PENGARUH SUHU TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK BERBAGAI MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR (Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total) OLEH :

Transkripsi

1 PENGARUH SUHU TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK BERBAGAI MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR (Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total) OLEH : SAMUEL PANGGABEAN NIM Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik (S 1) pada Departemen Teknik Elektro DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSUTAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

2 PENGARUH SUHU TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK BERBAGAI MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR (Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total) Oleh : Samuel Panggabean NIM Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik (S 1) pada Departemen Teknik Elektro Disetujui Oleh Pembimbing Ir. Syahrawardi NIP Diketahui oleh, Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU Ir. Nasrul Abdi, MT NIP DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSUTAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

3 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkatnya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang berjudul : PENGARUH SUHU TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK BERBAGAI MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR (Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total) Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik (S 1) pada Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan. Dengan selesainya Tugas Akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih dengan tulus kepada : 1. Ibunda yang tercinta M. Br. Panjaitan yang telah begitu banyak memberikan dukungan doa, moril dan materil kepada penulis selama menjalani studi mulai dari kecil sampai saat ini. 2. Bapak Ir. Syahrawardi, sebagai pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 3. Bapak Ir. Bonggas L. Tobing, sebagai Kepala Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi yang memberikan izin kepada penulis untuk melakukan penelitian dan yang telah banyak memberikan dukungan yang berguna dalam terlaksananya penelitian tersebut. 4. Bapak Ir. Panusur SML. Tobing, sebagai Dosen Wali penulis yang telah banyak membantu penulis dalam menjalani perkuliahan.

4 5. Bapak Ketua Departemen dan seluruh staf pengajar Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan. 6. Para Asisten di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi yang telah banyak meluangkan waktu untuk berdiskusi dengan penulis. Akhir kata kiranya Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi peningkatan kualitas sumber daya manusia Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan dan bagi kita semua. Medan, Maret 2008 Penulis SAMUEL PANGGABEAN NIM :

5 ABSTRAK Mengingat semakin banyaknya jenis minyak isolasi yang ada sekarang ini maka banyak hal yang harus dipertimbangkan di dalam pemilihan bahan isolasi minyak untuk keperluan pengamanan yang lebih baik. Kekuatan dielektrik dan umur suatu tansformator tergantung sepenuhnya pada kualitas minyak isolasi. Perubahan suhu minyak isolasi yang melebihi batas batas yang ditentukan pada peralatan tegangan tinggi akan mengakibatkan pemburukan dari minyak isolasi tersebut. Kenaikan suhu (pemanasan) dapat terjadi akibat beban lebih yang berlangsung cukup lama dan terus menerus, serta hubung singkat pada peralatan tegangan tinggi yang menggunakan minyak isolasi. Minyak isolasi digunakan dalam peralatan tegangan tinggi seperti : transformator daya, pemutus tenaga (CB), kapasitor tegangan tinggi dan kabel daya. Pemakaian minyak isolasi pada peralatan tegangan tinggi juga berfungsi sebagai bahan isolasi, bahan pendingin (penyerap panas) dan pemadaman busur api. Hasil akhir dari penelitian ini adalah mendapatkan kurva karakteristik yang menyatakan hubungan lama suhu bertahan dengan kekuatan dielektrik minyak Isolasi, Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total. Masing masing sampel minyak isolasi tersebut dipanaskan pada suhu 40 0 C sampai C dengan rentang 10 0 C dengan lama suhu bertahan 1 jam sampai 5 jam. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa masing masing minyak isolasi mengalami pemburukan kekuatan dielektrik akibat dari pemanasan dan lama suhu pemanasan itu bertahan. Kekuatan dielektrik yang paling cepat turun terjadi pada minyak isolasi Gulf dan Shell Diala B mulai dari pemanasan pada suhu 50 0 C sampai suhu C.

6 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... ABSTRAK... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... i iii iv vi viii BAB I. PENDAHULUAN I. 1. LATAR BELAKANG... 1 I. 2. TUJUAN PENELITIAN... 2 I. 3. METODE PENELITIAN... 2 I. 4. BATASAN MASALAH... 3 BAB II. MINYAK ISOLASI II.1. UMUM... 4 II.1.1. Bahan Dasar Pembuatan Minyak Transformator... 4 II.2. MEKANISME KEGAGALAN ISOLASI CAIR... 5 II.2.1. Kegagalan Elektronik Pada Zat Cair... 6 II.3. JENIS JENIS MINYAK ISOLASI... 7 II.3.1 Minyak Isolasi Mineral... 8 II.3.2 Minyak Isolasi Sintesis... 8 II.4. KEKUATAN DIELEKTRIK MINYAK ISOLASI II.5. PENGGUNAAN MINYAK ISOLASI II.6. PERSYARATAN UMUM MINYAK ISOLASI YANG DIGUNAKAN PADA PERALATAN LISTRIK

7 II.7. PROSES DASAR IONISASI II.7.1. Ionisasi Karena Benturan Elektron II.7.2. Proses Proses Katoda II.8. MEDAN DIELEKTRIK BAB III. PEMBURUKAN MINYAK ISOLASI III.1. UMUM III.1.1 Syarat Syarat Yang Harus Dimiliki Oleh Suatu Minyak Isolasi III.1.2. Spesifikasi Minyak Isolasi Baru Transformator III.2. FAKTOR PENYEBAB PEMBURUKAN PADA MINYAK ISOLASI III.3. PENGARUH PEMANASAN TERHADAP TEGANGAN TEMBUS MINYAK ISOLASI III.4. PENGARUH PEMANASAN TERHADAP KONDUKTIVITAS MINYAK ISOLASI III.5. PENGARUH PEMANASAN TERHADAP VISKOSITAS MINYAK ISOLASI BAB IV. PENGUJIAN KEKUATAN DIELEKTRIK (TEGANGAN TEMBUS) MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR MEREK GULF, SHELL DIALA B, NYNAS, DAN TOTAL SEBAGAI FUNGSI DARI KENAIKAN SUHU IV. 1. UMUM IV. 2. PERALATAN PENGUJIAN IV. 3. RANGKAIAN PENGUJIAN IV. 4. PROSEDUR PENGUJIAN IV. 5. DATA HASIL PENGUJIAN... 39

8 IV. 6. ANALISIS DATA HASIL PENGUJIAN IV.6.1 Analisa Data Hasil Pengujian Minyak Isolasi Gulf IV Perhitungan Nilai Kekuatan Dielektrik Dari Pengujian Tegangan Tembus Minyak Isolasi IV Perhitungan Nilai Rata Rata Kekuatan Dielektrik Dari Pengujian Tegangan Tembus Minyak Isolasi IV Analisa Grafik BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN... 53

9 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Proses Dasar Ionisasi Gambar 2. Medan Elektrik dalam Dielektrik Gambar 3. Arah medan listrik dalam gelembung udara pada minyak isolasi Gambar 4. (a). Rangkaian Pengujian Tegangan Minyak Isolasi Gambar 4. (b). Rangkaian Pemanasan Minyak Isolasi Gambar 5. Kurva Karakteristik Hubungan Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada suhu 40 0 C Gambar 6. Kurva Karakteristik Hubungan Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada suhu 50 0 C Gambar 7. Kurva Karakteristik Hubungan Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada suhu 60 0 C Gambar 8. Kurva Karakteristik Hubungan Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada suhu 70 0 C Gambar 9. Kurva Karakteristik Hubungan Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada suhu 80 0 C Gambar 10. Kurva Karakteristik Hubungan Kekuatan Dielektrik Minyak.

