Peralatan Tegangan Tinggi [PDF]

Citation preview

ITAKAAN IIPAN



ATIMUR



l!z



31



F



B 1



-b'



Peralatan Tegangan linggi Edisi Kedua



Bonggas L. Tohing Depa



rte m e n



Te kn i k El e ktro



Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan



PENERBIT ERIANGGA Jl. H. Baping Raya No. 100 Ciracas, Jakarta 13740 http :i/www.erlangga. co. id



(Anggora IKAPI)



MILIK Brdrn Pcrpustakesn



dan I



.



KcareiPan



Jelrs-Trrr'$-ProPlnsi r . ur/"--



\;;a7opr/n



/top,



Peralatan Tegangan linggi, Edisi Kedua Bonggas L. Tobing Hak Cipta @2012 pada Penulis Hak terbit pada Penerbit Erlangga Disusun oleh: Bonggas L. Tobing



Editor: Ade M. Drajat, S.T. Lemeda Simarmata. S.T.



Buku ini diset dan dilayout oleh Bagian Produksi Penerbit Erlangga dengan Power MacPro



Dicetak oleh: PT Gelora Aksara Pratama



161514131254321 Dilarang keras mengutip, menjiplak, memfotokapi, atau memperbanyak dalam bentuk apapun, baik sebagian atau keseluruhan isi buku ini, serta memperjualbelikannya tanpa izin tertulis dari Penerbit Erlangga.



O HAK CIPTA DILINDLINGI OLEH T]NDANG-TINDANG



Daftar lsi



tx



Tentang Penulis Prakata Edisi Pertama Prakata Edisi Kedua Daftar Lambang dan Satuan



x xi



xii



Pendahuluan



1.1 1-2 1.3 1.4 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. Bab



1



Tegangan Transmisi Tenaga Listrik



Gardu lnduk Komponen Gardu lnduk Sistem lsolasi Peralatan Tegangan Tinggi Konduktor Peralatan Tegangan 1-inggi Sistem Pendinginan Peralatan Tegangan Tinggi Penyambung Tegangan T'inggi Alat Pelindung Peralatan Tegangan linggi



1



2



4 4 7



7 8 9



2



Pemutus Daya



2.1 2.2 2.3 2.4



Fungsi Pemutus Daya Hubungan Relai dengan Pemutus Daya Proses Pemutusan Rangkaian suatu Sistem lonisasi, Deionisasi dan Emisi



10



lonisasi



14



Deionisasi



75



2.5 2.6 2.7



11



12 13



Emisi



16



Proses Pembentukan Busur Api



17



Pemadaman Busur Api



17



Pemadaman Busur Api Arus Searah Pemadaman Busur Api Arus Bolak-balik



18



Tegangan Pemulihan Kontak



19



Resistif Kapasitif



20



Induktif



22 23 24



Rangkaian Rangkaian Rangkaian Rangkaian Ra



2.8



10



ng ka



ia



n



21



Seri lnduktif-Kapasitif In



du



ktif-



Re



18



si



stif



Jenis-Jenis Pemutus Daya



25



Pemutus Daya Udara



25



vi



Peralatan Tegangan



Pemutus Pemutus Pemutus Pemutus



2.9 2.10



Bab



T



rnggi



Daya Minyak Daya Udara-Tekan Daya Vakum Daya SF6



31



Pertimbangan dalam Pemilihan Pemutus Daya Kapasitas Pemutus Daya



32 33



Arus Hubung Singkat Kapasitas Arus Sesaat (Momentary Duty) Kapasitas Pemutusan Arus (lnterrupting Current Capacity)



33



2.11



Tegangan Kerja Pemutus Daya



37



3



Konduktor



3.1 3.2 3.3 3.4 3.5



Bahan dan Jenis Konduktor Kawat Telanjang



3.6



Kabel



4



34



36



38 38 38 39



ParameterKonduktor Pemilihan Ukuran Konduktor



41



Ditinjau dari Segi Ekonomi Ditinjau dari Segi Teknis



43



Rel Daya Gaya dan Tekanan pada Rel Tunggal Gaya dan Tekanan pada Rel Multi Batang



Bab



26 28 30



43



44 45



46 49



Pelindung Tegangan Lebih



53



4.2 4.3



Tegangan Lebih Prinsip Kerja Alat Pelindung Tegangan Lebih Sela Batang



53 55 56



Konstruksi dan Prinsip Kerja



56 57



4.4 4.5



Arus Susulan Arester Ekspulsl Arester Katup



4.1



Arester Katup Sela Pasif Arester Katup Sela Aktif Arester Katup tanpa Sela Percik 4.6



Tegangan Pengenal Arester Tegangan Tertinggi Sistem Tegangan Pengenal Arester Sela Pasif dan Sela Aktif Tegangan Pengenal Arester tanpa Sela Percik



4.7



4.8 4.9



Bab 5



5.1 5.2



58 60



60 61



63 64 65 oo



66



Klasifikasi dan Spesifikasi Arester



68



Spesifikasi Arester dengan Sela Percik Spesifikasi Arester tanpa Sela Percik



68



Lokasi Penempatan Arester Kawat Tanah



74 77



80



Sakelar Pemisah Konstruksi Sakelar Pemisah Fungsi Sakelar Pemisah



83 83 85



vil



Daftar lsi



5.3 Jenis Konstruksi



Sakelar Pemisah



Sakelar Pemisah Vertikal Sakelar Pemisah Lengan Ganda Sakelar Pemisah Lengan Berqutar



5.4 lnterlok Sakelar Pemisah 5.5 Pengenal Sakelar Pemisah 5.6 Penguiian Sakelar Pemisah 5.7 Pemilihan Sakelar Pemisah Penentuan SPesifikasi



lnformasi untuk Pemesanan lnformasi Penawaran Pabrikan



Bab



6



Trafo Tegangan



6.1 6.2 6.3 6.4



Jenis Trafo Tegangan Trafo Tegangan Magnetik Trafo Tegangan KaPasitif Galat lErrorl Galat Trafo Tegangan Magnetik Galat Trafo Tegangan Ka7asitif Batas Galat



6.5 6.6 6.7 6.8



Bab



Pengenal Trafo Tegangan Beban Trafo Tegangan Pemilihan Trafo Tegangan Pengujian Trafo Tegangan



86



87 88 88 90 91



93 93 94 94



95



97 97



98 101



105 105 107 108 108 110



112 114



Uii Jenis



114



Uii Rutin Uji Khusus



114



115 115



6.9



lnformasi dalam Pembelian Trafo Tegangan



7



Trafo Arus



7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7



Fungsi Trafo Arus Prinsip Kerja Trafo Arus Galat Trafo Arus Galat Komposit Burden Trafo Arus Faktor Kejenuhan



116



Ketahanan Terhadap Arus Hubung Singkat Arus Termis Waktu Singkat Arus Dinamis Waktu Singkat



127 127



7.8



Jenis-Jenis Trafo Arus



129



Jenis Menurut Jumlah dan Konstruksi Kumparan Primer Jenis Menurut Jumlah Rasio Jenis Menurut Jumlah lnti Jenis Menurut Ketelitian Jenis Menurut Reaktansi Jenis Menurut Konstruksi lsolasi



129 130



lrngkat lsolasi Trafo Arus Tegangan Lutut



134



7.9 7.10



116 117



119



123 125 126



128



131 131



133 134



136



vilt



Peralatan Tegangan llnggi



7.11 7.12



Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Relai Diferensiat Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Relai Jarak



Faktor Pertimbangan dalam pemilihan Trafo Arus Pengujian Trafo Arus Uji Jenis



Uji Rutin



Uji Tambahan



7.13 lnformasi dalam Pembelian Trafo Arus



Bab



8



Porselen Gelas



Bahan Komposit



8.6 KarakteristikElektriklsolator 8.7 KarakteristikMekanislsolator 8.8 lsolator Terpolusi Pengaruh Polutan terhadap Kinerja lsolator Penentuan Jarak Rambat lsolator Penetapan Tingkat Bobot polusi lsolator



Distribusi Tegangan pada lsolator Rantai Kapasitansi lsolator



8.10



Pendekatan Perhitungan Distribusi Tegangan Pemerataan Distribusi Tegangan pada lsolator Rantai



Bushing Konstruksi Bushing Pemerataan Distribusi Tegangan pada Bushing



Bab



9



Kapasitor Tegangan Tinggi



9.1 9.2 9.3 9.4 9.5



Jenis-JenisKapasitor Konstruksi Sel Kapasitor Daya dan Energi suatu Kapasitor Kapasitor Gulung Rancangan suatu Kapasitor Gulung Kapasitansi Gulungan i a I m preg nasi Di el ektri k Kuat Medan pada Kapasitor Rancangan Kapasitor lmpuls Med



9.6 9.7 9.8 9.9 9.10



141 141



142 142 142



lsolator dan Bushing



8.1 Fungsi lsolator 8.2 Konstruksilsolator 8.3 Parameter lsolator 8.4 Jenis lsolator Hantaran Udara 8.5 Bahan Dielektrik lsolator



8.9



137 138 139



Jenis Konstruksi Unit Kapasitor Sekering Kapasitor Bank Kondisi Operasi Kapasitor Spesifikasi Kapasitor Pengujian Kapasitor Uji Jenis



143 143 144 145 147



149 149 149 151



152 156 157 157 158 159 160 161



162 166 167 168 169



174 174



176 178 180 181 181



782 183 184 185 186 189 190 191



191



lx



Daftar lsi



Uji Rutin Uji Lapangan



Bab 10 10.1



10.2



10.3



192



Trafo Daya



193



Prinsip Kerja Trafo Daya Susunan dan Penyambungan Kumparan



193



Jenis Susunan Kumparan Penyambungan Kumparan Bertindih Penyambungan Elemen Kumparan Berlapis



195



194



Dielektrik Padat lsolasi Kumparan Tegangan Tinggi



195 197 197 198



Minyak Trafo



200



lsolasi Kumparan Tegangan Tinggi



10.4 Susunan lsolasi Mayor Trafo Daya 10.5 Distribusi Tegangan pada Belitan Perkiraan Distribusi Tegangan Awal usi Teg a n ga n Metode Pendinginan Trafo Daya Pengujian Trafo Daya Pe me rata a n D i stri b



10.6 10.7



191



Lampiran



201 202



203 205 207



209



Karakteristik Konduktor Tembaga dan Aluminium 1 Lampiran 2 Karakteristik Mekanis Tembaga dan Aluminium Lampiran 3 B/L Menurut Standar IEC 71-1972 Lampiran 4 'l'ingkat Bobot Polusi Isolator Berdasarkan Analisis Kualitatif dan Metode ESDD Lampiran 5 Spesifikasi Minyak lsolasi dalam Kondisi Baru Lampiran 6 Spesifikasi Minyak lsolasi Setelah Dipergunakan



211 217



Daftar Pustaka



223



lndeks



225



218 220 221 222



Tentang Penulis



Bonggas L. Tobing dilahirkan di Tarutung pada ranggal 17 Agustus 1947. Setelah meraih gelar sarjana teknik elektro dari Universitas Sumatera Utara, tahun 1973, beliau mengikuti berbagai pelatihan seperti program "Matematika, Ilmu Pengetahuan clan Teknologi', clan pelatihan "Pendayagunaan Peralatan p3LpT', di ITB, Program Akta Mengajar V, Depdikbud dan pelatihan "SCADA Sltstem and Dato Communicatlon',. BWI Jakarta. Sejak tahun 1973 hingga sekarang, beliau menjadi dosen di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas



Sumatera Utara. Tahun 1982-20 10, beliau menjabat sebagai Kepala Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi di perguruan tinggi yang sama. Beliau juga pernah menjadi Ketua Jurusan Teknik Elektro (1979-1988), perencana Laboratorium (1980-1985), dan kemudian Kepala Laboratorium Pengukuran Listrik (1991-1995) di Fakultas Teknik Universitas HKBP Nommensen, Medan. Beliau aktif melakukan penelitian sejak tahun 1979 dan beberapa dari hasil penelitian iru telah dipresentasikan dalam seminar-seminar nasional teknik tegangan tinggi serta dimuat dalam publikasi nasional dan internasional. Beliau juga duduk sebagai anggota Steering Committee pada seminar-seminar nasional teknik tegangan tinggi dan kelistrikan (1999-2001). Pengalamannya tidak terbatas cli bidang pendidikan dan penelitian. Beliau juga terlibat dalam dunia praktis dan pengabdian kepada masyarakat, misalnya sebagai instruktur di Udiklat PT PLN Tuntungan. instruktur pada pelatihan karyawan Pabrik Gula PTP IX Sei Semayang dan pr Inalum, sebagai Area Engineer pada BWI Consulting Service NZ, dalam rangka supervisi proyek Loss RetlLrctictn program pT PLN wilayah II Sumut (1984-1988) dan proyek scADA pr pLN pikitring Sumur (19891994). Tahun 2006 beliau menjadi anggota "Komite Keanclalan sistern Tenag,a Listrik,, Departemen ESDM RI dan tahun 2006 hingga sekarang menjadi mitra bestari jurnal "Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan" Puslitbang Teknologi Ketenagalistrikan dan



Energi Baru Terbarukan, Departemen ESDM RI. Dalam kerja-sama antar perguruan tinggi, beliau menjadi editor jurnal "Rekayasa Elektrika", universitas Syiah Kuala (2004) dan menjadi pengurus "Forum Studi Teknik Tegangan Tinggi Antar IJniversitas,' (1999-2004). Dalam organisasi profesi, beliau adalah anggota "lnternational Council on Large Electric Systems" (CIGRE).



Prakata Edisi Pertama



erkembangan sistem tenaga listrik yang pesat membuat peralatan tegangan tinggi menjadi bidang studi yang penting bagi mahasiswa teknik tenaga listrik dan juga bagi para teknisi yang berkecimpung dalam perusahaan energi listrik maupun perusahaan jasa rekayasa kelistrikan. Mengingat pentingnya studi ini, maka Departemen Pendidikan dan Kebudayaan RI telah menetapkan studi Peralatan Tegangan Tinggi menjadi mata kuliah keahlian dalam kurikulum nasional bidang Teknik Elektro. Karena Peralatan Tegangan Tinggi merupakan mata kuliah yang baru beberapa tahun terakhir ini diajarkan di Jurusan Teknik Elektro, maka buku-buku acuan terbitan lokal yang secara khusus membahas peralatan tegangan tinggi belum ada. Hal inilah yang mendorong Penulis menyusun buku ini. Lingkup studi yang akan disajikan dalam buku ini antara lain meliputi: konstruksi, prinsip kerja dan karakteristik dari peralatan tegangan tinggi yang dijumpai pada gardu induk. Buku ini juga menyajikan dasar-dasar perencanaan untuk menentukan spesi{ikasi suatu peralatan untuk suatu keperluan teftentu. Dengan demikian, mahasislva yang telah mempelajari buku ini dapat mengembangkannya nanti setelah bekerja di lapangan Penulis menyadari bahwa buku ini belum sempurna. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran-saran dari rekan-rekan untuk penyempurnaan isi dan



lingkup bahasannya. Penulis menyampaikan terima kasih kepada para asisten mahasisr'va dan rekanrekan staf pengajar di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi, Fakultas Teknik USU, yang membantu penulis menyusun buku ini. Akhir kata, semoga buku ini bermanfaat bagi kita semua.



Medan. Akhir Desember 2002



Prakata Edisi Kedua



eralatan Tegangan Tinggi, edisi kedua, adalah edisi terbaru hasil penyempurnaan dari edisi pertama. Penerbitan edisi kedua ini merupakan perwujudan dari respons positif dan masukan yang penulis terima dari para pengguna. Dalam buku edisi kedua ini, sejumlah koreksi dan penambahan materi telah dilakukan, dengan maksud agar isi buku ini semakin mudah dipahami dan semakin lengkap materinya. Buku ini diharapkan dapat menjadi referensi yang berguna dar. up-to-date bagi mahasiswa teknik elektro yang mendalami program studi teknik tenaga listrik, khususnya bagi peserta mata kuliah Peralatan Tegangan Tinggi (yang dianggap sangat penting sehingga ditetapkan sebagai mata kuliah keahlian dalam kurikulum nasional). Buku ini juga bermanfaat bagi para praktisi dan profesional industri yang berkecimpung dalam bidang teknik tenaga listrik baik di perusahaan energi listrik maupun di perusahaan jasa rekayasa kelistrikan. Selain itu, para guru di sekolah kejuruan teknik elektro pun dapat menjadikan buku ini sebagai salah satu referensi pendamping dan penambah-wawasan dalam proses belajar-mengajar yang mereka laksanakan. Buku ini bertujuan memperkenalkan para pembaca kepada peralatan-peralatan tegangan tinggi yang dijumpai pada sistem tenaga listrik; terutama dari sisi konstruksi, prinsip kerja, karakteristik, serta hal-hal yang membedakan peralatan tegangan tinggi tersebut dengan peralatan tegangan rendah. Buku ini juga menyajikan konsep dasar perencanaan untuk menentukan spesiflkasi suatu peralatan untuk suatu keperluan tertentu dan konsep dasar perancangan isolasi peralatan tegangan tinggi. Dengan demikian, mahasiswa yang telah mempelajari buku ini diharapkan dapat mengembangkannya nanti setelah bekerja di lapangan Akhirnya, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada pihak editorial Penerbit Erlangga yang telah membantu proses produksi naskah sehingga bisa terbit sebagai buku. Penulis juga sangat berterimakasih kepada rekan-rekan akademisi dan para pengguna yang telah memberikan masukan berharga untuk perbaikan buku ini. Penulis juga menanti segala masukan yang bermanfaat untuk buku ini sehingga ke depannya buku ini akan semakin sempurna dan semakin bermanfaat bagi para pengguna.



Bonggas L. Tobing Medan, Juni 2012



Daftar Lambang dan Satuan



Lambang



Penjelasan



Satuan



Lambang



Penjelasan



Satuan



(t)



Kecepatan sudut frekuensi tegangan



radian/sekon



G



0



Konduktivitas



mho'm,/mm2



H



5



Galat sudut



menlt



H



Harga energi terbuang



p



Resistivitas



ohm mmr/m



Hk



Harga konduktor per satuan berat



(T



Tekanan akibat gaya



N/cm2



I. i



Arus



ampere



a



Faktor penyangga terhadap tekanan



J,JT



Jarak



mm, cm, m



Volume Gaya gerak



magnetik



cm3



A-belitan/m $/kW-Tahun $/kg



konduktor Faktor penyangga



p



terhadap tekanan



_/RS



isolator K



spesifik isolator



k



pemutusan arus



maksimum



Faktor koreksi udara



mmHg



K



Equivalent Salt Deposit Density



(ESDD) ,l' U



mm/kV



Faktor kemampuan



Faktor komponen dc dalam arus subtransien



a



Jarak rambat



.C



k



Faktor koreksi diamater isolator



m/ps



k



Faktor perkalian momen inersia



7o



k



Temperatur Kecepatan rambat tegangan impuls



Galat rasio trafo



ukur



s



Faktor jenis pembumian netral sistem



i



Kecuraman muka gelombang tegangan impuls



kV/ps



k.



6



Fluks



weber



k



Faktor transformasi aktual trafo arus



lJo



Permeabilitas udara



k



Faktor transformasi pengenal trafo arus



4,7r



x



lO-7



Hlm



Faktor koreksi kelembabam udara



mg/cm2



xiv



Peralatan Tegangan l rnggi



Lambang



Penjelasan Kekuatan mulur



C



minimum



Satuan



Lambang



Penjelasan



N/cm2



k



Faktor transformasi tegangan aktual



k



Faktor transformasi aktual trafo



Satuan



pengukuran



AP



Rugi-rugi daya



AV



Jatuh tegangan



a



Faktor transformasi pembagi tegangan



watt



tegangan voh



L



Induktansi



I



Panjang



kapasitif Faktor transformasi 0



tegangan sistem pengukuran



I



Jarak rambat isola



tor



henry mm, cm, m



mm



Faktor transformasi a



pengenal trafo tegangan



A



Luas



h



Tekanan udara Bunga uang



b



M



Modulus Young



N/mm2



mm2. m2



m



Berat konduktor per satuan volume



kg/cm:



mmHg



m



Vo



N



C



Kapasitansi



farad



p



c



Jarak minimum antar sirip isolator



mm



P



cos



(p



Faktor daya



D



Konsentrasi garam dalam air murni



D



E,,



PF



Berat konduktor per satuan panjang



kg/m



Jumlah belitan



belitan



Panjang rentangan



sirip isolator Daya



aktif



mm watt



Faktor profil isolator



Vo



ft



Resistansi



Diamater isolator



mm



s



Daya



VA, KVA. MVA



Gaya gerak Iistrik



volt



t



Waktu



detik (sekon)



volt/cm



V



Tegangan



Hz



w



Momen tahanan



cm:



newton



X



Reaktansi



ohm



9,81m/s2



Z



Impedansi



ohm



E



Kuat medan elektrik



f



Frekuensi



F



Gaya Percepatan gravitasi



ohm



volt, kV



Bab



1



Pendahuluan



erkembangan kebutuhan energi listrik senantiasa diikuti pembangunan pusat-pusat tenaga listrik berkapasitas besar. Karena alasan ekonomi, kondisi geografis, potensi alam yang dapat diolah menjadi tenaga listrik, dan masalah sosial; maka pusatpusat tenaga listrik dibangun jauh dari pusat pemukiman masyarakat atau konsumen. Oleh karena itu, untuk menyalurkan energi dari pusat pembangkit kepada konsumen dibutuhkan saluran atau transmisi tegangan tinggi dan peralatan tegangan tinggi yang mendukung pengadaan transmisi tegangan tinggi tersebut. Berikut ini akan dijelaskan alasan penerapan tegangan tinggi pada suatu transmisi tenaga listrik, peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk mendukung penerapan tegangan tinggi tersebut, dan perbedaan peralatan tegangan tinggi dengan peralatan tegangan rendah.



1.1



TEGANGAN TRANSMISI TENAGA LISTRIK Diagram garis dari suatu sistem tenaga listrik sederhana diperlihatkan pada Gambar 1.1 di bawah ini. Ketika suatu sistem tenaga listrik sedang beroperasi, pada transmisinya terjadi rugi-rugi daya. Rugi-rugi daya pada transmisi ac tiga fasa adalah: LP,



= 1 = R =



dengan AP



pusat



1.1



37zP



Rugi-rugi daya transmisi ac tiga fasa (watt) Arus pada kawat transmisi (A) Resistansi kawat transmisi masing-masing fasa (ohm)



Gardu Induk



Distribusi Transmisi



Pembangkit



GAMBAR



=



1.1



Diagram garis sistem tenaga listrik sederhana



Gardu Induk



Peralatan Tegangan linggi



Dengan mengabaikan arus kapasitif pada transmisi, makh arus di sepanjang kawat transmisi dapat dianggap sama dan besarnya adalah sama dengan arus pada ujung penerima transmisi. Jika P sama dengan daya beban pada ujung penerima transmisi (watt), v. sama dengan tegangan fasa-ke-fasa ujung penerima transmisi (volt) dan cos g sama dengan faktor daya beban, maka arus pada kawat transmisi adalah:



I=L



t.2



{54cose



Jika Persamaan 1.2 disubstitusikan ke dalam persamaan 1.1, maka diperoleh:



LP = .P2R. Vr, cos2 g



1.3



'



Terlihat bahwa rugi-rugi transmisi berbanding lurus dengan resistansi konduktor dan berbanding terbalik dengan kuadrat tegangan transmisi, sehingga pengurangan rugi-rugi yang diperoleh dari peninggian tegangan transmisi jauh lebih besar daripada pengurangan rugi-rugi dari pengurangan resistansi konduktor. Maka, rugi-rugi transmisi dikurangi dengan mempertinggi tegangan transmisi. Hal inilah yang membuat tegangan transmisi sistem tenaga listrik semakin tinggi dan saat ini sudah ada yang mencapai 750 kv.



