Studi Unjuk Kerja Isolator Porselen Terpolusi pada Berbagai Kondisi Lingkungan dan Simulasi Flashover pada Spesimen Porselen

Transkripsi

1 Studi Unjuk Kerja solator Porselen Terpolusi pada Berbagai Kondisi Lingkungan dan Simulasi Flashover pada Spesimen Porselen Zivion O Silalahi, Dr. r. Parouli M. Pakpahan bstrak-- Pada Tugas khir ini dilakukan penelitian untuk mengetahui unjuk kerja isolator porselen melalui analisis terhadap arus boor yang terjadi pada permukaan isolator tersebut. Pengujian dilakukan pada tegangan tinggi dengan variabel tekanan dan kelembaban yang berubah-ubah. Pengujian juga dilakukan pada isolator dengan kondisi bersih dan kondisi terpolutan dengan kadar pengotoran yang berbeda-beda mengau pada standar pengujian C 7. nalisis yang dilakukan meliputi nilai maksimum, nilai THD komponen harmonik, dan sifat kapasitif arus boor di permukaan isolator pada berbagai kondisi lingkungan dan tingkat pengotoran. Selain itu juga dilakukan simulasi seara eksperimental dan numerik untuk mempelajari arus boor dan tegangan sesaat sebelum terjadinya flashover. Penelitian dilakukan terhadap spesimen berbahan porselen dengan berbagai kondisi pengotoran untuk memperoleh data arus dan tegangan pada saat terjadinya flashover. Hasil yang diperoleh kemudian dianalisis seara numerik dengan menggunakan teori medan elektromagnetik dan model Obenaus. Kata Kuni arus boor, flashover, isolator, porselen, polutan.. PNDHULUN Perkembangan zaman telah mengakibatkan meningkatnya kebutuhan masyarakat dan pabrik atau industri terhadap tenaga listrik. Dengan meningkatnya kebutuhan tenaga listrik tersebut diperlukan suatu sistem tenaga listrik yang handal. Dalam menyalurkan tenaga listrik dari pusat pembangkit sampai ke konsumen memerlukan suatu sarana pengangkutan, yaitu berupa sistem transmisi dan sistem distribusi. Salah satu faktor yang menentukan keandalan system transmisi atau distribusi adalah isolator. solator adalah material isolasi yang diranang untuk memisahkan konduktor bertegangan dari konduktor atau objek lainnya. Permasalahan kegagalan isolasi sebagai akibat pengotoran dan kondisi lingkungan, telah menjadi bahan penelitian di berbagai negara. Penelitian- penelitian tersebut umumnya memakai arus boor sebagai indikator unjuk kerja isolator. Di ndonesia, isolator keramik banyak digunakan untuk penyaluran daya listrik baik untuk kebutuhan masyarakat maupun pada daerah industri. Karakteristik lingkungan di ndonesia yang memiliki kelembaban, urah hujan, dan suhu tinggi, disertai kehadiran polutan yang bervariasi (seperti pada daerah pantai, geothermal, dan industri) tentunya merupakan penyebab yang sangat penting dalam mempengaruhi unjuk kerja isolator pasangan luar. Kondisi udara yang lembab akan menyebabkan timbulnya lapisan air pada permukaan isolator, dan dengan kehadiran kontaminan, akan timbul arus boor dan flashover yang dapat menyebabkan kegagalan isolasi. Penelitian dilakuakn di laboratorium untuk menguji unjuk kerja isolator berbahan dasar keramik pada kondisi lingkungan yang berbeda-beda. Pengujian dilakukan pada tegangan tinggi dengan variabel tekanan dan kelembaban yang berubah-ubah. Pengujian juga dilakukan pada kondisi bersih dan kondisi terpolutan dengan kadar pengotoran yang berbeda-beda mengau pada standar pengujian tertentu. Unjuk kerja isolator tersebut kemudian dinilai dengan mengamati dan menganalisis karakteristik arus boor yang terjadi pada permukaan isolator, meliputi nilai maksimum, spektrum harmonisa dan sifat kapasitif arus boor tersebut pada berbagai kondisi lingkungan. Selain itu, dilakukan juga simulasi seara eksperimental dan numerik untuk mempelajari