ANALISIS PENGARUH KENAIKAN TEMPERATUR TERHADAP TEGANGAN TEMBUS DAN NILAI HARAPAN HIDUP ISOLASIPADAT DAN CAIR TRANSFORMATOR

Transkripsi

1 ANALISIS PENGARUH KENAIKAN TEMPERATUR TERHADAP TEGANGAN TEMBUS DAN NILAI HARAPAN HIDUP ISOLASIPADAT DAN CAIR TRANSFORMATOR Ahmad Yanuar Hidayat, Iwa Garniwa M.K Teknik Elektro,Fakultas Teknik Universitas Indonesia Skripsi ini membahas tentang pengaruh suhu terhadap degradasi isolasi dan perkiraan nilai harapan hidup isolasi padat dan cair transformator. Hasil pengujian menunjukkan bahwa temperatur berbanding terbalik dengan tegangan tembus dan temperatur akan memperkecil nilai harapan hidup isolasi.tegangan tembus isolasi paling rendah secara berurutan dari variasi jarak 0 cm hingga 1,5 cm terdapat pada temperatur C yakni sebesar 13,87 kv, 21,07 kv, 32,52 kv, dan 39,78 kv. Sementara paling tinggi saat temperatur minyak 95 0 C sebesar 15,47 kv, 23,38 kv, 35,42 kv, dan 41,12 kv. Nilai harapan hidup transformator pada suhu 95 0 C, C, C, dan C masing masing adalah 99,9973 %, 99,9892 %, 99,9518 %, dan 99,7707%. Kata kunci : Temperatur, Degradasi Isolasi, Tegangan Tembus, Nilai Harapan Hidup Isolasi The following thesis is discussing the effect of temperature to insulation degradation and life expectancy of transformer s liquid and solid insulation. The test result shows that the temperature will be inversely equivalent to breakdown voltage and will reduce the life expectancy of transformer s insulation. The lowest breakdown voltage occurs at temperature of C which values from 0 cm to 1,5 cm respectively are 13,87kV, 21,07kV, 32,52kV, dan 39,78kV. Whilethe highest occurs at 95 0 C which values from 0 cm to 1,5 cm respectively are 15,47kV, 23,38kV, 35,42kV, and 41,12kV. Life expectancy values of transformer s insulation at temperature of 95 0 C, C, C, and C respectively are99,9973%, 99,9892%, 99,9518%, dan 99,7707% Keyword: temperature, insulation degradation, breakdown volatage, transformer s insulation life expectancy 1. Pendahuluan 1.1. Latar Belakang Dalam sistem transmisi maupun distribusi, terdapat berbagai alat yang sangat penting dalam penyaluran tenaga listrik. Salah satu alat tersebut adalah transformator Sebagai selayaknya sebuah alat listrik yang bekerja hampir dua puluh empat jam terus menerus, transformator akan mempunyai suatu batasan nilai usia efektif. Usia transformator yang diharapkan adalah sekitar tahun dengan penggunaan sesuai kondisi kondisi tertentu diantaranya adalah suhu lingkungan maupun pembebanan pada transformator sendiri yang dimana kondisi kondisi tersebut akan berpengaruh terhadap usia transformator sendiri. Pada

2 praktik yang terdapat dilapangan, operasi yang dilakukan pada transformator sering tidak memenuhi kondisi kondisi yang sudah disebutkan. Akibatnya adalah usia pakai dari transformator sendiri akan mengalami penurunan yang berakibat transformator menjadi tidak layak untuk dipakai. Hal ini secara teori tentu akan berpengaruh pada banyak hal diantaranya adalah kualitas daya yang disuplai pada pelanggan, resiko kegagalan transformator sendiri, hingga adanya resiko kerugian materi yang dialami oleh negara akibat meningkatnya rugi rugi pada transformator. Dengan penulisan ini, penulis berharap bahwa suatu saat nantinya penulisan ini dapat membantu dalam pengkajian usia isolasi transformator dan keterkaitan dengan keputusan keputusan tentang penggantian transformator sendiri secara efektif dan efisien Tujuan Penelitian Harapan penulis dalam skripsi ini adalah: 1. Mensimulasikan kegagalan isolasi pada transformator 2. Mengetahui hubungan antara kenaikan suhu dengan tegangan tembus isolasi 3. Mengetahui hubungan antara kenaikan suhu dengan nilai harapan hidup isolasi 2. Dasar Teori 2.1. Definisi Transformator Transformator merupakan suatu divais yang berguna mengubah level tegangan AC dari suatu nilai ke nilai yang lain berdasarkan prinsip elektromagnetik pada frekuensi tetap. Dalam praktiknya transformator merupakan divais yang sangat penting mengingat sistem transmisi maupun distribusi menggunakan level tegangan yang berbeda beda Isolasi Listrik Isolasi Gas Diantaranya adalah udara dan SF 6. Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan, mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu 30 KV/