10 Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada suhu 90 0 C Gambar 11. Kurva Karakteristik Hubungan Kekuatan Dielektrik Minyak. Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada suhu C... 51

11 DAFTAR TABEL Tabel 3.1. Spesifikasi Minyak Isolasi Baru Transformator Tabel 4.1. Hasil Rata Rata Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada Suhu 40 0 C Tabel 4.2. Hasil Rata Rata Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada Suhu 50 0 C Tabel 4.3. Hasil Rata Rata Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada Suhu 60 0 C Tabel 4.4. Hasil Rata Rata Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada Suhu 70 0 C Tabel 4.5. Hasil Rata Rata Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada Suhu 80 0 C Tabel 4.6. Hasil Rata Rata Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada Suhu 90 0 C Tabel 4.7. Hasil Rata Rata Kekuatan Dielektrik Minyak Isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B dan Total pada Suhu C... 44

12 BAB I PENDAHULUAN I. 1. LATAR BELAKANG Penggunaan minyak isolasi dewasa ini sangat luas sekali, terutama pada peralatan tegangan tinggi seperti transformator daya, pemutus tenaga (Circuit Breaker), kapasitor dan kabel daya. Pada peralatan tegangan tinggi minyak isolasi berfungsi sebagai isolator, bahan pendingin (penyerap panas) dan pemadam busur api. Salah satu bahan isolasi yang digunakan pada peralatan tegangan tinggi tersebut adalah minyak isolasi yang berfungsi sebagai media isolasi antara kumparan dengan kumparan dan antara kumparan dengan tangki transformator pada sebuah transformator. Disamping itu minyak isolasi berfungsi sebagai bahan pendingin atau penyalur panas ke sirip sirip transformator serta sebagai pemadam busur api apabila terjadi percikan percikan dalam belitan transforamator. Adakalanya minyak transformator mengalami kenaikan temperatur di atas suhu kerjanya dan berlangsung dalam jangka waktu yang lama yaitu pada saat terjadi beban lebih, sehingga struktur kimia dari minyak isolasi akan berubah. Apabila hal ini berlangsung terus menerus maka minyak isolasi akan mengalami pemburukan. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian tentang pengaruh kenaikan temperatur minyak isolasi terhadap kekuatan dielektrik (tegangan tembus) minyak isolasi.

13 I. 2. TUJUAN PENELITIAN Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk melihat perubahan suhu terhadap kekuatan dielektrik bahan isolasi minyak Gulf, Shell Diala B, Nynas dan Total selain itu juga untuk memperoleh kurva karakteristik yang menyatakan hubungan kenaikan suhu dengan kekuatan dielektrik minyak isolasi. I. 3. METODE PENELITIAN Adapun metode atau langkah langkah yang dilakukan dalam penelitian adalah sebagai berikut : 1. Studi literatur Mengadakan studi literatur untuk memperoleh teori dan sifat sifat dasar minyak isolasi, serta memperoleh hal hal yang mengakibatkan minyak isolasi mengalami pemburukan. 2. Studi Penelitian Melakukan pengujian tegangan tembus terhadap sampel minyak isolasi dengan menggunakan peralatan yang ada di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Fakultas Teknik USU Departemen Teknik Elektro. Dimana sampel yang diambil adalah minyak transformator jenis Gulf, Nynas, Shell Diala B, dan Total. Sampel minyak isolasi yang diambil dibagi menjadi beberapa unit sampel. Setiap unit sampel dinaikkan suhunya sedemikian rupa, sehingga diperoleh unit unit sampel yang berbeda beda suhunya. Kemudian diuji tegangan tembus dari setiap unit sampel sesuai dengan metode yang digunakan dalam standart JIS. 3. Diskusi Melakukan diskusi dengan dosen dosen, dosen pembimbing dan perusahaan pengguna minyak isolasi.

14 I. 4. BATASAN MASALAH Batasan permasalahan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Hanya membahas mengenai pengaruh kenaikan suhu terhadap kekuatan dielektrik pada isolasi minyak Gulf, Shell Diala B, Nynas dan Total. 2. Lama pemanasan dibatasi sampai 100 o C. 3. Tidak membahas reaksi kimia yang terjadi pada minyak isolasi. 4. Suhu pengujian pada suhu 35 0 C.

15 BAB II MINYAK ISOLASI II.1. UMUM Bahan isolasi yang digunakan pada peralatan tegangan tinggi terdiri dari bahan isolasi padat, gas dan cair, dimana bahan bahan isolasi ini memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi dibandingkan dengan kekuatan dielektrik udara. Minyak isolasi merupakan salah satu bahan dielektrik yang mempunyai peranan penting dalam sistem kelistrikan, khususnya dalam bidang peralatan teknik tegangan tinggi. Pada bagian ini akan diuraikan tentang bahan dasar pembuatan minyak isolasi, medan elektrik, mekanisme kegagalan isolasi, jenis jenis minyak isolasi, kekuatan dielekrik minyak isolasi, penggunaan minyak isolasi, persyaratan persyaratan umum bagi minyak isolasi yang digunakan dalam peralatan listrik tegangan tinggi, proses dasar ionisaisi dan medan dielektrik. II.1.1. Bahan Dasar Pembuatan Minyak Transformator Bahan dasar untuk pembuatan minyak transformator berasal dari minyak mentah (crude oil). Untuk mendapatkan kualitas dielektrik yang baik maka, pabrik pabrik pembuat minyak transformator menambahkan zat zat tertentu ke bahan tersebut. Berikut ini akan dijelaskan secara umum pembuatan minyak transformator, mulai dari minyak mentah sampai didapat unsur yang mempunyai sifat sebagai bahan isolasi. Minyak mentah yang ditambang masih bercampur dengan air, gas dan unsur unsur lainnya. Kandungan gas tersebut akan dibuang

