KARATERISTIK PENGUJIAN MINYAK NABATI SEBAGAI ALTERNATIF ISOLASI PENGGANTI MINYAK TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 20 kv

Transkripsi

1 KARATERISTIK PENGUJIAN MINYAK NABATI SEBAGAI ALTERNATIF ISOLASI PENGGANTI MINYAK TRANSFORMATOR DISTRIBUSI 20 kv Muhammad Suyanto 1 1 Jurusan Teknik Elektro, FTI Institut Sains & Teknologi AKPRIND musyant@gmail.com ABSTRACT Isolation is one of the systems that must be observed in the electric power system. Isolation is the nature of the material that can separate two or more parts between the part that have a voltage or not so doesn t occur of a current leak or flashover. Insulating materials differentiated into three kinds : liquid, gas and solid insulating. Oil insulating that widely used as an insulating liquid material where from petroleum. In this research used the vegetable oils particularly palm oil, corn oil, sunflower oil, as an insulating liquid material in the distribution transformer 20 kv so got a characteristics comparison of liquid insulating, it can be used as an alternatives replacements on distribution transformer 20 kv beside that it s easly to get and renewable energy. The Characteristics of liquid insulating research with a set of AC voltage generator, tube tester, barometer, hygrometer and thermometer. This test intended to get the value of dielectric strength of the material which is the value of voltage where the breakdown occurs between two electrodes with a certain distance. Basically the dielectric strength material the bigger with a rise in temperature. Keywords : dielectric strength, breakdown voltage, liquid insulating. PENDAHULUAN Pada abad pembangunan seperti ini kebutuhan masyarakat terhadap tenaga listrik akan semakin meningkat. Hal ini disebabkan banyaknya industri yang berdiri di sana sini. Energi listrik merupakan kebutuhan yang sangat vital dalam kehidupan masyarakat maupun dalam pengembangan ekonomi (industri). Hampir dalam setiap bidang kehidupan manusia, energi listrik menjadi salah satu sumber energi yang sangat penting. Oleh karena itu pelayanan akan sumber tenaga listrik yang handal dan kontinyu menjadi aspek yang mengambil perhatian yang cukup besar dalam rangka penyediaannya. Sistem penyediaan listrik yang meliputi pembangkitan, transmisi, distribusi diharapkan memiliki tingkat gangguan yang sangat kecil. Salah satu sistem yang harus diperhatikan pada tenaga listrik adalah sistem isolasi. Isolasi merupakan sifat dari bahan yang dapat memisahkan dua bagian atau lebih, baik antara bagian bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan sehingga tidak terjadi kebocoran arus atau lompatan api (flashover). Isolator merupakan alat listrik yang memiliki sifat isolasi. Tujuan utama dari isolasi sendiri adalah untuk mendapatkan pengamanan, mengingat dalam suatu aliran sistem tenaga listrik terdapat suatu perbedaan atau gradien tegangan antara peralatan yang memungkinkan terjadinya lompatan arus. Jika dilihat dari bahan isolasi yang dipakai, bahan isolasi dapat dibagi menjadi tiga golongan yaitu isolasi padat, isolasi cair dan isolasi gas. Masing-masing bahan isolasi tersebut memiliki karakteristik sifat bahan dan karakteristik sifat elektrik tersendiri. Bahkan untuk suatu bahan isolasi padat sendiri memiliki tingkat kekuatan dielektrik yang berbeda-beda, apalagi untuk jenis bahan yang berbeda. Pada pengujian kali ini penulis mengambil judul Karateristik Pengujian Minyak Nabati Sebagai Alternatif Isolasi Pengganti Minyak Transformator Distribusi 20 Kv karena peneliti ingin mengetahui apakah perbandingan karakteristik pada bahan isolasi mempunyai karakteristik listrik yang sejenis atau berbeda-beda. Kenaikan suhu atau penurunan tekanan akan berakibat melemahkan ikatan molekul fluida serta menurunkan viskositasnya. Viskositas dari semua jenis cairan akan menurun dengan naiknya suhu. Perubahan viskositas dikarenakan kenaikan suhu merupakan hal yang sangat penting yang harus dipertimbangkan di dalam berbagai jenis penerapan minyak pelumas dalam tugasnya menghadapi jangkauan suhu yang luas. C-51