3 cm.sf6 merupakan gas terberat yang mempunyai massa jenis 6,139 kg/m 3 yaitu sekitar 5 kali berat udara pada suhu 0 0 C dan tekanan 1 atm Isolasi Minyak Diantaranya adalah minyak trafo seperti minyak mineral maupun sintetis. Selain itu juga dapat digunakan sovol, askarel, araclor, pyralen, shibanol Isolasi Padat Diantaranya adalah kaca, sitol, porselain, hingga epoxy resin yang sering digunakan dalam aplikasi sehari-hari Kegagalan Isolasi Teori Kegagalan Elektronik Teori ini mengasumsikan proses kegagalan dalam zat cair diperlukan elektron awal yang akan memulai proses kegagalan sehingga nantinya elektro ini akan membuat suatu jalur yang akan memicu terjadinya kegagalan isolasi Teori kegagalan gelembung gas Kegagalan ini disebabkan oleh adanya gelembung-gelembung gas didalam isolasi cair Karena pengaruh medan yang kuat diantara elektroda maka gelembung-gelembung gas yang terbentuk tersebut akan saling sambung-menyambung membentuk jembatan yang akan mengawali terjadinya kegagalan Teori kegagalan bola cair Air dan uap air terdapat pada minyak, terutama pada minyak yang telah lama digunakan. Jika terdapat medan listrik, maka molekul uap air terpolarisasi membentuk suatu dipol. Jika jumlah molekul molekul uap air ini banyak, maka akan tersusun semacam jembatan bertahanan lebih rendah dibanding isolasi cair itu sendiri sehingga terbentuk suatu kanal peluahan.

4 Kanal ini akan merambat dan memanjangsampai menghasilkan tembusan listrik Teori kegagalan tak murnian padat Partikel debu atau serat selulosa yang ada seringkali ikut tercampur dengan minyak, selain itu partikel padat ini pun dapat terbentuk ketika terjadi tegangan tembus. Pada saat diberi medan listrik, partikel partikel ini akan terpolarisasi dan membentuk jembatan yang menyebabkan terjadinya kegagalan. 3. Metode Pengujian Hipotesis awal adalah berangkat dari pemikiran bahwa pada pembebanan transformator akan mengalir arus pada kumparannya yang nantinya arus tersebut akan mengahsilkan panas. Secara teori semakin besar pembebanan maka akan semakin tinggi arus yang mengalir pada kumparan dan semakin tinggi suhu transformator. Penambahan nilai temperatur akan berakibat pada percepatan peningkatan degradasi isolasi dan mempercepat terjadinya usia transformator sendiri. Dari sinilah nantinya zat isolasi akan dipanaskan sesuai dengan asumsi pembebanan pada transformator dan akan dilihat kecenderungannya terhadap nilai tegangan tembus dan nilai harapan hidup isolasi sendiri. Berikut adalah temperatur pengujian yang dilakukan berdasarkan asumsi pembebanan yang diambil dari jurnal jurnal hasil penelitian M.A. Taghikani dan A. Golami yang berjudul Estimation of Hottest Spot Temperature in Power Transformer Windings with NDOF and DOF Cooling tahun 2007 Tabel 3. 1 Hubungan Pembebanan Terhadap Temperatur Hotspot Pembebanan (p.u) Temp. Hot Spot ( 0 C) 0,8 95 0, ,1 140