16 melalui pipa tertentu dengan jarak yang cukup aman pada pabrik pengolahanya. Sedangkan lumpur dan air tadi masih mengandung bahan padat yaitu tanah liat, pasir dan unsur unsur lain, yang mana pemisahannya dilakukan di sekitar pemboran. Selanjutnya cairan ini disalurkan ke kilang kilang untuk disuling dengan bahan yang dibutuhkan. Klasifikasi hidrokarbon yang diperoleh dari minyak mentah ini dapat dibagi dalam 3 (tiga) tingkatan yaitu : 1. Paraffin, dengan rumus kimia C n H 2n+2 2. Napthen, dengan rumus kimia C n H 2n 3. Aromatik, dengan rumus kimia C n H n Dalam minyak mentah, ketiga tingkatan di atas berbeda fungsinya pada setiap unsur. Selanjutnya proses penyulingan juga akan berbeda sebagai produksi utama yang akan dihasilkan. Neptana adalah sebagai bahan dasar dalam pembuatan minyak transformator, minyak pelumas, minyak hidrolik, bahan kosmetik, keperluan farmasi dan lain sebagainya. II.2. MEKANISME KEGAGALAN ISOLASI CAIR Jika suatu tegangan dikenakan terhadap dua elektroda yang dicelupkan kedalam cairan (isolasi) maka terlihat adanya konduksi arus yang kecil. Jika tegangan dinaikkan secara kontinyu maka pada titik kritis tertentu akan terjadi lucutan diantara kedua elektroda. Lucutan dalam zat cair ini akan terdiri dari unsur unsur sebagai berikut : 1. Aliran listrik yang besarnya ditentukan oleh karakteristik rangkaian 2. Lintasan cahaya yang cerah dari elektroda yang satu ke elektroda yang lain. 3. Terjadi gelembung gas dan butir butir zat padat hasil dekomposisi zat cair

17 4. Terjadi lubang pada elektroda II.2.1. Kegagalan Elektronik Pada Zat Cair Karena dianggap zat cair berkelakuan seperti gas, maka supaya terjadi kegagalan diperlukan elektron awal yang dimasukkan dalam zat cair. Elektron awal inilah yang akan memulai proses kegagalan. Walaupun kuat medannya cukup besar, tetapi jika tidak terdapat elektron awal maka tidak akan terjadi kegagalan. Jika diantara elektroda diterapkan suatu kuat medan yang kuat, sedangkan pada elektroda terdapat permukaan yang tidak rata (runcing), maka kuat medan yang terbesar terdapat pada daerah atau bagian yang runcing tersebut. Kuat medan maksimum tersebut akan mengeluarkan elekron e 1 yang akan memulai terbentuknya banjiran elektron. Dalam teori kegagalan elektronik dianggap bahwa elektron elektron tertentu akan memperoleh energi dari medan yang lebih besar dari pada energi yang hilang karena benturan dengan molekul molekul. Perolehan (gain) ini digunakan untuk mengionisasi molekul karena benturan dan mengawali banjiran. Elektron elektron yang dihasilkan, yaitu e 1, e 2, e 3.. e n, kemudian akan menyebabkan timbulnya arus konduksi dalam zat cair pada kuat medan tinggi. Menurut Schottky arus yang timbul tersebut mempunyai kerapatan sebesar: J 4,4. E T 2 = J. e. ( A/ cm )...(2 1) t J t φ kt 2 = AT e...(2 2) Dengan : E = M. E a...(2 3)

18 Dimana : J = kerapatan arus konduksi J t = karapatan arus termionik Ea = kuat medan yang diterapkan M = Faktor ketidakrataan permukaan = 10 untuk permukaan halus Persamaan (2 2) menunjukan bahwa arus sangat tergantung pada suhu. Namun menurut percobaan kegagalan ternyata kegagalan sedikit terpengaruh oleh suhu. Ini menunjukan bahwa proses katodanya adalah proses emisi medan dan bukan proses emisi termionik. Kondisi untuk memungkinkan terjadinya banjiran elektron, diperoleh dengan menyamakan perolehan energi elektron yang menempuh lintasan bebas rata-rata. U 1 = F.λ...(2 4) = e.e. λ...(2 5) dengan energi yang diperlukan untuk mengionisasi molekul U2 = c.hν.....(2 6) Dimana : E = medan yang diterapkan λ hν = lintasan bebas rata-rata = catu (kuantum) energi yang diperlukan untuk mengionisasi molekul c = konstanta II.3. JENIS JENIS MINYAK ISOLASI

19 Minyak isolasi terdiri dari bebrapa jenis, baik dari segi pembuatanya maupun dari jenis bahannya. Pembagian dari jenis minyak isolasi ditentukan berdasarkan bahan dan cara pembuatanya. Pada saat ini minyak isolasi yang sering digunakan adalah : - Minyak isolasi mineral - Minyak isolasi sintesis II.3.1 Minyak Isolasi Mineral Minyak isolasi mineral adalah minyak isolasi yang bahan dasarnya adalah dari minyak bumi (minyak mentah) yang diproses dengan cara destilasi. Minyak isolasi hasil destilasi ini masih harus dimodifikasi agar tahanan isolasinya tinggi, stabilitas panasnya baik, dan mempunyai karakteristik panas yang stabil serta memenuhi syarat syarat teknis yang lain. Minyak isolasi mineral banyak digunakan pada transformator daya, kabel, pemutus tenaga (CB), dan kapasitor. Dalam hal ini minyak isolasi dapat berfungsi sebagai bahan dielektrik, sebagai bahan pendingin (penyerap panas) dan sebagai pemadam busur api. II.3.2 Minyak Isolasi Sintesis Penggunaan minyak isolasi mineral masih mengalami keterbatasan keterbatasan, karena sifatnya yang mudah beroksidasi dengan udara, mengalami pemburukan yang cepat dan sifat kimianya dapat berubah akibat kenaikan temperatur yang terjadi akibat pemadaman busur api atau saat peralatan beroperasi. Penggunaan minyak isolasi sintesis untuk masa yang akan datang diharapkan dapat menutupi keterbatasan keterbatasan dari minyak isolasi

20 mineral di atas. Oleh karena itu saat ini sangat banyak dikembangkan penelitian penelitian tentang kemungkinan pemakaian dari beberapa jenis pemakaian isolasi sintesis pada peralatan tegangan tinggi. Minyak isolasi sintesis adalah jenis minyak isolasi yang diolah dengan proses kimia yang tepat untuk mendapatkan karakteristik yang lebih baik dan digunakan pada pemakaian yang lebih khusus. Sifat sifat penting dari minyak isolasi sintesis bila dibandingkan dengan minyak isolasi mineral adalah : 1. Kekuatan dielektriknya di atas 40 kv 2. Harganya murah, sukar terbakar dan tidak mengendap 3. Berat jenisnya adalah 1,56 dan jika bercampur dengan air, minyak isolasi berada di bawah permukaan air, sehingga mempermudah dalam proses pemisahan dan pemurnian kadar air dalam minyak. 4. Mempunyai daya hantar panas yang sama dengan minyak isolasi mineral. 5. Untuk kondisi pemakaian yang sama dengan minyak mineral, uap lembab akan menyebabkan oksidasi yang lebih pada minyak isolasi sintesis dan penurunan kekuatan dielektriknya lebih cepat dibandingkan dengan minyak isolasi mineral. Tetapi karena umurnya panjang dan sifat pendinginanya lebih baik, maka pada beberapa pemakaian minyak isolasi sintesis banyak digunakan. 1. Askeral Askeral adalah minyak isolasi sintesis yang tidak mudah terbakar apabila terjadi percikan api dan tidak menghasilkan gas yang mudah terbakar. Salah satu jenis askeral yang banyak digunakan adalah dari jenis clorinated hydrokarbon.

