Terpaan Tegangan Listrik Dan Temperatur terhadap Kualitas Isolasi Kabel Bawah Tanah

Transkripsi

1 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November Terpaan Tegangan Listrik Dan Temperatur terhadap Kualitas Isolasi Kabel Bawah Tanah Agus Murnomo Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang Abstrak: Isolasi kabel bawah tanah merupakan isolasi padat, idealnya tidak menyerap lembab, kekuatan dielektrik tinggi meskipun mendapat terpaan tegangan listrik bolak-balik atau tegangan listrik searah maupun tegangan surja, mempunyai resistivitas volume, kekuatan mekanis dan kekenyalan yang tinggi serta daya rekatnya baik. Seiring perkembangan teknologi pembuatan bahan isolasi padat sebagian dari sifat itu dapat terpenuhi oleh isolasi kabel bawah tanah, seperti kabel tegangan tinggi bawah tanah berbahan isolasi XLPE ( Cross-linked Polyethylene). Kualitas isolasi dapat diekspresikan dari resistivitas volumenya. Tujuan penelitian adalah mengetahui resistivitas volume isolasi XLPE kabel bawah tanah yang menerima terpaan tegangan listrik dan temperatur. Dengan melakukan pengujian di laboratorium diperoleh hasil () terpaan tegangan listrik selama menit memberi kontribusi terhadap resistivitas volume sebesar 97,85% dan terpaan tegangan listrik selama 0 menit memberi kontribusi terhadap resistivitas volume sebesar 99,2% (2) terpaan temperatur tidak mempengaruhi resistivitas volume. Kesimpulan dari penelitian adalah, kualitas isolasi kabel bawah tanah dipengaruhi oleh terpaan tegangan listrik dan lamanya terpaan, namun tidak dipengaruhi oleh terpaan temperatur. Kata kunci: Resistivitas volume, isolasi kabel bawah tanah. Pendahuluan.. Latar Belakang Isolasi XLPE ( Cross Linked Polyethylene) berupa bahan isolasi padat, yang banyak digunakan pada kabel tegangan tinggi seperti kabel transmisi daya tegangan tinggi bawah tanah yang dipakai di daerah tropis. Kualitas isolasi kabel bawah tanah dapat diekspresikan dari resistivitas volumenya. Isolasi kabel bawah tanah dapat dikatakan sangat baik bilamana resistivitas volumenya besar tak terhingga, namun kenyataan yang demikian itu belum diperoleh. Sampai saat ini isolasi XLPE yang digunakan pada kabel bawah tanah masih mengalirkan arus listrik meskipun kecil yang disebut arus bocor. Hal ini memperlihatkan resistivitas volumenya tidak tak terbatas besarnya. Isolasi XLPE sebagai isolasi kabel bawah tanah memiliki kelebihan yaitu, biaya pembuatan relatif rendah, tidak mudah retak dan kekuatan dielektriknya tinggi (Davies et al, 998). Namun keterbatasan yang dimilikinya adalah, peka terhadap peluahan parsial dan didalamnya terdapat rongga udara sebesar.µm sampai µm yang tidak dapat dihindari disaat pembuatannya ( Narayana Rao, 985). Oleh karena itu jika diterpa tegangan listrik, maka ada arus listrik yang mengalir di dalam isolasi walaupun sangat kecil dan arus ini disebut sebagai arus bocor volume. Ukuran rongga udara dapat menjadi lebih besar apabila isolasi menerima terpaan temperatur tinggi akibat dari adanya arus beban lebih atau arus hubung singkat yang mengalir melalui konduktor kabel. Menurut Nikolajevic (998), pertambahan ukuran rongga udara seiring kenaikan temperatur. Kuantitas dan ukuran rongga udara ini dapat merubah resistivitas volume bahan isolasi. Perubahan resistivitas volume tidak hanya oleh temperatur tetapi juga oleh terpaan tegangan listrik. Kelembaban juga dapat merubah resistivitas volume, penyerapan kadar air oleh bahan isolasi disebabkan ada rongga udara dan panas yang diterimanya. Nikolajevic dan Stojanovic (996) menyatakan kenaikan temperatur dan medan listrik yang diterima bahan isolasi dapat memperbesar penyerapan air dan mempercepat pemburukan isolasi. Kabel bawah tanah berbahan isolasi XLPE