5 Nantinya akan dibuat sebuah simulator kegagalan antara kumparan dengan tangki transformator dengan kondisi yang sudah diatur sedemikian rupa sehingga akan dapat terlihat pengaruh temperatur terhadap tegangan tembus. Selain itu akan divariasikan jarak antara kedua elektroda untuk melihat pengaruhnya juga. Berikut adalah alat alat yang digunakan dalam pengujian 1. Satu buah transformator penguji 100 kv/10 kva (TEO 100/10) 2. Satu buah support insulator 3. Satu buah measuring capacitor 100 kv, 100 pf 4. Satu buah grounding Switch 5. Satu buah set unit pengendali DMI 551 dan OT Satu buah Loyang logam 7. Set kawat konduktor dengan isolasi 8. Set alat pemanas portabel 9. Satu termometer optik 10. Minyak Diala S2-ZU Satu buah Multimeter Berikut adalah rangkaian pengujian yang digunakan Gambar 3. 1 Rangkaian Pengujian Sementara berikut adalah konfigurasi bejana uji yang terdiri dari konduktor yang sudah memiliki isolasi berupa enamel dan bejana konduktor logam

6 Gambar 3. 2 Konfigurasi Bejana Uji Diharapkan akan terjadi lompatan antara konduktor dengan dasar bejana yang dimana akan dituang minyak yang sudah dipanaskan terlebih dahulu sesuai dengan asumsi temperatur sebelumnya 3.1. Perhitungan Nilai Harapan Hidup Isolasi Transformator Dalam perhitungan nilai harapan hidup isolasi dikenal istilah F AA (aging acceleration factor) atau faktor percepatan penuaan. Faktor ini memakai temperatur hotspot sebagai parameter nilainya. Berikut adalah tabel nilai F AA dari temperatur pengujian yaitu 95 0 C, C, C, dan C yang diambil dari IEEE Guide for Loading Mineral Oil Immersed Transformers tahun 1995 Tabel 3. 2 Hubungan Temperatur Dengan F AA Temperatur ( 0 C) F AA

7 Setelah mendapat nilai F AA sesuai temperatur pengujian, maka tahap berikutnya adalah mencari F EQA ( equivalent aging factor ) atau faktor penuaan ekivalen dari transformator pada selang waktu tertentu. Nilai F EQA didapat dari persamaan berikut F!"# =!!!!!!!!!!!!!!!! (3.1) Dimana : n = interval waktu N = total interval waktu!! = interval waktu (jam) Dengan asumsi nilai F AA tidak berubah pada interval waktu, maka dapat disimpulkan F AA = F EQA. Setelah mendapat nilai F EQA, dapat dihitung nilai persentase pengurangan harapan hidup isolasi dengan persamaan % loss of life =!!"#.!.!""!"#$%& (3.2) Dimana : t = periode waktu normal = nilai harapan hidup normal Nilai periode waktu diasumsikan selama 24 jam dan nilai harapan hidup normal transformator diasumsikan adalah jam. Sehingga nilai harapan hidup isolasi tranformator didapat menggunakan persamaan %!"#$ = 100% %!"##!"!"#$ (3.3) 4. Hasil pengujian dan analisis 4.1. Hasil Pengujian Jarak 0 cm Berikut adalah tabel hasil pengujian beserta grafik pada setiap variasi temperatur dan jarak antara kedua elektroda sebesar 0 cm

8 Tabel 4. 1Hasil Pengujian pada Jarak 0 cm percobaan 95 0 C C C C V bd1 (kv) V bd2 (kv) V bd3 (kv) rata-rata Gambar 4. 1Grafik V bd vs Temperatur Pada Jarak 0 cm Grafik hasil pengujian tegangan tembus terhadap temperatur pada variasi jarak 0 cm menunjukkan adanya korelasi yang cukup kuat antara kedua parameter tersebut. Hal ini terlihat pada nilai R 2 yang bernilai 0,969. Nilai R 2 yang tinggi menunjukkan bahwa temperatur mempengaruhi tegangan tembus isolasi dengan hubungan terbalik. Bila diambil persamaan yang dapat menunjukkan hubngan antara tegangan tembus sebagai fungsi dari temperatur maka hasilanya adalah!! = 2 10!!!! 0,041! + 19,33