1.2



GARDU INDUK Tegangan yang dibangkitkan generator terbatas dalam belasan kilovolt, sedangkan transmisi membutuhkan tegangan dari puluhan sampai ratusan kilovolt, sehingga di antara pembangkit dengan transmisi dibutuhkan trafo daya step up. Maka, semua perlengkapan yang terpasang di sisi sekunder trafo ini harus mampu memikul tegangan tinggi. Sebaliknya, tegangan transmisi dari puluhan sampai ratusan kilovolt, sedangkan konsumen membutuhkan tegangan dari ratusan volt sampai puluhan kilovolt, sehingga di antara transmisi dengan konsumen dibutuhkan trafo daya step down. Semua perlengkapan



yang telpasang di sisi primer trafo ini juga harus mampu memikul tegangan tinggi. Trafo-trafo daya ini bersama dengan perlengkapan-perlengkapannya disebut gardu induk. Posisi suatu gardu induk pada sistem tenaga listrik diperlihatkan pada Gambar 1.2. Jenis gardu induk dilihat dari fungsinya dibagi atas: gardu induk pembangkit, gardu induk beban dan gardu induk hubung. sedangkan dilihat dari jenis trafo daya yang telpasang, gardu induk dibagi atas gardu induk step up dan gardu induk step down. Gardu Induk Pembangkit Pusat



Pembangkit 1



1/1s0



kv Interkonektor 150



Gardu Induk Pembangkit



215t150 kV



kv



Transmisi 150



Transmisi t1t275 kY



150



kv



kv



150/20



kv Distribusi



Gardu Hubung



GAMBAR 1.2 Diagram garis sistem tenaga listrik interkoneksi



Bab



'1



Pendahuluan



GAMBAR 1.3 Gardu induk pasangan luar



Gardu induk dapatjuga dibagi berdasarkan penempatan instalasi peralatannya, yaitu gardu induk pasangan dalam dan gardu induk pasangan luar. Gardu induk pasangan luar diperlihatkan pada Gambar 1.3. Di sini, semua peralatan gardu dipasang di ruang terbuka. Pada gardu induk pasangan dalam, sebagian peralatan dipasang pada ruangan tertutup seperti diperlihatkan pada Gambar 1.4.



GAMBAR 1.4 Gardu induk pasangan dalam



Peralatan Tegangan Tlnggi



l..qe( --F H*HoH



;



I



:L)}>.....#cB fra* rru.r



os



L



GAMBAR 1.5 Diagram garis suatu gardu induk



1.3



KOMPONEN GARDU INDUK Susunan peralatan dalam suatu gardu induk diperlihatkan pada Gambar 1.5. Adapun peralatan tegangan tinggi yang terdapat pada suatu gardu induk adalah:



. . . . . .



pembagi tegangan kapasitor (CC)



trafo tegangan(PT) filter frekuensi tinggi (ff sakelar pembumian (ES) sakelar pemisah (DS)



. . . . .



pemutus daya (CB) pelindung tegangan lebih (LA)



trafo daya (TD) konduktor isolator



trafo arus (CI)



Jika sistem tenaga listrik membutuhkan perbaikan faktor daya, pada gardu induk dipasang kapasitor tegangan tinggi. Dalam buku ini akan diuraikan tentang prinsip kerja dan karakteristik dari semua peralatan tegangan tinggi tersebut, kecuali filter frekuensi



tinggi, karena peralatan ini merupakan perangkat komunikasi radio yang lebih layak dibicarakan dalam teknik telekomunikasi radio. Peralatan bertegangan rendah seperti daftar di atas, bukan barang baru dalam teknik kelistrikan. Trafo arus, kapasitor, trafo, pelindung tegangan lebih, pemutus dan sakelar dijumpai juga pada instalasi 2201380 volt. Jika sekarang dilakukan pembahasan secara khusus mengenai peralatan yang sama tetapi bertegangan tinggi, itu disebabkan adanya perbedaan pada konstruksinya. Ada lima hal utama yang membedakan peralatan tegangan tinggi dari peralatan tegangan rendah, yaitu sistem isolasinya, ukuran komponen peralatan yang menghantarkan arus, sistem pendinginan, penyambungan konduktor dan pelindung tegangan lebih. Berikut ini akan dijelaskan perbedaan konstruksi peralatan tegangan tinggi dengan peralatan tegangan rendah.



1.4



SISTEM ISOLASI PERALATAN TEGANGAN TINGGI Tekanan medan elektrik yang terdapat pada isolasi suatu peralatan listrik berbanding lurus dengan tegangan kerja (If peralatan tersebut dan berbanding terbalik dengan jarak susunan elektroda (s) yang terbentuk dalam peralatan tersebut:



,={



1.4



Karena peralatan tegangan tinggi bekerja pada tegangan yang tinggi, maka isolasinya



memikul tekanan medan elektrik yang tinggi sehingga konstruksinya harus dirancang agar mampu memikul tekanan medan elektrik tersebut. Tujuan ini dapat dicapai dengan



t



Bab



1



Pendahuluan



memperbesar dimensi bahan isolasi dan mengendalikan tekanan medan elektrik. Maka suatu peralatan tegangan tinggi dapat ditandai dari dimensi sistem isolasi yang lebih besar dan adanya usaha pengendalian tekanan medan elektrik pada peralatan itu. Untuk melihat pengaruh tegangan terhadap konstruksi isolasi suatu peralatan listrik,



pada Gambar 1.6 di bawah ini diberikan contoh perbedaan konstruksi dua isolator pendukung yang terbuat dari bahan porselen dengan tegangan kerja masing-masing 35 kV dan 110 kV. Terlihat bahwa volume isolator pendukung 110 kV hampir 3,8 kali volume isolator 35 kV. Dengan perkataan lain, kenaikan tegangan kerja isolator dari 35 kV menjadi 110 kV membuat volume isolator naik menjadi 3,8 kali volume awal. Contoh di atas menunjukkan bahwa volume bahan isolasi akan bertambah dengan bertambahnya tegangan kerja. Hal inilah yang membuat harga suatu peralatan tegangan tinggi didominasi oleh harga bahan isolasinya. Maka perlu ada upaya untuk mengurangi pemakaian bahan isolasi pada peralatan tegangan tinggi, yaitu dengan mengendalikan tekanan medan elektrik yang terjadi pada peralatan tersebut. Berikut ini akan diberikan dua cara pengendalian tekanan medan elektrik yalg dijumpai dalam praktik sehari-hari. Cara pertama adalah dengan menata bagian-bagian peralatan yang membentuk susunan elektroda sedemikian rupa sehingga tekanan medan elektrik pada sistem isolasi menjadi berkurang. Pada Gambar 1.7 di halaman 6 diperlihatkan perbedaan tekanan medan elektrik pada dua peralatan yang tegangan kerjanya sama, tetapi susunan elektrodanya berbeda. Jika dalam hal ini volume baharlisolasi yang digunakan adalah sama, maka bahan isolasi peralatan dengan susunan elektroda (a) dapat dipilih karena sistem isolasi peralatan dengan susunan elektroda (rz) memikul tekanan medan elektrik yang lebih lebih rendah daripada tekanan medan elektrik yang dipikul peralatan dengan susunan elektroda (b). Jika kekuatan dielektrik kedua peralatan adalah sama yaitu sama dengan E2*uk, peralatan (b). maka menurut Persamaan 1.2, jarak elektroda (s) pada -(ii) peralatan dapat dikurangi sehingga vdlume isolasi peralatan (a) lebih kecil dari volume isolasi peralatan (b). Cara lain untuk menghemat pemakaian bahan isolasi adalah dengan menambahkan



elektroda perata tegangan pada peralatan untuk meratakan distribusi tegangan pada sistem isolasi peralatan tersebut. Ada tiga jenis elektroda perata, yaitu elektroda perata internal, elektroda perata eksternal dan elektroda perata intermediasi. Pada Gambar



210 mm



€



180 mm



1234 mm



€



:4



:z--< 7----< 7---< >----
.lr



Susunan (a)



tr l*



Al'



ll\



u,.,-. I



'-"1



I



lll}r.,



l1ilUM --;Susunan (D)



GAMBAR 1.7 Pengaruh bentuk elektroda terhadap tekanan medan elektrik



1.8 diperlihatkan pemasangan elektroda perata internal pada trafo uji tegangan tinggi dan elektroda perata eksternal pada isolator pendukung. Elektroda plrata intermediasi digunakan antara lain pada isolasi bushing trafo seperli diperlihatkan pada Gambar I .9. Bushing adalah isolator yang digunakan untuk mengisolir badan suatu peralatan



dengan konduktor terminal tegangan tinggi yang menerobos baclan peralatan tersebut. Seandainya elektroda perata tidak ada, maka distribusi tegangan paaailap bagian isolasi



adalah seperli pada Gambar 1.9a, dalam hal ini terlihaitetanan medan elektrik tidak merata pada bahan isolasi. Dengan adanya elektroda perata, maka distribusi tegangan pada setiap bagian isolasi semakin merata seperti diperlihatkan pada Gambar 1.9b.



Elektroda



--->



Elektroda eksternal



tegangan



tinggi



Eiektroda intemal



Mantel isolasi



(a) Trafo uji tegangan tinggi



GAMBAR 1.8 Pemasangan elektroda internal dan elektroda eksternal



ff



(b) Isolator pendukung



Bab



1



Pendahuluan



l0OVo



10OVo



75Vo 50Va 25Vo



Elektroda perata (a) Tanpa elektroda



perata



(b) Dengan elektroda perata



GAMBAR 1.9 Bushing tanpa elektroda perata dan dengan elektroda perata



1.5



KONDUKTOR PERALATAN TEGANGAN TINGGI Untuk kapasitas penyaluran arus yang sama dengan peralatan tegangan rendah, komponen yang menghantarkan arus pada peralatan tegangan tinggi berukuran lebih besar. Untuk memahami hal ini diambil contoh kabel tegangan tinggi. Suatu kabel tegangan tinggi dibungkus dengan bahan isolasi yang tebal. Jika kabel mengalirkan arus (0, dan R adalah resistansi inti kabel, maka pada setiap konduktor akan timbul rugi-rugi daya sebesar:



LP=PR



1.5



Rugi-rugi daya tersebut berubah menjadi panas yang menaikkan temperatur konduktor dan isolasi kabel. Bahan isolasi adalah penghantar panas yang buruk, sehingga penyebaran panas dari inti kabel ke media sekitar berkurang dan hal ini akan menyebabkan kenaikan temperatur kerja konduktor. Untuk mengatasinya, rugi-rugi daya harus dikurangi dengan memperkecil resistansi inti. Hal ini dilakukan dengan memperbesar ukuran penampang inti kabel. Sebagai contoh, tembaga tanpa isolasi, ukuran penampang 10 mm2 dapat mengalirkan arus 110 ampere. Jika dibungkus dengan isolasi PVC setebal I mm, maka daya hantar arus turun menjadi 64 ampere. Seandainya daya hantar arus kabel diinginkan tetap 110 ampere dan dibungkus dengan



isolasi PVC setebal 1 mm, maka luas penampang konduktor kabel harus diperbesar menjadi 25 mm2.



1.6



SISTEM PENDINGINAN PERALATAN TEGANGAN TINGGI Pada sub-bab 1.5 di atas telah dijelaskan bahwa bahan isolasi menghambat penyebaran panas dari komponen peralatan yang menjadi sumber panas, sehingga kapasitas daya hantar arus peralatan berkurang. Untuk meningkatkan kapasitas daya hantar arus peralatan,



Peralatan Tegangan Tinggi



Selubung anti korosi Pipa baja



Minvak



Pelindung



Radiator



kedap minyak



GAMBAR 1.10



GAMBAR 1.11



Kabel minyak bertekanan



Trafo dengan radiator



maka peralatan dilengkapi dengan peralatan pendingin. Misalnya, inti kabel dibuat berbentuk pipa (hollow conductor') dan pada bagian dalan pipa dialirkan air pendingin atau dengan memasukkan kabel ke dalam suatu pipa yang dialiri air pendingin, seperti diperlihatkan pada Gambar 1.10. Pada trafo daya, minyak isolasinya dibuat bersirkulasi melalui radiator, sepefii diperlihatkan pada Gambar 1.11 .



1.1



PENYAMBUNG TEGANGAN TINGGI Pada peralatan tegangan rendah, penyambungan suatu konduktor dengan konduktor lain, atau konduktor dengan terminal dapat dilaksanakan dengan solder atau dengan memintal



konduktor satu dengan konduktor yang lain, kemudian persambungan dibungkus dengan pita isolasi. Untuk peralatan tegangan tinggi, hal seperti ini tidak dapat dipraktikkan. Penyambungan harus dilakukan dengan suatu peralatan yang disebut penyambung tegangan tinggi, yaitu suatu peralatan yang dirancang khusus untuk penyambungan antar konduktor pada peralatan tegangan tinggi. Pada Gambar 1.12 diperlihatkan contoh penyambung tegangan tinggi yang digunakan pada suatu kabel.



Terminal



Ujung kabel



----) (a) Kabel satu fasa



GAMBAR 1.12 Penyambung kabel tegangar tinggi



(D) Kabel tiga fasa



Bab



1.8



1



Pendahuluan



ALAT PELINDUNG PERALATAN TEGANGAN TINGGI Ada empat tingkat tegangan yang mungkin dipikul suatu peralatan yang tersambung pada sistem tenaga listrik, yaitu: tegangan kerja kontinu, tegangan lebih pada frekuensi daya, tegangan lebih impuls hubung-buka dan tegangan lebih impuls petir. Tegangan lebih pada frekuensi daya terjadi jika terjadi hubung singkat jaringan satu fasa ke tanah, karena pada keadaan ini terjadi kenaikan tegangan pada kedua fasa yang tidak terganggu. Tegangan lebih impuls hubung-buka teijadi pada saat pemutusan dan penutupan rangkaian transmisi (switching operation). Sambaran petir pada transmisi akan menimbulkan tegangan lebih impuls petir pada sistem tenaga listrik. Semakin tinggi menara transmisi, maka semakin mudah transmisi disambar petir. Sementara, semakin tinggi tegangan transmisi suatu sistem tenaga listrik ditinggikan, maka semakin tinggi juga menara transmisi harus dibangun untuk menjamin keselamatan makhluk hidup di sekitar transmisi. Keberadaan tegangan lebih di atas mengharuskan peralatan memiliki bahan isolasi yang mampu memikul semua tingkat tegangan tinggi tersebut. Hal ini menyebabkan biaya pengadaan bahan isolasi semakin tinggi, sehingga harga suatu peralatan tegangan tinggi lebih ditentukan oleh biaya pengadaan isolasi. Untuk kapasitas yang sama. harga suatu peralatan tegangan tinggi jauh lebih mahal dari peralatan tegangan rendah. Oleh karena itu peralatan sistem perlu diperlengkapi dengan peralatan proteksi untuk menghindarkan kerusakan isolasi peralatan akibat adanya tegangan lebih impuls hubungbuka dan impuls petir. Penambahan peralatan proteksi ini menambah biaya investasi dan perarvatan sistem tenaga listrik. Pada Gambar 1.13 diperlihatkan suatu trafo daya yang dilengkapi dengan alat proteksi arester.



GAMBAR 1.13 Trafo daya dengan alat proteksr arester



Bab 2



Pemutus Daya



etiap sistem tenaga listrik dilengkapi dengan sistem proteksi yang berfungsi untuk mencegah terjadinya kerusakan pada peralatan sistem dan untuk mempertahankan kestabilan sistem ketika terjadi gangguan. Dengan demikian kontinuitas pelayanan sistem dapat dipertahankan. Salah satu komponen sistem proteksi adalah pemutus daya



(circuit breaker). Berikut ini akan dijelaskan peran pemutus daya pada sistem tenaga listrik, konstruksi dan karakteristik pemutus daya serta pemilihan kapasitas pemutus daya untuk suatu sistem tenaga listrik.



2.1



FUNGSI PEMUTUS DAYA Peranan pemutus daya dalam mempertahankan kontinuitas pelayanan dapat dijelaskan dengan diagram garis sistem tenaga listrik yang diperlihatkan pada Gambar 2. 1. Misalkan gangguan hubung singkat terjadi di titik F. Gangguan ini akan menyebabkan arus hubung singkat mengalir ke titik F, yang bersumber dari generator G, dan generator Gr. Seandainya pemutus daya 2, 3, 4 dan 5 tidak ada, maka untuk mencegah kerusakan pada generator (G, dan Gr) dan trafo (2, dan T), pemutus daya 1



l-l



= Pemutus daya



GAMBAR



2.1



Diagram garis sistem tenaga listrik terinterkoneksi



Bab2



Pemutus Daya



11



dan 6 harus membuka. Akibatnya aliran daya ke beban terputus. Tetapi dengan adanya pemutus daya 2 dan 3, maka ketika terjadi gangguan di titik F, kedua pemutus daya tersebut akan membuka sedangkan pemutus daya I dan 6 tetap tertutup, sehingga aliran daya ke beban tetap dipertahankan. Dalam hal ini pemutus daya2 dan 3 beraksi melokalisir jaringan yang terganggu, sehingga jaringan yang sehat tetap beroperasi. Ketika terjadi gangguan hubung singkat, generator dengan tiba-tiba dipaksa bekerja mengeluarkan daya yang besar. Perubahan kerja yang tiba-tiba ini dapat menimbulkan ketidakstabilan sistem. Tetapi jika pemutus daya2 dan 3 membuka sebelum batas waktu pemutusan kritis terlampaui, kestabilan sistem dapat diperlahankan. Peranan pemutus daya dalam pemeliharaan komponen sistem tenaga listrik dapat juga dijelaskan dengan Gambar 2. I di atas. Misalkan trafo To akan menjalani pemeliharaan. Untuk keperluan pemeliharaan ini pemutus daya 1 dan 8 harus dibuka. Seandainya pemutus daya 9 tidak ada, aliran daya ke jaringan L, akan terputus. Untuk mencegah pemutusan aliran daya ke jaringan Zr, pemutus daya 9 ditutup sehingga jaringan L, disulang dari trafo I.. Syarat-syarat yang harus dipenuhi oleh suatu pemutus daya agar dapat melaksanakan fungsi di atas, adalah sebagai berikut:



1. 2. 3.



2.2



Mampu menyalurkan arus maksimum sistem secara kontinu.



Mampu memutuskan dan menutup jaringan dalam keadaan berbeban maupun terhubung singkat tanpa menimbulkan kerusakan pada pemutus daya itu sendiri. Dapat memutuskan arus hubung singkat dengan cepat agar arus hubung singkat tidak sampai merusak peralatan sistem, tidak membuat sistem kehilangan kestabilan dan tidak merusak pemutus daya itu sendiri.



HUBUNGAN RELAI DENGAN PEMUTUS DAYA Bentuk flsik dan konstruksi suatu pemutus daya minyak diperlihatkan padaGambar 2.2. Bagian utama pemutus daya adalah kontak tetap dan kontak bergerak. Kontak bergerak dapat digerakkan secara manual atau dengan bantuan motor listrik atau sistem pneumatik. Jika kontak bergerak ditarik ke atas, maka pemutus daya dalam kondisi tenutup. Jika kontak bergerak didorong ke bawah, maka pemutus daya dalam kondisi terbuka.



Keterangani 1. Kontak tetap 2. Kontak bergerak 3. Bilik kontak 4. Tungkai penggerak kontak 5. Bushing 6. Tangki berisi minyak isolasi 7. Penggerak mekanik



GAMBAR 2.2 Bentuk fisik dan skema konstruksi suatu pemutus daya



12



Peralatan Tegangan linggi



Keterangon:



P = KI = KB = IP = IC = G = C?' = R = K = B =



Pegas



Kontak tetap pemutus daya Kontak bergerak pemutus daya Tungkai kontak bergerak Kumparan pemutus Tungkai kumparan pemutus Trafo arus Relai arus lebih Kontak relai Sumber arus searah



7.SR GAMBAR 2.3 Hubungan relai proteksi dengan pemutus daya



Hubungan kerja pemutus daya dengan relai proteksi diperlihatkan pada Gambar 2.3. Misalkan hubung singkat terjadi pada fasa R. Akibatnya arus di fasa R melonjak relatif besar. Arus yang besar ini melalui kumparan primer C7,, akibatnya arus yang mengalir di kumparan sekunder CT, dan relai R, juga semakin besar. Jika arus tersebut melebihi setting arus relai maka relai bekerja menutup kontak K,, akibatnya arus mengalir pada kumparan pemutus ZC sehingga tungkai kumparan pemutus G tertarik ke atas. Akibatnya tungkai kontak bergerak TP lertarik ke kiri, sehingga kontak bergerak KB menjauh dari kontak tetap KT. Dengan kata lain, kontak pemutus daya terbuka.



2.3



PROSES PEMUTUSAN RANGKAIAN SUATU SISTEM Pada Gambar 2.4a diperlihatkan suatu rangkaian yang sedang dialiri arus bolak-balik. Arus dan tegangan sesaat pada rangkaian tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.4b. Ilka kontak tertutup sempurna, maka resistansi antar kontak sangat kecil sehingga tegangan antar kontak V. dapat diabaikan. Misalkan kontak pemutus daya dibuka ketika t = /o. Sesaat setelah pembukaan kontak, timbul busur api di antara kontak, dan keadaan rangkaian menjadi seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4c. Adanya busur api membuat arus tetap mengalir pada rangkaian. Arus ini menimbulkan jatuh tegangan pada kontak yaitu sebesar perkalian arus dengan resistansi busur api. Jatuh tegangan ini sangat kecil dibandingkan dengan puncak tegangan sumber dan berlangsung dalam selang waktu tu - tr,. Selanjutnya, pada saat / = /r, arus sama dengan nol, busur api padam dan pada saat yang bersamaan tegangan antar kontak menjadi sama dengan tegangan sumber, dan berangsur naik menuju nilai maksimal. Beda tegangan antar kontak akan menimbulkan medan elektrik pada medium isolasi yang berada di antara kontak. Jika kuat medan elektrik tersebut lebih rendah daripada kekuatan dielektrik medium isolasi di antara kontak, maka medium tersebut tidak tembus listrik, sehingga busur api tidak terulang lagi dan rangkaian akan tetap terbuka sepefii diperlihatkan pada Gambar 2.4d. Keadaan seperti ini dijumpai pada pembukaan kontak pemutus daya bertegangan rendah.



Bab



2



Pemutus Daya



13



vk



-\r----.-----1[:I+ i



---------------->



l,tl 1",



(a) Rangkaian tertutup Busur api



.1/



(b) Arus dan tegangan sesaat



Busur api padam



i



-



(c) Timbul busur api



(d) Busur api padam



GAMBAR 2.4 Tegangan dan arus sesaat pada pembukaan pemutus daya



Adanya beda tegangan di antara kontak dapat mengulangi terjadinya busur api. Hal ini terjadi jika kuat medan elektrik yang terdapat pada medium isolasi di antara kontak melebihi kekuatan dielektrik medium tersebut. Keadaan seperti ini dijumpai pada pembukaan kontak pemutus daya bertegangan tinggi. Untuk menjelaskannya, perhatikan Gambar 2.5. Misalkan pada saat



/ = /,., kuat medan elektrik di antara kontak melebihi kekuatan dielektrik medium isolasi di sela kontak. maka medium isolasi akan tembus listrik. Peristiwa tembus listrik ini disusul terjadinya busur api ulangan, sehingga arus kembali



mengalir pada rangkaian meskipun sebenarnya kontak pemutus daya sudah terpisah. Tegangan antar kontak yang menimbulkan pengulangan busur api sama dengan tegangan sumber ketika r = /. dan disebut tegangan terpaan ballk (.restrike voltttge). Hubungan rangkaian benar-benar terputus setelah busur api padam dan tidak berulang lagi. Keadaan ini dapat dicapai dengan melengkapi pemutus daya dengan pemadam busur api.



2.4



IONISASI, DEIONISASI DAN EMISI Proses terjadinya busur api dan padamnya busur api pada suatu pemutus daya berhubungan dengan peristiwa ionisasi, deionisasi dan emisi. Oleh karena itu, berikut ini akan dijelaskan secara singkat tentang ketiga peristiwa tersebut.