2 44 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November 202 yang banyak digunakan di daerah beriklim tropis seperti Indonesia, ada kemungkinan menerima temperatur tinggi disertai dengan kelembaban. Kemungkinana ini berasal dari temperatur dan kelembaban udara sekitar ditambah temperatur dari arus listrik yang mengaliri konduktor kabel. Sehubungan di Indonesia isolasi XLPE banyak digunakan sebagai isolasi kabel daya tegangan tinggi bawah tanah, maka kelembaban yang diterima relatif stabil karena tidak dipengaruhi oleh perubahan kelembaban udara yang ada di atas permukaan tanah..2. Permasalahan Kualitas kabel bawah tanah dipengaruhi oleh pemburukan isolasinya. Pemburukan isolasi akibat tidak sempurna atau tidak murninya bahan isolasi dapat dieliminir oleh kemajuan teknologi pembuatan yang semakin baik. Namun untuk membuat resistivitas volume bahan isolasi tidak terpengaruh oleh terpaan tegangan listrik dan temperatur adalah suatu hal yang tidak mudah dilakukan. Bertitik tolak dari hal itu timbul permasalahan; bagaimana resistivitas volume kabel bawah tanah berbahan isolasi XLPE terhadap terpaan tegangan listrik dan lamanya terpaan, serta temperatur..3. Tujuan Penelitian Resistivitas volume isolasi kabel bawah tanah mencerminkan kualitas isolasi kabel tersebut, maka secara eksplisit tujuan yang dicapai adalah; mengetahui nilai resistivitas volume kabel bawah tanah yang menerima terpaan tegangan listrik dan temperatur.4. Tinjauan Pustaka Demensi isolasi padat seperti isolasi XLPE dapat berubah oleh kenaikan temperatur (Arief dan Naim, 999). Perubahan demensi dikarenakan ketidakteraturan susunan dan ketidakrapatan ikatan diantara molekul, dan jika ikatan antar molekul lepas, terbentuk rongga udara. Pada keadaan seperti ini, apabila bahan isolasi berada dilingkungan udara lembab, terjadi penyerapan kadar air oleh bahan isolasi itu. Penyerapan kadar air bertambah seiring dengan kenaikan temperatur (Nikolajevic, 998). Menurut Da Silva et al (998), kuantitas kadar air di dalam bahan isolasi padat mempercepat terbentuknya electrical treeing sehingga merubah resistivitas volume menjadi rendah. Seperti pengujian yang dilakukan Nikolajevic (998) terhadap bahan isolasi XLPE, yaitu memasukan air ke dalam kabel yang ujungnya ditutup rapat dan kabel dengan ujung terbuka, kemudian diterpakan medan listrik 4,2 kv/mm dan 8,4 kv/mm pada frekuensi Hz serta pemanasan pada temperatur 0 C. Hasilnya menunjukkan, (). terpaan medan listrik yang lebih tinggi, persentase penyerapan kadar air oleh bahan isolasi lebih banyak dan nilai resistivitas volume menurun, (2). pada kabel yang ujungnya tertutup rapat, tegangan tembus menjadi lebih rendah dan tan lebih besar dibanding kabel dengan ujung terbuka. (3). pada penyerapan air yang mendekati jenuh, tegangan tembus menurun dan tan bertambah sangat cepat. Dari uraian tersebut mengisyaratkan pemburukan isolasi dapat disebabkan oleh temperatur, kelembaban dan terpaan medan listrik karena penerapan tegangan listrik. Resistivitas volume isolasi kabel bawah tanah atau isolasi XLPE, tidak konstan tetapi tergantung beberapa faktor yang meliputi (Chhalotra and Bhat, 980): a. Temperatur Jika kualitas isolasi padat menjadi buruk atau resistivitas volumenya menurun seiring kenaikan temperatur yang diterima, maka sifat seperti ini dikatakan bahwa isolasi tersebut memiliki koefisien temperatur resistan negatif (Theraja, 99). Umumnya penurunan resistivitas terjadi bilamana temperatur yang menerpa isolasi di atas batas kestabilan termalnya, sehingga isolasi mengalami perubahan struktur atom yang mengarah pada pembentukan dan pembesaran rongga udara. Selama temperatur yang menerpa berada di bawah kestabilan termalnya, tidak mengalami perubahan struktur atom.