9 Jarak 0,5 cm Berikut adalah tabel hasil pengujian beserta grafik pada setiap variasi temperatur dan jarak antara kedua elektroda sebesar 0,5 cm Tabel 4. 2Hasil Pengujian pada Jarak 0,5 cm percobaan 95 0 C C C C V bd1 (kv) V bd2 (kv) V bd3 (kv) rata - rata Gambar 4. 2Grafik V bd vs Temperatur Pada Jarak 0,5 cm Grafik hasil pengujian tegangan tembus terhadap temperatur pada variasi jarak 0,5 cm menunjukkan adanya korelasi yang cukup kuat antara kedua parameter tersebut. Hal ini terlihat pada nilai R 2 yang bernilai 0,993. Nilai R 2 yang tinggi menunjukkan bahwa temperatur mempengaruhi tegangan tembus isolasi dengan hubungan terbalik. Bila diambil persamaan yang dapat menunjukkan hubngan antara tegangan tembus sebagai fungsi dari temperatur maka hasilanya adalah

10 !! = 0,052! + 28, Jarak 1 cm Berikut adalah tabel hasil pengujian beserta grafik pada setiap variasi temperatur dan jarak antara kedua elektroda sebesar 1 cm Tabel 4. 3Hasil Pengujian pada Jarak 1 cm percobaan 95 0 C C C C V bd1 (kv) V bd2 (kv) V bd3 (kv) rata - rata Gambar 4. 3Grafik V bd vs Temperatur Pada Jarak 1 cm Grafik hasil pengujian tegangan tembus terhadap temperatur pada variasi jarak 1 cm menunjukkan adanya korelasi yang cukup kuat antara kedua parameter tersebut. Hal ini terlihat pada nilai R 2 yang bernilai 0,996. Nilai R 2 yang tinggi menunjukkan bahwa temperatur mempengaruhi tegangan tembus isolasi dengan hubungan terbalik. Bila diambil persamaan yang dapat menunjukkan hubngan antara tegangan tembus sebagai fungsi dari temperatur maka hasilanya adalah

11 !! = 6 10!!!! 0,051! + 40, Jarak 1,5 cm Berikut adalah tabel hasil pengujian beserta grafik pada setiap variasi temperatur dan jarak antara kedua elektroda sebesar 1,5 cm Tabel 4. 4Hasil Pengujian pada Jarak 1,5 cm percobaan 95 0 C C C C V bd1 (kv) V bd2 (kv) V bd3 (kv) rata - rata Gambar 4. 4Grafik V bd vs Temperatur Pada Jarak 1,5 cm Grafik hasil pengujian tegangan tembus terhadap temperatur pada variasi jarak 1,5 cm menunjukkan adanya korelasi yang cukup kuat antara kedua parameter tersebut. Hal ini terlihat pada nilai R 2 yang bernilai 0,985. Nilai R 2 yang tinggi menunjukkan bahwa temperatur mempengaruhi tegangan tembus

12 isolasi dengan hubungan terbalik. Bila diambil persamaan yang dapat menunjukkan hubngan antara tegangan tembus sebagai fungsi dari temperatur maka hasilanya adalah!! = 2 10!!!! 0,026! + 43, Analisis Analisis Hubungan Temperatur dan Tegangan Tembus Dari semua data menunjukkan tren yang sama yaitu tegangan tembus yang semakin menurun seiring dengan kenaikkan suhu. Ada beberapa faktor yang dapat menjadi penyebab turunnya tegangan tembus seiring dengan kenaikkan temperatur yaitu resistansi yang semakin menurun, degradasi material, dan timbulnya zat zat yang mempengaruhi kualitas isolasi. Resistansi merupakan salah satu parameter yang dapat digunkan sebagai penanda bagus atau tidaknya kualitas bahan isolasi tersebut. Dalam pengujian, dilakukan variasi parameter temperatur untuk melihat hubungan dengan tegangan tembus. Kenaikan temperatur berbanding terbalik dengan nilai tegangan tembus. Hal ini menunjukkan adanya perubahan nilai resistansi dimana semakin tinggi nilai temperatur akan mengakibatkan penurunan nilai resistansi. Resistansi yang semakin rendah dapat disebabkan oleh berkurangnya nilai viskositas dari minyak. Semakin tinggi temperatur, molekul molekul minyak akan mengalami pemuaian dan bergerak lebih cepat. Semakin cepat molekul molekul minyak bergerak maka resiko terjadinya loncatan muatan akan bertambah besar. Demikian juga pada isolasi padat. Molekul molekul penyusunnya akan bergerak semakin cepat sehingga resiko terjadinya loncatan muatan juga bertambah. Dengan kata lain dapat terlihat bahwa zat isolasi yang mengalami peningkatan temperatur akan mengalami penurunan resistansi Bahan yang mengalami kondisi terekspos pada temperatur tinggi akan mengalami penurunan sifat sifat kimia sehingga dapat dikatakan bahan sudah mengalami degradasi atau penurunan kualitas. Bahan isolasi padat maupun cair akan mengalami perubahan sifat kimia. Contoh yang dapat terjadi adalah penipisan bahan isolasi padat maupun pemecahan molekul minyak.