sifat arus boor sesaat sebelum terjadinya flashover. Simulasi dilakukan dengan dengan mempergunakan bentuk spesimen sederhana, yaitu dengan bentuk bidang datar empat persegi panjang pada berbagai tingkat pengotoran.. PNGUJN DN MTOD NLSS Pengujian dilakukan di Laboratorium Teknik Tegangan dan arus Tinggi nstitut Teknologi Bandung (Lab. TTT TB) dengan mengau pada standar C 7. Untuk pengaturan kondisi lingkungan digunakan ruang uji (test hamber) yang dapat diatur suhu dan kelembabannya. solator yang digunakan berbahan keramik dan tersedia dalam bentuk, yaitu piringan dan spesimen yang berbentuk persegi panjang berukuran 31. solator diuji pada kondisi bersih dan terpolutan dengan berbagai maam tingkat pengotoran. Pengujian dilakukan dengan mengaplikasikan tegangan tinggi pada ujung-ujung terminal isolator. Kondisi ruangan diatur dalam hamber sesuai kondisi yang diinginkan. Data pengujian diperoleh dengan menggunakan osiloskop digital yang terkoneksi ke komputer. Gambar 1 menunjukkan skema rangkaian pengujian. Gambar 1. Skema rangkaian pengujian kadar garam yang dilarutkan. Dengan meningkatnya kadar garam, maka konduktivitas polutan akan meningkat pula, seperti yang ditunjukkan pada gambar :

2 Pada pengujian ini dipilih beberapa jenis komposisi garam yang dilarutkan di dalam air dan kaolin untuk pengujian. Tabel 1 Jenis-jenis polutan yang digunakan dalam pengujian No NaCl (gr) σ (ms/) Penggunaan Pengujian isolator piringan 8.84 Pengujian isolator piringan Pengujian isolator spesimen Pengujian isolator spesimen LD L ar jarak kebooran panjang busur disharge Data yang diperoleh pada perobaan ini digunakan untuk menganalisis unjuk kerja arus boor terhadap perubahan kondisi limgkungan di dalam hamber. Unjuk kerja arus boor tersebut dinilai dengan mengamati besar keilnya harmonik gelombang arus boor tersebut. Dari karakteristik tersebut kemudian dapat ditentukan komponen-komponen harmonik yang paling dominan dalam pembentukan gelombang arus boor. Selain dengan nilai harmonik gelombang, unjuk kerja isolator juga ditentukan dengan mengamati perubahan nilai maksimum arus boor dan sifat kapasitifnya pada berbagai kondisi lingkungan. Pengujian dengan spesimen keramik bertujuan untuk menganalisis karakteristik medan listrik dan rapat arus di permukaan isolator pada saat terjadinya flashover. Penggunaan spesimen bertujuan agar analisis yang medan listrik yang dilakukan lebih mudah karena bentuk isolator yang lebih sederhana dibandingkan dengan isolator piringan. Pada pengujian ini, jarak antara kedua elektroda dibuat lebih dekat, yaitu dengan tujuan agar flashover terjadi pada tegangn yang tidak terlalu tinggi, sehingga aman untuk peralatanperalatan pengujian. Gambar 3. Gambar skematik isolator terpolusi dengan pita kering. PNGUJN DN NLSS.1 Pengaruh Suhu Terhadap Unjuk Kerja solator Dari hasil pengujian diperoleh gambar tegangan uji, arus boor serta spektrum harmonisa arus boor seperti yang tampak pada gambar di bawah: TM (ms) v (k) (m) Gambar 4a. Gelombang arus boor dan tegangan uji pada pengujian isolator bersih pada suhu 4 C F (Hz) Gambar. Spesimen keramik yang digunakan dalam pengujian Khusus untuk pengotoran tidak merata, analisis arus boor dan tegangan flashover juga dilakukan dengan mengguanakan pemodelan Obenaus untuk pengotoran isolator seara tidak merata. Pada model ini, disharge mewakili busur api yang menghubungkan pita kering, dan resistansi mewakili bagian yang tidak terhubung oleh busur api pada isolator. Persamaan yang diturunkan untuk gradien tegangan kritis ( ) dan arus kritis ( ) adalah: ( 1/( a+ 1)) ( a /( a+ 1)) N R.. 1 p (1/ a+ 1) ( N / R p ). Dimana R p R pol /(LD-L