2 Secara umum yang diharapkan dari suatu minyak pelumas adalah perubahan yang sekecil mungkin yang terjadi pada viskositasnya di dalam menghadapi pengaruh jangkauan suhu yang besar (Anton L. Wartawan, 1983). Kegagalan isolasi (insulation breakdown, insulation failure) disebabkan karena beberapa hal antara lain isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya kekuatan dielektrik dan karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tegangan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar tidak gagal. Dalam struktur molekul material isolasi, elektron-elektron terkait erat pada molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang disebabkan oleh tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka sifat isolasi pada tempat itu hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan teganagan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu molekul satu ke molekul lain sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik isolator akan berubah bila material tersebut kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan gagal (Artono Aris Munandar,1983). Bahan isolasi digunakan untuk memisahkan bagian bertegangan atau bagian-bagian yang aktif. Untuk itu sifat kelistrikannya memegang peran yang sangat penting, namun demikian sifat mekanis, sifat termal, ketahanan terhadap bahan kimia serta sifat lainnya perlu di perhatikan(muhaimin, 1999). Pengujian isolasi cair dengan bahan tertentu adalah untuk mengetahui kinerja isolasi, supaya kegagalan dalam operasi sistem pada transformator daya dapat dihindari tingkat kegagalan sebelumnya. Oleh karena itu pemilihan isolasi cair harus benar benar telah teruji sebelumnya(ardiansyah, Suyanto, M, 2013). Daerah tropis seperti Indonesia memiliki faktor iklim yang lebih tinggi bila dibanding dengan daerah subtropis, yaitu ditandai dengan lamanya penyinaran matahari sekitar 12 jam pada siang hari, dengan temperatur udara sekitar 16 0 C 35 0 C, kelembaban nisbi mendekati 100% pada dini hari sampai pagi hari dengan curah hujan tahunan antara 40 mm 50 mm [Manual Book of ASTM standards, 2001].Tegangan lompatan api dari isolator sangat dipengaruhi oleh bentuk elektroda dan benda yang ada disekelilingnya. Oleh sebab itu pada waktu pengujian elektroda dan benda yang mengelilinginya harus diatur sedemikian rupa sehingga keadaan yang sebenarnya diturunkan(suyanto M, Tumiran, Berahim H, 1999). Isolasi cair memiliki dua fungsi yaitu sebagai pemisah antara bagian yang bertegangan dan juga sebagai pendingin sehingga banyak digunakan pada peralatan seperti transformator, pemutus tenaga, switchgear. Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan, antara lain adalah isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, namun kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi (Lab UGM Tegangan Tinggi, 1997). Kekuatan dielektrik merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk bisa tahan terhadap tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan. Kekuatan dielektrik ini tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri. Namun demikian dalam prakteknya kekuatan dielektrik tergantung pada material dari elektroda, suhu, jenis tegangan yang diberikan, gas yang terdapat dalam cairan dan sebagainya yang dapat mengubah sifat molekul cairan. Dalam isolasi