21 Chlorinated hydrokarbon adalah hasil senyawa hydrokarbon seperti benzene (C 6 H 6 ) dan diphenyl (C 6 H 5 - C 6 H 5 ) dengan atom clor(cl) pada suhu tinggi sehingga sebagian atom hydrogen digantikan oleh atom clor. Kelebihan kelebihan dari minyak ini adalah : a. Mempunyai kekuatan dielektrik yang lebih tinggi b. Mempunyai sifat thermal, sifat kimia dan sifat listrik yang stabil Tetapi disamping itu askeral ini mempunyai kekurangan yaitu apabila terjadi percikan api dapat menghasilkan asam klorida (HCL) yang bersifat korosif pada logam. 2. Silikon Cair ( Silicon Liquids) Minyak isolasi silikon cair adalah campuran dari atom silikon (Si) dan oksigen (O 2 ) dengan bahan organik seperti methyl dan phenyl. Minyak isolasi silikon sebagai bahan isolasi cair mempunyai ketahanan yang baik terhadap temperatur yang tinggi yaitu sekitar C, mempunyai permitifitas yang rendah (2,20 2,27) dan juga tahan terhadap tegangan dengan frekwensi yang tinggi hingga 1 MHz. Oleh karena sifat dielektrik tersebut di atas, silikon cair digunakan pada peralatan radar, penerbangan dan transformator radio. Silikon cair juga digunakan untuk isolator keramik dengan tujuan memperbesar tahanan permukaan isolator. Kekurangan dari silikon cair adalah menghasilkan gas yang banyak apabila terjadi percikan api yang akan menurunkan kekuatan dielektriknya. Disamping itu jenis minyak ini relatif mahal sehingga jarang digunakan untuk transformator daya yang besar.

22 3. Fluorinasi Cair (Fluorinated Liquids) Jenis minyak ini adalah jenis minyak isolasi yang bahan dasarnya adalah senyawa organik yang sebagian atom karbonya telah digantikan oleh atom Fluor (F). Dalam beberapa tahun ini telah dikembangkan beberapa senyawa Fluor organik, contohnya : (C 4 H 9 ) 3 N dan (C 4 F 9 ) 2 O. Cairan ini mempunyai sifat kimia yang sangat stabil dan dapat digunakan secara kontiniutas pada suhu C dan bahkan lebih. Secara umum karakteristik listrik dari minyak isolasi ini adalah : - Tg δ tidak lebih dari 0, Resistifitas berkisar antara Ω cm - Konstanta dielektrik 1,77 1,86 Cairan fluor organik mempunyai transfer panas yang lebih baik dari minyak isolasi tambang dan juga dari minyak isolasi silikon. Penggunaan minyak isolasi ini adalah pada peralatan elektronika dan transformator elektronik. Kekurangan dari minyak isolasi ini adalah penurunan sifat sifat dielektriknya yang disebabkan kandungan uap air dan mempunyai sifat mudah menguap. Minyak fluorinated mempunyai harga yang relatif lebih mahal dibandingkan dengan minyak mineral. 4. Ester Sintesis dan Hydrocarbon Jenis minyak ini adalah minyak isolasi cair yang diolah sedemikian rupa dari minyak parafin untuk mendapatkan karakteristik elektrik yang lebih baik. Sehingga didapatkan sifat sifat seperti di bawah ini : - mempunyai sifat thermal yang lebih stabil - tidak mudah terbakar

23 - dapat digunakan di atas suhu 300 o C Ester yang digunakan dalam kelistrikan adalah terbuat dari proses kimia yang lebih bersih seperti: pentaerythrinol dan asam heptanoic. Hasil dari esterifikasi adalah minyak putih yang mempunyai struktur molekul yang simetris dan terbebas dari kandungan ionic, sehingga mempunyai karakteristik listrik yang lebih baik. II.4. KEKUATAN DIELEKTRIK MINYAK ISOLASI Sifat sifat listrik dari minyak isolasi yang perlu diketahui adalah dielektrik, konduktansi, rugi rugi dielektrik, tahanan isolasi dan pelepasan muatan sebagian. Sifat sifat listrik dari minyak isolasi yang akan diuraikan pada tulisan ini adalah kekuatan dielektrik minyak isolasi. Kekuatan dielektrik minyak isolasi adalah kuat medan maksimum (medan listrik) yang dapat dipikul oleh minyak isolasi tersebut. Besarnya kekuatan dielektrik minyak isolasi biasanya sekitar 100 sampai 200 KV/cm. Peristiwa kegagalan minyak isolasi melaksanakan fungsinya sebagai bahan dielektrik disebut tembus listrik (breakdown). Peristiwa tembus listrik ini terjadi bila kuat medan yang dipikul melebihi kekuatan dielektriknya. Breakdown terjadi jika : E D > E C Dimana : E D = kuat medan yang dipikul isolator E C = kekuatan dielektrik isolator Pemanasan atau kenaikan temperatur minyak isolasi, terjadi bila panas yang timbul lebih besar dari panas yang didisipasikannya, maka temperatur minyak isolasi akan naik. Apabila hal ini berlangsung terus menerus, maka dapat

24 mengakibatkan struktur kimia minyak isolasi tersebut berubah. Dengan berubahnya struktur kimia minyak isolasi tersebut, kekuatan dielektrik minyak isolasi juga akan berubah. Jadi kekuatan dielektrik minyak isolasi tergantung kepada kenaikan suhu dielektriknya, oleh karena itu sangat penting dilakukan pengujian secara teratur tentang kekuatan dielektrik minyak isolasi untuk menghindarkan kegagalan suatu bahan dielektrik yang digunakan pada peralatan listrik. Dalam suatu pengujian kekuatan dielektrik minyak isolasi tergantung kepada : 1. Bahan dan bentuk elektroda penguji minyak isolasi tersebut 2. Jarak sela elektroda penguji 3. Kadar gas N 2 dan O 2 dalam minyak isolasi tersebut. II.5. PENGGUNAAN MINYAK ISOLASI Minyak isolasi secara umum digunakan pada peralatan tegangan tinggi sebagai bahan dielektrik, bahan pendingin dan bahan pemadam busur api. Berikut ini akan diuraikan penggunaan minyak isolasi pada beberapa peralatan peralatan tegangan tinggi antara lain: a. Transformator daya Penggunaan transformator daya dalam sistem tenaga listrik memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dengan kebutuhan dan ekonomis untuk tingkat tingkat keperluan, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh. Transformator memerlukan minyak isolasi sebagai bahan pengisolasian bagian bagian dari transformator seperti isolasi antar belitan, belitan dengan inti