GAMBAR 2.5 Tegangan dan arus pada keadaan busur api berulang



14



Peralatan Tegangan 1 rnggi



lonisasi Pada Gambar 2.6 diperlihatkan model suatu atom helium. Inti atom helium terdiri dari dua proton bermuatan positif dan dua neutron yang tidak bermuatan. Dua elektron bermuatan negatif berputar mengelilingi inti atom dengan lintasan yang berbeda. Tiap



elektron mempunyai energi ikat, yaitu energi yang mengikat elektron terhadap inti atom, agar elektron tetap berada pada lintasannya. Dalam keadaan normal jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga suatu atom dalam keadaan normal akan bersifat netral. Karena suatu proses, dimisalkan terjadi benturan antara elektron dengan suatu pafiikel dari luar. Jika energi kinetik partikel ketika membentur elektron lebih besar daripada energi ikat elektron, maka elektron akan keluar dari lintasannya menjadi elektron bebas, sehingga partikel yang tersisa dalam atom tinggal berupa dua proton, dua neutron dan satu elektron. Karena muatan positif lebih banyak daripada muatan negatif, maka total muatan atom sekarang menjadi positif. Atom yang bermuatan positif ini disebut ion positif. Terlepasnya elektron dari ikatan atom netral menjadi elektron bebas disebut ionisasi. Ionisasi dalam gas dapat terjadi karena tiga hal, yaitu: karena adanya radiasi sinar kosmis, adanya massa yang membentur gas dan karena kenaikan temperatur gas.



.



Radiasi Sinar Kosmis Ruang di atas bumi secara terus menerus dibombardir dengan partikel-patikel submikroskopis yang berenergi tinggi. Sebagian berasal dari matahari yang sering disebut sinar kosmis. Sebagian lagi berasal dari pemisahan bahan radioaktif yang setiap menit terjadi di dalam bumi, di langit dan di dalam organisme makhluk hidup. Partikel berenergi tinggi ini membentur elektron molekul netral sehingga elektron terlepas dari molekul netral. Peristiwa ini membuat gas dan udara bebas selalu mengandung elektron-elektron bebas.



.



Ionisasi Benturan Pada Gambar 2.7 diperllhatkan dua elektroda plat sejajar yang dipisahkan bahan isolasi gas. Jika kedua elektroda dihubungkan ke sumber tegangan searah, maka di antara kedua elektroda timbul medan elektrik yang arahnya dari anoda ke katoda. Sebelumnya sudah dijelaskan bahwa gas selalu mengandung elektron bebas sebagai



hasil radiasi sinar kosmis. Misalkan di dalam gas dijumpai satu elektron bebas (e). Karena adanya medan elektrik, elektron tersebut akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju anoda, elektron itu membentur molekul-molekul netral gas. Jika energi kinetik elektron bebas lebih besar daripada energi ikat entD e,O



€u



H



\ Elektron bebas



(.a)



Satu elektron bebas (e,) membentur elektron



terikat (e,)



GAMBAR 2.6 Proses ionisasr



(b)



Elektron terikat (e,) terlepas dari lintasannya menjadi elektron bebas



l



Bab



2



Pemutus Daya



15



Anoda (+)



Elektron bebas



Molekul netral



GAMBAR 2.7 lonisasi benturan



elektron atom netral gas, maka elektron akan keluar dari lintasannya menjadi elektron bebas baru dan menyisakan ion positif. Ion positif akan mengalami gaya dan bergerak menuju katoda sedangkan elektron bebas baru akan bergerak menuju anoda. Elektron baru ini akan mengadakan ionisasi benturan lagi, sehingga jumlah elektron bebas dan ion positif di dalam gas semakin banyak. Ionisasi Termal Jika temperatur gas dalam suatu bejana tertutup dinaikkin, maka molekul-molekul gas akan bersirkulasi dengan kecepatan tinggi sehingga terjadi benturan antar molekul. Jika temperatur semakin tinggi, maka kecepatan molekul semakin tinggi, sehingga benturan antar molekul semakin keras dan dapat membuat terlepasnya elektron dari molekul netral.



Deionisasi Jika suatu elektron bebas bergabung dengan suatu ion positif akan dihasilkan suatu molekul netral. Peristiwa penggabungan ini disebut deionisasi. Deionisasi akan mengurangi partikel bermuatan dalam suatu gas. Jika pada suatu gas terjadi aktivitas deionisasi yang lebih besar daripada aktivitas ionisasi, maka muatan-muatan bebas di dalam gas itu akan berkurang. Ada empat proses deionisasi yang berhubungan dengan pemadaman busur api pada suatu pemutus daya, yaitu: deionisasi medan elektrik, deionisasi rekombinasi, deionisasi akibat pendinginan dan deionisasi tangkapan elektron.



.



Deionisasi Medan Elektrik Telah dijelaskan sebelumnya bahwa medan elektrik timbul di antara dua plat sejajar bertegangan. Medan elektrik ini akan menimbulkan gaya pada setiap muatan yang terdapat di antara elektroda. Elektron bebas bergerak menuju anoda sedangkan ion positif bergerak menuju katoda. Jika elektron bebas tiba di anoda, maka elektron akan bergabung dengan metal. Ion positif akhirnya akan mendekati permukaan katoda dan menarik elektron keluar dari permukaan katoda, bergabung membentuk molekul gas netral. Jika di antara kedua elektroda tidak terjadi proses ionisasi, maka medan elektrik akan melenyapkan semua elektron bebas pada gas dan mengubah semua ion positif menjadi molekul netral.



.



Deionisasi Akibat Rekombinasi Rekombinasi adalah pengurangan muatan karena penggabungan elektron bebas dengan ion positif. Rekombinasi jarang terjadi dalam suatu gas. Peristiwa ini lebih mudah terjadi pada bidang batas antara gas dengan zat padat atau zat cair.



16



Peralatan Tegangan Tinggi



Deionisasi Akibat Pendinginan Telah dijelaskan sebelumnya bahr'va di dalam gas berremperatur tinggi akan terjadi gerakan molekul-molekul gas yang dapat menimbulkan ionisasi termal. Sebaliknya,



pendinginan gas atau udara akan memperlambat gerakan molekul. Hal ini akan menghalangi terjadinya ionisasi termal dalam gas tersebut, sehingga pembentukan elektron bebas dan ion positif dapat dicegah. Pendinginan gas atau udara tidak secara langsung mengurangi partikel bermuatan, tetapi hanya menghalangi terjadinya ionisasi termal dalam gas.



Deionisasi Tangkapan Elektron Beberapa gas tertentu, seperti gas SF6, mempunyai atom netral yang giat menangkap elektron bebas yang bergerak di dekat atom netral tersebut. Penggabungan elektron



bebas dengan atom netral menghasilkan ion negatif. Seandainya gas ini berada di antara dua elektroda plat sejajar berlegangan, maka elektron bebas yang bergerak ke anoda akan ditangkap atom netralnya dan membentuk ion negatif. Ion negatif



ini akan mengalami gaya dan bergerak menuju anoda. Tetapi karena massanya yang relatif besar, maka ia bergerak lebih lambat daripada pergerakan elektron bebas, sehingga tidak mampu menimbulkan ionisasi lanjutan. Dengan demikian, atom gas netral mencegah elektron bebas melakukan ionisasi atau mencegah terjadinya elektron bebas baru hasil ionisasi.



Emisi Emisi adalah peristiwa pelepasan elektron dari permukaan suatu logam menjadi elektron bebas di dalam gas. Ada dua proses emisi yang berhubungan dengan pembentukan busur api pada pemutus daya, yaitu emisi termal dan emisi medan tinggi.



.



Emisi Termal Suatu logam yang mempunyai titik lebur tinggi, seperti tungsten dan karbon, jika dipanaskan hingga bertemperatur tinggi, maka dari permukaannya akan dilepaskan elektron-elektron. Elektron tersebut keluar dari permukaannya dan menjadi elektron bebas di dalam gas. Proses inilah disebut emisi termal.



.



Emisi Medan Tinggi Jika permukaan suatu logam diamati dengan mikroskop, akan terlihat bahwa permukaan logam tersebut tidak semuanya mulus, tetapi selalu dijumpai titik-titik yang runcing seperti diperlihatkan pada Gambar 2.8. Jika logam tersebut dikenai medan elektrik, maka elektron yang terdapat pada permukaan logam katoda (K) akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda



GAMBAR 2.8 Permukaan logam dan medan tinggi



I



Bab



2



Pemutus Daya



17



(A). Elektron pada titik runcing akan mengalami gaya yang lebih besar karena intensitas medan elektrik pada bintik tersebut relatif lebih besar dibandingkan dengan intensitas medan elektrik di bagian yang datar. Jika intensitas medan elektrik cukup besar, maka dari titik runcing tersebut akan dilepaskan elektron bebas. Pelepasan elektron ini sering disebut emisi bintik katoda.



2.5



PROSES PEMBENTUKAN BUSUR API Jika kontak pemutus daya dipisahkan, maka beda potensial di antara kontak akan menimbulkan medan elektrik di sela kontak tersebut, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.9. Arus yang sebelumnya mengalir melalui kontak akan memanaskan kontak pemutus daya sehingga ketika kontak membuka, pada permukaan kontak terjadi emisi termal. Medan elektrik di antara kontak menimbulkan emisi medan tinggi pada permukaan kontak yang beraksi sebagai katoda ((1. Kedua peristiwa emisi ini menghasilkan elektron bebas yang sangat banyak dan bergerak menuju kontak yang berperan sebagai anoda (A). Elektron-elektron ini membentur molekul netral media isolasi di kawasan positif. Benturan-benturan ini akan menimbulkan proses ionisasi. Dengan demikian, jumlah elektron bebas yang menuju anoda semakin bertambah. Proses ionisasi juga menghasilkan ion positif yang bergerak menuju katoda. Perpindahan elektron bebas ke anoda menimbulkan arus, arus ini akan memanaskan anoda. Ion positif yang tiba di katoda akan menimbulkan dua efek yang berbeda. Jika kontak terbuat dari bahan yang titik leburnya tinggi, misalnya tungsten atau karbon, maka ion positif akan menimbulkan pemanasan di katoda. Akibatnya emisi termal semakin meningkat. Jika kontak terbuat dari bahan yang titik leburnya rendah, misalnya tembaga, maka ion positif akan menimbulkan emisi medan tinggi. Hasil emisi termal dan emisi medan tinggi akan melanggengkan proses ionisasi, sehingga perpindahan muatan antar kontak terus berlangsung dan inilah yang disebut dengan busur api. Busur api yang berlangsung lama akan meluruhkan material permukaan kontak.



2.6



PEMADAMAN BUSUR API Suatu pemutus daya dinyatakan berhasil memutuskan hubungan rangkaian



jika selama



kontak terbuka, arus yang melalui sela kontak sama dengan nol, atau tidak terjadi busur api lagi pada sela kontak. Ketika busur api padam, di sela kontak akan tetap ada medan elektrik. Jika kuat medan elektrik pada sela kontak lebih besar daripada kekuatan dielektrik medium di sela kontak, maka busur api akan terjadi lagi. Kawasan nesatif



Kontak tetap



+ ++



*



* 4 **



Kontak bergerak



NiILIK GAMBAR 2.9 Pembentukan busur api



Brden Pcrpustakatn



deu Prupinsi



Kra rsipan



J*ra



Timlue



Peralatan Tegangan linggi



18



Tujuan akhir pemadaman busur api adalah untuk membuat arus pada pada sela kontak sama dengan no1. Membuat arus searah menjadi nol berbeda dengan membuat arus bolak-balik menjadi nol. Oleh karena itu, pemadaman busur api pada pemutus daya searah berbeda dengan pemadaman busur api pada pemutus daya bolak-balik. Uraian berikut ini akan menjelaskan perbedaan kedua pemadaman tersebut.



Pemadaman Busur APi Arus Searah Secara alami, arus searah tidak pernah bemilai nol. Ada dua cara membuat arus searah



menjadi nol, yaitu:



a. b.



Membuat jatuh tegangan (LV1 pada busur api sama atau lebih besar daripada tegangan sistem; dan Menginjeksikan arus yang berlawanan arah dengan arus pada busur api.



Cara pertama dilakukan pada pemutus daya berkapasitas dan bertegangan rendah, sedangkan cara kedua dilakukan pada pemutus daya tegangan tinggi'



Pada cara pertama, jatuh tegangan pada busur api diperbesar dengan menaikkan resistansi busur api. Menaikkan resistansi busur api dapat dilakukan dengan tiga cara:



a. b. c.



Memperpanjang lintasan busur api. Menekan permukaan busur api supaya diameter busur api semakin kecil. Memotong busur api dengan beberapa plat logam sehingga membentuk segmensegmen busur api pendek yang terhubung secara seri seperti diperlihatkan pada Gambar 2.10. Setiap segmen busur api mengalami pengerutan sehingga resistansi seluruh segmen busur api lebih besar daripada resistansi busur api tanpa plat logam.



Cara kedua adalah membuat arus pada busur api sama dengan nol, yaitu dengan menghubungkan suatu kapasitor bermuatan ke terminal pemutus daya dengan polaritas yang berlawanan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.11.



Pemadaman Busur Api Arus Bolak-balik Secara alamiah, dalam satu periode, arus bolak-balik dua kali bernilai nol. Agar arus terus



bernilai nol, setelah arus bernilai nol yang pertama, pembentukan busur api berikutnya harus dicegah. Pencegahan dilakukan dengan deionisasi. Deionisasi akan mengurangi elektron bebas, sehingga konduktivitas busur api berkurang. Pengurangan konduktivitas busur api mengakibatkan resistansi busur api semakin besar. Penambahan resistansi busur api akan memlerkecil arus pada sela kontak pemutus daya dari cenderung menjadi nol.



Pengerutan



Kontak F-



t:"1 7r--r



Busur apr



------\



/ ---'



Plat logam (a) Tanpa plat Pemilah



GAMBAR 2.10 Pemilahan busur api



-



(b) Dengan plat pemilah



I



19



I



----------------



Kapasitor



lnjeksi arus pada pemutus daya arus searah



Jika pengurangan partikel bermuatan karena proses deionisasi lebih banyak daripada penambahan muatan karena proses ionisasi, maka busur api akan padam. Usaha-usaha yang dilakukan untuk menimbulkan proses deionisasi, antara lain adalah sebagai berikut.



a. b. c. d.



1't



Meniupkan udara ke sela kontak, sehingga busur api mengalami pendinginan dan partikel-partikel hasil ionisasi terdorong menjauhi sela kontak. Menyemburkan minyak atau gas isolasi ke busur api untuk mendinginkan busur api sehingga peluang bagi proses rekombinasi semakin besar. Memotong busur api dengan tabir isolasi atau tabir logam, sehingga memberi peluang yang lebih besar bagi proses rekombinasi. Membuat medium pemisah kontak dari bahan gas elektronegatif, sehingga elektronelektron bebas tertangkap oleh molekul netral gas tersebut.



TIGANSAru PIMULiHAIJ Kfi NTAK Ketika busur api berlangsung pada sela kontak suatu pemutus daya, maka medium yang berada di antara kontak bersifat sebagai konduktor. Jika pemutus daya digunakan memutuskan arus bolak-balik, maka ada saatnya arus sama dengan nol dan pada saat itu busur api akan padam. Selanjutnya medium pada sela kontak akan memulihkan dirinya menjadi isolasi. Dengan kata lain, kekuatan dieiektriknya berangsur-angsur naik. Pada saat yang bersamaan, tegangan di sela kontak yang tadinya sangat kecil menjadi relatif besar. Dengan kata lain, tegangan sela kontak dipulihkan dari nilai yang sangat kecil ke nilai tegangan yang sama dengan tegangan pada saat sela kontak terbuka. Tegangan sela kontak selama busur api padam disebut tegangan pemulihan (recovery voltage). Tegangan pemulihan ini menimbulkan medan elektrik di sela kontak. Kenaikan kuat medan elektrik yang ditimbulkannya bergantung kepada kenaikan tegangan pemulihan.



Jika kenaikan kuat medan elektrik lebih cepat daripada kenaikan kekuatan dielektrik medium pada sela kontak, maka medium pada sela kontak akan tembus listrik sehingga



busur api timbul lagi. Dengan kata lain, pemutus daya gagal memutus arus. Suatu pemutus daya dinyatakan berhasil memutuskan arus jika tegangan tembus medium isolasi pada sela kontak lebih besar daripada tegangan pemulihan. Oleh karena itu, dalam perencanaan suatu sistem tenaga listrik karakteristik tegangan pemulihan pemutus daya pada sistem yang direncanakan perlu dianalisis. Hasil analisis digunakan sebagai dasar pertimbangan dalam menetapkan spesifikasi pemutus daya yang dibutuhkan untuk



sistem tersebut.



20



Peralatan Tegangan



T



rnggi



Tegangan pemulihan pada kontak suatu pemutus daya bergantung kepada karakteristik rangkaian sistem yang hubungannya akan diputuskan. Berikut ini akan dijelaskan tegangan pemulihan untuk lima jenis karakteristik rangkaian.



ffiangkaian ffiesistif Pada Gambar 2.12a diperlihatkan suatu resistor yang dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik V, melalui satu pemutus daya CB. Jika pemutus daya membuka kontaknya, maka ada beda tegangan di antara kontak tetap dengan kontak bergeraknya. Jika beda tegangan antar kontak dimisalkan vo, maka persamaan tegangan pada rangkaian Gambar 2.12a adalahl.



Vr=Vt+V, Dalam hal



ini, V, =



vt = vr=



2.1



Tegangan sumber Tegangan sela kontak Tegangan resistor



Tegangan kontak adalah:



Vt, =



vr-v,



2.2



Ketika kontak tertutup, tegangan kontak adalah nol. Misalkan kontak dipisahkan ketika I = lr (lihat Gambar 2.12b), maka busur api timbul dalam selang waktu /r - /2. Jika i sama dengan arus sesaat yang melalui busur api dan Ro sama dengan resistansi busur api, maka dalam selang waktu tersebut, tegangan kontak naik menjadi:



vr=



i R,,



2.3



Karena resistansi busur api relatif kecil, maka tegangan kontak hanya beberapa puluh volt, sehingga dapat diabaikan. Kemudian busur api padam ketika r = tz dan mulai saat itu arus pada rangkaian sama dengan nol (i = 0), sehingga tegangan pada resistor juga sama dengan nol (V, = rR = 0). Dengan demikian, terhitung mulai r = b, Iegangan pemulihan kontak menjadi:



v*=



V,



2.4



Kenaikan tegangan pemulihan sama dengan kenaikan tegangan sumber. Jika saat busur api mulai padam diambil sebagai acuan waktu, dan V = nilai puncak tegangan sesaaf sumber, maka nilai sesaat tegangan kontak adalah: vk "F----3"



t2- busur api padam



= kontak



terbuka (a)



Tegangan pemulihan pada rangkaian resistif



(b)



V,=Vt



Bab



Vr,



2



= -V sin at



Pemutus Daya



21



2.5



ffiangkaian Kapasitif Pada Gambar 2.13a diperlihatkan suatu rangkaian kapasitif.



Sebelum kontak pemutus daya membuka, arus pada rangkaian ini mendahului tegangan sebesar 90o, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.13b. Jika V, adalah tegangan pada kapasitor, maka sebelum kontak terbuka, persamaan tegangan pada rangkaian tersebut adalah sebagai berikut:



Vr=Vt*V,



2.6



Jika tegangan kontak diabaikan, maka tegangan kapasitor akan sama dengan tegangan sumber. Tegangan pada kontak dapat dituliskan sebagai berikut:



Vr=vr-V,



2.7



Misalkan ketika r = /r, kontak pemutus daya dibuka. Dalam selang waktu tt - tz, timbul busur api. Selama ada busur api, tegangan kapasitor sama dengan tegangan sumber. Ketika arus sama dengan nol, yaitu ketika r = /2, busur api padam. Pada saat itu tegangan pada kapasitor sama dengan nilai puncak tegangan sesaat sumber, sehingga persamaan tegangan kontak setelah busur api padam adalah:



Vt=Vr-V



2.8



Jika saat busur api mulai padam diambil sebagai acuan waktu, maka nilai sesaat tegangan kontak adalah: 2.9 Vt =Vcos@t-V Bentuk gelombang tegangan pemulihan diperlihatkan pada Gambar 2.13b. Terlihat bahwa kenaikan tegangan pemulihan relatif lambat dibandingkan dengan kenaikan tegangan pemulihan pada rangkaian resistif. Tetapi tegangan pemulihan dapat mencapai dua kali nilai puncak tegangan sesaat sumber. Hal ini memberi peluang terjadinya terpaan balik busur api.



v,



*-Tl



1,,



34



Peralatan Tegangan Tlnggi



2l^,k =



I



2"/2 1,,



Arus asimetris



T,



l^urr= t/2 I*



Arus hubung singkat jika lokasi hubung singkat jauh dari generator



Gambar 2.29 drperlihatkan tiga bentuk gelombang arus hubung singkat, yaitu: arus subtransien (1") yang berlangsung kurang lebih satu sekon setelah peristiwa hubung singkat; arus transien (1') yang berlangsung antara 0,2 - 2 sekon setelah peristiwa hubung singkat; dan arus tunak (steadv state, [) yang berlangsung setelah komponen arus searah menjadi nol. Arus subtransien dan arus transien merupakan arus asimetris, sedangkan arus tunak adalah arus simetris.



Kapnsitas Arus $esaat {dldomenfary Fufy} Sesaat setelah terjadi peristiwa hubung singkat pada suatu jaringan sistem tenaga listrik, pemutus daya akan dilalui arus hubung singkat subtransien. Nilai efektif dari arus subtransien ini adalah: CV,



^/: + Xz e



2.17



Arus tunak



.(0 F-f,1



zJzr



ryW-r



Arus hubung singkat jika lokasi hubung singkat dekat dengan generator



Bab



2



35



Pemutus Daya



TABEL 2.2 Reaktansi Mesin untuk Perhitungan Arus Hubung Singkat



Jenis Mesin



Reaktansi (7o)



Listrik K,,



Xo'



-22 t2 -30 20-40



14-35 20-45 20-40



Motor sinkron berkecepatan tinggi



15



25



80



Motor sinkron berkecepatan rendah



35



50



100



Motor kompensasi



25



40



160



9



Turbogenerator Generator salient pole dengan kumparan peredam Generator salient pole tanpa kumparan peredam



di mana



X,)



140



-



300



80



-



180



80



180



V= n



Tegangan nominal generator 1,05 untuk sistem bertegangan rendah = 1,1 untuk sistem bertegangan di atas 1000 V R"= Resistansi ekuivalen semua R dan X yang dilalui arus hubung singkat, terhitung dari sumber arus sampai dengan ke titik gangguan X"= Reaktansi ekuivalen semua R dan X yang dilalui arus hubung singkat, terhitung dari sumber arus sampai dengan ke titik gangguan L_



Nilai R dan X untuk setiap komponen dalam sistem dikoreksi



sebagaimana digenerator ditetapkan reaktansi perhitungan ini, Dalam IEC 60909. rekomendasikan dalam sama dengan reaktansi subtransien yang sudah dikoreksi. Reaktansi mesin-mesin pada umumnya diperlihatkan pada Tabel 2.2.



listrik



Resistansi kumparan generator dapat diperkirakan sebagai berikut: Generator > 100 MVA Generator > 100 MVA Generator bertegangan rendah



: Rr : Rr



- 0,05 Xo" - 0,07 Xi'



:R*=Q,|J;g,



Arus subtransien menimbulkan gaya mekanis yang sangat tinggi pada kontak-kontak pemutus daya. Oleh karena itu, suatu pemutus daya harus mampu menahan puncak arus hubung singkat subtransien tertinggi atau puncak arus subtransien pada setengah periode pertama. Kemampuan suatu pemutus daya menanggung arus subtransien tersebut



disebut kapasitas arus sesaat (momentary duQ). Kapasitas arus sesaat adalah nilai puncak arus hubung singkat subtransien tertinggi yang dapat ditanggung oleh pemutus daya tanpa menimbulkan kerusakan pada pemutus daya tersebut. Kapasitas arus sesaat suatu pemutus daya ditentukan dengan terlebih dahulu menghitung nilai efektif arus subtransien. Berdasarkan gambar 2.28 dan 2.29, suatu pemutus daya harus mampu menanggung puncak arus hubung singkat Io YanE besarnya . 2^/2 1". Dalam praktiknya, nllai Io selalu lebih kecil daripada < 2^/2'1" atat dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai:



Io=k,xt/2 I'



2.t8



Faktor ( tergantung kepada komponen arus searah 1r., sedangkan .Ir, tergantung kepada perbandingan R, dengan Xr. Faktor ft, dapat dihitung dengan persamaan: R



1-!



k"=1,02x0,98e-x"



2.19



36



Peralatan Tegangan Tinggi



Iika vn, adalah tegangan fasa-ke fasa sistem sebelum terjadi hubung singkat, maka kapasitas daya sesaat pemutus daya adalah:



s- = {3 v*x I,



2.20



Kapasitas Pemutusan Arus (Inferrupting Current Capacityl Dalam praktiknya, pemutus daya membuka setelah arus hubung singkat berlangsung 2,5 perioda, atau pada masa transien. oleh karena itu, suatu pemutus daya harus mampu memutuskan arus transien atau arus simetris tanpa menimbulkan kerusakan pada kontak pemutus daya. Kapasitas suatu pemutus daya untuk memutuskan arus hubung singkat disebut kapasitas pemutusan arus (interrupting current capacie). Kapasitas pemutusan arus suatu pemutus daya adalah nilai efektif arus hubung singkat transien tertinggi yang dapat diputuskan pemutus daya tanpa menimbulkan kerusakan pada kontak pemutus daya. Berdasarkan Gambar 2.29,arus transien pada saat r = r.,lebih besardaripada arus ketika t = /.,. Jika pemutus daya membuka pada saat I = r., maka arus yang diputuskan lebih besar ilaripada arus yang diputuskan ketika pemutus daya membuka pada saat r = r.,. Maka. kapasitas pemutusan arus pemutus daya tergantung kepada waktu tunda pembukaan pemurus daya, yaitu waktu keterlambatan minimal untuk pemutus daya membuka kontaknya dihitung dari saat terjadinya peristiwa hubung singkat. Kapasitas pemutusan arus suatu pemutus daya ditetapkan dengan menghitung terlebih dahulu nilai efektif arus hubung singkat subtransien (/,,) dengan persamaan 2. 17. Nilai efektif arus transien lebih kecil daripada nilai efektif arus subtransien. Maka, nilai arus transien ketika pemutus daya membuka kontaknya dapat dituliskan sebagai:



I,r' = kr, I"



2.21



Dalam hal ini k, adalah faktor pengali arus transien yang tergantung kepada waktu tunda pemutusan ams (7,) dan perbandingan arus subtransien (1') dengan arus nominal generator (1,) seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.30. k1



1,00



0,95 0,90



N \ \



0,85 0,80 0,75



J,=0'1 sekon_



0,70 0,65



7, = Waktu tunda pembukaan CB



0,60



{



0,55 0,50



T.