cairan kekuatan dielektrik setara dengan tegangan kegagalan yang terjadi(tumiran, 1987). Tujuan Penelitian tersebut melihat sejauh mana bahan bahan minyak nabati dapat digunakan untuk minyak trafo distribusi 20 kv, sehingga dapat mengetahui kekuatan dielektriknya merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk bisa tahan terhadap tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan. Ini berhubungan dengan kemampuan minyak nabati dalam menahan tegangan yang secara perlahan dinaikkan seiring dengan kenaikan suhu operasi dari trafo dan bagaimana pengaruh minyak nabati terhadap tegangan tembus. Pada penelitian ini, permasalahan yang akan dibahas yaitu tentang perbandiangan karateristik isolasi cair pada transformator distribusi 20 kv menggunakan minyak nabati utamanya minyak kelapa sawit, minyak jagung, minyak bunga matahari, sebagai bahan isolasi cair dalam transformator yang akan diuji sifat-sifat kelistrikan dan fisikanya. Karakteristik tegangan gagal (sifat kelistrikan) dari minyak tersebut akan diuji terhadap pengaruh suhu, kandungan air dan viskositasnya. C-52

3 METODE Jenis minyak yang digunakan pada penelitian ini adalah jenis minyak nabati utamanya Minyak Bunga Matahari - Minyak Kelapa Sawit - Minyak Jagung. Pelaksanaan Pengujian, Kekuatan dielektrik (dielectric strength) dari suatu minyak isolator merupakan nilai tegangan dimana terjadi breakdown diantara dua elektroda, dengan jarak tertentu (2,5 mm) dan diletakan dalam sel tes (test cell). Peralatan uji breakdown seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Skema Alat Uji Flash dan Fire Point Prosedur pelaksanaan pengujian kekuatan dielektrik minyak adalah sebagai berikut : Pertama, Sel tes dibersihkan dahulu dengan menggunakan minyak uji untuk menghilangkan kotoran yang terdapat pada sel. Minyak uji kemudian dituang secara perlahan ke dalam sel tes, sampai volume minyak kira-kira mencapai 20 mm di atas ujung elektroda. Usahakan agar tidak terjadi gelembung saat penuangan minyak. Kedua, setelah bahan uji (minyak) terbebas dari gelembung udara yang ada, tegangan 50 kv mulai diterapkan mulai dari 0 dengan kecepatan sekitar 3 kv/s sampai dengan terjadinya tegangan tembus (breakdown). Apabila telah terjadi breakdown atau lompatan bunga api diantara elektroda, kemudian rangkaian dibuka secara normal. Tes dilakukan sebanyak 6 kali untuk jenis minyak dan suhu yang sama. Ketiga, setiap selesai pengujian atau setelah terjadi breakdown, elektroda dalam minyak dibersihkan dengan menggunakan kain yang bersih dan kering untuk menghilangkan karbon yang dihasilkan oleh busur api dan dibiarkan selama menit supaya gelembung udara dalam minyak lepas sebelum tes breakdown yang berikutnya. Keempat, tegangan breakdown adalah tegangan yang dicapai saat terjadi lompatan api (flashover) diantara dua elektroda. Dari 5 kali pengetesan yang dilakukan, dari tegangan tembus kemudian dibagi dengan lebar sela elektroda untuk mengetahui kekuatan dielektriknya(lab Tegangan Tinggi UGM,1998) Sebagaimna diperlihatkan pada Gambar 2. C-53

4 Gambar 2. Sel Uji Tegangan Tembus Alat-alat yang digunakan dalam pengujian tegangan tembus : 1. Satu set pembangkit tegangan AC, dengan spesifikasi berikut: a. Transformator penaik tegangan, Tegangan primer : 100/220 Volt Tegangan sekunder : 50 kv, Kapasitas : 5 kva, Berat : 125 kg b. Regulator, yaitu peralatan untuk mengatur besarnya tegangan keluaran transformator c. Voltmeter, yaitu alat untuk mengukur berasnya pada sisi skunder dan primer. d. Resistor, digunakan untuk melindungi transformator dari arus yang besar saat terjadi tegangan tembus, hambatan pada resistor ini bernilai 50 Kohm. Peralatan diatas dibuat oleh Tokyo transformator, Co-LTD Jepang. 