3 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November b. Kelembaban Apabila media disekitar isolasi mempunyai kelembaban udara tinggi, dimungkinkan ada kadar air meresap masuk ke dalam isolasi. Kadar air ini menurunkan resistivitas volume pada tingkat lebih besar. Kotoran yang terkandung dalam air akan memisahkan ion-ion, sedangkan permitivitas air yang lebih besar dapat ikut serta dalam pemisahan molekul. (Chhalotra and Bhat, 980). Namun demikian menurut Narayana Rao (985) resistivitas volume isolasi sering tidak tergantung media sekitarnya, termasuk kelembaban. Hal ini memang cukup beralasan selama tidak terjadi perubahan struktur atau penambahan jumlah dan ukuran rongga udara pada isolasi tersebut. c. Tegangan listrik Spisemen atau benda uji yang berupa bahan isolas XLPE, pada penelitian ini dibuat dalam bentuk piringan ( disk) dan pada kedua sisi permukaannya dipasang elektrode seperti diperlihatkan gambar, sehingga dapat diasumsikan sebagai sebuah kapasitor d. Faktor waktu Lama terpaan tegangan listrik searah untuk sampai pada pencapaian kondisi tidak ada perbedaan potensial diantara elektrode, menjadikan arus bocor volume berangsur-angsur menurun. Penurunan arus bocor memperlihatkan resistivitas volume beranjak naik. e. Permitivitas Nilai suatu kapasitans dapat berubah oleh dimensi, permitivitas dan jenis dielektrik bahan isolasi Perubahan nilai kapasitans berdampak pada perubahan muatan volumetrik, meskipun tegangan listrik yang diterpakan tidak berubah. Dengan lama terpaan tegangan listrik, arus pemuat atau arus bocor volume akan berubah dan perubahannya diikuti oleh perubahan nilai resistivitas volume. Konsep untuk menghitung nilai resistivitas volume isolasi serupa dengan resistivitas konduktor yang dinyatakan oleh persamaan; A R L m Sehubungan spisemen yang digunakan berupa bahan isolasi XLPE berbentuk piringan, maka persamaannya menjadi Gambar Benda uji Terpaan tegangan listrik akan menimbulkan muatan volumetrik (volumetric charges). Apabila permitivitas isolasi (ε) dianggap konstan karena tidak ada perubahan struktur atom, maka kenaikan tegangan listrik searah diikuti pertambahan muatan volumetrik. Jika tegangannya sangat besar sampai elektrode yang terpasang mampu melepaskan ikatan elektron dari inti atom menjadi elektron bebas dengan kekuatan medan listrik, maka konduktivitas isolasi bertambah yang berarti resistivitasnya menurun. 2 r RV cm t dengan: r = jari-jari efektif elektrode ukur (cm) R V = resistans volume isolasi (ohm) t = tebal isolasi (cm) Jari-jari efektif elektrode ukur dapat dihitung berdasarkan persamaan, r r g 2t g ln cosh 2 4t cm dengan: r = jari-jari elektrode ukur (cm) g = lebar celah antara elektrode ukur dan elektrode pelindung (cm) t = tebal isolasi (cm)

4 46 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November cm 35 cm lubang untuk kabel lubang pengatur kondisi udara 45 cm Gambar 2. Jari-jari efektif elektrode ukur pada sistem tiga elektrode 2. Metode Penelitian Pengujian laboratorium terhadap isolasi kabel bawah tanah mengacu pada standar IEC Publication no. 93 (980) dan no.67 (964). Adapun prosedur pelaksanaannya diawali dengan membuat spisemen dari isolasi kabel daya tegangan tinggi inti tunggal kv tipe NA2XC2Y produksi PT Tranka-Jakarta. Spisemen yang berupa isolasi XLPE, dibuat dalam bentuk piringan ( disk) berdiameter 5 cm dengan tebal 3 mm dan pada kedua sisi permukaannya diberi almunium foil dengan tebal µm (Naidu and Kamaraju, 995). Almunium foil tersebut sebagai elektrode ukur, elektrode pelindung dan live electrode, dengan susunan seperti diperlihatkan pada gambar 2. Jarak atau celah antara elektrode ukur dan elektrode pelindung sebesar mm untuk menghindari kesalahan pengukuran karena arus bocor permukaan (Narayana Rao, 985). Berikutnya membuat kotak uji dari lembaran kaca dengan tebal 5 mm. Ukuran kotak dibuat 35 cm x 35 cm x 45 cm, sisi bagian dalamnya diberi lapisan gabus dan almunium foil. Salah satu sisi kotak diberi lubang pengatur udara, agar kondisi udara di dalam kotak uji dapat distabilkan. Gambar 3. Kotak uji Sumber tegangan listrik searah tidak boleh memiliki ripple factor lebih dari 3% (IEC 60-, 989). Tegangan listrik dibuat variabel mulai dari 00 V, V, 200 V dan 2 V. Menurut Arismunandar (994) lama tegangan listrik yang diterpakan antara menit atau 0 menit. Untuk keperluan pengujian, temperatur udara di dalam kotak uji yang diperlukan adalah 0 C, 0 C, 0 C dan 0 C. Batas 0 C dipilih sesuai temperatur penghantar akibat kuat hantar arus secara terus menerus yang tidak lebih dari 0 C (SPLN 43-7, 994). Kelembaban udara dalam kotak uji dipertahankan 59% agar resistans permukaan tidak berubah, sehingga tidak terjadi kesalahan pengukuran yang disebabkan arus bocor permukaan. Adapun tekanan udaranya ditetapkan 983 mbar. Rangkaian untuk pengujian isolasi kabel bawah tanah, diperlihatkan pada gambar 4. Sakelar S mempunyai dua posisi yaitu posisi untuk menghubungkan sumber tegangan listrik searah dengan spisemen atau benda uji dan posisi 2 untuk melepaskan muatan sisa yang ada di dalam spisemen setelah selesai pengujian. Setiap awal pengujian, spisemen harus bebas dari muatan yang melekat, waktu pelepasan muatan 2 sampai 3 menit.