13 Sebab lain terjadinya penurunan tegangan tembus adalah timbulnya residu atau zat buangan hasil perubahan kimia zat isolasi yang mendapat temperatur tinggi. Zat- zat isolasi yang dipanaskan secara terus menerus akan mengalami pemecahan molekul. Molekul molekul yang pecah tersebut akan menghasilkan zat residu. Pada umumnya zat buangan dapat berupa padatan karbon atau gas. Kedua zat tersebut memiliki resistansi yang lebih rendah dari zat isolasi. Semakin sering zat isolasi diberi temperatur yang tinggi maka akan semakin banyak zat residu yang terbentuk sehingga resiko terjadinya loncatan akan meningkat. Oleh karena itu, nilai tegangan tembus yang dibutuhkan untuk terjadinya loncatan akan semakin rendah. Hal ini dapat terlihat pada timbulnya zat zat lain pada minyak seperti partikulat karbon dan gelembung gelembung gas setelah terjadinya loncatan Analisis Hubungan Jarak dengan Tegangan Tembus Secara teori kenaikan tegangan akan sebanding dengan jarak elektroda. Kenaikan tegangan tembus akan naik sesuai dengan kelipatan penambahan jarak. Sesuai dengan persamaan berikut dapat terlihat hubungan antara tegangan tembus dengan jarak elektroda!!" =!!! dimana d = jarak elektroda A = konstanta n = konstanta; bernilai kurang dari 1 Persamaan diatas menunjukkan bahwa tegangan sebanding dengan jarak. Meskipun tidak menunjukkan hubungan dengan linear, tapi data menunjukkan kenaikkan seiring dengan penambahan jarak. Ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya peningkatan nilai tegangan tembus terhadap jarak diantaranya yaitu peningkatan resistansi Persamaan umum resistansi adalah sebagai berikut! =!!! Dimana: ρ = massa jenis kawat (Ω/m)

14 l = panjang (m) A = luas penampang (m2) Dengan mengasumsikan bahwa variabel lain konstan, maka variabel jarak akan berbanding lurus dengan panjang. Sehingga peningkatan jarak elektroda akan menyebabkan peningkatan nilai resistansi yang menyebabkan peningkatan nilai tegangan tembus. Meskipun tidak sama persis dengan teori akan tetapi data data menunjukkan bahwa hasil pengujian sesuai dengan teori Perhitungan dan Analisis Nilai Harapan Hidup Isolasi Transformator Berikut adalah tabel nilai F AA dari temperatur pengujian yaitu 95 0 C, C, C, dan C yang diambil dari IEEE Guide for Loading Mineral Oil Immersed Transformers tahun 1995 Temperatur ( 0 C) F AA Sesuai dengan asumsi bahwa tidak ada perubahan nilai F AA, maka nilai F EQA akan sama dengan nilai F AA. Nilai persentase pengurangan hidup isolasi untuk masing masing temperatur adalah Temperatur 95 0 C %!"##!"!"#$ = 0, %!"##!"!"#$ = 0,0027 % Dari hasil perhitungan persentase pengurangan harapan hidup dapat dihitung nilai harapan hidup isolasi