25 dan belitan dengan badan (casing) transformator. Di samping itu juga, minyak isolasi berfungsi sebagai bahan pendingin atau menyalurkan panas ke sirip sirip transformator serta sebagai pemadam busur api apabila terjadi percikan-percikan dalam belitan transformator. b. Kapasitor Daya Kapasitas daya banyak digunakan pada peralatan peralatan tenaga listrik, baik yang berfungsi sebagai filter, perbaikan faktor daya (Cos φ) maupun untuk penyearah tegangan tinggi. Pemasangan kapasitor pada sistem tegangan listrik menimbulkan daya reaktif untuk memperbaiki faktor daya dan tegangan, karenanya menambah kapasitansi sistem dan mengurangi rugi rugi daya dan tegangan. Penggunaan minyak isolasi pada kapasitor berfungsi sebagai bahan dielektrik, sebagai pendingin dan sebagai pencegah terjadinya rongga udara di antara elektroda kapasitor. Sifat sifat yang harus dimiliki minyak isolasi pada suatu kapasitor adalah faktor daya dielektrik (Tg δ ) yang rendah, viskositas yang rendah dan sifat penyalaan yang rendah. c. Kabel Daya Penggunaan minyak isolasi pada kabel daya adalah sebagai bahan isolasi antara perisai konduktornya dengan isolasi terluarnya. Minyak isolasi juga berfungsi sebagai bahan pendingin pada kabel daya. Sifat-sifat yang harus dimiliki isolasi pada kabel daya adalah viskositas minyak isolasi harus sangat rendah, tahanan isolasi tinggi, koefisien muai yang rendah dan tidak bereaksi dengan asam atau alkali pada suhu kerja serta bebas dari kandungan gas.

26 d. Pemutus Tenaga (Circuit Breaker) Jenis pemutus tegangan yang biasa dipakai dalam sistem tenaga listrik adalah jenis pemutus udara, pemutus minyak, pemutus hampa udara dan jenis pemutus gas elektronegatif (SF6). Pemadaman busur api saat bekerjanya pemutus tenaga sangat penting sekali, karena busur api tersebut dapat merusak peralatan maupun komponen komponen pemutus tenaga itu sendiri. Minyak isolasi pada pemutus tenaga berfungsi sebagai pemadam busur api tersebut. Sifat sifat yang harus dimiliki minyak isolasi pada peralatan pemutus tenaga adalah sifat penyalaan yang rendah dan tidak menimbulkan perkaratan pada peralatan. II.6. PERSYARATAN UMUM MINYAK ISOLASI YANG DIGUNAKAN PADA PERALATAN LISTRIK. Persyaratan umum minyak isolasi dapat ditemukan pada beberapa standar. Salah satu diantaranya dapat dilihat pada standar JIS Menurut JIS 2320, tegangan tembus minyak isolasi adalah 30 KV dengan sela bola 0,25 cm sehingga kekuatan dielektrik minyak isolasi tersebut adalah 30/0,25 yaitu 120 KV/cm. Adapun syarat syarat yang harus dipenuhi minyak isolasi tersebut adalah : - Kekuatan dielektrik pada suhu 20 o C. - Permitifitas relatif 2,2 2,3. - Tg δ (50 Hz) = 0,001 dan pada 1 Khz = 0, Resistifitas (em) = Kandungan air maksimum yang diijinkan = 50 ppm.

27 - Spesifikasi grafitasi pada suhu 20 o C = 0,89. - Indeks refraktif = 1,4820. II.7. PROSES DASAR IONISASI Udara yang sesungguhnya tidak hanya terdiri dari molekul molekul netral saja tetapi ada sebagian kecil daripadanya berupa ion ion dan elektron bebas. Jika di antara elektroda (Gambar 1) diterapkan suatu tegangan V, maka akan timbul suatu medan listrik E yang mempunyai besar dan arah tertentu. Di dalam medan listrik, elektrron elektron bebas akan mendapat energi yang cukup kuat. Sehingga dapat merangsang timbulnya proses ionisasi. Gambar 1. Proses Dasar Ionisasi Besarnya energi tersebut : 1 2 U = ev. =. m e. ve...(2 7) 2 Dimana : e = muatan elektron V = Beda votensial antara kedua elektroda m e = Massa elektron v e = Kecepatan elektron

28 II.7.1. Ionisasi Karena Benturan Elektron Jika gradien tegangan yang ada cukup tinggi maka jumlah elektron yang diionisasikan lebih banyak dibandingkan jumlah ion yang ditangkap menjadi molekul oksigen. Tiap tiap elektron ini kemudian akan berjalan menuju anoda secara kontinue, sambil membuat benturan benturan yang kemudian akan membebaskan lebih banyak elektron. Sebuah elektron tunggal yang dibebaskan oleh pengaruh luar akan menimbulkan banjiran elektron (Avalanche), yaitu kelompok elektron yang bertambah secara cepat dan bergerak maju meninggalkan ion positif pada lintasannya. Efektivitas ionisasi maksimum. Yang dimaksud dengan kecepatan elektron optimum adalah suatu kecepatan yang tepat untuk dapat memecahkan atom menjadi elektron dan ion. Selain itu kecepatan yang optimum ini harus sering terjadi supaya bila gerakan yang pertama tidak dapat membentur atom, maka gerakan yang berikutnya diharapkan dapat membentur atom dan membebaskan elektron dari padanya. II.7.2. Proses Proses Katoda Katoda memegang peranan sangat penting dalam lucutan karena katoda berfungsi menyediakan elektron untuk (a).mengawali, (b).mempertahankan dan (c).menyelesaikan lucutan. Dalam keadaan normal elektron elektron dicegah meninggalkan katoda padat oleh gaya gaya elektrostatik. Untuk mangatasi gaya gaya ini diperlukan sejumlah energi catu (quantum) minimum, yang mengait dengan suatu potensial yang dinamakan fungsi kerja (work function). Fungsi ini tergantung dari bahan katoda. Ada beberapa cara untuk menyediakan energi guna membebaskan elektron dari katoda.

29 a) Emisi fotoelektrik Foton yang menyinari permukaan katoda dengan energi hv yang melebihi fungsi kerja dapat mengeluarkan elektron dari permukaan tersebut. b) Emisi elektron karena dampak ionisasi Elektron dapat dikeluarkan dari permukaan logam katoda dengan menghujaninya dengan ion positif atau atom atom metastabil. Untuk memungkinkan pengeluaran (emisi.emission) elektron sekunder ion yang membentur katoda harus membebaskan dua elektron. Satu diantaranya digunakan untuk menetralkan muatan ion. c) Emisi termionik Pada logam dengan suhu tinggi elektron elektron konduksi yang ada di dekat permukaan mungkin memiliki energi yang cukup besar untuk mengatasi penghalang energi potensial yang ada dipermukaan dan karena itu dapat dikeluarkan dari logam tersebut. Penghalang (barrier) potensial itu dinamakan fungsi kerja permukaan (Ǿ). Elektron elektron tersebut menerima energinya dari getaran kisi kisi (lattice) termal dalam zat padat pada suhu tinggi. Untuk memungkinkan emisi termionik diperlukan suhu logam antara K. d) Emisi medan Elektron dapat pula dikeluarkan dari permukaan logam oleh medan elektrostatik yang sangat kuat. Untuk menghasilkan arus emisi beberapa mikro ampere diperlukan medan sebesar V/cm yang bekerja pada logam dengan fungsi kerja 4,5. Medan sebesar ini terjadi pada kawat - kawat halus.