1,,



nomlnal generatol



GAMBAR 2.30 Faktor pengali arus transien /kJ



rl



> 0,25 sekor



Bab



2



Pemutus Daya



37



Kemampuan suatu pemutus daya untuk memutuskan arus harus sama dengan atau lebih besar daripada arus transien 1,,' pada Persamaan 2.21. Dengan demikian, kapasitas suatu pemutus daya dapat dihitung dengan persamaan berikut ini: S,.



2.11



=



{5



Vor



x Ii,'



2.22



TEGANGAN KERJA PEMUTUS DAYA Kemampuan pemutusan arus suatu pemutus daya dinyatakan dalam keadaan tegangan sama dengan tegangan pengenal maksimumnya. Pemutus daya tidak diperbolehkan bekerja di atas tegangan pengenal maksimumnya. Jika suatu pemutus daya bekerja pada tegangan di bawah tegangan pengenal maksimumnya, maka kemampuan pemutusan arus pemutus daya semakin besar, yakni menjadi:



tr= Dalam hal



ini 1, = Kemampuan



tn*x\



2.23



pemutusan arus pada tegangan V,



= Kemampuan pemutusan arus pengenal pemutus daya V*,r= Tegangan pengenal maksimum pemutus daya V, = Tegangan fasa-ke-fasa sistem yang menggunakan pemutus daya



1or,



tersebut



Menurut persamaan di atas, kemampuan pemutusan arus pemutus daya semakin besar jika dipakai pada sistem yang tegangannya semakin rendah. Tetapi setiap pemutus daya memiliki kemampuan maksimum dalam memutuskan arus hubung singkat, sehingga



sekalipun tegangan sistem semakin rendah, kemampuan pemutusan arus tidak boleh melebihi nilai maksimum tersebut. Nilai maksimum kemampuan pemutusan arus suatu pemutus daya adalah:



1-uk,=kxIo* Nilai ft bergantung kepada spesiflkasi rancangan pembuat pemutus



2.24 daya.



Sebagai contoh, misalkan suatu pemutus daya mempunyai tegangan pengenal maksimum 24 kY, kemampuan pemutusan arus pengenal 6000 A dan faktor k = 2,2. Kemampuan pemutusan arus maksimum pemutus daya ini adalah: 2,2 x 6O0O A = 13.200 A. Artinya, pemutus daya ini dapat dipasang pada suatu sistem yang tegangannya lebih rendah daripada 24 kY, asalkan arus hubung singkat yang akan diputuskannya tidak lebih daripada 13.200 A.



Bab 3



Konduktor



onduktor adalah salah satu komponen utama peralatan listrik dan instalasi listrik. Konduktor berperan untuk menyalurkan arus dari satu bagian ke bagian lain dan juga untuk menghubungkan bagian-bagian yang dirancang bertegangan sama. Pada sistem tenaga listrik, konduktor bertegangan tinggi dijumpai pada transmisi, gardu induk, jaringan distribusi dan panel daya. Pemilihan jenis dan ukuran konduktor harus memenuhi syarat-syarat teknis dan harus ekonomis. Oleh karena itu, dalam bab ini akan diuraikan jenis-jenis konduktor dan parameter yang perlu dipertimbangkan dalam



pemilihan ukuran konduktor.



3.1



BAHAN DAN JENIS KONDUKTOR Bahan konduktor yang paling umum digunakan adalah tembaga dan aluminum. Dilihat dari jenis isolasi yang digunakan, konduktor terdiri dari dua jenis, yaitu konduktor atau kawat telanjang dan konduktor berisolasi atau kabel. Konduktor atau kawat telanjang digunakan untuk:



1. 2. 3.



Menyalurkan energi listrik dari satu gardu induk ke gardu induk lainnya Menyalurkan energi listrik dari gardu induk ke trafo distribusi Membagi penyaluran daya pada gardu induk dan panel



Kabel tegangan tinggi digunakan pada jaringan distribusi, terutama di kawasan perkotaan yang penduduknya sangat rapat. Kabel tegangan tinggi digunakan juga untuk menyalurkan energi listrik dari generator ke trafo daya, sedangkan pada gardu induk digunakan untuk menyalurkan energi listrik dari trafo daya ke panel kontrol dan dari panel kontrol ke jaringan distribusi hantaran udara.



3.2



KAWAT TELANJANG Konduktor kawat telanjang pada umumnya terbuat dari bahan tembaga, aluminium dan aluminium campuran. Khusus untuk transmisi umumnya digunakan All-Aluminum Conductor (AAC), All-Aluminum-Alloy Conductor (AAAC), Aluminum Conductor Steel Reinforced (ACSR) dan Aluminum Conductor Alloy Reinforced (ACAR).



Bab



ffiffi (a) Konduktor



batang



(b) Kawat pilin



(c) Konduktor rongga



3



Konduktor



39



(d) Konduktor berkas



GAMBAB 3.1 Bentuk penampang konduktor telanjang



Dilihat dari bentuk penampangnya, konduktor telanjang terdiri dari konduktor batangan, kawat pilin, konduktor berongga dan konduktor berkas. Bentuk penampang



keempat konduktor tersebut diperlihatkan pada Gambar 3.1. Konduktor batangan biasanya digunakan pada panel daya. Kawat pilin digunakan untuk jaringan distribusi dan transmisi, sedangkan konduktor berongga dan konduktor berkas digunakan pada transmisi tegangan tinggi. Konduktor berongga juga digunakan pada kabel yang mengalirkan arus besar. Jika suatu konduktor bertegangan, maka di sekitar konduktor akan timbul medan elektrik dan medan elektrik tertinggi terjadi pada permukaan konduktor. Kuat medan elektrik tersebut bergantung kepada diameter dan kehalusan permukaan konduktor. Kuat medan elektrik pada permukaan konduktor akan semakin besar jika diameter konduktor semakin kecil. Kuat medan elektrik pada permukaan konduktor juga semakin besar jika permukaannya semakin kasar. Jika kuat medan elektrik di permukaan tersebut melebihi kekuatan dielektrik udara atau media di sekitarnya, maka pada udara atau media yang bersentuhan dengan permukaan konduktor akan terjadi peristiwa pelepasan muatan, yang disebut korona. Korona yang terjadi pada transmisi tegangan tinggi menimbulkan rugi-rugi daya dan gangguan komunikasi. Untuk mencegah korona, maka kuat medan elektrik di permukaan harus dikurangi hingga lebih kecil dari kekuatan dielektrik udara atau media di sekitarnya. Hal ini dapat dilakukan dengan memperbesar diameter penampang konduktor, tetapi hal ini tidak ekonomis dan membuat konduktor semakin kaku. Cara yang lebih ekonomis adalah dengan menggunakan penghantar berkas. Cara lain adalah menggunakan konduktor berongga, dengan cara ini dapat diperoleh konduktor berdiameter lebih besar dengan luas penampang yang sama dengan konduktor masif.



3.3



KABEL



di halaman 40 diperlihatkan penampang konstruksi suatu kabel tiga fasa. Bagian utama dari suatu kabel adalah inti atau konduktor, bahan isolasi, bahan



Pada Gambar 3.2



pengisi, bahan pengikat, bahan pelindung beban mekanik dan selubung pelindung luar. Semua bahan tersebut harus membentuk suatu konstruksi yang membuat kabel menjadi fleksibel dan tetap memiliki kekuatan mekanis yang memadai. Kabel tegangan tinggi pada umumnya berinti tunggal dan berinti tiga, bahannya terbuat dari pilinan serat tembaga atau aluminum. Bentuk penampangnya tidak berupa lingkaran tetapi dibuat berbentuk sektoral agar dengan diameter luar yang tetap diperoleh luas penampang inti yang lebih besar. Atau dengan luas penampang inti yang tetap diperoleh diameter luar yang lebih kecil, sehingga ongkos pembuatannya lebih murah.



40



Peralatan Tegangan Tinggi



Isolasi



lnti (konduktor) Pengisi



Isolasi pengikat Logam pembalut Bantalan Logam pelindung Selubung luar



GAMBAR 3.2 Penampang kabel tegangan tinggi



Inti dibungkus dengan bahan isolasi utama yang sifat mekanisnya fleksibel sehingga mudah digelar dan perubahan kekuatan mekanisnya tidak signifikan jika temperatur berubah dari temperatur kamar sampai temperatur operasi. Sifat termal inti kabel yang utama adalah: memiliki ketahanan termal yang tinggi, koef,sien muai panas rendah, daya hantar panas tinggi dan tidak mudah terbakar. Sifat elektrik bahan isolasi yang utama aclalah: memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi agar diameter luar dapat dikurangi sehingga ongkos pembuatan kabel berkurang; resistansi isolasinya tinggi; dan rugi-rugi dielektriknya rendah. Sedangkan sifat kimia yang diinginkan adalah tidak bereaksi dengan asam dan alkali pada temperatur kerja, dan tidak mengisap air atau kedap air. Bahan isolasi yang digunakan antara lain minyak, polimer dan kertas yang diimpregnasi minyak mineral. Jika bahan isolasi utama berupa bahan padat seperti polymer dan karet, maka di antara konduktor dengan isolasi utama dapat terjadi rongga. karena permukaan konduktor yang tidak benar-benar mulus. Untuk mengatasi hal ini, maka di antara konduktor dengan isolasi utama dibuat lapisan tipis yang terbuat dari bahan silikon. Ketiga inti kabel diikat dengan bahan isolasi yang disebut dengan isolasi pengikat. Ruang kosong yang terdapat di antara isolasi utama maupun antara isolasi utama dengan isolasi pengikat diisi dengan bahan isolasi yang kualitasnya lebih rendah, sepefti jerami atau potongan-potongan kertas. Kemudian isolasi pengikat dibungkus dengan selubung yang terbuat dari lempengan timah. Permukaan luar selubung timah dilapisi dengan pita atau kawat baja untuk meninggikan kekuatan mekanis kabel. Lapisan baja ini harus dilapisi dengan bahan anti-karat. Selubung timah dilapisi lagi dengan bantalan, yaitu suatu bahan yang sifatnya elastis. Bantalan berfungsi untuk melindungi isolasi pengikat dari tekanan mekanis yang berlebihan jika terjadi benturan mekanis pada bagian luar kabel. Kemudian bantalan diselubungi dengan pelindung dari baja anti-karat yang berfungsi untuk melindungi kabel dari beban mekanis yang berasal dari luar kabel. Lapisan terakhir adalah bahan pembungkus yang mencegah masuknya air ke dalam bahan pelindung. Jika bahan isolasi utama kabel adalah kertas, maka kertas harus dikeringkan terlebih dahulu. Kertas yang dijumpai sehari-hari selalu lembab karena serat kertas menyerap air dari udara di sekitarnya. Pengeringan kertas dilakukan dalam bejana vakum pada



Bab



3



Konduktor



41



temperatur 120 - 135 'C. Setelah itu, kertas dicelupkan dalam minyak mineral dan resin dan dikeringkan dalam bejana yang tertutup sangat rapat. Minyak harus memiliki kekentalan yang rendah pada temperatur pencelupan tetapi kekentalannya tinggi pada temperatur operasi kabel, koefisien muainya rendah dan titik bekunya harus di bawah temperatur operasi kabel. Resin adalah bahan tambahan untuk mencegah terjadinya oksidasi yang dapat mempercepat penuaan dan menimbulkan pelapukan. Bahan tambahan juga diperlukan untuk mencegah penurunan viskositas minyak. Tegangan tembus listrik gabungan keftas dengan minyak lebih tinggi dari tegangan tembus masing-masing bahan jika sendiri-sendiri. Ada kabel yang bahan isolasinya berupa serat yang diimpregnasi minyak. Hal ini bertujuan agar kabel lebih fleksibel sehingga mudah digelar. Penyambungan pada kabel jenis ini lebih mudah karena ketika penyambungan dilakukan minyak tidak keluar dari ujung-ujung kabel sehingga tidak terjadi rongga-rongga udara dalam isolasi kabel. Kelemahan utama kabel ini terletak pada kemungkinan terjadinya gelembung gas ketika beroperasi melayani beban yang berfluktuasi di mana kabel berulang-ulang mengalami pemanasan dan pendinginan. Karena koefisien pemuaian bahan isolasi kabel lebih besar dari bahan pembungkusnya (biasanya dari timah), maka pemanasan kabel akibat pembebanan maksimum akan mengakibatkan pemuaian bahan isolasi lebih besar daripada pembungkusnya, sehingga pembungkus tersebut membengkak. Ketika beban berkurang akan terjadi pendinginan yang mengakibatkan bahan isolasi menyusut sehingga terdapat rongga-rongga di antara pembungkus dengan isolasi. Lama-kelamaan rongga tersebut akan terisi dengan gas yang berasal dari bahan isolasi. Melalui proses difusi, rongga-rongga gas tersebut menyelusup ke permukaan inti kabel, yaitu kawasan di mana intensitas medan elektrik maksimal. Di kawasan ini, rongga-rongga gas dapat mengalami tembus listrik sehingga terjadi peluahan sebagian (partial dist:harge) di dalam kabel. Peluahan sebagian ini merupakan awal terjadinya tembus listrik pada bahan isolasi. Terjadinya peluahan sebagian dapat dicegah dengan mengurangi intensitas medan elektrik pada permukaan inti kabel, yaitu dengan menambah tebal bahan isolasi. Akibatnya, ongkos pembuatan kabel semakin tinggi. Itu sebabnya kabel ini hanya digunakan untuk tegangan bolak-balik sampai 35 kV saja. Di atas tegangan tersebut pengurangan intensitas medan elektrik dengan menambah tebal bahan isolasi tidak ekonomis lagi. Jenis bahan isolasi kabel lain adalah kertas yang diimpregnasi dengan minyak bertekanan. Kabel ini digunakan untuk transmisi tegangan tinggi. Minyak bertekanan akan mencegah terbentuknya rongga-rongga gas dalam kabel, karena aliran minyak dalam kabel akan segera mengisi rongga tersebut dengan minyak. Dengan cara ini, kelemahan yang terdapat pada kabel berisolasi serat dapat diatasi, tetapi ongkos pembuatannya lebih tinggi karena adanya perangkat tambahan, yaitu alat untuk membuat minyak tetap befiekanan.



3.4



PARAMETER KONDUKTOR Jika suatu konduktor dialiri arus listrik maka pada konduktor akan timbul panas akibat rugi-rugi daya (r2r). Panas ini akan membuat temperatur konduktor naik. Di samping itu, temperatur konduktor juga dapat naik karena adanya pengaruh dari sumber panas di sekitarnya, misalnya panas matahari, panas mesin-mesin, dan sumber panas lainnya. Agar sifat fisis bahan konduktor tidak berubah, maka kenaikan temperatur konduktor dibatasi sampai 15 "C. Oleh karena itu arus kontinu yang mengalir pada konduktor harus dibatasi, sedemikian hingga pada temperatur 75 'C, jumlah panas yang timbul



42



Peralatan Tegangan lInggi



pada konduktor sama dengan jumlah panas yang disebarkan konduktor ke medium sekitarnya. Arus tertinggi yang dapat dialirkan secara kontinu oleh suatu konduktor di mana arus tersebut tidak menimbulkan kenaikan temperatur konduktor lebih dari 75 .C disebut daya hantar arus (curuent carrying capacity). Dalam pemilihan suatu konduktor, perlu diperhatikan agar arus kontinu yang akan dialirkan tidak melebihi daya hantar arus konduktor yang dipilih. Jarak atau spasi antar konduktor ditetapkan sedemikian sehingga tidak terjadi peluahan sebagian atau korona pada permukaan konduktor. untuk itu kuat medan elektrik pada permukaan setiap konduktor perlu diketahui. Kuat medan elektrik tertinggi yang ditemukan harus lebih rendah dari kekuatan dielektrik bahan isolasi utama. Pada transmisi hantaran udara, kuat medan pada permukaan konduktor direduksi dengan menggunakan penghantar berkas (bundled conductor). Di bawah ini diberikan formula perhitungan kuat medan elektrik tertinggi pada permukaan konduktor sistem tiga fasa yang diperoleh secara aproksimasi.



kuv



E_



"maks -



Dalam hal



ini: "/ = fta



=



nrorn(ry)



3.1



Jarak antar konduktor fasa (m) Faktor koreksi kuat medan konduktor berkas yang bergantung kepada jumlah konduktor per fasa



r" = Jai-jari ekuivalen konduktor (m) rr = Iari-jari luar konduktor (m) n = Jumlah berkas konduktor per fasa



Untuk konduktor tunggal, re sama dengan jari-jari luar konduktor (rr). Untuk konduktor berkas denganjarak antar konduktor sama dengan s meter, jari-jari ekuivalen dihitung dengan persamaan di bawah ini:



r"={ios, -. su1



3.2



Nilai ft, bergantung kepada jumlah berkas konduktor per fasa, yang besarnya adalah seperti diperlihatkan pada Tabel 3.1. TABEL 3.1



Faktor ko Konduktor Berkas n 2



3



4



Susunan



kb



oo o



oo oo oo



t*# )r



I



2r,



tE



*-4,



3r,-tD



l*---



Bab



3



Konduktor



43



Jarak antar konduktor pada jaringan hantaran udara, selain dibatasi oleh medan tertinggi yang diizinkan, dibatasi juga oleh jarak ayunan konduktor jika ditiup angin' Jarak ayunan bergantung kepada kecepatan angin, diameter konduktor, berat jenis konduktor, lendutan dan jarak rentangan. Konduktor yang lebih ringan, spasinya harus lebih besar daripada konduktor yang lebih berat. Hal lain yang perlu diperhatikan dalam pemilihan konduktor adalah resistansinya, kekuatan mekanisnya, jari-jari geometris rata-rata (GMR = geometric mean radius) dan diameter luarnya. Resistansi konduktor berpengaruh terhadap rugi-rugi daya dan jatuh tegangan (voltage drop) pada konduktor. Semakin besar resistansi suatu konduktor. semakin besar rugi-rugi daya dan jatuh tegangan pada konduktor tersebut' GMR dan diameter luar berpengaruh terhadap reaktansi induktif dan kapasitif konduktor. Untuk jaringan hantaran udara tiga fasa yang ditransposisi, yang jari-jari geometris rata-rata konduktornya sama dengan GMR mete\ panjang konduktornya sama dengan i kilometer dan frekuensi tegangannya sama dengan f (Hz)' maka nilai reaktansinya dapat dihitung dengan rumus di bawah ini: 3.3



3.4



ohm



3.5



PEMILIHAN UKURAN KONDUKTOR



Ditinjau dari Segi Ekonomi Ukuran konduktor transmisi dapat ditentukan berdasarkan pertimbangan ekonomi dan teknis. Menurut Kelvin, biaya tahunan penyaluran adalah:



Biaya rahunon Pada rumus



=3



+;#. 1#



3.5



di atas: H" = Harga energi terbuang ($/kW-tahun)



1 = Kuat arus masing-masing konduktor R = Resistansi masing-masing konduktor/meter Ht = Harga konduktor/kilogram m' = Beral semua konduktor dalam



kilogram/meter



b, = Bunga uang/tahun dalam Persen



Biaya minimum diperoleh jika harga tahunan energi terbuang sama dengan bunga dari bagian modal yang dipertimbangkan sebanding dengan berat konduktor, yaitu:



3H PR



-m-



Jika



A= pm=



= Hk b" flt'



Luas penampang konduktor (mm2) Resistivitas konduktor (ohm.mm2/m) Kerapatan konduktor (kgicm3)



3.6



4



Peralatan Tegangan



maka Persamaan



T



rnggi



3.6



dapat dituliskan menjadi:



3H



12o



-tr-



Hn bu A



m



3.j



Dari Persamaan 3.7 diperoleh ukuran konduktor yang ekonomis sebagai berikut:



A_



3H"P p 10 Hrbum



3.8



Ditinjau dari Segi Teknis Dalam praktiknya, rumus Kelvin di atas jarang digunakan karena hasil yang diperoleh belum tentu memenuhi syarat teknis. Syarat-syarat teknis yang harus dipenuhi suatu konduktor adalah sebagai berikut.



1. 2. 3.



Rugi-rugi daya(P$ yang terjadi pada konduktor tidak melebihi nilai yang diizinkan. Jatuh tegangan (AIf pada konduktor tidak melebihi nilai yang diizinkan. Ketika beroperasi tidak terjadi korona di permukaan konduktor.