2. Tabung penguji, untuk menguji bahan terhadap kemampuan menahan tegangan baik AC maupun implus. Pada tabung terdapat dua elektroda diameter 12,5 mm, bahan terbuat dari fiber glass. 3. Barometer dan hygrometer untuk mengukur tegangan dan kelembaban udara. 4. Thermometer suhu. 5. Bahan yang akan diuji ( Minyak bunga matahari, Minyak kelapa sawit, Minyak jagung). PEMBAHASAN Susunan peralatan pengujian yang digunakan pada pengetesan tegangan tembus seperti terlihat pada Gambar 2. Sel Uji Tegangan Tembus, sumber tegangan dari PLN di naikkan melalui stravol pada sisi primer dan pada sisi skundaer pada transformator step-up. Untuk melindungi tansformator dari arus yang cukup besar, digunakan resistor dan kemudian dihubungkan pada minyak yang akan diuji. Pengujian tegangan tembus bahan dilakukan dengan variasi suhu. Sehingga pada percobaan ini suhu bahan yang diuji berbeda-beda, yaitu dari suhu kamar 30 0 C hingga suhu 80 0 C dengan tiap kenaikan suhu pengujian rata-rata 20 0 C. Proses pemanasan dilakukan diluar tabung pengujian dengan menggunakan alat pemanas (heater). Suhu bahan selalu dipantau dengan menggunakan alat thermometer, sehingga apabila saat pengetesan suhu bahan turun maka dilakukan proses pemanasan kembali. Tetapi apabila suhu bahan terlalu tinggi, maka bahan ditunggu beberapa saat hingga suhunya sama dengan yang diharapkan. Setelah diperoleh 6 buah data hasil pengetesan, maka digunakan minyak baru untuk level suhu yang berbeda. Proses pengujian satu jenis minyak dilakukan dengan suhu minyak maksimal adalah 80 0 C. Percobaan dilakukan dengan suhu bahan uji yang berbeda-beda dimana bahan dites untuk setiap kenaikan temperatur rata-rata 20 0 C dimulai dari temperatur bahan pada suhu ruang pada setiap level temperatur tertentu, dilakukan pengujian tegangan tembus sebanyak 3-5 kali yang merupakan batas minimal diterimanya data percobaan (ASTM D-877). Setiap kali pengujian bahan didiamkan terlebih dahulu selama sekitar 5-10 menit untuk menghilangkan gelembung pada bahan. Dari data hasil C-54

5 pegujian dapat diketahui berapa besar kekuatan dielektrik dari masing-masing minyak pelumas tersebut. Untuk mengetahui besar kekuatan dielektrik digunakan persamaan 1. Jarak sela Breakdown antara dua Voltage elektroda ( 2,5mm)...( 1) Dengan menggunakan persamaan 1, dicontohkan untuk perhitungan pada bahan dari Minyak Bunga Matahari sebagaimana diperlihatkan pada Tabel 1. Suhu 30 o C, Tegangan tembus = 16,4 kv, Kekuatan dielektrik = 16,4 = 6,56 kv / mm 2,5 Suhu 50 o C, Tegangan tembus = 23 kv, Kekuatan dielektrik = 23 = 9,2 kv / mm 2,5 Suhu 70 o C, Tegangan tembus = 33,2 kv, Kekuatan dielektrik = 33,2 = 13,28kV / mm 2,5 Suhu 80 o C, Tegangan tembus = 38,2 kv, Kekuatan dielektrik = 38,2 = 15,28kV / mm 2,5 Tabel 1. Hasil pengujian rata-rata tegangan tembus (kv) dan kekuatan dielektrik (kv/mm) Isolasi minyak bunga Matahari, Kelapa Sawit dan Minyak Jagung Bahan Suhu 30 0 C Suhu 50 0 C Suhu 70 0 C Suhu 80 0 C Uji kv kv/mm kv kv/mm kv kv/mm kv kv/mm Matahari 16,6 6, ,2 33,2 13,28 38,2 15,28 Sawit 21,6 12,8 27 8,64 28,2 11,28 30,2 14,12 Jagung 16,6 6, ,04 34,6 13,84 40,8 17,1 Gambar 3. Grafik Pengujian Tegangan Tembus (kv) Kekuatan Dielektrik berkaitan dengan sifat elektris dan sifat kimia suatu bahan isolasi, ada beberapa persiapan yang harus dipenuhi agar suatu bahan dapat dikategorikan atau diterima sebagai bahan isolasi. Diantara sifat-sifat yang ada kekuatan tegangan tembus suatu bahan isolasi menjadi sifat yang pertama kali harus diperhatikan. Tegangan tembus merupakan sebuah ukuran kekuatan bahan isolasi dalam menahan suatu beda tegangan. Semakin tinggi tegangan tembus yang dimiliki suatu