30 Ujung ujung tajam, dan sebagainya dengan tegangan terapan cukup rendah 2 5 kv. II.8. MEDAN DIELEKTRIK Suatu dielektrik tidak mempunyai elektron elektron bebas, melainkan elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Pada Gambar 2 di bawah ini ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda di beri tegangan searah V, maka timbul medan dilektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberikan gaya kepada elektron elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu bahan yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor. Gambar 2. Medan Elektrik dalam Dielektrik Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik, setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik. Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama. Maka isolator akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik disebut tembus listrik atau breakdown.

31 Terpaan elektrik yang tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik memiliki kekuatan dielektrik Ek, maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah < Ek. Pada penerapan tegangan kekuatan dielektrik didefinisikan sebagai gradien potensial dalam volt/cm yang merupakan perbandingan tegangan yang menyebabkan kerusakan atau kegagalan pada dielektrik V dengan tebal isolasi d yang memisahkan antara elektroda dapat di lihat pada persamaan berikut ini : Dimana : V E = ( kv / cm)...(2 8) d E = Kuat medan listrik yang dapat ditahan oleh material isolasi V = Tegangan maksimum yang tercatat pada alat ukur d = Tebal isolasi

32 BAB III PEMBURUKAN MINYAK ISOLASI III.1. UMUM Untuk mengetahui pemburukan suatu bahan isolasi perlu diketahui sifatsifat listrik bahan isolasi tersebut. Minyak isolasi merupakan suatu bahan isolasi yang sukar diketahui sifat listriknya. Tetapi sifat pemburukan minyak isolasi kelihatan sekali pada minyak isolasi yang berasal dari bahan tambang (minyak isolasi mineral), terutama bila dipakai sendiri atau tanpa campuran bahan isolasi lain. Pada bagian ini akan dijelaskan tentang : Syarat syarat yang harus dimiliki oleh minyak isolasi, faktor faktor yang menimbulkan pemburukan pada minyak isolasi, pengaruh pemanasan terhadap tegangan tembus minyak isolasi, terhadap konduktifitas minyak isolasi dan terhadap viskositas minyak isolasi. III.1.1 Syarat syarat yang harus dimiliki oleh suatu minyak isolasi Minyak transformator yang mempunyai 2 fungsi utama yaitu sebagai media isolasi dan media pendingin memerlukan syarat syarat tertentu sebagai berikut : a. Kejernihan (Appearance) Minyak isolasi tidak mengandung suspensi atau endapan (Sedimen) b. Massa jenis (Density) Massa jenis dibatasi dan air dapat terpisah dari minyak isolasi dan tidak melayang. Hal ini sangat membantu dalam mempertahankan homogenitas minyak isolasi.

33 c. Viskositas Kinematik (Kinematic Viscosity) Viskositas memegang peranan dalam pendinginan, dipergunakan untuk menentukan kelas minyak dan kurang dipengaruhi oleh kontaminasi atau kerusakan minyak. d. Titik Nyala (Flash Point) Titik nyala yang rendah menunjukan adanya kontaminasi zat yang mudah terbakar. e. Titik Tuang (Pour Point) Minyak dengan titik tuang yang rendah akan berhenti mengalir pada suhu yang rendah. Titik tuang digunakan untuk mengidentifikasi dan menentukan jenis peralatan yang akan menggunakan minyak isolasi. f. Tegangan Tembus (BreakdownVoltage) Tagangan tembus yang terlalu rendah menunjukan adanya kontaminasi seperti air, kotoran atau pertikel konduktif dalam minyak. g. Kandungan Air (Water Content) Adanya air dalam minyak isolasi akan menurunkan tegangan tembus dan tahanan jenis minyak isolasi dan juga adanya air akan mempercepat kerusakan kertas pengisolasi (insulating paper). h. Angka Kenetralan (Neutralization Number) Angka kenetralan merupakan harga yang menunjukkan penyusun asam minyak isolasi dan dapat mendeteksi kontaminasi minyak, menunjukkan kecenderungan perubahan kimia atau cacat atau indikasi perubahan kimia dalam bahan tambahan (additive). Angka kenetralan

34 dapat dipakai sebagai petunjuk umum untuk menentukan apakah minyak sudah harus diganti atau diolah. i. Faktor Kebocoran Dielektrik (Dielectric Dissipation Factor) Harga yang tinggi dari faktor ini menunjukkan adanya kontaminasi atau hasil kerusakan (deterioration product) misalnya air, hasil oksidasi, logam alkali, koloid bermuatan dan sebagainya. j. Korosi Belerang (Korosive Sulphur) Pengujian ini menunjukkan kemungkinan korosi yang dihasilkan dari adanya belerang yang tidak stabil dalam minyak isolasi. k. Tahanan Jenis (Resistivity) Tahanan jenis yang rendah menunjukkan terjadinya kontaminasi yang bersifat konduktif (conductive contaminants). l. Tegangan Permukaan (Interfacial Tension) Adanya kontaminasi dengan zat yang terlarut dan gas bebas (soluble contamination) atau hasil hasil kerusakan minyak, umumnya menurunkan nilai tegangan permukaan. Penurunan tegangan permukaan juga menurunkan indikator yang peka bagi awal kerusakan minyak. m. Kandungan Gas (Gas Content) Adanya gas terlarut dan gas bebas dalam minyak isolasi dapat digunakan untuk mengetahui kondisi transformator dalam operasi. Adanya gas seperti hidrogen (H 2 ), metana (CH 4 ), etana (C 2 H 6 ), etilen (C 2 H 4 ) dan asetilin (C 2 H 2 ) menunjukkan terjadinya dekomposisi minyak isolasi pada kondisi operasi, sedangkan adanya karbon dioksida

35 (CO 2 ) dan karbon monoksida (CO) menunjukkan kerusakan pada bahan isolasi. Ada beberapa alasan mengapa isolasi cair digunakan antara lain : 1. Pertama adalah isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi. 2. Kedua isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi. 3. Ketiga isolasi cair cenderung akan memperbaiki sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun kekurangan dari isolasi cair adalah mudah terkontaminasi. Beberapa macam faktor yang mempengaruhi kegagalan minyak transformator seperti luas daerah elektroda, jarak celah (gap spacing), pendinginan, perawatan sebelum pemakaian (elektroda dan minyak), pengaruh kekuatan dielektrik dari minyak transformator yang diukur serta kondisi pengujian.