Perhitungan ukuran konduktor dilakukan dengan meninjau rangkaian ekuivalen nominal z' transmisi seperti diperlihatkan pada Gambar 3.3a. Diagram fasor tegangan dan arus dari transmisi ini diperlihatkan pada Gambar 3.3b. Terlihat bahwa arus yang mengalir pada konduktor transmisi adalah 1* di mana arus



ini dapat dihitung dengan Persamaan 1.2. Artinya, konduktor harus mampu mengalirkan arus sebesar 10. Maka, daya hantar arus konduktor terpilih harus lebih besar dari 1*. Jika rugi-rugi yang diizinkan pada transmisi adalah AP, maka resistansi konduktor maksimal adalah:



n= Al



3.9



3I o'



Menurut diagram fasor Gambar 2.3b, arus konduktor lebih kecil dari arus beban. Tetapi dalam perencanaan arus konduktor dapat dianggap sama dengan arus beban. Jlka Pu = besar beban yang diramalkan pada ujung penerima transmisi, 4 = tegangan fasa-fasa ujung penerima transmisi dan cos g = faktor daya beban yang diramalkan, maka arus pada konduktor transmisi dapat dihitung dengan Persamaan di bawah ini:



J" (a) Rangkaian ekuivalen transmlsl



(&) Diagram fasor arus dan tegangan transmisi



GAMBAR 3.3 Rangkaian ekuivalen dan diagram fasor arus - tegangan transmisi



Bab



3



P,0



r 11 -,f -1'--



45



Konduktor



K o- r/34cos9



3.10



Jika panjang transmisi dalam kilometer, maka resistansi konduktor/kilometer adalah:



R'=+



3.1



1



Pada Lampiran I diberikan tabel yang memuat jenis, ukuran, dan karakteristik dari konduktor tembaga dan aluminium. Pada tabel tersebut dapat dicari konduktor yang resistansinya per kilometer pada temperatur kerja lebih kecil atau sama dengan R' dan mampu mengalirkan arus 1*. Jika resistansi konduktor terpilih adalah R*' ohm/ km, maka resistansi konduktor yang dipilih adalah:



Rt=Rt'xl



3.12



Selanjutnya nilai arus dan tegangan jika transmisi menggunakan konduktor yang dipilih dapat dihitung. Jika tegangan fasa ke netral ujung penerima adalah V,,,, n*a arus kapasitansi pada ujung penerima adalah:



rr=& v"_



3.l3



Arus pada konduktor transmisi menjadi:



3.t4 Sudut fasa arus konduktor transmisi adalah:



*=arc,r(qH+)



3.15



Tegangan ujung pengirim fasa ke netral dapat dihitung dengan persamaan berikut: Vrr2



= (Vr, + Ir Rrcos a + IoXrsin a)2 + (Ir X, cos a - 1* R* sin a)2



3.t6



Dengan demikian dapat dihitung jatuh tegangan pada konduktor yang dipilih, yaitu:



lv -vl x t007o \v - '-! v:



3.11



Jika AV ) A\,i,, maka prosedur perhitungan di atas diulang kembali dengan mempergunakan konduktor yang ukurannya lebih besar dari pilihan pertama sampai diperoleh AY < AYi,i,.



3.6



REL DAYA Konduktor digunakan juga sebagai rel daya gardu induk umumnya terbuat dari



la sarf,gurrfufld1n pnel. Re dava untuk uk panel berbe fi i0k kaiTatl se-tlan gkan



terbuat dari konduktor berbentuk batang.



,'uPl8fa8f tdPt$?flP'.oc ikian rupa dan litarsipan Propinsi Jo'na Timur



46



Peralatan Tegangan 1 rnggi



sehingga mampu memikul arus yang akan disalurkan. Kemampuan menghantar arus konduktor dapat dilihat pada Lampiran L Jika pada rel mengalir arus hubung singkat, maka rel daya akan mengalami gaya elektromagnetik yang besarnya bergantung kepada besarnya arus hubung singkat dan jarak antar rel. Oleh karena itu, jarak antar rel harus dirancang sedemikian rupa sehingga gaya yang diakibatkan arus hubung singkat tidak sampai merusak rel dan isolator penyangganya. Berikut ini akan diuraikan perihal gaya dan tekanan yang terjadi pada konduktor dan isolator penyangga suatu rel akibat arus hubung singkat pada sistem ac tiga fasa.



Gaya dan Tekanan pada Rel Tunggal Jika dua konduktor garis yang ukurannya sama, berdampingan sejajal dan masingmasing konduktor dialiri arus yang arahnya sama, maka konduktor akan mengalami gaya tarik-menarik yang besarnya:



F_ Pada persamaan



di atas: F &



1t



i, i,



I



2rJ



3.18



= Gaya tarik-menarik antar konduktor (N) = Permeabilitas medium yang berada di antara kedua konduktor



= 4r x 10-7 H/m untuk udara I = Arus yang mengalir pada konduktor (A) / = Panjang konduktor (m) J = Jarak antara kedua konduktor (m) Prinsip di atas digunakan untuk menentukan besar gaya tarik-menarik pada rel daya. Pada Gambar 3.4 diperlihatkan susunan rel suatu panel tiga fasa ac, yang setiap relnya terdiri dari satu batang konduktor. Rel daya dirancang atas pertimbangan arus tertinggi yang mungkin melalui rel, yaitu arus puncak hubung singkat tiga fasa tertinggi yang diperkirakan melalui rel. Jika arus simetris mengalir pada rel suatu panel, maka tiap rel akan mengalami gaya. Gaya ini merupakan hasil interaksi arus fasa R dengan arus fasa S, interaksi arus fasa S dengan arus fasa I dan interaksi arus fasa R dengan arus fasa 7. Karena arus fasa



t,tll r



n]-a ri nlll I|t ln lll ilt t1--- .-]-'1 ffi -



-!:-



I



m lll



t,l



^ M t ----t



ffi



-=E:=



-



-rI__l--\ tltJl



rt t



GAMBAR 3.4 Susunan rel daya konduktor tunggal



Bab



3



Konduktor



47



berbentuk sinusoidal dan masing-masing berbeda fasa 120 derajat listrik dan jarak antar fasa juga tidak sama, maka gaya pada setiap rel tidak sama. Gaya sesaat yang terjadi pada tiap rel adalah:



Fta.s=



F,,,. T Pada ketiga persamaan



di



uioirl



pi*irl



uiol, I



p.itirL



-ffi--ffi



u:ll-*Fioi't = '- 2r J 2rr eA



l.l9 j3.ZO 3'll



atas:



F(,) = Gaya sesaat pada rel (N) tL= Permeabilitas medium yang berada di antara satu rel dengan rel lain 4r x l0-7 H/m untuk udara iArus sesaat pada rel (A) l_ tJarak antara kedua penyangga terluar (m) JJarak antara rel fasa ke rel fasa berurutan (m) Karena arus berbentuk sinusoidal, maka gaya sesaat di atas juga berbentuk sinusoidal. i maka nilai puncak gaya pada masing-masing rel adalah sebagai berikut;



Jika nilai puncak arus sesaat adalah



Fn =



"



Fs =



dan



Fr = 0,13 0,86



uli2 Z*



uliz ,, t



3.22



3./-.)



Dengan membandingkan Persamaan 3.22 dengan 3.23, terllhat bahwa gaya paling besar terjadi pada rel yang berada di tengah (fasa S). Dasar perhitungan dalam perencanaan rel daya adalah gaya mekanis tertinggi yang diperkirakan terjadi pada rel. Gaya mekanis tertinggi terjadi ketika rel dialiri arus puncak subtransien dari arus hubung singkat tertinggi yang mungkin mengalir pada rel. Jika arus hubung singkat tiga fasa tertinggi yang diperkirakan melalui rel adalah 1r,. (A), dan medium yang berada di antara rel adalah udara dengan p = 4t x 10-' H/m, maka gaya tertinggi dalam newton yang timbul pada rel tengah adalah:



Fp



= o'86 x L,iz



4n x IO-7 1r,,2 I



2rJ



x Io-7 1p,,2 I J



Jika



o = a = I4l =



Tekanan atau s/ress pada rel (N/m1 Faktor jumlah penyangga terhadap tekanan rel (lihat Tabel 3.2) Tahanan momen rel (m3)



maka tekanan yang ditimbulkan gaya tersebut pada rel adalah:



3.24



48



Peralatan Tegangan lrnggi



TABEL 3.2 Faktor Penyangga Terhadap Tekanan Rel dan Gaya lsolator B



Susunan Penyangga



d



la ta la



Isolator A



lsolator B



1,0



A=0,5



B=0,5



0.73



A=0.5



B = 1,25



0,5



ta ta tr ta



o



*



A=0.5



B=



1.0



A=0,5



B



1,0



7l**



0,5*



=



0,73**



aFrl o= W



3.25



Tahanan momen suatu batang konduktor bergantung kepada arah gaya pada rel dan ini diperlihatkan dengan jelas pada Gambar 3.5. Rel dinyatakan dapat memikul arus hubung singkat yang diperkirakan, jika:



bentuk penampang rel. Hal



os



1,5



on,n



3.26



di mana ontinadalah kekuatan mulur minimal bahan rel (lihat Lampiran 2). Gaya yang terjadi pada isolator penyangga adalah:



F,=lFFo Dalam hal



ini, Fi =



Gaya pada isolator (N) Faktor yang bergantung kepada besar tekanan (o) pada rel



7= 0 = Faktor yang bergantung



F



nt I lI



ll' lll -l Llv +lr



3.27



hr)



'=a



kepada isolator penyangga rel (Tabel 3.2)



n ,f----ll



t



l 0,8 o*uor, maka nilai 7 - 1. Jika tekanan pada rel o < 0,8 o-"*.. maka nilai 7 dihitung dengan Persamaan 3.28 di bawah ini:



0,8



v-



o-*,



3.28



Isolator dinyatakan memenuhi syarat teknis jika gaya'yang terjadi padanya melebihi batas pembebanan maksimal isolator.



(f,)



tidak



Gaya dan Tekanan pada Rel Multi Batang Pada panel daya berkapasitas besar, arus per fasa sangat besar, sehingga diperlukan dua



atau lebih batang konduktor paralel pada setiap fasa. Agar susunan batang konduktorkonduktor tersebut kokoh, maka di beberapa tempat diberi pengikat sehingga satu rel merupakan ikatan beberapa batang konduktor. Selanjutnya, seikat konduktor yang membentuk rel fasa disebut rel fasa, sedangkan batang-batang konduktor yang membentuk satu rel fasa disebut elemen rel. Pada Gambar 3.6 diperlihatkan contoh susunan rel panel tiga fasa ac yang setiap relnya terdiri dari dua batang konduktor. Untuk panel rel ganda seperti diperlihatkan pada Gambar 3.6, ada dua jenis arus yang perlu dibedakan, yaitu arus rel atau arus fasa (1r,,); dan arus elemen rel (1r). Arus fasa adalah arus total yang mengalir pada satu rel sedangkan arus elemen rel adalah arus pada satu batang konduktor yang membentuk rel tersebut. Jrka I, = arus pada satu batang elemen rel, Ipr, = arus fasa atau total arus pada satu rel dan 2 = jumlah batang konduktor per rel, maka besar arus pada elemen rel adalah sebagai berikut.



, - Io" n



3.29



te -



Gaya yang timbul pada satu rel sebagai hasil interaksi antar arus fasa, disebut gaya fasa (Fo), sedangkan gaya hasil interaksi antar arus pada elemen rel disebut gaya elemen (F"). Gaya fasa dan gaya elemen diperlihatkan pada Gambar 3.7 di halaman 50.



Pengikat I



i



-t v



L



J



B'ffitiB



+jd-l-Ejir



ttl



t€rert



lt9ttl



l



[r,6,,*Xrgi.'P*



EAlEiAXiXii



T--r_T



Konduktor



-lr!



.T). / i



-\// l--------------i--------------



pJ5Jr



I



lsolator



I



Pengikat



li



GAMBAR 3.6 Susunan rel batang ganda pada suatu panel daya



50



Peralatan Tegangan



T



rnggi



: J, . il



,I F, Fett



2)



GAMBAR 3.7 Gaya fasa dan gaya elemen



Menurut Persamaan 3.24, gaya fasa adalah:



F_



l,7z x l0-7



1p,,2 I



3.30



D



Karena arus pada setiap elemen adalah sefasa, maka gaya yang paling besar terjadi pada elemen terluar. Jika, yaitu:



F, = F"0 -z) + Fr(t-3) + "' * F"{t-(tr- l)} +



Fe{t



-



n)



3.31



Dalam hal ini:



F, F e(t-2)



= =



Resultan gaya pada elemen nomor I Gaya hasil interaksi arus pada elemen nomor 1 dengan arus pada elemen



nomor 2 Fe(t-3)



=



Gaya hasil interaksi arus pada elemen nomor 1 dengan arus pada elemen



Felr-n)



=



Gaya hasil interaksi arus pada elemen nomor 1 dengan arus pada elemen



nomor



3



nomor n Arus pada masing-masing elemen sama dan satu fasa, maka gaya hasil interaksi arus pada dua elemen dapat dihitung dengan Persamaan 3.18. Dengan menganggap bahwa media yang berada di antara elemen-elemen adalah udara, maka gaya tarikmenarik antar dua elemen dapat ditulis sebagai berikut:



Deta



- Dt



_ 4rr x lO-7 1"2 l, 2T J"ru _ b,



z



x



lo-1 Jela _



1"2



l, 3.32



b1



Dalam hal ini:



lr



= =



Gaya tarik-menarik antara elemen a dengan elemen b (N) Jarak maksimal antar pemisah atau jarak maksimal antara pemisah dengan penyangga (m). Untuk lebih jelasnya lihat Gambar 3.5



Je(q_b)



=



Jarak efektif antara elemen a dengan elemen b (m)



Fe(a_b)



Substitusi Persamaan 3.32 ke dalam Persamaan 3.31 menghasilkan:



Bab



F"=



2



Fe = 2



F"



x



lo-1 (1")2



li



2 x ro-7



J, _,



x



_2 x



J,



* lO-7 tt-12 t, ,-e, .,.Jt_r,



t=L



(1")2 li



_,



-l Jr_,



+...



+



2



x



3



51



Konduktor



to-1 (1,)z li J, _,



+ ... + --L-4



_)



lo-7 (t")2 ll -1.



J"



-l



J



Gaya pada Persamaan 3.18 berlaku untuk susunan konduktor garis paralel berdiameter mendekati nol atau konduktor garis berdiameter sangat kecil dibandingkan terhadap jarak antar konduktor. Untuk susunan konduktor batang seperti diperlihatkan pada Gambar 3.7, dan jarak antar konduktor sangat dekat, dan penampang tidak berbentuk lingkaran, maka jarak antar konduktor tidak dapat disamakan dengan jarak antar sumbu konduktor, tetapi bergantung pada tebal (r) dan tinggi (/z) konduktor. Oleh karena itu, jarak efektif (J") bergantung kepada ukuran penampang elemen dan jumlah elemen. Nilai "f" untuk berbagai ukuran rel diperlihatkan pada Tabel 3.3. Tekanan pada rel akibat gaya fasa adalah:



o-p=oFnl gk"w"



3.34



Dalam hal ini: Fn = Gaya fasa yang dihitung dengan Persamaan 3.30 d, = Tekanan pada rel akibat gaya fasa F, (N/m2) o = Faktor penyangga (lihat Tabel 3.2) W" = Momen tahanan ekuivalen semua rel 1m3; lNilai-nilainya diperlihatkan pada Tabel 3.4) k" = Faktor perkalian momen inersia = 0,6 untuk rel yang terdiri dari dua batang konduktor = 0,5 untuk rel yang terdiri dari tiga atau lebih batang konduktor Tekanan yang terjadi pada elemen konduktor karena gaya pada elemen konduktor adalah:



TABEL 3.3



Jarak Efektif Elemen Rel



Jarak Efektif O) cm Susunan Elemen



Tebal (/) cm



h=4



h=5



h=6



h=8



cm



cm



cm



cm



0,5



z,o



2,4



t,0



7R



3.1



3,4



4.1



4,7



1.3



1,5



1.8



a)



t.9



2.0



)7



2.7



0,5



1,0



1,7



h =10 cm



h=12 h=16



h =20



cm



cm



cm



5,4



6,7



8,0



10



3,t



4,3



4,0



Bab 4



Pelindung Tegangan Lebih



da beberapa tingkat tegangan pada suatu sistem tenaga listrik, yaitu: tegangan nominal, tegangan maksimum, tegangan puncak maksimum dan tegangan lebih. Tegangan nominal adalah tegangan pengenal sistem. Nilai tegangan ini dinyatakan dalam harga efektif dan dituliskan pada papan nama sistem. Dalam praktiknya, sistem beroperasi pada tegangan yang tidak sama dengan tegangan nominalnya, adakalanya beroperasi di bawah tegangan nominal dan adakalanya di atas nominal. Jika sistem beroperasi di atas tegangan yang diizinkan, maka sistem dinyatakan memikul tegangan lebih. Tegangan lebih dapat merusak peralatan, oleh karena itu peralatan perlu dilindungi agar tidak rusak karena tegangan lebih tersebut. Berikut ini akan dijelaskan tentang jenis-jenis tegangan lebih yang mungkin terjadi pada suatu sistem tenaga listrik; jenis-jenis alat pelindung tegangan lebih dan karakteristik alat-alat pelindung tersebut.



4.1



TEGANGAN LEBIH Batas tertinggi tegangan operasi suatu sistem di atas tegangan nominalnya disebut tegangan maksimum (V-*,), umumnya tidak lebih daripada 1,1 kali tegangan nominal. Jika tegangan sistem adalah tegangan bolak-balik, maka tegangan maksimum sistem mempunyai nilai puncak yang disebut dengan tegangan puncak maksimum (Vr.urr). Tegangan lebih adalah tegangan pada sistem tenaga listrik yang bersifat temporer dan nilainya melebihi tegangan puncak maksimum sistem. Dilihat dari sumbernya, tegangan lebih dibagi dua jenis, yaitu: tegangan lebih internal dan tegangan lebih eksternal. Dilihat dari frekuensi dan durasinya, tegangan lebih intemal terdiri dari tegangan lebih sementara berfrekuensi daya dan tegangan lebih transien. Tegangan lebih



frekuensi daya terjadi akibat: (a) hubung singkat satu fasa ke tanah, (b) resonansi atau ferroresonansi, (c) pelepasan beban tiba-tiba dan (r/) transmisi panjang berbeban rendah. Besaran tegangan lebih frekuensi daya akibat hubung singkat satu fasa ke tanah bergantung kepada lokasi gangguan, pembumian netral dan parameter impedansi sistem. Tegangan lebih transien terjadi karena adanya operasi hubung-buka (switching operation) pada sistem ketika: (a) energisasi dan re-energisasi jaringan, (b) pengisoliran gangguan, (c) pemutusan arus kapasitifdan induktif, dan (fl pelepasan beban. Tegangan lebih akibat operasi hubung-buka pemutus daya disebut tegangan impuls hubung-buka.



54



Peralatan Tegangan Tinggi



Titik sambaran petir



GAMBAR 4.1 Tegangan Iebih akibat sambaran petir



Tegangan lebih eksternal adalah tegangan impuls yang terjadi pada sistem tenaga



listrik akibat sambaran petir pada kawat hantaran udara transmisi sistem tersebut. Sambaran petir pada kawat transmisi merupakan suntikan muatan listrik. Mengingat



bahwa suatu kapasitor dibentuk oleh dua material konduktor yang diisolir oleh bahan dielektrik, maka antara kawat transmisi dengan tanah terbentuk suatu kapasitor, karena dalam hal ini kawat transmisi dan tanah adalah dua material konduktor yang diisolir bahan dielektrik udara. Karena itu, suntikan muatan pada kawat transmisi analog dengan suntikan muatan pada suatu kapasitor. Suntikan muatan pada suatu kapasitoi akan menaikkan tegangan kapasitor. Karena itu, suntikan muatan pada kawat transmisi akan menaikkan tegangan kawat transmisi melebihi tegangan operasinya. Tegangan lebih ini berbentuk gelombang impuls yang merambat menuju ujung-ujung transmisi seperti diperlihatkan pada Gambar 4. 1. puncak tegangan dapat mencapai 100 - 1000 kV, dan berlangsung dalam waktu mikrosekon. Tegangan lebih akibat sambaran petir disebut tegangan impuls petir. Durasi dan amplitudo masing-masing tegangan di atas,



diperlihatkan pada Gambar 4.2. Amplitudo tegangan pada Gambar 4.2 dinyatakan dalam per-unit puncak tegangan maksimum fasa-ke-tanah sistem. Jika tegangan maksimum sistem sama aengan v*"u., maka tegangan maksimum fasa-ke-tanah sistem sama dengan V^ kJ^/3. Dengan aemitian



Amplitudo Tegangan (pu)



Tegangan Ketahanan Isolasi Peralatan



i



Tegangan



Tegangan Impuls



Impuls Petir (mikrosekon)



Hubung-Buka



(milisekon)



Tegangan Sesaat Maksimum S isrem (Konrinu)



Tegangan -Fasa-ke-Tanah



Lebih AC (sekon)



GAMBAR 4.2 Durasi dan besaran tegangan pada sistem tenaga listrik



V-uk.



Bab



4



55



Pelindung Tegangan Lebih



puncak tegangan maksimum fasa-ke-tanah sama dengan V, =(t/2v^uo.)/y'3. Nilai yp diambil sama dengan 1,0 pu. Ada tiga bahaya yang dapat terjadi pada sistem tenaga listrik akibat tegangan lebih



impuls petir, yaitu:



1.



2. 3.



Jika sistem pembumian menara transmisi buruk, maka arus petir yang mengalir melalui menara akan menimbulkan tegangan yang tinggi pada puncak menara, sehingga beda potensial yang dipikul isolator transmisi naik dan dapat menimbulkan peristiwa lewat denyar (flashover) pada isolator tersebut. Jika suatu tegangan impuls petir tiba di suatu gardu maka tegangan lebih tersebut



akan merusak isolasi peralatan yang terdapat pada gardu. Jika gelombang tegangan impuls petir merambat menuju ujung jaringan transmisi yang terbuka, maka gelombang tegangan impuls petir akan dipantulkan, merambat kembali menuju titik sambaran, sehingga tegangan pada titik pantulan menjadi dua kali tegangan impuls petir yang datang.



Melihat bahaya yang dapat terjadi akibat tegangan lebih, maka perlu dilakukan tindakan untuk mengurangi tegangan lebih yang tiba pada peralatan sistem agar tegangan lebih tersebut tidak melebihi kekuatan isolasi peralatan. Ada dua cara yang dilakukan, yaitu memasang alat pelindung tegangan lebih dan kawat tanah.



4.2



PRINSIP KERJA ALAT PELINDUNG TEGANGAN LEBIH



Alat pelindung tegangan lebih dipasang paralel dengan peralatan yang dilindungi. Lokasinya diatur sehingga tegangan lebih impuls melalui alat pelindung terlebih dulu sebelum melalui alat yang dilindungi. Pada Gambar 4.3 diperlihatkan suatu alat pelindung tegangan lebih yang dipasang pada sambungan kabel dengan jaringan hantaran udara. Pada keadaan tegangan jaringan normal, sampai 1 ,l tegangan normal, pelindung berperan sebagai isolasi atau idealnya tidak mengalirkan arus dari jaringan ke tanah. Tetapi jika suatu tegangan lebih impuls tiba pada terminal alat pelindung, maka alat pelindung segera berubah menjadi penghantar dan mengalirkan arus impuls ke tanah sehingga amplitudo tegangan lebih yang merambat menuju peralatan yang dilindungi berkurang menjadi di barvah ketahanan tegangan impuls peralatan yang dilindungi. Kawat pembumian



20



------' Teminal



$# &t



GAMBAR 4.3 Arester jenis saluran dan pemasangannya pada jaringan distribusi



kv



56



Peralatan Tegangan Tinggi



Suatu alat pelindung tegangan lebih akan mengalirkan arus petir ke tanah. oleh karena itu, alat pelindung tegangan lebih harus dirancang sedemikian rupa, sehingga ketika mengalirkan arus ke tanah, alat pelindung tidak mengalami kerusakan. Ada tiga jenis alat pelindung tegangan lebih pada sistem tenaga listrik, yaitu sela batang, arester jenis tabung atau arester ekspulsi, dan arester jenis katup. Berikut ini akan dijelaskan prinsip kerja masing-masing alat-alat pelindung regangan lebih tersebut.



4.3



SELA BATANG



Konstruksi dan Prinsip Kerja Pelindung yang paling sederhana adalah sela batang. Konstruksinya diperlihatkan pada Gambar 4.4. Sela batang digunakan untuk melindungi bushing transformator, isolator saluran udara tegangan tinggi, pemutus daya dan sebagai pelindung cadangan. Pelindung ini terdiri dari dua elektroda batang dan satu isolator pendukung. Satu elektroda dihubungkan ke kawat jaringan dan elektroda lainnya dihubungkan ke tanah. Tegangan yang menimbulkan percikan pada sela elektroda bergantung kepada panjang sela (s). Oleh karena itu, panjang sela dapat diatur sehingga percikan terjadi pada nilai tegangan yang diinginkan. Tegangan yang membuat terjadinya percikan disebut tegangan percik sela (%). Jika beda tegangan anrara sela (If melebihi tegangan percik seia (7,), maka akan terjadi percikan pada sela. Jika tegangan pada jaringan tetap ada, maka percikan akan berubah menjadi busur api, sehingga sela elektroda terhubung singkat. Waktu yang dibutuhkan tegangan impuls positif untuk menimbulkan percikan pada sela lebih pendek daripada waktu yang dibutuhkan tegangan impuls negatif. Ditemukan juga bahwa tegangan tembus sela elektroda batang-batang bergantung pada panjang elektroda batang yang dibumikan. Jika panjang elektroda tersebut pendek, maka tegangan tembus impuls positif jauh lebih rendah daripada tegangan impuls negatif. Untuk mengatasi perbedaan tegangan tembus ini, panjang elektroda batang biasanya dibuat 1,5 - 2,0 kali panjang sela. Panjang sela diatur sedemikian sehingga t.gurgun tembusnya tidak kurang daripada 70vo tegangan ketahanan impuls peralatan yang dilindungi. Panjang sela untuk berbagai tegangan sistem diperlihatkan pada Tabel 4.1.