5 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November Hasil dan Pembahasan 3.. Terpaan Tegangan Listrik Searah Gambar 4. Sumber tegangan listrik serah dan rangkaian uji Resistivitas volume (ρ v ) isolasi kabel bawah tanah yang dinyatakan dalam satuan ohm-cetimeter ( Ω-cm) diperoleh dari menghitung resistans volume (R v ) lebih dahulu. Nilai resistans volume diperoleh dengan membagi tegangan listrik searah yang diterpakan pada elektrode dibagi nilai arus bocor volume. Nilai resistivitas yang diperoleh berada pada batas 0 3 Ω-cm. Ini masuk dalam interval nilai resistivitas isolasi padat umumnya, yaitu antara0 2 Ω-cm sampai 0 3 Ω-cm. Gambar 5. Kurva tegangan terhadap resistivitas volume Dari Tabel. dapat dilihat bahwa konsumsi bahan bakar akan turun, seiring dengan kenaikan putaran mesin. Perbedaan yang terjadi antara masingmasing penggunaan kerenggangan celah elektroda busi terlihat cukup signifikan, nilai konsumsi bahan bakar paling tinggi dari ketiga macam kerenggangan elektroda busi terdapat pada kerenggangan 0,6 mm pada putaran 4000 rpm, mengkonsumsi bahan bakar sebanyak 0 cc selama 83,3 detik. Penurunan nilai konsumsi bahan bakar tertinggi terjadi pada kerenggangan 0,7 mm pada putaran 8000 rpm mengkonsumsi bahan bakar sebanyak 0 cc selama 3.4 detik. Pada kerenggangan elektroda busi yang tidak tepat akan menyebabkan percikan bunga api yang tidak fokus dan menyebar, sehingga akan mengakibatkan pembakaran yang kurang sempurna, ditandai dengan keluarnya bahan bakar yang belum terbakar melalui katup buang pada saat overlap. Hasil pengujian memperlihatkan, tegangan listrik yang diterpakan pada isolasi kabel bawah tanah terhadap kualitasnya yang diekpresikan dengan resistivitas volume, tertera pada tabel.

