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)