15 Temperatur 95 0 C %!"#$ = 100% %!"##!"!"#$ %!"#$ = 100% 0,0027 % = 99,9973 % Dengan cara yang sama dilakukan pada ketiga variasi suhu yang lain sehingga didapatkan tabel dan grafik berikut Temperatur ( 0 C) Nilai Harapan Hidup (%) Grafik Nilai Harapan Hidup vs Temperatur 100 Nilai Harapan Hidup (%) Temperatur ( 0 C) Gambar 4. 5Grafik Grafik Temperatur vs Nilai Harapan Hidup Isolasi

16 Dari grafik diatas dapat dianalisis hubungan antara grafik grafik hubungan antara temperatur dengan tegangan tembus dimana tegangan tembus dapat menjadi parameter rusaknya sebuah isolasi. Berikut adalah grafik hubungan antara temperatur terhadap tegangan tembus pada jarak 0 cm Vbd (kv) Grafik Tegangan Tembus vs Temperatur (0 cm) Temperatur ( C) Analisis hubungan antara temperatur terhadap tegangan tembus dan temperatur terhadap nilai harapan hidup isolasi dapat mengambil satu contoh dari variasi jarak dikarenakan tren grafik grafik lain yang hampir sama. Perbandingan kedua grafik menunjukkan adanya penurunan akan tetapi keduanya memiliki tren yang berbeda. Pada grafik temperatur terhadap nilai harapan hidup isolasi tren yang terlihat adalah tren kuadratik yang pada data 4 menunjukkan penurunan nilai yang signifikan. Sementara pada grafik temperatur terhadap tegangan tembus pada jarak 0 cm, tren penurunan yang dihasilkan cenderung bersifat linear. Hal ini menunjukkan ternyata selain faktor temperatur ada faktor faktor lain yang dapat mempengaruhi kegagalan isolasi. Penuaan atau terjadinya degradasi isoalsi secara umum tidak hanya merupakan fungsi temperatur saja akan tetapi juga fungsi kelembaban dan kadar oksigen dalam isolasi. Pemilihan

17 temperatur sebagai salah satu parameter utama juga mempunyai alasan yaitu dengan teknologi yang dimiliki dalam pengolahan dan perawatan minyak transformator, kontribusi faktor kelembaban dan kadar oksigen menjadi berkurang dengan signifikan. Sehingga temperatur bias dianggap sebagai faktor yang dominan dalam degradasi isolasi. Selain itu efek kumulatif dari temperatur pada pemakaian dalam jangka waktu yang tidak sebentar juga akan mempengaruhi degradasi isolasi sendiri. Hal inilah yang menjadi sebab mengapa tren dari grafik percobaan dan perhitungan mengalami perbedaan tren. 5. Kesimpulan 1. Temperatur isolasi akan berbanding terbalik dengan tegangan tembus. Semakin tinggi temperatur suatu isolasi maka tegangan tembusnya akan semakin kecil 2. Tegangan tembus tiap isolasi yang paling rendah secara berurutan dari variasi jarak 0 cm hingga 1,5 cm terdapat pada temperatur bernilai C yakni sebesar 13,87 kv, 21,07 kv, 32,52 kv, dan 39,78 kv. Sementara yang paling tinggi saat temperatur minyak berada pada saat temperatur bernilai 95 0 C yakni sebesar 15,47 kv, 23,38 kv, 35,42 kv, dan 41, Nilai harapan hidup isolasi transformator akan berbanding terbalik dengan kenaikan temperatur. Semakin tinggi temperatur maka akan semakin menurunkan nilai harapan hidup isolasi 4. Nilai harapan hidup transformator pada suhu 95 0 C, C, C, dan C masing masing adalah 99,9973 %, 99,9892 %, 99,9518 %, dan 99,7707 %

18 Daftar Pustaka 1. Chapman, Stephen J.2002.Electric Machinery and Power System Fundamentals.United States : Mc Graw-Hill 2. IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Power Transformers Rated in Excess of 100 MVA (65 0 C Winding Rise) Arismunandar,A Teknik Tegangan Tinggi, Pradnya Paramita,Jakarta 4. Transformer Overloading and Assessment of Loss-of-Life for Liquid-Filled Transformers.2011.P.K. Sen, et.al.