Karvat janngan



GAMBAR 4,4 Pelindung tegangan lebih sela batang



I



Bab



4



pelindung Tegangan Lebih



57



TABEL 4.1 Panjang Sela Batang untuk Berbagai Tegangan Sistem



Tegangan (kY)



Panjang sela (cm)



JJ



23



66



35



132



65



275



t23



Arus Susulan Pada Gambar 4.5 diperlihatkan suatu sistem yang dilengkapi alat pelindung sela batang. Panjang sela diatur sedemikian sehingga terpercik jika mlmikul tegangan sebesar v,. Misalkan suatu tegangan impuls petir merambat menuju transformator. Jika t.gurgin impuls petir telah tiba pada terminal pelindung, maka tegangan sela batang naik mengikuti kenaikan tegangan impuls, seperti diperlihatkan pada Gambar 4.6. Ketika tegangan pada sela mencapai tegangan percik sela (v,), sela terpercik sehingga kedua elektroda batang terhubung singkat. Akibatnya, t"gurrgi, di terminal pelindung tiba-tiba menjadi nol dan arus petir mengalir ke tanah. Arus petir berlangsung dalam waktu mikrosekon dan menimbulkan busur api pada sela. Setelah arus petir nol, busur api pada sela tetap berlangsung karena dipertahankan tegangan bolak-balik frekuensi daya sendiri. Dengan kata lain, sela elektrodatetap terhubung iingkat. Akibatnya timbul arus hubung singkat frekuensi daya yang disebut dengan arus susulan. Arus susulan ini diputuskan dengan membuka pemutus daya, akibatnya terjadi pemutusan aliran daya;



Tegangan lebih



Pemutus



Trafo



daya



Sela batang



GAMBAR 4.5 Sistem dengan pelindung sela batang



Gelombang impuls yang tiba di trafo jika pelindung tidak ada



I Gelombang impuls yang tiba di trafo.jika pelindung bekerja



GAMBAR 4.6 Tegangan pada sela batang



58'



Peralatan Tegangan Tinggi



suatu keadaan yang tidak diinginkan terjadi pada suatu sistem tenaga listrik. Besarnya arus susulan ini tergantung kepada impedansi jaringan, impedansi pembumian netral



sistem dan impedansi pembumian alat pelindung. Seandainya sela tidak terpercik, maka tegangan lebih akan menimbulkan lompatan api pada isolator pendukung sela batang. Untuk mencegah terjadinya lompatan api tersebut, maka harus dipenuhi syarat-syarat di bawah ini: Vte-brs sela



= 0'8



Vto-putan api isolator



S:>!



4.t 4.2



J



Kelemahan alat pelindung



a. b.



ini



adalah sebagai berikut'



Jika pelindung tegangan lebih sela batang bekerja, harus terjadi pemutusan aliran daya pada sistem. Itu sebabnya, pelindung tegangan lebih sela batang umumnya digunakan sebagai pelindung tegangan lebih cadangan' Tegangan percik sela lebih besar pada tegangan impuls bermuka curam, sehingga panjang sela harus diperkecil jika digunakan sebagai pelindung terhadap tegangan impuls petir. Tetapi panjang sela yang pendek membuat sela terpercik jika dikenai tegangan impuls hubung-buka.



c. d. 4.4



Bekerjanya sela batang dipengaruhi kondisi udara sekitar, karena medium yang berada di antara sela adalah udara yang tegangan tembusnya bergantung kepada temperatur, tekanan dan kelembaban. Bekerjanya sela batang juga tergantung kepada polaritas tegangan impuls.



ARESTER EKSPULSI Sebelumnya telah dijelaskan bahrva alat pelindung tegangan lebih sela batang tidak dapat



memutuskan arus susulan. Untuk memutuskan arus susulan tersebut, dikembangkan alat pelindung tegangan lebih yang disebut arester. Ada dua jenis arester, yaitu arester ekspulsi dan arester katup. Arester jenis ekspulsi digunakan pada sistem tenaga listrik bertegangan hingga 33 kV. Konstruksinya diperlihatkan pada Gambar 4.7. Arester ini mempunyai dua sela yang terhubung seri, yaitu sela luar dan sela dalam. Sela dalam ditempatkan di dalam tabung serat (fiber). Elektroda sela dalam yang dibumikan, dibuat berbentuk pipa. Keberadaan kedua pasang elektroda ini membuat arester ini mampu memikul tegangan tinggi frekuensi daya tanpa menimbulkan korona dan arus bocor ke tanah. Tegangan tembus sela luar dibuat lebih rendah daripada tegangan lompatan api isolator pendukung sela luar. Demikian juga tegangan tembus sela dalam dibuat lebih rendah daripada tegangan lompatan api tabung serat. Bila pada terminal arester tiba suatu tegangan impuls petir, maka sela dalam dan sela Iuar sama-sama terpercik, sehingga arus petir mengalir ke tanah. Arus petir menimbulkan busur api pada kedua sela. Karena arus petir berlangsung dalam tempo mikrosekon, maka energi panas yang terjadi pada busur api relatif rendah. Setelah arus petir menjadi nol, mengalir arus susulan yang ditimbulkan tegangan frekuensi daya. Karena arus susulan berlangsung dalam tempo milisekon, maka energi panas yang terjadi pada busur api relatif besar. Panas pada busur api didisipasikan ke tabung serat. Akibatnya, bahan organik pada permukan dalam tabung serat menguap dan menghasilkan gas bertekanan tinggi. Gas tersebut terdorong keluar dari lobang pipa elektroda sela dalam yang dibumikan. Gas ini mendinginkan busur api pada sela dalam, sehingga



Bab



4



Pelindung Tegangan Lebih



59



Konduktor transmisi Sela luar



Elektroda Saluran pembuangan gas



GAMBAR 4.7 Arester ekspulsi



menimbulkan deionisasi. Arus susulan merupakan arus sinusoidal. Artinya, dalam satu periode, arus susulan dua kali bernilai nol. Ketika arus susulan mencapai nol, busur api mengecil, dan pada saat itulah busur api dipadamkan oleh gas yang diproduksi tabung serat. Jika busur api sudah padam, maka arus susulan tidak berlanjut lagi. Arus susulan paling lama bertahan selama dua periode, tapi biasanya sudah padam dalam waktu setengah periode arus susulan. Kemampuan gas memadamkan busur api bergantung kepada besarnya energi panas



busur api. Energi panas busur api bergantung kepada besar arus susulan yang mengalir pada arester, sedangkan besar arus susulan bergantung kepada tegangan sistem dan parameter impedansi sistem. Jika arus susulan besar, busur api yang ditimbulkannya juga besar, sehingga gas yang diproduksi tabung serat tidak mampu lagi memadamkan busur api tersebut. Akibatnya, arus susulan tetap berlanjut. Maka, pemakaian arester ini terbatas hanya pada sistem yang kapasitas daya hubung singkatnya rendah, umumnya pada sistem yang bertegangan sampai 33 kV. Arester ini dapat digunakan untuk melindungi transformator distribusi bertegangan 3 - 15 kY tetapi belum memadai untuk melindungi transformator daya. Arester ini dapat juga digunakan pada saluran transmisi untuk mengurangi besar tegangan impuls petir yang masuk ke gardu induk. Keuntungan arester ini adalah sebagai berikut:



a. b. c. d.



Karena konstruksinya sederhana, harganya tidak begitu mahal. Unjuk kerjanya lebih baik daripada pelindung jenis sela batang, karena dapar memadamkan sendiri arus susulan. Karakteristik volt-waktu arester ini lebih baik daripada sela batang. Pemasangannyamudah. Sedangkan kelemahan arester



a. b. c.



ini adalah sebagai berikut:



Setelah beberapa kali bekerja, arester harus diganti, karena setiap kali arester bekerja, tabung serat arester mengeluarkan gas yang mengakibatkan sebagian material tabung terkelupas. Adanya gas buangan ketika arester bekerja membuat arester tidak dapat ditempatkan berdampingan dengan peralatan yang akan dilindungi. Karakteristik volt-waktu arester ini masih kurang baik, sehingga ticlak dapat digunakan untuk melindungi peralatan yang harganya mahal.



60



Peralatan Tegangan Tinggi



4.5



ARESTER KATUP Berdasarkan sela perciknya, arester katup terdiri dari arester sela pasif, arester sela aktif



dan, arester tanpa sela percik. Arester sela pasif digunakan pada jaringan distribusi hantaran udara; arester sela aktif digunakan pada jaringan tegangan tinggi dan titik pusat jaringan distribusi; sedangkan arester tanpa sela digunakan untuk semua tingkat tegangan.



Arester Katup Sela Pasif Konstruksi arester jenis katup sela pasif diperlihatkan pada Gambar 4.8. Arester ini terdiri dari sela percik, resistor non-linier dan isolator tabung. Sela percik terdiri dari beberapa susunan elektroda plat-plat yang terhubung seri. Sela percik dan resistor non-



linier keduanya ditempatkan dalam tabung isolasi tertutup, sehin-ega kerja arester ini tidak dipengaruhi oleh keadaan udara sekitar. Resistor non-linier terbuat dari beberapa piring silikon karbida (silicort carbide) yang terhubung seri. Ukuran diameter piring kurang lebih 90 mm, sedangkan tebalnya kurang lebih 25 mm. Nilai resistansi resistor ini sangat besar ketika melewatkan arus lemah, tetapi nilai resistansinya sangat rendah ketika dilewati arus kuat. Karakteristik arus dan tegangan suatu resistor non-linier dapat dinyatakan dengan Persamaan 4.3.



I=KV"



4.3



Untuk bahan karbon silikon, a berkisar antara 2 - 6, sedangkan nilai K bergantung kepada ukuran dan bentuk geometris piring silikon karbida. Karakteristik ketidaklinierannya ditentukan sifat listrik kontak antar permukaan piring silikon karbida. Jika tegangan impuls petir tiba di terminal arester dan sela arester terpercik, maka rangkaian ekuivalen arester adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 4.9a. Jika resistansi resistor non-linier adalah R, dan arus petir yang dialirkan ke tanah adalah ir, maka tegangan pada terminal arester ketika mengalirkan arus petir adalah:



f,,



V,=ioR



4.4



Misalkan karakteristik resistor non-linier adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 4.9b dan arus petir yang mengalir pada arester adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 4.9c. Dalam selang waktu 0 - /,, arus petir naik dan mencapai nilai puncak i, = I*. Dalam selang waktu ini resistansi R mengecil, sehingga kenaikan tegangan terminal arester dibatasi hanya sampai V,. Seandainya nilai resistor R konstan, maka ketika arus petir mencapai nilai puncak (/,,,), tegangan di terminal arester sama dengan V,. Artinya



Konduktor transmisi Sela percik



Resistor non-linier



GAMBAR 4.8 Arester katup



Bab



4



Pelindung Tegangan Lebih



61



(,)



(b)



GAMBAR 4.9 Rangkaian ekuivalen dan karakteristik arester



tegangan sistem tetap tinggi, sehingga tujuan perlindungan tidak tercapai. Dalam selang waktu /, - /2, arus petir menurun, nilai resistor R membesar. Ketika arus petir menjadi nol, masih tersisa arus susulan (l") yang relatif kecil. Arus susulan ini juga akan semakin



kecil karena resistansi R semakin membesar, akhirnya tersisa arus yang lebih kecil lagi, yaitu arus kendali (i*). Biasanya arus kendali ini kurang lebih 50 A. Ketika arus kendali sama dengan nol, busur api pada sela padam sehingga arus kendali menjadi nol dan tidak berlanjut lagi. Seluruh proses di atas diperlihatkan pada Gambar 4.10. Pada Gambar 4. 10 terlihat bahrva besarnya arus susulan tergantung kepada waktu tibanya tegangan petir. Jika tegangan petir tiba ketika tegangan sesaat sistem mendekati nilai puncaknya, maka arus susulannya besar. Jika tegangan impuls tiba ketika tegangan sesaat sistem mendekati nilai nol, maka arus susulannya kecil. Tegangan di teminal arester sama dengan tegangan di terminal peralatan yang dilindunginya. Tegangan petir yang tiba pada suatu peralatan yang dilindungi dengan arester katup diperlihatkan pada Gambar 4. ll di halaman 62. Karena tegangan yp berlangsung lebih lama daripada V,, maka tingkat tegangan perlindungan arester ini ditetapkan sama dengan Vr.



Arester Katup Sela Aktif Konstruksi arester katup sela aktif hampir sama dengan arester katup sela pasif. Perbedaanya terletak pada metode pemadaman busur api pada sela percik. Pada arester



Keterangan:



{o = Tegangan imPuls Petir



{, = Tegangan gagal sela arester Vr, = Tegangan sisa l,



= Atus petir



1. = Arus susulan 1* = Arus kendali +50 A v,,,



I Arus petir nol



Arester bekerja Tegangan impuls petir tiba pada terminal arester



GAMBAR 4.10 Tegangan dan arus pada arester katup sela pasif



62



Peralatan Tegangan Tinggi



Bentuk gelombang yang tiba di peralatan jika tidak ada arester Bentuk gelombang yang tiba di peralatan jika arester bekerja



GAMBAR 4.11



Tegangan impuls yang tiba pada peralatan



katup sela aktif, ada suatu usaha untuk memadamkan busur api, yaitu memperpanjang dan mendinginkan busur api dengan cara membangkitkan medan magnet pada sela percik. Prinsip kerjanya dapat dijelaskan dengan bantuan Gambar 4'12' Arester katup sela aktif terdiri dari sela utama (G,), kumparan (X), sela bantu (G6) dan resistor non-linier. Semuanya dimasukkan dalam tabung isolasi porselen. Jika suatu



tegangan impuls petir membuat sela utama arester terpercik, maka mula-mula, arus petir mengalir ke tanah melalui sela utama, kumparan dan resistor non-linier (Gambar 4.12a). Karena tegangan impuls petir merupakan tegangan berfrekuensi tinggi, maka impedansi kumparan menjadi besar, sehingga tegangan pada terminal kumparan menjadi tinggi. Beda tegangan yang tinggi pada terminal kumparan, mengakibatkan sela bantu terpercik. Dengan terperciknya sela bantu, maka arus petir mengalir melalui sela bantu, sedangkan kumparan tidak lagi dilalui arus petir (Gambar 4.12b). Setelah arus petir menjadi nol, mengalir arus susulan berfrekuensi daya' Pada frekuensi daya, impedansi kumparan sangat rendah, sehingga sebagian arus susulan mengalir melalui kumparan,



I'



Jaringan



Jaringan



Jr'=*



G,,



Jaringan



--[r



ll,,



J-+ Gu



---------> Gb



0,8



,,,?6,+



ft. +



*.



or)



7.36



Setelah tegangan lutut diketahui, maka faktor kejenuhan trafo arus yang dibutuhkan dapat dihitung, yaitu perbandingan tegangan lutut dengan tegangan nominal sekunder trafo arus. atau: TKlll



(q



Dalam hal



ini: Fr = 1r,, = S,, =



V,L 7.31



Faktor kejenuhan Arus nominal sekunder (A) Daya nominal trafo



Terlihat bahwa untuk daya nominal yang tetap, faktor kejenuhan dapat diperkecil dengan memperkecil arus nominal sekunder atau memperkecil tegangan lutut. Tegangan lutut dapat diperkecil dengan memperbesar ukuran kabel penghubung. Cara yurg dipitil, adalah cara yang memberi pengurangan biaya terbesar.



Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Relai Jarak Trafo arus yang digunakan untuk relai jarak harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:



1.



Ketika hubung singkat terjadi pada ujung terjauh zona proteksi pertama, relai mengukur impedansi hubung singkat dengan galat rasio trafo arus tidak lebih



daripada 3



-



54o.



Bab



7



139



Trafo Arus



Inti trafo arus tidak mengalami kejenuhan ketika belitan primer dialiri arus hubung singkat tertinggi. bahr.va waktu kerja relai tidak begitu terpengaruh oleh efek yang disebabkan adanya komponen dc pada arus transien, maka tegangan kejenuhan persamaan di bawah ini: harus memenuhi lutut trafo arus



Untuk meyakinkan



Ezr



)



0,8 1r,..r



?n"6,+



R* +



Il.)



7.38



Dalam hai ini, 1,,.-, adalah arus pada belitan primer jika hubung singkat terjadi pada ujung zona proteksi pertama; dan ft,. adalah konstanta untuk memperhitungkan keberadaan komponen dc pada arus hubung singkat tersebut. Pada sistem berfrekuensi 50 Hz, nilai konsantd k,, = 4 untuk LIR < 30 ms, dan k,, = 6 untuk LIR > 30 ms. Resistansi kabel penghubung R*, dihitung menurut Tabel 7.1. LIR adalah perbandingan induktansi dengan resistansi jaringan sistem, jika titik gangguan hubung singkat terjadi pada ujung zona proteksi pertama.



1 .11



FAKTOR PERTIMBANGAN DALAM PEMILIHAN TRAFO ARUS Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan suatu trafo arus adalah:



.



Standar Standar yang dapat digunakan sebagai acuan antara lain adalah IEC, IEEE atau standar nasional (SNI atau SPLN).



.



Arus Nominal Primer Adalah batas tertinggi arus kontinu pada belitan primer trafo arus. Arus nominal primer antara lain adalah: 10,15, 30, 50,15, 100, 150, 200, 300, 500, 750, 1000. 1500, 2000, 3000, 5000, 7500 dan 10.000 A. Arus nominal primer dipilih 10 40Vo leblh tinggi daripada perkiraan arus yang akan diukur.



.



Arus Nominal Sekunder Adalah batas tertinggi arus kontinu pada belitan sekunder trafo arus, biasanya: -i A, 2 A dan 1 A. Arus nominal 2 A dan 1 A digunakan: jika kabel penghubunr cukup panjang sehingga jumlah impedansi meter atau relai dengan impedansi kabel lebih besar daripada impedansi burden; dan jika jumlah belitan kumparan sekunder sedikit sehingga rasio tidak dapat diubah dengan mengubah jumlah belitan sekundernya.



. . .



Rasio Nominal Adalah perbandingan arus nominal primer dengan arus nominal sekunder. Frekuensi Nominal Frekuensi nominal sama dengan frekuensi sistem, 50 Hz atau 60 Hz.



Galat (Error) Ada tiga jenis galat trafo arus, yaitu galat rasio, galat sudut dan -salat Burden Burden ditentukan berdasarkan pertimbangan beban (meter atau relai ,. kabel penghubung trafo arus dengan beban.



k,r:::' '



:-



'



140



Peralatan Tegangan 1 rnggi



Arus Eksitasi Adalah nilai efektif arus sekunder bila belitan sekunder diberi tegangan sinusoidal frekuensi nominal, sedangkan terminal primer dibiarkan terbuka.



Arus termal kontinu Adalah arus kontinu tertinggi yang menimbulkan temperatur trafo arus sama dengan temperatur yang diizinkan. Jika nilai nominal arus termal kontinu tidak diberikan, nilainya dapat ditetapkan sama dengan arus nominal primer. Ada kalanya diberi faktor pengali untuk menyatakan kemampuannya memikul arus termal kontinu di atas nominalnya, misalnya 1,2 kali arus nominal. Ketelitian harus tetap (tidak boleh berubah) ketika arus kontinu di atas arus nominal.



Arus termal waktu singkat Adalah arus tertinggi yang dapat mengalir pada belitan primer selama satu sekon tanpa menimbulkan kerusakan pada komponen trafo ams, maupun menimbulkan perubahan karakteristik trafo arus. Nilainya ditentukan dengan menghitung arus hubung singkat terbesar yang melewati kumparan primer trafo arus. Nilai standar arus termal waktu singkat (rms) adalah: 6,3; 8; l0; 12,5; 16 20; 25 31,5: 40; 50;63;80; dan 100 kA. Arus dinamis waktu singkat Ditentukan dengan menghitung arus hubung singkat terbesar yang melewati kumparan primer trafo arus. Untuk frekuensi sistem 50 Hz, arus dinamis waktu singkat sama dengan 2,5 kali arus termal waktu singkat; sedangkan untuk frekuensi sistem 60 Hz, arus dinamis waktu singkat sama dengan 2,6kali arus termal waktu singkat.



Arus keamanan instrumen (Rated Instrument Security Cunent) Adalah arus primer efektif terendah (1,,) yang menimbulkan arus sekunder (1r,) dikalikan dengan rasio transformasi (ft,). Nilainya tidak melebihi 0,9 arus primer; dan burden pada saat itu sama dengan burden nominal trafo arus. Pernyataan ini dapat dituliskan sebagai:



k, Ir, 10,9



11"



7.39



Faktor keselamatan instrumen (Instrument Security Factor) Adalah perbandingan arus keamanan dengan arus nominal primer (1,,,) atau dapat dituliskan:



,F ,



_



-



I.r,t Ir,,



7.40



Ketelitian Ketelitian trafo arus bergantung kepada fungsinya. Ketelitian trafo arus untuk keperluaan pengukuran lebih tinggi daripada ketelitian trafo arus untuk keperluan proteksi.



Arus primer batas ketelitian (Rated Accuracy Limit Primary Current) Adalah arus primer tertinggi (11,,,) di mana ketelitian trafo arus belum melebihi batas ketelitiannya.



Jumlah kumparan primer dan sekunder Jumlah kumparan primer dan sekunder bergantung kepada banyak rasio yang dibutuhkan dan jenis beban yang akan dipasang pada terminal sekunder trafo arus. Umumnya trafo arus dilengkapi dengan dua kumparan sekunder, satu untuk alat ukur dan satu lagi untuk keperluan relai proteksi.



Bab



7



Trafo Arus



141



Faktor batas ketelitian (Accuracy Limit Factor) Adalah perbandingan arus primer batas ketelitian (11*) dengan arus nominal primer (1,,), atau dinyatakan sebagai berikut:



ALF =



I;:



1.41



Untuk meter den_ean inti yang terbuat dari besi, faktor batas ketelitian tidak perlu tinggi. Untuk keamanan alat ukur, lebih disukai memakai trafo arus yang intinya jenuh pada nilai arus sedikit di atas rentang arus kerja alat ukur. Untuk relai diferensial diperlukan dua set trafo arus. Tiap set harus mempunyai karakteristik yang sama. Faktor batas ketelitian untuk relai jarak, biasanya diambil 20, jarang di barvah 10. Faktor batas ketelitian berhubungan dengan burden. Jika burden hanya setengah daripada burden nominal, maka faktor batas ketelitian dapat menjadi dua



kali lipat. Tegangan lutut Tegangan lutut diperhitun-gkan bila trafo arus dipergunakan untuk relai proteksi.



Jenis trafo arus



Jika digunakan bersama pemutus da1'a minyak (bulk oil circuit breaker), maka trafo arus jenis bushing adalah lebih murah. Untuk jenis pemutus daya yang lain digunakan trafo arus jenis tong-sak (posr). Ada kalanya trafo arus jenis tonggak dengan belitan terpisah digunakan bersama dengan pemutus daya minyak. Hal ini dilakukan karena keterbatasan burden dan ketelitian trafo arus jenis bushing. Jika arus nominal sekunder dirancang 5 A, kabel ukur yang digunakan cukup panjang dan trafo arus yang akan digunakan adalah jenis bushing, maka harus diperiksa apakah burden total dapat dipikul oleh trafo tersebut.