36 III.1.2. Spesifikasi Minyak Isolasi Baru Transformator Adapun minyak transformator berfungsi dengan baik, kualitas minyak harus sesuai dengan kebutuhan. Berikut ini tabel standar SPLN 49 1 : 1982 Tabel 3.1. Spesifikasi Minyak Isolasi Baru Transformator No. Sifat Kelas 1 Kelas 2 Metode Uji Kejernihan Jernih Jernih IEC Massa Jenis 20 0 C (g/cm 3 ) 0,895 IEC 296 0,895 2 Viscositas 40 0 C (cst) IEC 296 Kinematika 15 0 C (cst) IEC Kinematika 30 0 C (cst) IEC Titik Tuang ( 0 C) -35 IEC Titik Bakar ( 0 C) 140 IEC 296A 6 Angka Kenetralan (mg KOH/gr) 0,03 IEC Korosi Belerang - Tidak IEC 296 korosi 8 Tegangan Tembus (kv/2,5 mm) IEC 296 a. Sebelum diolah b. Setelah diolah Faktor Kebocoran Dielektrik - 0,05 IEC Ketahanan Oksidasi - Angka kenetralan (mgkoh/gr) - Kotoran (%) 0,40 0,10 0,40 0,10 IEC 474 & IEC 74 III.2. FAKTOR PENYEBAB PEMBURUKAN PADA MINYAK ISOLASI Untuk mengetahui apakah suatu bahan isolasi seperti minyak isolasi telah mengalami pemburukan maka perlu dilakukan pengujian-pengujian yang sifatnya tidak merusak. Kegagalan minyak isolasi sebagai bahan dielektrik pada peralatan tegangan tinggi pada umumnya disebabkan oleh pemburukan minyak isolasi tersebut.

37 Faktor faktor yang menyebabkan memburuknya minyak isolasi adalah : a. Panas Pemanasan yang berlangsung cukup lama dan terus-menerus pada minyak isolasi akan merubah struktur kimia dari minyak isolasi, sehingga merubah sifatsifat dasarnya sebagai bahan isolasi. b. Kerusakan Karena Ionisasi Akan terjadi keruskan ionisasi jika : W = E. q.λ > W λ cair ionisasi < λ gas E air > E gas...(3 1) Dari hal di atas dapat diketahui bahwa bahan dielektrik cair dapat lebih baik dari bahan dielektrik gas (untuk beberapa jenis gas) jika tidak tercampur dengan bahan bahan lain yang merusak dielektrik cair sebagai isolasi. Karena dibutuhkan E yang sangat besar, agar W > W ionisasi, sehingga terjadi kegagalan isolasi. Adanya kuat medan yang besar dapat menyebabkan timbulnya polarisasi elektron antara kedua elektrodanya dan dapat menimbulkan kerusakan pada dielektrik cair. Adanya ketidak murnian pada bahan dielektrik cair sangat besar pengaruhnya terhadap sifat suatu bahan dielektrik (isolasi), hal ini dapat kita lihat pada minyak transformator. Jumlah uap air yang ada pada minyak transformator ternyata sangat mempengaruhi tegangan tembusnya. Dalam pengukuran minyak transformator yang terkontaminasi dengan material pengotor biasanya mempunyai tegangan gagal E Bd 0 s/d 25 kv/mm. Minyak transformator dari pemutus tenaga (CB) atau transformator yang telah

38 beberapa lama dipakai, harus diuji secara periodik (setiap 6 bulan) untuk mengetahui kemampuanya. Sedang minyak yang diuji adalah minyak bagian atas, tengah dan bawah dan diuji dengan elektroda standard pada jarak 2,5 mm. Jika E Bd > 20 kv Jika E bd < 20 kv masih baik sudah rusak c. Kontak dengan udara Kontak dengan udara akan menyebabkan minyak isolasi beroksidasi dengan udara yang menurunkan kekuatan dielektriknya. d. Partikel partikel mekanis yang merusak minyak isolasi. Partikel partikel mekanis yang merusak minyak isolasi seperti perkaratan (korosi) dan pertikel partikel yang terjadi pada bagian bagian peralatan yang diisolir sehingga terkontaminasi dengan minyak isolasi. e. Korona Percikan bunga api korona menyebabkan kadar karbon pada minyak isolasi meningkatkan dan menyebabkan gelembung-gelembung gas N 2 dan O 2 pada minyak isolasi tersebut. f. Faktor alamiah Umur yang cukup lama merupakan salah satu faktor pemburukan pada minyak isolasi, yang menurunkan kualitas dari minyak isolasi tersebut. III.3. PENGARUH PEMANASAN TERHADAP TEGANGAN TEMBUS MINYAK ISOLASI Minyak isolasi pada peralatan tegangan tinggi, seperti transformator, kabel daya, pemutus tenaga dan kapasitor daya ada kalanya mengalami kenaikan temperatur di atas temperatur kerjanya. Kenaikan temperatur akibat beban lebih terjadi apabila beban lebih tersebut berlangsung cukup lama. Pada keadaan

39 hubung singkat kenaikan temperatur terjadi akibat arus yang cukup besar yang mengakibatkan pemanasan pada minyak isolasi. Pada keadaan temperatur tertentu kadar air diserap dalam minyak isolasi dapat menguap dengan membentuk gelembung udara, sehingga kadar air semakin rendah. Kenaikan temperatur ini dapat terjadi secara perlahan lahan dan secara tiba tiba. Kenaikan temperatur secara tiba tiba dapat juga menimbulkan pemburukan, karena dapat menimbulkan gelembung gelembung gas yang dapat menyebabkan kegagalan pada minyak isolasi. Kegagalan gelembung atau kavitasi merupakan bentuk kegagalan pada minyak isolasi yang disebabkan oleh adanya gelembung gelembung gas di dalam minyak isolasi. Sebab sebab timbulnya gelembung gas ini adalah : a. Permukaan elektroda yang tidak rata, sehingga terdapat rongga atau celah udara di permukaannya. b. Adanya tabrakan yang tidak rata, sehingga terdapat rongga atau celah udara dipermukaannya. c. Penguapan minyak isolasi karena adanya percikan bunga api pada elektroda yang tajam dan tidak teratur. d. Karena perubahan suhu dan tekanan pada minyak isolasi. Kuat medan listrik dalam gelembung gas yang ada dalam minyak isolasi dinyatakan dengan persamaan : 3ε 1E0 Eb =...(3 2) 2 ε dimana : ε 1 = permitivitas minyak isolasi E 0 = medan listrik dalam minyak isolasi tanpa gelembung gas

40 Bila E b sama dengan medan batas untuk ionisasi gas, maka terjadi percikan dalam gelembung gas. Ini akan mempercepat pembentukan gelembung gas karena struktur dari minyak isolasi dan dapat mengakibatkan kegagalan pada minyak isolasi sebagai bahan isolasi. Karena pengaruh medan yang kuat di antara kedua elektroda, gelembunggelembung udara yang ada dalam minyak isolasi tersebut berubah menjadi memanjang searah dengan medan listrik seperti yang terlihat pada gambar 3.1 di bawah ini. Hal ini disebabkan karena gelembung-gelembung tersebut berusaha membuat energi potensialnya minimum. Gambar 3. Arah medan listrik dalam gelembung udara pada minyak isolasi. Gelembung gelembung yang memanjang tersebut kemudian akan saling menyambung dan membentuk jembatan yang akhirnya akan megawali terjadinya kegagalan. Untuk memperoleh kriteria kegagalan volume gelembung selama berubah menjadi memanjang dianggap konstan dan kekuatan gagal medan gelembung tersebut adalah : = 1 2πσ (2ε 1 + ε 2 ) π Vb Eb ε 1 1 ε 2 r 4 2rE0...(3 3) di mana σ = tegangan permukaan (kapilaritas) minyak isolasi ε 1 = permitivitas minyak isolasi