ar ), resistansi permukaan uniform per satuan panjang dari lapisan polutan. N konstanta kontak a konstanta eksponen busur api resistansi seri permukaan terpolusi R poln Gbr 4b. Spektrum harmonisa arus boor pengujian isolator bersih pada suhu 4 C. Data-data yang diperoleh kemudian diolah ke bentuk grafik sebagai berikut: polutan 1 polutan Gambar Grafik pengaruh suhu dan arus boor maksimum dengan tiga tingkat pengotoran Seara umum, arus boor yang munul pada permukaan isolator terpolusi akan lebih besar dibandingkan dengan pada isolator yang bersih. Semakin tingginya tingkat

3 pengotoran juga menyebabkan peningkatan nilai arus boor. Gradien kenaikan nilai arus boor terhadap peningkatan suhu yang paling besar terdapat pada isolator dengan pengotoran yang tinggi. Peningkatan arus boor pada pengujian disebabkan oleh sifat konduktif polutan yang terdapat pada permukaan isolator pada setiap kenaikan suhu. Pada kondisi ini, jumlah elektron yang mengalir pada permukaan isolator akan semakin banyak sehingga menyebabkan nilai arus akan meningkat TM (ms) v (k) (m) Gbr 8a. rus boor dan tegangan uji pada pengujian isolator terpolusi (σ 1.89 ms/) pada kelembaban 99% pol utan 1 pol utan Gambar 6 Grafik pengaruh suhu terhadap THD arus boor dengan tiga tingkat pengotoran Hubungan THD dengan tingkat pengotoran isolator dapat dilihat pada gambar di atas. Pada grafik tersebut, tampak bahwa nilai THD dari arus boor pada kondisi bersih lebih tinggi dibandingkan dengan isolator pada kodisi terpolusi. Hal ini menyatakan bahwa dengan pengotoran pada permukaan isolator, arus boor yang mengalir akan memiliki komponen harmonik yang lebih sedikit dibandingkan dengan arus boor pada permukaan isolator yang bersih F (Hz) Gbr 8b. Spektrum harmonisa arus boor pengujian isolator terpolusi (σ 1.89 ms/) pada kelembaban 99%. Data-data yang diperoleh kemudian diolah ke bentuk grafik sebagai berikut: Kel embaban (%) polutan 1 polutan 4 4 a Gambar 4.6 Grafik pengaruh kelembaban terhadap nilai maksimum arus boor dengan tiga tingkat pengotoran Gambar 7 Grafik pengaruh suhu terhadap sifat kapasitif arus boor dengan tiga tingkat pengotoran Grafik di atas menggambarkan hubungan antara tingkat pengotoran isolator terhadap sifat kapasitif arus boor. Sifat kapasitif ini dinyatakan dengan beda fasa antara arus boor dan tegangan uji. Hasil pengujian pada beberapa level pengotoran menunjukkan bahwa perubahan suhu tidak memiliki pengaruh yang tetap pada sifat kapasitif arus boor.. Pengaruh Kelembaban Terhadap Unjuk Kerja solator Dari hasil pengujian diperoleh gambar tegangan uji, arus boor serta spektrum harmonisa arus boor seperti yang tampak pada gambar di bawah: b Dari grafik di atas, nilai maksimum arus boor semakin besar dengan meningkatnya level pengotoran. Pada pengujian dengan isolator bersih, gradien peningkatan nilai maksimum arus boor terhadap kelembaban sangat keil. Namun pada isolator terpolusi ringan dan berat, peningkatan nilai maksimum arus boor terjadi sangat drastis pada kelembaban yang tinggi, yaitu sebesar -8 μ untuk kenaikan kelembaban sebesar % Kel embaban (%) pol utan 1 pol utan Gambar 4.7 Grafik pengaruh kelembaban terhadap nilai THD arus boor dengan tiga tingkat pengotoran Dari pengolahan data yang dilakukan terhadap spektrum harmonik arus boor, tampak bahwa nilai THD rata-

