdapat muatan positif dan negatif.

Gambar 7. Elektroda Set dalam Minyak Isolasi

Gambar 8. Inception Voltage Corona

Gambar 9. Streamer Breakdown Voltage

Gambar 10. Gelembung-Gelembung Gas

Gambar 11. Grafik Karakteristik Inception Voltage Korona dengan Tegangan Tinggi AC

Gambar 12. Grafik Karakteristik Inception Voltage Korona dengan Tegangan Tinggi DC

Gambar 13. Grafik Karakteristik Tegangan Tembus (Streamer Breakdown Voltage) dengan Tegangan Tinggi AC

Gambar 14. Grafik Karakteristik Tegangan Tembus (Streamer Breakdown Voltage) dengan Tegangan Tinggi DC Sedangkan berdasarkan grafik Gambar 12 dan 13 dapat diketahui bahwa tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage) pada isolasi minyak dengan ukuran elektroda yang berbeda-beda yaitu 1.0 mm, 1.5 mm dan 2.0 mm cenderung meningkat. Dimana elektroda dengan ukuran diameter lebih besar (2.0 mm) memerlukan tegangan yang lebih besar untuk mencapai peristiwa kegagalan begitu juga halnya jika jarak sela ditambahkan maka peristiwa untuk mencapai tegangan tembusnya juga membutuhkan tegangan semakin besar. Hal ini terjadi karena semakin besar jarak sela maka semakin tebal juga kerapatan minyak sebagai media isolasinya. 4.3. Efek Kestabilan Korona (Corona Stabilization Effect) Efek kestabilan korona dapat diketahui dengan membandingkan antara nilai Inception Voltage korona dengan nilai tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage) pada kondisi masing-masing elektroda. 4.3.1 Efek Kestabilan Korona (Corona Stabilization Effect) dengan Tegangan Tinggi AC

Gambar 15. Grafik Perbandingan nilai Inception Voltage Korona dengan nilai Tegangan Tembus Elektroda 2.0 mm Tegangan Tinggi AC 4.3.2 Efek Kestabilan Korona (Corona Stabilization Effect) dengan Tegangan Tinggi DC

Gambar 16. Grafik Perbandingan Inception Voltage Korona dengannilai Tegangan Tembus Elektroda 2,0 mm Tegangan Tinggi DC Berdasarkan grafik Gambar 15 dan 16; Pada elektroda2.0 mm mempunyai rentang yang cukup kecil pada sela 1cm, lalu rentang jarak semakin besar seiring dengan bertambahnya jarak sela. Jadi semakin memiliki rentang yang lebih besar maka corona stabilization effect semakin tidak efektif, hal itu berarti bahwa distribusi medan makin tidak uniform menyebabkan muatan ruangnya semakin besar sehingga menekan perkembangan korona atau memerlukan lebih besar lagi tegangan untuk terjadinya korona dan tegangan tembusnya. Hal ini juga berlaku pada elektroda 1.0 mm dan 1.5 mm. 4.4. Mekanisme Streamer Breakdown Voltage Saat elektroda diberikan tegangan maka akan terjadi medan disekitar elektroda, semakin besar tegangan yang di berikan maka medan akan semakin kuat. Bila tegangan yang diberikan sudah melampaui batas kekuatan isolasi minyak, maka akan muncul lucutan korona yang pertama kali (Inception Voltage) seperti dalam gambar 17. Setelah terjadi Inception Voltage, maka akan terbentuk gelembung-gelembung gas di sekitar elektroda. Gelembung ini tercipta akibat dari reaksi kimia yang terjadi didalam minyak. Karena pengaruh tegangan yang kuat maka beberapa molekul minyak akan terionisasi, dan melepas gas. Ternyata gelembung gas tersebut tidak menghilang dengan cepat, tetapi masih terpencar di kedua ujung elektroda. Dan gelembung-gelembung tersebut pecah menjadi gelembung yang lebih kecil lagi (micro-bubles). Hal ini akan menyebabkan semakin cepatnya timbul Steamer Breakdown Voltage. Karena pengaruh medan yang kuat diantara elekroda maka gelembung-gelembung gas dalam cairan tersebut akan berubah menjadi memanjang searah dengan medan. Gelembung-gelembung tersebut akan saling sambung menyambung dan membentuk jembatan yang akhirnya akan mengawali terjadinya kegagalan seperti dalam gambar 18. Jika sudah terbentuk jembatan gelembung tersebut, maka untuk lucutan korona berikutnya akan menjadi lebih cepat lagi sehingga terjadilah Streamer Breakdown Voltage seperti gambar 19. Jadi gelembung gelembung tersebut sangat mempengaruhi Streamer Breakdown menjadi lebih cepat disamping faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan tembus seperti tipe minyak isolasi, temperatur dan tekanan, dan butiran butiran padat akibat ketidakmurnian dari isolasi cair. Gambar 20 dan 21 adalah gambar terbaik yang didapatkan selama pengujian.

Gambar 17. Inception Voltage Corona

Gambar 18. Lucutan Korona pada Gelembung

Gambar 19. Streamer Breakdown Voltage

Gambar 20. Streamer Breakdown pada elektroda 1 mm tegangan AC

Gambar 21. Streamer Breakdown pada elektroda 2 mm tegangan DC

Gambar 22. Cacat pada Elektroda

4.5. Efek Mekanik Korona Selain menimbulkan gelembung-gelembung gas, korona juga menghasilkan beberapa efek mekanik, yaitu terjadinya lubang pada elektroda datar yang bisa dilihat pada gambar 22.

Gambar 23. Perbedaan Elektroda Sebelum dan Sesudah Percobaan Pada gambar tersebut sangat terlihat jelas goresan-goresan bulat yang terjadi karena terkena korona Dari gambar 22 dapat diketahui juga bahwa korona tidak mengarah pada satu titik saja, lucutan korona bisa terjadi di beberapa titik. Jika dibandingkan dengan elektroda datar yang belum terkena korona. Maka perbandingan permukaannya akan sangat terlihat jelas, dimana elektroda datar yang belum terkena korona masih terlihat sangat halus dan elektroda datar yang sudah terkena korona penuh akan goresan seperti yang ada pada gambar 23.

PENUTUP5.1 Kesimpulan 1. Semakin besar diameter ujung elektroda maka semakin besar juga nilai Inception Voltage dan

Streamer Breakdown Voltage. 2. Efek kestabilan korona atau corona stabilization effect dipengaruhi juga oleh besarnya permukaan elektroda tersebut. Dimana semakin besar permukaannya maka corona stabilization effect semakin tidak efektif , hal ini disebabkan karena semakin besar muatan ruangnya sehingga menghambat terjadinya korona 3. Gelembung-gelembung gas mempunyai pengaruh pada peristiwa terjadinya tegangan tembus (Streamer Breakdown Voltage) dimana gelembung tersebut akan mempercepat proses terjadinya Streamer Breakdown, karena gelembung-gelembung gas tersebut memilki kekuatan dielektrik yang lebih rendah dari minyak.

5.2 Saran 1. Pada tugas akhir ini pengujian dilakukan untuk 3 jarak sela yang berbeda, selanjutnya dapat dilakukan pengujian dengan lebih banyak variasi jarak untuk mengetahui lebih detail gejala prebrekdown pada isolasi minyak. 2. Untuk pengembangan lebih lanjut dapat dilakukan analisa yang sama untuk jenis isolasi berbeda 3. Dapat dijadikan dasar perbandingan pengujian dengan isolasi yang sama namun dengan memperhatikan kondisi suhu dan temperatur yang berbeda.