41 ε 2 = permitivitas gelembung udara r = jari-jari awal gelembung (dianggap seperti bola) V b = jatuh tegangan dalam gelembung Persamaan (3 3) di atas menunjukkan bahwa fungsi tersebut adalah implisit dan sangat dipengaruhi oleh jari-jari awal gelembung (r). Oleh karena r adalah fungsi dari tekanan dan suhu luar minyak isolasi, maka variasi dari beberapa parameter dengan temperatur harus diketahui seperti viskositas, tegangan permukaan dan berat jenis untuk menentukan pengaruh temperatur terhadap tegangan tembus minyak isolasi. Jika viskositas turun, elektrokonveksi dapat mempercepat kerusakan atau kemacetan minyak isolasi yang digunakan. Ini merupakan ciri dari viskositas minyak isolasi yang turun dengan naiknya temperatur sehingga menimbulkan formasi gelembung. Gelembung gelembung tersebut kemudian akan bertambah besar karena energi lepas yang diberikan dan mungkin diameter gelembung tersebut bertambah besar serta menghasilkan gelembung lainnya. Gelembunggelembung yang terjadi dalam minyak isolasi khususnya berdiameter 50 µ m atau lebih dan batas tekanan internal bergerak sampai 4 bar. III.4. PENGARUH PEMANASAN TERHADAP KONDUKTIVITAS MINYAK ISOLASI Konduktivitas minyak isolasi adalah daya hantar listrik minyak isolasi tersebut, yang juga merupakan tingkat kemurnian dari minyak isolasi tersebut. Konduktifitas minyak isolasi sangat tergantung kepada kuat medan, suhu dan pengotoran minyak isolasi. Besar konduktifitas minyak isolasi diakibatkan oleh

42 pergerakan ion dan berkisar antara S/cm untuk kandungan air ppm. Konduktifitas minyak isolasi ( γ ) tergantung kepada konsentrasi ion-ion penyusunnya dan menentukan besarnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini : γ = n q ( k + k + )...(3 3) 0 Dimana : n 0 = jumlah ion berpasangan per cm 3 q = muatan ion k + = mobilitas ion positif k - = mobilitas ion negatif Mobilitas dari ion positif dan ion negatif tidak seimbang, dimana bergantung kepada perbedaan massanya. Ciri karakteristik dari konduktifitas ionik minyak isolasi adalah mengalami kenaikan yang tajam dengan kenaikan temperatur. Hal ini merupakan hasil pergerakan ion yang lebih besar dan mobilitas ion yang lebih tinggi dengan kenaikan temperatur. Jika diperkirakan kedua mobilitas ion sama dengan kenaikan temperatur, maka besar konduktifitas ionik dalam minyak isolasi dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini : 1 γ = ohm cm...(3 4) Ae T a 2 2 nq l f A =...(3 5) 6kT a = w/k

43 dimana : n = jumlah total ion per cm 3 l = jarak antara partikel dalam minyak isolasi f = frekwensi alamiah getaran partikel k = konstanta Boltzmann T = temperatur mutlak w = energi aktivasi dengan menggunakan persamaan (3-4) dan (3-5) sering ditulis dalam bentuk logaritma, yakni : 1n γ = 1n A a/t...(3 6) Dengan menggunakan persamaan (3-6), kita lebih mudah untuk menentukan hubungan antara resistifitas sebagai fungsi temperatur. Hal ini dinyatakan dengan persamaan di bawah ini : a T ρ = A'e...(3 7) Dan Ln ρ = ln A + a/t...(3 8) Secara umum untuk interval temperature yang relative pendek resistifitas minyak isolasi dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini : ρ t = ρ o. e -α t...(3 9) dimana : ρ t = resistifitas pada suhu t o C ρ t = resistifitas pada temperatur awal α = koefisien dielektrik

44 III.5. PENGARUH PEMANASAN TERHADAP VISKOSITAS MINYAK ISOLASI Viskositas minyak isolasi dinyatakan dengan kemampuan daya alirnya atau kemampuan untuk mendisipasikan panas yang terjadi pada peralatan. Seperti pada transformator, kapasitor daya, kabel daya dan pemutus tenaga digunakan minyak isolasi yang mempunyai viskositas yang rendah, agar aliran atau sirkulasi minyak dapat mengisi celah atau rongga udara yang ada pada peralatan tersebut. Pengaruh pemanasan terhadap viskositas minyak isolasi adalah, dengan naiknya temperatur maka viskositas minyak isolasi akan turun. Tetapi kenaikan temperatur ini mempunyai batas tertentu yang diijinkan, sehingga peralatan tidak mengalami gangguan. Jika viskositas turun, pendisipasian panas secara konveksi alamiah akan mempercepat pemburukan minyak isolasi atau kemacetan minyak isolasi yang digunakan. Ini merupakan ciri minyak isolasi, jika temperatur naik maka tegangan permukaan (kapilaritas) minyak isolasi akan turun yang akan mempengaruhi viskositasnya, sehingga dapat menimbulkan formasi gelembung. Pada saat temperatur minyak isolasi mengalami kenaikan, maka konduktifitas minyak isolasi juga akan mengalami kenaikan karena mobilitas ionion akan lebih besar dicapai oleh partikel partikel pada minyak isolasi hasil dari penurunan viskositas minyak isolasi tersebut.

45

46 BAB IV PENGUJIAN TEGANGAN TEMBUS (V BD ) MINYAK ISOLASI TRANSFORMATOR MEREK GULF, NYNAS, SHELL DIALA B, DAN TOTAL SEBAGAI FUNGSI DARI LAMA PEMANASAN IV. 1. UMUM Untuk mengetahui bagaimana pengaruh kenaikan suhu terhadap kekuatan dielektrik minyak isolasi maka, dilakukan pengujian tegangan tembus minyak isolasi sebagai fungsi kenaikan suhu yang dilakukan di Laboratrium Teknik Tegangan Tinggi USU. Sebagai sampel yang diambil adalah minyak isolasi Gulf, Nynas, Shell Diala B, dan Total. Cara yang dilakukan dalam pegujian tegangan tembus minyak isolasi sebagai fungsi kenaikan suhu ini adalah sesuai dengan metode pengujian yang dilakukan pada standart JIS. Pada bagian ini akan diuraikan tentang peralatan yang digunakan, prosedur pengujian, data hasil pengujian, dan analisis data hasil pengujian. IV. 2. PERALATAN PENGUJIAN Dalam pengujian ini peralatan yang digunakan adalah perlatan peralatan yang ada di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Peralatan tersebut antara lain : 1. Hight Voltage Test Set Model ET 51D - Input (Primer) = 220 V - Out put (Sekunder) = V