bahan isolasi, semakin baik bahan isolasi tersebut untuk digunakan. Nilai dari tegangan tembus suatu bahan isolasi, menentukan nilai dari kekuatan dielektrik suatu bahan isolasi. Semakin besarnya tegangan yang mampu ditahan oleh suatu bahan semakin besar kekuatan dielektrik bahan tersebut. Oleh karena itu penelitian pada sifat dielektrik dari bahan isolasi cair sangat dititik beratkan dalam penentuan nilai tegangan tembus (breakdown voltage) bahan uji yang digunakan dalam hal ini yaitu antara lain minyak (Minyak Bunga matahari, Minyak Sawit, Minyak Jagung, sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3 dan 4. Berdasarkan standar yang dikeluarkan oleh ASTM yakni dalam standar D-877 disebutkan bahwa suatu bahan isolasi harus memiliki tegangan tembus sebesar kurang dari 30 kv untuk besar sela elektroda 1 mm, dengan kata lain kekuatan dielektrik bahan isolasi kurang lebih 30 kv/ mm. Sedangkan menurut C-55

6 standar ASTM D-1816 suatu bahan isolasi harus mampu menahan tegangan sebesar 28 kv untuk satu lebar sela elektroda sebesar 1,02 mm. Standar ini merupakan standar yang diterima secara internasional dan harus dipenuhi oleh bahan yang dikategorikan sebagai suatu bahan isolasi. Gambar 4. Grafik Pengujian Tegangan Tembus (kv/mm) KESIMPULAN Setelah melakukan pengujian dan studi pustaka dari beberapa referensi yang ada maka penulis mempunyai kesimpulan mengenai minyak isolasi serta sifat dielektrik bahan isolasi cair adalah : 1. Hasil pengujian, memperlihatkan bahwa tegangan tembus tiap-tiap bahan yang diuji mempunyai kecenderungan mengalami kenaikan seiring dengan naikanya temperature lihat Tabel Dari hasil pengujian tegangan tembus rata rata yang paling tinggi adalah minyak jagung mencapai 17.1 kv/mm pada suhu 80 0 C sedangkan tegangan tembus rata rata yang terendah adalah Minyak sawit sebesar 14,12 kv/mm. 3. Hasil pengujian pada suhu kamar (50 0 C) tegangan tembus rata ratatertinggi adalah minyak bunga matahari yaitu 9,2 kv/mm dan yang terendah pada suhu sama Minyak jagung mencapai 8,04 kv/mm. Jika dilihat dari Gambar grafik, baik grafik pengaruh suhu terhadap tegangan tembus, grafik suhu terhadap kekuatan dielektrik, dari ketiga jenis minyak nabati (Bunga matahari, Jagung dan Sawit) dapat disimpulkan bahwa yang mempunyai tegangan tembus yang paling tinggi adalah minyak jagung mencapai 40,8 kv pada suhu 80 0 C sedangkan minyak Sawit 30,2 kv. 4. Berdasarkan pengalaman penulis selama melakukan pengujian dari minyak isolasi yang diuji dengan karakteristik yang berbeda-beda, maka penulis berpendapat bahwa perlu diadakan suatu kajian yang lebih khusus mengingat pengujian minyak nabati hanya dilakukan dalam jangka waktu relative singkat sehingga belum diketahui degradasi dari minyak dipakai dalam jangka waktu lama. DAFTAR PUSTAKA Anton L. Wartawan, 1983, Minyak Pengetahuan Dasar dan Cara Penggunaan, Gramedia, Jakarta. Ardiansyah, Suyanto, M, 2013, Perbandingan Karakteristik Isolator Cair Pada transformator distribusi 20 kv, IST-AKPRIND Yogyakarta Artono Aris Munandar,1983, Teknik Tegangan Tinggi, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Suyanto, M, Tumiran, Berahim H, 1999, Arus Bocor kritis Flashover Pada Isolator Terkontaminasi, Jurusan Teknik Elektro Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. Muhaimin.,1999, Bahan-Bahan Listrik Untuk Politeknik, Pradnya Paramita, Jakarta Manual Book of ASTM standards, 2001, section Five Panduan pengujian tegangan tinggi, Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta. Tumiran, 1987, Laporan penelitian pengaruh kontaminasi dan suhu terhadap watak kegagalan tegangan pada bahan isolasi cair, Jurusan Tenik elektro Universitas Gadjah mada Yogyakarta. C-56