4 rata untuk tiap pengujian semakin keil dengan meningkatnya level pengotoran..3 Pengujian Spesimen dengan Pengotoran Merata Nilai tegangan flashover yang diperoleh pengujian adalah sebesar maks 7.k 19.36k dan nilai arus boor adalah: maks.9.36μ Pada simulasi dengan FMLB, diperoleh garis medan pada permukaan isolator seperti berikut: Gambar 4.7 Garis-garis medan listrik hasil simulasi pada perobaan isolator dengan pengotoran merata Nilai medan listrik dapat dihitung seara teoritis: grad ( ) ( a + a y + a z ) y z ( ) a 1936 ( ) a 3487.a dengan rapat arus: J σ J (.189) (3847.) a J 7.71a Diperoleh nilai arus sebesar: J (3 1 ) μ Nilai ini memiliki selisih sebesar.14 μ dibandingkan dengan hasil yang diperoleh dari data pengujian (.36).4 Pengujian dengan Pengotoran Tidak Merata Untuk jenis pengotoran, yaitu.189 S dan.39 S, masing-masing diperoleh nilai-nilai R p (persamaan ) untuk pengotoran 1: Rpol Rp LD L ar R 1 pol ( σ l ) Rp 1. 16Ω dan pengotoran Rp 1. 8 Ω Dengan membandingkan kedua nilai tersebut,diperoleh perbandingan nilai tegangan flashover untuk kedua pengujian: (1/( a+ 1)) ( a /( a+ 1)) N R p R p1 R p Ω 1.8Ω 1. Pada hasil pengujian, nilai tegangan pada perobaan dengan polutan dan dapat dibandingkan: Nilai perbandingan / yang diperoleh dari hasil pengujian dan analisis lebih keil sekitar.79 kali dibandingkan dengan hasil perhitungan seara teoritis menggunakan pemodelan Obenaus. KSMPULN Dari pengujian dan analisis yang dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Peningkatan suhu dan kelembaban menyebabkan peningkatan nilai maksimum arus boor baik pada isolator bersih maupun terpolusi. Nilai THD pada spektrum frekuensi arus boor enderung menurun dengan meningkatnya suhu dan kelembaban lingkungan. 3. Komponen frekuensi yang paling dominan dalam membentuk komponen harmonisa arus boor adalah frekuensi fundamental ke- untuk semua pengujian. 4. Suhu dan kelembaban tidak mempengaruhi sifat kapasitif arus boor.. Semakin tinggi tingkat pengotoran yang diberikan pada permukaan isolator, nilai maksimum arus boor pada permukaan isolator semakin besar. Namun nilai THD dan beda fasa antara arus boor dan tegangan uji mengeil pada kenaikan tingkat pengotoran. 6. Semakin tinggi konduktivitas polutan pada permukaaan isolator, arus boor yang terjadi semakin besar

5 dikarenakan nilai rapat arus pada permukaan isolator terpolusi berbanding lurus dengan konduktivitas lapisan pengotoran. 7. Pada isolator dengan pengotoran yang tidak merata, nilai tegangan dan arus flashover ditentukan oleh parameter R p, yaitu resistansi polutan per satuan panjang. Nilai ini berbanding terbalik dengan konduktivitas polutan dan arus boor, tetapi berbanding lurus dengan nilai tegangan flashover. RFRNS [1]. Gorur, R.S, et al. Outdoor nsulator, Ravi S. Gorur, n, Phoeni, US, 1999 []. Kind, Dieter, et al. High oltage nsulation Tehnology, Tetbook for letrial ngineer. Friedr iewg & Sohn, Braunhweig/Wiesbaden, 198. [3]. Kind, Dieter. Pengantar Teknik ksperimental Tegangan Tinggi. Penerbit TB, Bandung, 1993 [4]. Barsoum, Mihael. Fundamentals of Ceramis. The MGraw Hill Companies, n, []. Hayt, Wiliam H, Jr. ngineering letromagnetis. MGraw Hill Book Companies, [6]. Kreyzig, rwin. dvaned ngineering Mathematis. Wiley, [7]. skander, Magdy F. letromagnetis Fields and Waves. Waveland Press, n. linois, US,. [8]. Latif, Melda. Unjuk Kerja solator Pasangan Luar poy Resin k pada Berbagai Kondisi Lingkunagan. Tesis: Program Studi Teknik Tenaga lektik nstitut Teknologi Bandung, 6. [9]. Dekker J, drianus. letrial ngineering Materials. Prentie Hill, New Delhi, [1]. Callister, William, D. Material Siene and ngineering. John Wiley and Sons, n [11]. enkataraman, Sreeram Predition of Flashover oltage of nsulators Using Low oltage Surfae Resistane Measurement. PSRC Publiation 6-4, rizona State University, 6 [11]. --, C 7 nternational Standard rtifiial Pollution tests on high-voltage insulators to be used on a systems. nternational letrotehnial Commision.