Jumlah inti Jumlah inti bergantung kepada jenis beban (meter dan relai) yang akan dilayani trafo arus. Jika sistem proteksi terdiri dari proteksi primer dan proteksi cadangan. maka dibutuhkan trafo arus dengan inti terpisah.



Tingkat isolasi Tingkat isolasi trafo arus ditentukan menurut IEC 61869-1, seperti diperlihatkan pada Tabel 7.7.



Kondisi lingkungan instalasi trafo arus Ada tiga hal yang perlu dipertimbangkan, yaitu: bobot polusi dan temperatur ratarata sefia ketinggian lokasi instalasi trafo arus di atas permukaan laut.



1.12



PENGUJIAN TRAFO ARUS Seperti halnya trafo tegangan, trafo arus juga harus melalui pengujian. Adu ti"u j-... pengujian pada trafo arus, yaitu: (a) ujijenis, (b) uji rutin dan (c) uji tambahan. Prt.e;-: pengujian dilakukan sesuai dengan standar yang disepakati pembeli dengan prcr.lu-.':



Uji Jenis Uji jenis terdiri dari:



.



penandaan terminal dan polaritas



142



Peralatan Tegangan lrnggi



. . . . . . . . .



ketahanan tegangan tinggi ac frekuensi sistem pada kedua kumparan trafo arus tegangan lebih antar belitan pengukuran galat pengujian arus waktu singkat pengujian kenaikan temperatur pengujian tegangan tinggi impuls pengukuran ketelitian (khusus untuk trafo arus pengukuran) arus keamanan instrumen (khusus untuk trafo arus pengukuran)



pengukuran galat rasio, sudut dan komposit (khusus untuk trafo proteksi)



Uji Rutin Uji rutin meliputi:



. . . . .



penandaan terminal dan polaritas ketahanan tegangan tinggi ac frekuensi sistem pada kedua kumparan trafo arus tegangan lebih antar belitan



pengukuran galat rasio, sudut dan komposit (khusus untuk trafo proteksi) pengukuran ketelitian (khusus untuk trafo arus pengukuran)



Uji Tambahan Uji tambahan untuk trafo



' . . .



1,13



arus proteksi reaktansi rendah adalah: tegangan lutut arus eksitasi tahanan kumparan sekunder; dan perbandingan belitan primer dengan sekunder



INFORMASI DALAM PEMBELIAN TRAFO ARUS Informasi tentang keadaan sistem, iklim dan instalasi perlu dikemukakan dalam pengadaan suatu trafo arus. Sekurang-kurangnya mengenai hal-hal tersebut di bawah ini:



' ' . . . . . . . . .



tegangan dan jenis pengetanahan sistem tingkat isolasi frekuensi sistem rasio arus nominal dan jumlah rasio keluaran nominal untuk setiap inti faktor batas ketelitian arus



kelas ketelitian untuk setiap inti arus termal kontinu arus waktu singkat dan masa berlangsungnya kondisi cuaca, lingkungan dan ketinggian lokasi penempatan trafo arus; dan lokasi pemasangan (pasangan dalam atau pasangan luar)



Khusus untuk trafo arus kelas 5P perlu diinformasikan hal-hal tersebut di bawah ini: . arus nominal kumparan primer . rasio belitan nominal (N,/Nr)



' . .



tegangan lutut tahanan kumparan sekunder maksimal batas arus eksitasi



Bab 8



lsolator dan Bushing



ada instalasi tenaga



listrik dan peralatan listrik dijumpai konduktor-konduktor yang



berbeda potensialnya, sehingga dibutuhkan isolator untuk mengisolir konduktor dengan konduktor, maupun mengisolir konduktor dengan bagian peralatan yang terhubung secara listrik dengan tanah. Dalam bab ini, akan dijelaskan fungsi, konstruksi. jenis-jenis, sifat elektrik dan sifat mekanik isolator; pengaruh polutan terhadap unjuk kerja isolator; distribusi tegangan pada isolator dan usaha untuk meratakan distribusi tegangan tersebut; dan pengujian tegangan tinggi pada isolator.



8.1



FUNGSI ISOLATOR Pada transmisi hantaran udara, suatu konduktor dengan konduktor lain diisolir dengan udara, sedangkan konduktor dengan menara atau tiang pendukung diisolir dengan bahan isolasi padat yang disebut isolator. Jadi, isolator berfungsi sebagai pendukung konduktor dan sekaligus memisahkan konduktor bertegangan dengan bagian yang bertegan-gan ntrl. Selain pada transmisi, isolator juga drjumpai pada jaringan distribusi hantaran udara. gardu induk dan panel pembagi daya. Padajaringan distribusi hantaran udara digunakan sebagai penggantung atau penopang konduktor. Pada gardu induk digunakan seba-sai pendukung sakelar pemisah, pendukung konduktor penghubung dan pen-egantun-s rel daya. Pada panel pembagi daya, rel dengan rel dipisahkan oleh udara. sedangkan rel dengan kerangka pendukung dipisahkan oleh isolator. Pada Gambar 8.1 diperlihatkan isolator tegangan tinggi pada suatu transmisi hantaran udara dan sakelar pemisah. Bushing adalah isolator yang digunakan untuk mengisolir badan suatu peralatan dengan konduktor bertegangan tinggi yang menerobos badan peralatan tersebut. Bushing ditemukan pada transformator, kapasitor tegangan tinggi, pemutus dal a dan trafo ukur' Pada Gambar 8.2 diperlihatkan bushing pada trafo dan pemutus daya tegangan tinggi.



14



:.'.



a'.an Tegangan



T



rnggi



(a) Isolator transmisr



(b) Isolator sakelar pemisah



GAMBAR 8.1 lsolator pada transmisi dan sakelar pemisah



(a) Bushing trafo



(b) Bushing pemutus daya



GAMBAR 8.2 Bushing pada trafo dan pemutus daya



8.2



KONSTRUKSI ISOLATOR Pada Gambar 8.3, diperlihatkan contoh suatu isolator dan potongan penampangnya. Terlihat bahwa bagian utama suatu isolator terdiri dari bahan dielektrik, kap dan fitting. Di samping itu terdapat juga semen perekat antara dielektrik dengan kap dan antara



dielektrik dengan Iitting. Umumnya dielektrik isolator terbuat dari bahan porselen, gelas dan bahan komposit. Kap dan fitting terbuat dari besi tuang atau baja; dan untuk arus tinggi digunakan besi tuang non-magnetik atau logam putih agar tidak terjadi pemanasan yang berlebihan pada



jepitan akibat magnetisasi. Konstruksi kap dan fitting, dan cara merekatnya ke bahan dielektrik, akan menentukan kekuatan mekanis isolator. Bahan perekat yang umumnya digunakan adalah semen. Persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang isolator, antara lain adalah:



.



Setiap lubang pada bahan isolasi, harus memiliki sumbu yang sejajar dengan sumbu memanjang atau sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperatur penempaan isolator.



Bab



B



lsolator dan Bushing



145



Kap



GAMBAR 8.3 Penampang isolator piring



a a



a



Tidak memiliki lekukan yang runcing agar pada isolator tidak terjadi medan elektrik yang tinggi. Permukaan isolator harus licin dan bebas dari partikel-partikel runcing. Untuk menghindari terjadinya peluahan sebagian, maka isolator tidak boleh mengandung rongga udara. Tidak ada resiko meledak dan pecah.



Dimensi sirip dan jarak rambat diatur sedemikian sehingga isolator mudah dibersihkan. Pembersihan dimaksud adalah pembersihan secara alami oleh hujan atau pembersihan rutin. Kedua pembersihan tersebut adalah dalam rangka membuang bahan polutan yang menempel pada permukaan isolator. Jarak rambat isolator harus diperbesar, jika isolator dipasang pada kawasan yang dihuni banyak burung. Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.



8.3



PARAMETER ISOLATOR Parameter geometris suatu isolator adalah suatu besaran yang membedakan profll suatu



isolator dengan isolator lainnya. Parameter-parameter geometris suatu isolator dapat dijelaskan dengan bantuan Gambar 8.4. Parameter-parameter yang membedakan suatu isolator dengan isolator lainnl'a adalah sebagai berikut: pt



GAMBAR 8.4 Profil dan parameter suatu isolator



146



De'a aian Tegangan lrnggi



Jarak minimum antar sirip (shed) Jarak minimum antar sirip c perlu dipertimbangkan agar dua sirip berdekatan tidak dapat dijembatani air hujan. Berdasarkan pengalaman, nilai c minimal adalah 30 mm. Untuk isolator yang panjang totalnya lebih kecil atau sama dengan 550 mm atau isolator yang mempunyai rentangan sirip (shed overharg) p lebih kecil atau sama dengan 40 mm, maka nilai c hingga 20 mm masih dapat diterima.



Pertlandingan jarak antar sirip dengan rentangan sirip (s/p) Perbandingan ini menentukan sifat pencucian alami (self cleaning) isolator. Nilainya tidak kurang dari 0,8. Pengalaman menunjukkan bahwa untuk isolator jenis sirip mendatar (tanpa rusuk), nilai tersebut dapat direduksi menjadi 0,65. Perbandingan jarak rambat dengan jarak bebas ({d) Perbandingan ini dipertimbangkan untuk mencegah terjadinya hubung singkat lokal. Nilainya tidak lebih rendah daripada 5. Perbandingan diambil pada bagian isolator yang paling buruk, misalnya pada bagian bawah isolator jenis anti kabut.



Sirip Selang-seling (Alternating shed) Parameter ini dipertimbangkan jika ada dua ukuran diameter sirip yang letaknya berselang-seling. Pada isolator yang seperti ini, selisih diameternya (p, - p; ttdak boleh kurang daripada 15 mm supaya kedua sirip tidak terhubung oleh air hujan. Kemiringan sirip Kemiringan perlu dipertimbangkan karena hal ini menyangkut sifat pencucian sendiri isolator. Sudut permukaan atas isolator harus membentuk sudut lebih daripada 5' kecuali untuk sirip tanpa rusuk. Untuk isolator sirip tanpa rusuk, besar sudut itu dapat dikurangi menjadi 2'.



Faktor jarak rambat (creepage factor)



ini diperlukan jika isolator terdiri dari gabungan beberapa unit isolator, untuk menunjukkan karakteristik isolator secara keseluruhan. Parameter ini merupakan perbandingan antara total jarak rambat (/,) dengan jarak terpendek Parameter



antara bagian-bagian logam yang dikenakan tegangan normal pada isolator (s,). Nilainya dianjurkan tidak lebih daripada 3,5 di daerah yang bobot polusinya ringan dan sedang. dan tidak lebih daripada 4 untuk daerah yang bobot polusinya berat dan sangat berat.



Faktor profil (PF) Faktor profil adalah perbandingan jarak bocor yang disederhanakan (simplified leakage distance), i., dengan jarak rambat isolasi sebenarnya (ttctual insulating creepage distance), 1., yang diukur antara dua titik yang ditetapkan sebagai spasi (s). Nilai PF bergantung pada banyak ukuran sirip dan dapat dituliskan sebagai: Untuk isolator satu ukuran sirip:



,DD,



-



(2o + sl '



l,



8.1



Untuk isolator dengan sirip berselang-seling:



PF=



(2p,+2pr+s) 8.2



Dalam hubungannya dengan tingkat bobot polusi, nilai PI'dianjurkan sebagai berikut . PF lebih besar daripada 0,8 untuk tingkat polusi ringan dan sedang. . PF lebih besar daripada 0,7 untuk tingkat polusi berat dan sangat berat.



Bab



8.4



B



147



Isolator dan Bushing



JENIS ISOLATOR HANTARAN UDARA Dilihat dari lokasi pemasangan, isolator terdiri dari isolator pasangan dalam (indoor) dan isolator pasangan luar (outdoor). Isolator pasangan luar dibuat bersirip untuk mempetpanjang lintasan arus bocor dan mencegah terjadinya jembatan air yang terbentuk



jika isolator dibasahi air hujan. Dilihat dari fungsinya isolator terdiri dari isolator pendukung dan isolator gantung (suspensiorr). Isolator pendukung terbagi atas tiga jenis, yaitu: isolator pin, isolator post dan isolator pin-post yang diperlihatkan pada Gambar 8.5. Isolator jenis pin digunakan untuk jaringan distribusi hantaran udara tegangan menengah, dipasang pada palang tiang tanpa beban tekuk, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.6a. Isolator pin dapat juga digunakan untuk tiang yang mengalami beban tekuk, dalam hal ini isolator dipasang ganda pada palang ganda, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.6b. Jenis pin-post digunakan untuk jaringan distribusi hantaran udara tegangan menengah, dipasang pada tiang yang mengalami gaya tekuk.



7----\ 7------q



(a) Pin



(D) Post



(c) Pin-post



GAMBAR 8.5 Jenis-jenis isolator pendukung



traato



(a) Isolator Pin Pada Tiang tanpa Gaya



GAMBAR 8.6 Pemasangan isolator pin dan pin-post



(b) Isolator Pin pada Tiang Tarik



148



Peralatan Tegangan Tinggi



() n



;If:-\ :l 1v\ tlJ!..-}U _-k+*, , L_---l /#1 ,/ ,/ --P\ * ** "8" -- *' Sela Busur i fr-----



.,\



\



Il 11



/41



t



{l



jllt



._l -*"j-a r... -".--------,J



fs){1



l-------! F*""e-"""qa



ll -------"rr*-



1t



il ll



*"*:='"ru-,:,.4



@



(a)



Piring



(D) Isolator Batang



H



(c) Isolator Rantai



GAMBAR 8.7 Bentuk-bentuk isolator gantung



Isolatorjenis post digunakan untuk pasangan dalam, antara lain sebagai penyangga rel daya pada panel tegangan menengah. Isolator jenis post tidak bersirip seperti halnya jenis pin-post, karena isolator ini dirancang untuk pasangan dalam. Dilihat dari bentuknya, isolator gantung terdiri dari dua jenis, yaitu isolator piring (Gambar 8.la) dan isolator batang tonggak (Gambar 8.7b). Untuk transmisi tegangan tinggi, isolator piring dirangkai berbentuk rantai, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.1c. Tegangan lebih pada jaringan dapat menimbulkan peristiwa lewat denyar, yaitu terjadinya busur api yang merambat melalui permukaan isolator. Oleh karena itu, isolator rantai dilengkapi dengan tanduk busw (arcing horn) agar busur api akibat peristiwa lewat denyar tidak merambat melalui permukaan isolator.



Isolator piring digunakan juga untuk jaringan hantaran udara tegangan menengah. Pada jaringan tegangan menengah isolator piring digunakan pada tiang akhir dan tiang sambungan seperti diperlihatkan pada Gambar 8.8.



(a) Isolator Piring Pada Tiang Penyambung



GAMBAR 8.8 Rangkaian lengkap trafo tegangan kapasitil



(r) Isolator Piring Pada Tiang Akhir



Bab



8.5



B



lsolator dan Bushing



149



BAHAN DIELEKTRIK ISOLATOR Karakteristik elektrik dan mekanik suatu isolator bergantung pada konstruksi dan bahan yang digunakan. Telah dijelaskan sebelumnya bahwa salah satu bagian utama suatu isolator adalah bahan dielektrik. Bahan dielektrik isolator harus memiliki kekuatan dielektrik yang ting-ei dan tidak dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitarnya. Dewasa ini. ada tiga jenis bahan dielektrik yang digunakan untuk isolator, yaitu porselen, gelas. dan bahan komposit. Berikut ini akan dijelaskan tentang sifat-sifat umum dan pembuatan ketiga jenis bahan dielektrik tersebut.



Porselen Bahan dielektrik untuk isolator umumnya adalah porselen, karena kekuatan dielektriknya tinggi dan tidak dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitarnya. Pada Gambar 8.9 ditunjukkan isolator yang terbuat dari bahan porselen. Sampel uji porselen lang tebalnl'a 1.5 mm, dalam medan elektrik seragam, mempunyai kekuatan elektrik sebesar 22 - 28 kV,,,,,/mm. Jika tebal porselen bertambah maka kekuatan elektriknya berkurang. karena medan elektrik di dalam isolator semakin



tidak seragam. Bila tebal bertambah dari 10 mm hingga 30 mm, kekuatan elektrik berkurang dari 80 kV,.,,,./mm menjadi 55 kV,,,,./mm. Kekuatan dielektrik porselen pada tegangan impuls. 50 - 70% lebih tinggi daripada kekuatan dielektrik frekuensi daya. Kekuatan mekanik porselen bergantung kepada cara pembuatannya. Porselen sangat jika baik bekerja memikul beban tekan, tetapi sifat mekanisnya memburuk jika memikul beban tekuk dan semakin memburuk jika memikul beban tarik. Kekuatan mekanis porselen standar berdiameter 2 - 3 cm adalah 45.000 kg/cm2 untuk beban tekan; 700 kg/ cm2 untuk beban tekuk; dan 300 kg/cm2 untuk beban tarik. Kekuatan mekanik porselen suatu isolator bergantung pada: konstruksijepitan, cara menghubungkan porselen dengan jepitan, dan luas penampang porselen. Kekuatan mekanik porselen berkurang dengan penambahan luas penampang porselen dan pengurangan itu lebih besar pada kekuatan mekanik beban tarik dan beban tekuk.



Gelas Dewasa ini, gelas semakin banyak digunakan sebagai bahan dielektrik isolator. Pada Gambar 8.10 diperlihatkan isolator piring dan isolator pin yang terbuat dari gelas.



(rz) Isolator



GAMBAR 8.9 lsolator dari bahan porselen



Piring



(b) Isolator Pin



150



Peralatan Tegangan



T



rnggi



(a) Isolator pin bahan gelas



(D) Isolator Pidng bahan gelas



GAMBAR 8.10 lsolator gelas



Isolator gelas lebih murah daripada porselen, sedangkan karakteristik elektrik dan karakteristik mekanisnya tidak jauh berbeda dengan porselen. Karakteristik elektrik dan mekanik gelas bergantung pada komposisi kimiawi dari gelas, khususnya pada kandungan alkali yang terdapat dalam gelas. Adanya larutan alkali dalam komposisi gelas akan menambah sifat higroskopis permukaan isolator sehingga konduktivitas permukaan isolator semakin besar. Akibatnya, sifat elektrik isolator gelas alkali tinggi lebih buruk daripada gelas alkali rendah, juga lebih buruk daripada porselen. Kekuatan elektrik gelas alkali tinggi adalah 17,9 kY,,,,.lmm dan gelas alkali rendah adalah 48 kV,,,,/mm, yakni dua kali lebih tinggi daripada kekuatan elektrik porselen. Jika isolator gelas alkali tinggi memikul tegangan tinggi searah, arus bocor pada isolator tersebut dapat menimbulkan penguraian kimiawi pada gelas. Oleh karena itu, isolator gelas alkali tinggi tidak digunakan untuk instalasi tegangan searah. Pada tegangan bolak-balik, penguraian kimiawi karena arus bocor secara praktis tidak terjadi, sehingga penuaan isolator akibat arus bocor berlangsung lebih lambat. Dilihat dari proses pembuatannya, isolator gelas terdiri dari dua jenis, yaitu gelas yang dikuatkan (annealed g/rzss) dan gelas yang dikeraskan (hardened glass). Kekuatan mekanik sampel uji gelas yang dikuatkan lebih besar daripada porselen, karena regangan mekanik internal pada gelas mudah dihilangkan pada saat proses penguatan. Pada porselen, regangan internal secara praktis tetap ada. Hal ini akan mengurangi kekuatan mekanis porselen. Gelas alkali tinggi memiliki koefisien pemuaian yang tinggi, sehingga isolator gelas mudah pecah. Peristiwa ini sangat mungkin terjadi jika isolator gelas dioperasikan pada suatu lokasi yang temperaturnya berubah-ubah dengan tajam. Hal ini membuat gelas alkali tinggi dibatasi pemakaiannya hanya untuk instalasi pasangan dalam, tidak untuk instalasi yang mengalami perubahan temperatur yang tajam. Isolator untuk instalasi pasangan luar terbuat dari gelas alkali rendah yang dikuatkan. Gelas alkali tinggi digunakan hanya jika isolator akan dikeraskan. Pengerasan isolator gelas alkali tinggi bertujuan untuk memperoleh isolator yang memiliki kekuatan rnekanik yang tinggi. Pengerasan dilakukan dengan memanaskan isolator gelas alkali tinggi sampai mencapai temperatur 650 'C. Setelah itu, udara dingin ditiupkan ke dalam gelas. Selama peniupan udara berlangsung, gelas mengalami pendinginan, sehingga lapisan luar gelas menjadi keras, sedangkan bagian dalam gelas mengalami penyusutan. Proses ini bertujuan untuk membuat lapisan luar gelas memiliki kekuatan tarik dan bagian dalam gelas memiliki kekuatan tekan, sehingga jika suatu beban tarik dikenakan pada sebuah isolator gelas yang dikeraskan, maka kerusakan mulai terjadi jika gaya tarik pada lapisan luar melebihi kekuatan tarik gelas. Dengan demikian isolator gelas yang dikeraskan lebih baik daripada isolator gelas yang dikuatkan.



Bab



8



lsolator dan Busl-



ra.



-:



Isolator gelas alkali rendah yang dikeraskan dapat menahan beban dinan:.- -. - . baik, sehingga masih layak dipakai sekalipun pernah jatuh dari tempat tin-eg . . - ongkos pembuatannya tinggi, karena pemanasan harus berlangsung sampai ten'.:,--. gelas mencapai 780 'C. Isolator ini hanya digunakan jika dibutuhkan kekuatan n-.:. - ' yang tinggi dan stabil pada setiap perubahan temperatur.



Bahan Komposit Isolator porselen dan gelas memiliki karakteristik elektrik yang baik, tetapi menr.



.



kelemahan, yaitu: massanya berat; mudah pecah; dan kemampuannya menahan tegani.' berkurang karena polutan yang mudah menempel pada permukaannya. Untuk mengatr-. kelemahan tersebut dikembangkan jenis isolator komposit. Bahan komposit tertLr.



untuk isolator adalah kertas. Tetapi, akhir-akhir ini yang paling diminati dan teru. dikembangkan adalah karet silikon (silicon rubber). Isolator komposit kertas digunakan untuk isolator hantaran udara jenis post, marrtel peralatan uji tegangan tinggi dan bushing. Isolator komposit ini dibuat dari bahan kertas yang dikeringkan melalui pemanasan. Pada temperatur tinggi, kertas dilapisi dengan pernis, kemudian digulung membentuk tabung. Selanjutnya, tabung tersebut diarvetkan melalui proses pemanasan sehingga tabung menjadi kokoh, permukaannl'a berkilat, dan tidak menjadi lembut jika mengalami pemanasan ulang. Akhirnya permukaan isolator kertas dipernis lagi. Isolator kertas yang diproses seperti ini menghasilkan isolator yang kekuatan elektrik dan kekuatan mekanik yang cukup tinggi. Struktur suatu isolator komposit diperlihatkan pada Gambar 8.11. Bagian utama suatu isolator komposit adalah: inti berbentuk batang (rod) yang terbuat dari bahan komposit, sarung yang terbuat dari bahan komposit, fiting yang terbuat dari bahan logam dan bahan antar-muka (interface). Inti berfungsi memikul beban mekanis isolator; dan terbuat dari fber-reinfurced plastic (,ERP), yaitu komposit gelas dengan resin epoksi. Sarung merupakan komponen yang menentukan sifat elektrik isolator komposit. Ada beberapa bahan r ang dapat digunakan untuk sarung isolator, antara lain: ethylene propylene rubber (EPRt. erhtlene prop_,-lene diene methl-lene (EPDM, polytetroJluoro ethylene efFD dan karet silikon (silicone rtbber, SR). Bahan yang dapat digunakan untuk fltting, antara lain: baja tempaan, besi lunak (malleable c:ast iron'), aluminum, besi tuang grafit, dan lain-lain. Antar-muka berfungsi sebagai medium antara sarung dengan inti; dan seba-eai medium antara sarung dengan fitting. Antar-muka terbuat dari bahan polymer, resin hidrolisis atau metal stable silicon. Isolator komposit memiliki keunggulan dibandingkan dengan isolator porselen maupun isolator gelas, karena isolator komposit memiliki sifat sebagai berikut:



ffi Sarung



Fitting



%ffi



Inti berbentuk tabung (rod)



GAMBAR 8.11 lsolator komposit



Fitting



;ii.'



