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:

V e=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 logamDi udara 8

Dalam SF6 21

Pinggir metal atau grafit dalam minyak 30

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=r n−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=2 πε0 ε r an

lnrn

rn−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=2 πε0 εr an+1

lnr n+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

r n

lnrn

rn−1 .........................................................................3.6

Bila lapisan dielektrik sangat tipis dibandingkan terhadap radius elektroda, atau

Sn = rn-rn-1 << rn, maka dapat dituliskan:

an+1≈an

rn−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=kons tan ...............................................................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

rn

r n−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≈Sn

an+1

an⋅

r n

rn−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≈Nb r ......................................................................................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

Dalam

3 25 20 20 50 45

6 30 25 25 65 60

10 45 35 35 100 90

20 70 60 60 165 150

30 95 80 80 220 200

(40) (120) (100) (275)

(50) (145) (120) (300)

60 175 145 385

70 200 165 440

*) ( ) 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

Besar

Pin

Kecil

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 (kV)a)75 55 45 40 c) c) c) c) c) c)

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

x ln Rr 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

r ln Rr 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= R

2,7 3.16

Dan,

Eop=Vrop

=2,7 VR 3.17

Di mana : Eop = medan listrik maksimal yang terkecil yang dialami oleh

silinder konsentris (N/C)