6 48 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November 202 Tabel. Nilai tegangan listrik searah dan resistivitas volume Tegangan yang diterpakan (volt) Lama terpaan tegangan (menit) Resistivitas volume (Ω-cm), , , , , , , , Berdasarkan data pengujian pada tabel, apabila digambarkan dalam bentuk kurva terlihat seperti gambar 5. Sebagaimana diperlihatkan oleh gambar 5, bahwa terpaan tegangan listrik selama menit, koefisien determinasi R 2 = 0,9785. Hal ini berarti kontribusi tegangan listrik searah yang diterpakan terhadap kualitas isolasi kabel bawah tanah yang di ekspresikan dengan nilai resistivitas volume adalah sebesar 97,85%. Sedangkan terpaan tegangan listrik searah selama 0 menit, kontribusi yang diberikan oleh tegangan listrik searah terhadap resistivitas volume isolasi adalah sebesar 99,2%. Pada gambar 5 juga memperlihatkan hubungan antara tegangan listrik terhadap resistivitas volume adalah linier. Terpaan tegangan listrik yang semakin lama arus bocor berangsur-angsur turun dan setelah perbedaan potensial antara elektrode sama dengan nilai maksimum sumber tegangan, arus bocor berhenti mengalir. Jika tegangan listrik searah yang terpasang diantara elektrode sebesar V volt, maka dalam waktu t detik nilai resisitivitas berangsur-angsur naik seiring penurunan arus bocor volume atau arus pemuat. Hal ini terlihat sebagaimana tertera dalam tabel, pada terpaan tegangan listrik selama menit, nilai resistivitas volume lebih rendah dari resistivitas pada terpaan tegangan listrik selama 0 menit. Demikian pula bila tegangan listrik searah dinaikan, dengan lama terpaan tegangan listrik yang sama nilai resistivitas volume bertambah. Hal ini karena kenaikan tegangan listrik searah diikuti oleh kenaikan muatan volumetrik Terpaan Temperatur Setiap pengujian spisemen menerima terpaan temperatur yang berbeda, dengan kelembaban udara dan tekanan udara konstan. Hasil pengujian memperlihatkan perbedaan temperatur tidak memberikan kontribusi terhadap arus bocor volume, yang berarti resistivitas volume tidak berubah untuk setiap terpaan tagangan listrik searah dengan waktu terpaan sama. Perbedaan temperatur yang menerpa spisemen dan nilai resistivitas volume diperlihatkan pada tabel 2. Pada tabel 2 tersebut diperlihatkan data hasil pengujian tentang perbedaan temperatur yang menerpa spisemen terhadap resistivitas volume. Jika diperhatikan dengan seksama, perbedaan temperatur tidak mempengaruhi nilai resistivitas volume. Sehingga bentuk gambar kurva seperti diperlihatkan pada gambar 6. Data hasil pengujian yang tertera pada tabel 2 memperlihatkan kenaikan temperatur dari 0 C sampai 0 C nilai resistivitas tidak berubah atau tetap sama. Perubahan nilai resistivitas volume hanya terlihat oleh karena perbedaan terpaan tegangan listrik dan lamanya terpaan tegangan listrik tersebut. Tidak terjadinya perubahan resistivitas volume disebabkan kestabilan termal dielektrik dari isolasi kabel bawah tanah cukup tinggi sehingga sampai temperatur 0 C, resistivitas volumenya tetap sama. Ini berarti sampai temperatur 0 C, di dalam isolasi kabel bawah tanah tidak terjadi perubahan struktur atom,dan permitivitas maupun kapasitansnya konstan atau tidak terjadi perubahan dimensi.

7 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November Tabel 2. Temperatur dan resistivitas volume pada terpaan tegangan listrik menit dan 0 menit Tegangan listrik yang diterpakan (volt) Lama terpaan tegangan listrik (menit) Temperatur ( 0 C) Resistivitas (Ω-cm), , , , , , , ,

8 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 4, No., November 202 Gambar 6. Kurva temperatur terhadap resistivitas volume 4. Penutup Kesimpulan dari penelitian adalah, kualitas isolasi kabel bawah tanah dipengaruhi oleh terpaan tegangan listrik dan lamanya terpaan, namun tidak dipengaruhi oleh terpaan temperatur. 5. Daftar Pustaka Arif, M. Naim, M, Y Pengaruh Temperatur Pada Bahan Isolasi XLPE SNWTT II, A-0. UGM. Yogyakarta Arismunandar, A.,994, Teknik Tegangan Tinggi, PT Pradnya Paramita, Jakarta. Chhalotra, G. P., Bhat, B. K, 980, Electrical Engineering Materials, Khanna Publishers, Nai Sarak, Delhi Da Silva, Ramirez, E., Rodiguez, J., Bermudez, J., Ferraz, J., Davila, A., Simon Diagnosis of XLPE Insulated Cables Aget Under Conditions of Multiple Stresses: Thermoelectric and Humidity. IEEE, International Symposium on Electrical Insulation, Arlington, Virginia, USA, June 7 8, 998 Davies, A. E., Wu, X., Hampton, R. N., Sutton, S., Swingler, S. G., 998, The Effect of Ageing and Preconditioning on Charge Density Estimations in XLPE, Proceeding of 998 International Symposium on Electrical Insulating Materials. Toyohashi, Japan Sept 27-, 998, P -48 I E C Publication 93, 980, Methods of Test for Volume Resistivity and Surface Resistivity of Solid Electrical Insulating Materials I E C Publication 67, 964, Methods of Test for Determination of The Insulation Resistance of Solid Insulating Materials I E C 60-, 989, High Voltage Test Techniques Naidu, M. S., Kamaraju, V., 995, High Voltage Engineering, Second Edition, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi Nikolajevic, S. V, 998, Investigation of Water Effects on Degradation of XLPE Insulation, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 8, No. 4.