152



Peralatan Tegangan



l. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 8. 9.



T



rnggi



Ringan, karena rapat massanya lebih rendah daripada isolator porselen atau gelas. Pembuatannya lebih mudah. Tidak ada rongga udara, sehingga tidak terjadi peluahan sebagian di dalam bahan isolator komposit. Untuk memperoleh jarak rambat yang panjang, sarung dibuat berbentuk sederetan sirip tipis, sehingga bentuk isolator lebih sederhana. Tekanan karena angin terhadap isolator lebih rendah, karena sirip-siripnya tipis. Karena bentuknya yang sederhana dan bobotnya ringan, maka mudah membawa



dan memasangnya. Permukaan sarung memiliki sifat menolak air (hydrophobic), sehingga polutan yang terbawa air tidak menempel permukaan sarung. Karena polutan tidak menempel pada permukaan isolator, maka tegangan lewat denyarnya tidak menurun karena polusi. Dengan kata lain, isolator komposit cocok dipasang pada daerah yang bobot polusinya berat. Jika tingkat ketahanan tegangannya hendak dinaikkan, cukup mengganti sarungnya dengan sarung yang jarak rambatnya lebih panjang.



Kelemahan yang dimiliki isolator komposit antara lain adalah:



1. 2. 3. 4. 5.



Harga material dasar untuk pembuatan komposit mahal. Kekuatan mekanisnya lebih rendah. Kurang terpadu karena ditemukan beberapa antar-muka. Penuaan lebih cepat, karena timbulnya kerusakan pada permukaan isolator akibat: reaksi suatu unsur kimia pada permukaan isolator; karena radiasi sinar ultra violet; karena panas dan korona yang timbul pada fitting. Ketidakcocokan bahan antar muka yang digunakan dapat menimbulkan korosi atau keretakan.



Dari beberapa jenis sarung komposit yang sudah disebutkan terdahulu, sarung karet silikon lebih disukai, karena memiliki beberapa keunggulan sebagai berikut:



l. 2. 3. 4. 5. 6.



Sifat hydrophobicnya lebih baik daripada bahan komposit yang lainnya. Karena sifat hydrophobicnya yang baik, maka polutan tidak menempel pada permukaan isolator, sehingga isolator tidak membutuhkan pembersihan rutin. Karena polutan tidak menempel pada permukaan isolator, maka arus bocor yang melalui permukaan isolator karet silikon lebih rendah, sehingga tegangan lewat denyarnya lebih tinggi. Kekuatan mekanisnya lebih tinggi daripada bahan komposit lainnya. Sifatnya tidak berubah karena perubahan cuaca. Lebih tahan terhadap korona, radiasi ultraviolet dan panas.



Pada Tabel 8.1 diperlihatkan contoh spesifikasi suatu isolator komposit.



8.6



KARAKTERISTIK ELEKTRIK ISOLATOR Ditinjau dari segi kelistrikan, isolator dan udara membentuk suatu sistem isolasi yang berfungsi untuk mengisolir suatu konduktor bertegangan dengan kerangka penyangga yang dibumikan sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir dari konduktor tersebut ke tanah. Ada dua hal yang dapat menyebabkan sistem isolasi ini gagal melaksanakan fungsinya. y'aitu terjadinya tembus listrik pada udara di sekitar permukaan isolator



$



f r t:



153 TABEL 8.1



Spesifikasi Suatu lsolator Komposit Parameter Tegangan nominal



Satuan kV



Besaran



l:6



Panjang keseluruhan



mm



f -it,r-t



Paniang efektif (jarak busur)



mm



llut



Jumlah sirip Diameter sirip besar



mm



9l



Diameter sirip kecil



mm



l{}



Jarak antar sirip berdiameter sama



mm



51



Jarak rambat permukaan



mm



Bobot



kg



Tegangan lewat denyar frekuensi daya (kondisi basah) Tegangan lewat denyar impuls petir



Kekuatan lentur beban mekanis



KV



-l



l0()



r6 18_5



kVrun.uu



550



KN



l0



yang disebut peristiwa lewat-denyar (fiashover) dan tembus listrik pada isolator yang menyebabkan isolator pecah. Kegagalan suatu isolator dapat terjadi karena bahan dielektrik isolator tembus listrlk (breakdown) atas karena terjadinya lewat denyar udara pada permukaan isolator. Dalam kasus yang pertama, karakteristik listrik tidak dapat pulih seperti semula dan sebagian dari isolator mengalami kerusakan mekanis sehingga tidak dapat digunakan lagi dan harus diganti. Pada peristiwa lewat denyar, terjadr busur api yang menimbulkan pemanasan pada permukaan isolator dan menimbulkan hubung singkat fasa-ke-tanah. Jika relai proteksi bekerja, tegangan pada isolator menjadi nol, akibatnya busur api padam. Dengan demikian, isolator tidak sempat men-salami pemanasan yang lama sehingga terhindar dari kerusakan. Semua isolator dirancang sedemikian hingga tegangan tembusnya jauh lebth tinggi daripada tegangan lewat denyarnya. Dengan demikian, dasar pemilihan kekuatan dielektrik suatu isolator adalah tegangan lewat denyarnya. Kekuatan dielektrik sur::: isolator dan nilai tegangan tertinggi isoiator yang tidak menimbulkan leu'at denr ":. dapat diperkirakan dari tiga karakteristik dasar isolator, yaitu: tegangan leu'at den'..: bolak-balik pada keadaan kering; tegangan lewat denyar bolak-balik pada keuc:::-. basah; dan karakteristik tegangan-waktu impuls standar. Tegangan lewat denyar bolak-balik digunakan untuk memperkirakan kek-.:.:elektrik isolator jika memikul tegangan lebih internal, sedangkan karakteristik ii!;rl:rwaktu digunakan untuk memperkirakan kekuatan elektrik isolator jika memikul i.:..:'.j::



lebih impuls petir. Tegangan lewat denyar bolak-balik pada kondisi kering adalah karakter:.::. -:,:-." isolator yang dipasang pada ruangan tertutup. Tegangan lervat denyar ditent"i":. :,J. keadaan permukaan isolator kering dan bersih. Tegangan lewat denlar dinr:rs:: :.-: keadaan udara standar, yaitu ketika temperatur udara 20 'C dan tekanen ::,.:i -tsr' mmHg. Tegangan lewat denyar kering pada sembarang temperatur dan lei::.": *J-::. ditentukan dengan persamaan di bawah ini:



154



Peralatan Tegangan Tinggi



V=6V



8.3



Dalam hal ini, v adalah tegangan lewat denyar isolator pada sembarang keadaan udara; v adalah tegangan lewat denyar isolator pada keadaan standar; dan d adalah faktor koreksi udara. Jikar! adalah temperatur udara ("C) dan b adalah tekanan udara (mmHg), maka faktor koreksi udara adalah:



d*



0.386 273 + {t



'



8.4



Jika kelembaban udara makin tinggi, maka tegangan lewat denyar bolak-balik isolator makin tinggi. Jika V adalah tegangan lewat denyar isolator pada keadaan udara standar dan kelembaban 1l g/m3, maka tegangan lewat denyar isolator pada sembarang temperatur, tekanan dan kelembaban udara dapat ditentukan sebagai berikut:



v =0v' kut



8'5



Dalam hal ini, k,, adalah faktor koreksi yang bergantung kepada kelembaban udara. ko dengan kelembaban diperoleh secara empiris dan hasilnya adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 8.12. Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator sangat penting diketahui jika isolator itu akan dipasang di ruang terbuka. Tegangan ler,vat denyar bolak-balik basah suatu isolator merupakan gambaran kekuatan dielektrik isolator tersebut ketika basah karena air hujan. Sifat air hujan yang membasahi suatu isolator dicirikan atas tiga hal, yaitu intensitas, arah dan konduktivitas air yang membasahi isolator tersebut. Oleh karena itu, dalam pengujian tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator, air yang membasahi isolator perlu distandarisasi. Menurut IEC, persyaratan air yang membasahi isolator ketika pengujian adalah sebagai berikut:



Kurva yang menyatakan hubungan



. . .



Intensitas penyiraman 3 mm/menit Resistivitas air (p) = 10.000 ohm ' cm Arah penyiraman air membentuk sudut 45o dengan sumbu tegak isolator



Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator juga bergantung kepada kondisi udara, tetapi berdasarkan pengalaman, yang lebih berpengaruh adalah tekanan udara, sedangkan temperatur tidak begitu berpengaruh. Jika lewat denyar terjadi pada suatu isolator yang basah, maka peluahan melintasi air dan celah udara pada pada permukaan isolator. Oleh karena itu, kenaikan tegangan lewat denyar bolak-balik basah akibat kenaikan tekanan udara tidak sama pada setiap jenis konstruksi isolator. Jika celah udara yang dilalui peluahan lebih panjang, maka pengaruh tekanan udara terhadap tegangan lewat denyar basah semakin besar. Umumnya, setengah daripada lintasan



peluahan merupakan celah udara. Dengan anggapan ini, tegangan lervat denyar basah pada sembarang tekanan udara dapat ditentukan sebagai berikut;



v=0,5



f



b\ (r * 160 ) -l



8.6



Dalam hal ini, v adalah tegangan lewat denyar basah pada tekanan udara standar. Karakteristik tegangan-waktu ditentukan hanya pada keadaan kering dan permukaan bersih, karena penurunan kekuatan elektrik isolator akibat air dapat diabaikan, hanya sekitar 2 - 3ok. Karakteristik tegangan-waktu diperoleh melalui pengujian isolator dengan tegangan impuls standar baik polaritas positif maupun polaritas negatif. Menurut IEC,



Bab



B



1.22



Impuls Penuh



A



N



Jenis Peralatan



t.20



l,l8



\



\



B



\



\



r\



\\ \\\ \ \\ \



C 1,10



t,08 1,06 O



o



\



1,04



c



v



\



\



I,I2



+



+



C



1,5



1,5



40



40



.L 5



Sela Batang



B



C



D



F



Isolator Suspensi



B



C



D



F



Isolator Post



A



D



E



Isolator Peralatan



B



D



E



Bushing



B



C



D



\



is \



t,02



d



E



155



lsolator dan Bushing



1,00



0,98 0,96 0,94



nq,



\



\



\



N



\-



\N s \ s\ \



F E



\ \



0,90 0,88 B



0,86 A



0.84



810t2141618202224 Kelembaban Mutlak Udara (g/cm3)



GAMBAR 8,12 Faktor koreksi kelembaban udara



waktu muka dan waktu ekor tegangan impuls standar adalah 1,2 x 50 pr,s. Tegangan lewat denyar impuls pada sembarang temperatur dan tekanan udara dihitung dengan Persamaan 8.3. Perlu diperhatikan bahwa faktor koreksi kelembaban k,,pada Gambar 8.7 berlaku untuk tegangan impuls terpotong pada waktu lebih daripada l0 mikrosekon. Jika



tegangan impuls terpotong di bawah 10 mikrosekon, koreksi dapat dikurangi sebanding dengan waktu pemotongan tegangan impuls. Sebagai contoh, menurut Gambar 8.7. k,, = 1,06 jika tegangan impuls terpotong lebih daripada 10 mikrosekon. Dalam hal ini, penambahan faktor koreksi adalah sebesar 0,06. Seandainya tegangan impuls terpotong



155



Peralatan Tegangan Tinggi



8 mikrosekon, maka penambahan faktor koreksi adalah 0,06 x 8/10 = 0,048; dengan demikian faktor koreksi menjadi ft,, = 1,048. Pengujian impuls dilakukan dengan tegangan impuls standar penuh dan impuls terpotong 2 mikrosekon. Isolator harus mampu memikul tiga kali tegangan impuls standar penuh dan setelah itu harus mampu memikul tiga kali tegangan impuls standar terpotong.



8.7



KARAKTERISTIK MEKANIS ISOLATOR Karakteristik mekanis suatu isolator ditandai dengan kekuatan mekanisnya, yaitu beban mekanis terendah yang mengakibatkan isolator tersebut rusak. Kekuatan mekanis ditentukan dengan membebani isolator dengan beban yang bertambah secara bertahap hingga isolator rusak. Kekuatan mekanis suatu isolator dinyatakan dalam tiga jenis pembebanan, yaitu kekuatan mekanis tarik, kekuatan mekanis tekan dan kekuatan mekanis tekuk. Sebelum menetapkan kekuatan mekanis suatu isolator konstruksi tertentu, perlu diketahui lebih dahulu beban mekanis yang akan dipikulnya di lapangan. Jika isolator akan digunakan pada jaringan hantaran udara, maka isolator harus mampu memikul berat konduktor dan beban tarik. Berat konduktor bergantung kepada luas penampang konduktor, jenis bahannya, jarak gawang dan ada-tidaknya beban lain pada konduktor. Tegangan mekanis karena beban tarik bergantung pada luas penampang konduktor, jarak gawang, temperatur dan kecepatan angin. Bila jaringan hantaran udara menggunakan isolator jenis pin, maka semua beban di atas umumnya akan menimbulkan beban tekuk pada isolator. Bila jaringan hantaran udara menggunakan isolator gantung, maka semua beban di atas akan menimbulkan regangan. Isolator post biasanya digunakan untuk panel pembagi daya. Beban utama yang dipikulnya adalah berupa gaya tekuk akibat gaya mekanik antar konduktor, baik pada kondisi operasi nomal maupun ketika konduktor dialiri arus hubung singkat. Dalam pengujian kekuatan mekanis suatu isolator, kerusakan tidak selamanya terlihat, khusus pada pengujian isolator gantung, karena kerusakan dapat terjadi di dalam jepitan logam sehingga terlindung dari pandangan mata. Oleh karena itu, untuk isolator gantung, pengujian kekuatan mekanis dilakukan sambil memberi tegangan listrik pada isolator sebesar '70 - 807a tegangan lewat denyar bolak balik kering. Beban mekanis terendah yang menyebabkan isolator tembus listrik dinyatakan sebagai kekuatan mekanisnya. Tembus listrik ditandai dengan telputusnya hubungan listrik pada trafo uji yang digunakan untuk mencatu tegangan pada isolator. Karakteristik mekanis utama dari suatu isolator gantung adalah kekuatan mekanis satu jam, dan biasanya karakteristik ini dicantumkan pada permukaan setiap isolator gantung. Karakteristik ini ditentukan dengan membebani isolator secara bersamaan dengan beban mekanis sebesar 757c kekuatan mekanis dan beban elektrik sebesar 15 - 80Vo tegangan lervat denyar bolak-balik kering. Isolator harus mampu memikul beban tersebut selama satu jam tanpa menimbulkan kerusakan pada isolator. Dalam praktik, beban tertinggi yang dapat dipikul isoiator ditetapkan sebesar satu setengah kali kekuatan mekanis satu .jam.



Bab



8.8



B



lsolator dan



i



-



ISOLATOR TERPOLUSI Setelah melalui waktu yang lama, isolator-isolator pasangan luar akan dic: -polutan yang dibawa oleh udara. Berikut ini akan dijelaskan tentang pen-sarL: tersebut terhadap kinerja isolator; pengaruh bobot polutan pada suatu kana:rr:. ,- -. perancangan isolator pada kawasan tersebut; dan cara menentukan bobot polui.- : - suatu kawasan.



Pengaruh Polutan Terhadap Kinerja lsolator Polutan yang terkandung



di



udara dapat menempel pada permukaan isolator



;.



berangsur-angsur membentuk suatu lapisan tipis pada permukaan isolator. Unsur polui. yang paling berpengaruh terhadap unjuk kerja isolator adalah garam yang terbawa trle: angin laut. Lapisan garam ini bersifat konduktif terutama pada keadaan cuaca len'rbar,. berkabut atau ketika hujan gerimis. Jika cuaca seperti ini terjadi, maka akan mengalrr arus bocor dari kawat fasa jaringan ke tiang penyangga melalui lapisan konduktif 1 ang menempel di permukaan isolator.



Pada Gambar 8.13 diperlihatkan suatu isolator pendukung yang permukaann\a



dilapisi polutan konduktif dan rangkaian ekuivalennya. Lapisan polutan konduktii tersebut dapat dianggap sebagai suatu resistansi yang menghubungkan kedua jepitan Iogam isolator. Resistansi lapisan polutanjauh lebih rendah daripada resistansi dielektrik padat isolator. Jika jepitan (a) bertegangan dan jepitan (D) dibumikan, maka arus bocor (Qakanmengalirmelaluilapisankonduktif dari jepitan akeb, sedangkanarus)'ans melalui dielektrik padat isolator dapat diabaikan. Adanya arus bocor ini akan menimbulkan panas yang besarnya sebanding den-ean kuadrat arus bocor dikalikan dengan resistansi lapisan polutan dari a ke d. Panas i ang terjadi akan mengeringkan lapisan polutan dan pengeringan arval terjadi pada kau'asan permukaan isolator yang berdekatan dengan jepitan logam isolator, karena di kau,asan ini konsentrasi arus lebih tinggi. Pengeringan tersebut akan membuat resistansi lapisan polutan di kawasan jepitan isolator semakin besar. Misalkan lapisan polutan yan-e sudah kering adalah sepanjang a - b dan tahanannya adalah R,,0. Akibatnya, beda tegansan pada lapisan polutan yang kering (V,r) semakin besar dan menimbulkan kuat medan elektrik di antara titik a dan b semakin tinggi. Jika kuat medan elektrik ini melebihi kekuatan dielektrik udara di sekitar isolator, maka akan terjadi peluahan dari titik ,;



Logam



--..--->



V*= IoR*



Lapisan kering



A



Lapisan polutan



i



Lapisan



I



poluran



--> Lo-uam -------->



GAMBAR 8.13 lsolator terpolusi dan rangkaian ekuivalenny



frffLlK Brdtn Pcrpustlkcrn dan Kcrrsipatr propinsi !"T.?":19*



158



Peralatan Tegangan Tlnggi



ke titik b. Busur api akibat peluahan ini membuat lapisan polutan yang kering (.a - b) terhubung singkat, akibatnya arus bocor semakin besar. Arus bocor ini akan memanaskan lapisan polutan yang masih basah dan proses seperti di atas terulang lagi sehingga terjadi peluahan dari titik & ke titik c. Akibatnya panjang busur api akibat peluahan semakin bertambah, yaitu dari a ke c. Demikian seterusnya, secara berangsur-angsur busur api semakin panjang, dan ketika busur api telah menghubungkan kedua jepitan logam isolator (a - d), maka terjadilah peristiwa lewat-denyar pada isolator. Oleh karena itu, dalam perencanaan isolator suatu jaringan, perlu adanya informasi tentang tingkat bobot polusi di kawasan yang akan dilintasi jaringan tersebut. Informasi ini merupakan pedoman bagi perencana untuk menentukan parameter isolator yang layak digunakan pada kawasan tersebut. Sehubungan dengan hal ini, IEC telah menerbitkan standar IEC 815 sebagai pedoman dalam pemilihan isolator di kawasan terpolusi. Dengan standar ini, dapat dihitung jarak rambat isolator untuk suatu kawasan yang telah diketahui tingkat bobot polusinya.



Penentuan Jarak Rambat Isolator Jarak rambat nominal adalah jarak rambat total isolator atau lintasan terpendek menelusuri semua permukaan isolator yang menghubungkan bagian konduktif atas isolator dengan



bagian konduktif bawah isolator. Menurut standar IEC 815, jarak rambat nominal minimum suatu isolator, adalah sebagai berikut:



l,=JorxVxko Dalam hal ini:



8.7



l,



= Jarak rambat nominal minimum (mm) = Jarak rambat spesi{ik minimum (mm/kV) Tegangan fasa-ke-fasa tertinggi sistem (kV) kr= Faktor koreksi yang bergantung pada diameter isolator



/^,



V=



Jika isolator akan digunakan untuk mengisolir bagian yang bertegangan fasa-ke-fasa, maka jarak rambat harus dikalikan dengan /3. Jarak rambat spesifik suatu isolator bergantung pada tingkat bobot polusi di kawasan pemasangan isolator. Menurut standar IEC 815, tingkat bobot polusi isolator dibagi atas empat tingkatan. Besar jarak rambat spesifik isolator pada masing-masing tingkat bobot polusi diperlihatkan pada Tabel 8.2. Hasil pengujian laboratorium menunjukkan bahwa kinerja isolator menurun dengan betambahnya diameter rata-rata isolator. Oleh karena itu, perlu suatu faktor koreksi karena pertambahan diameter isolator. Faktor koreksi ini diperlukan untuk menaikkan jarak rambat isolator, sehingga kinerja isolator semakin baik. Faktor koreksi sehubungan dengan ukuran diameter isolator diperlihatkan pada Tabel 8.3. TABEL 8.2



Nilai Jarak Rambat Spesifik Untuk Berbagai Tingkat Bobot Polusi



Tingkat Bobot Polusi



,I", (mm/kV)



Ringan



l6



Sedang



20



Berat



25



Sansat Berat



31



Bab



B



lsolator dan Bushing



159



TABEL 8.3



Faktor Koreksi Diameter lsolator Menurut IEC 815 Diameter Rata-rata (mm)



Faktor Koreksi (ft,)



300 300 kV Tegangan



Ketahanan Tegangan lmpuls Standar



Maksimum



(kVpon""r)



Sistem



(k\-,)



145



Isolasi Penuh



Isolasi Direduksi



Isolasi Penuh



lsolasi Direduksi



650



550



275



230



450 900



39-5



362



420



525



825



360



750



325



300



5'70



t75



510



050



461



6'75



'740



550



680



425



630



300



570



800



790



675



'740



-550



680



425



765



185



460



1050



245



Ketahanan Tegangan Frekuensi Daya Fasa-Netral (kv"-r)



630



2400



1



2100



980



1950



920



800



870



I



100



220



Peralatan Tegangan Tinggi



Lampiran 4



Tingkat Bobot Polusi lsolator Berdasarkan Analisis Kualitatif dan Metode ESDD



No.



Tingkat Bobot



Ciri Lingkungan Berdasarkan Analisis Kualitatif



Polusi



I



Ringan



-



Karvasan tanpa industri dan pemukiman yang dilengkapi sarana pembakaran dengan kepadatan rumah rendah Kawasan dengan kepadatan industri rendah atau pemukiman, tetapi sering terkena angin dan/atau hujan Kawasan pertanian



ESDD (mg/cm2)



0,06



Kawasan pegunungan



Semua kawasan ini harus terletak paling sedikit 10 - 20 km dari laut dan bukan kawasan terbuka bagi hembusan angin langsung dari laut.



2.



Sedang



Kawasan industri, khususnya yang tidak menghasilkan asap polusi dan/atau pemukiman yang dilengkapi sarana



0,20



pembakaran dengan kepadatan rumah sedang. Kawasan dengan kepadatan rumah tinggi dan/atau kawasan industri kepadatan tinggi, tetapi sering terkena angin dan/ atau hujan.



Kawasan terbuka bagi angin laut tetapi tidak terlalu dekat dengan pantai (paling sedikit berjarak beberapa kilometer dari pantai). Kawasan dengan kepadatan industri tinggi dan pinggiran J.



Berat



4.



Sangat Berat



kota besar dengan kepadatan sarana pembakaran yang tinggi dan menghasilkan polusi. Karvasan dekat laut atau kawasan yang senantiasa terbuka bagi hembusan angin laut yang relatif kencang. Kawasan yang umumnya cukup luas, terkena debu konduktif dan asap industri yang khususnya menghasilkan endapan konduktif tebal.



Kawasan yang umumnya cukup luas sangat dekat dengan pantai dan terbuka bagi semburan air laut atau hembusan angin laut yang sangat kencang dan mengandung polutan. Kawasan padang pasir yang ditandai dengan tidak adanya hujan untuk jangka waktu lama, terbuka bagi angin kencang yang membawa pasir dan garam, serta terkena kondensasi yang tetap.



0,60



>0,60



Lampiran



221



Lampiran 5



Spesifikasi Minyak lsolasi dalam Kondisi Baru



Sifat



No. I



Kejernihan



2



Massa jenis



4



(20'C)



Satuan



g/cm3



Viskositas 20'C



cSt