BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Definisi Transformator Tranformator atau transformer atau trafo adalah suatu peralatan listrik elektromagnetik statis yang berfungsi untuk memindahkan dan mengubah energy listrik dari satu rangkaian litrik ke rangkaian listrik lainnya, dengan frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetis. Simbol dari transformator yaitu pada Gambar 2.1 berikut : Gambar 2.1 Simbol Transformator 2.2 Prinsip Kerja Transformator Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer, maka di kumparan primer terjadi 5

2 induksi (selfinduction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi). 2.3 Hukum Dasar Prinsip Kerja Transformator Kumparan yang dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik disebut kumparan primer (input) dan kumparan yang lainnya disebut kumparan sekunder (output). Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolakbalik, maka akan mengalir arus dalam kumparan primer menimbulkan perubahan fluks magnetik dalam inti besi. Perubahan fluks magnetik dalam inti besi membangkitkan GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi pada kumparan sekunder. Gambar 2.2 Prinsip Timbulnya Induksi Magnet 6

3 Gambar 2.3 Prinsip Kerja Transformator Untuk mengetahui besarnya GGL yang dibangkitkan pada kumparan primer ataupun sekunder menggunakan rumus yang mengacu pada hukum Induksi Faraday pada rumus (2.1), sebagai berikut : E p = N p (2.1) E s = N s (2.2) Pada rumus 2.1 dan 2.2 bahwasanya nilai GGL pada kumparan primer maupun kumparan sekunder berbanding lurus dengan banyaknya lilitan pada kumparan tersebut, sehingga dapat dituliskan : E p : E p = N p : N s = ɑ (2.3) E s = (N s / N p ) E p (2.4) E p = (N p / N s ) E s (2.5) Keterangan : ɑ E p = Perbandingan transformasi transformator = GGL induksi pada kumparan primer (volt) E s = GGL induksi pada kumparan sekunder (volt) 7

4 N p = jumlah kumparan primer N s = jumlah kumparan sekunder Jadi jika jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan kumparan primer, tegangan sekunder lebih besar dari tegangan primer (step-up transformer), begitupun apabila jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan kumparan sekunder, maka tegangan primer lebih besar dari tegangan sekunder (step-down transformator). Dengan anggapan tidak adanya energi listrik yang hilang pada perpindahannya dari kumparan primer ke kumparan sekunder maka : W p = W s (2.6) E s. I s. t = E p. I p. t (2.7) I s = (E p / E s ) I p (2.8) I s = (N p / N s ) I p (2.9) I p : I s = N s : I p = ɑ (2.10) Keterangan : Wp Ws t I p = energi listrik di kumparan primer (watt) = energi listrik di kumparan sekunder (watt) = waktu (detik) = arus di kumparan primer (ampere) I s = arus di kumparan sekunder (ampere) Dari hubungan itu dapat dilihat bahwa apabila jumlah lilitan pada kumparan sekunder lebih banyak, maka kuat arus pada kumparan sekunder lebih kecil daripada kuat arus dalam kumparan primer. 8

5 2.4 Jenis Transformator Berdasarkan Fungsinya 1. Transfomator sebagai penurun tegangan (Step Down) Digunakan untuk menurunkan tegangan sesuai dengan kebutuhan 2. Transformator sebagai penaik tegangan (Step Up) Digunakan untuk menaikkan tegangan sesuai dengan kebutuhan Berdasarkan Jumlah Fasanya 1. Transformator satu fasa Transformator yang digunakan untuk mengubah energi listrik pada suplai satu fasa 2. Transformator tiga fasa Transformator yang digunakan untuk mengubah energi listrik pada suplai tiga fasa. Selain itu, untuk penyaluran daya yang sama, penggunaan satu unit transformator tiga fasa akan lebih ringan, lebih murah dan lebih efisien dibandingkan dengan tiga unit transformator satu fasa Berdasarkan Pemakaiannya 1. Transformator daya (Power Transformer) Transformator dengan daya yang besar dan dengan class tegangan > 36 kv, biasanya dipasang dari system pembangkit ke jaringan transmisi. 2. Transformator distribusi (Distribution Transformer) Transformator dengan class tegangan < 36 kv, umumnya digunakan pada sistem jaringan distribusi. 3. Transformator pengukuran (Instrurment Transforment) Transformator ini digunakan untuk pengukuran. Jenis trafo pengukuran, 9

6 yaitu: a. Transformator arus (Current Transformer) Transformator yang dipakai untuk menurunkan arus agar dapat masuk ke meter pengukuran. b. Transformator tegangan (Potential Transformer) Transformator yang dipakai untuk menurunkan tegangan agar dapat masuk ke meter pengukuran Berdasarkan Medium Isolasinya 1. Oil Immersed Transformer Transformator yang menggunakan media isolasi minyak yang mana bagian aktif dari transformator tersebut dalam mengubah energi yaitu inti (core) dan belitan (coil) terendam minyak. 2. Dry Type Transformer Transformator yang menggunakan media resin atau biasa disebut transformator kering. 2.5 Bagian-bagian Transformator Setiap bagian pada transformator mempunyai fungsi yang penting. Bagian yang satu dengan bagian yang lainnya harus saling melengkapi, sehingga menjadi suatu transformator yang layak untuk digunakan. Transformator dibagi menjadi dua bagian, yaitu bagian utama dan bagian bantu. Bagian-bagian tersebut yaitu : Bagian Utama Inti Besi (Core) 10

7 Inti besi (core) berfungsi untuk mempermudah jalan fluks, yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang diisolasi oleh silicon, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh arus pusar atau eddy current. Gambar 2.4 Inti Besi (core) Transformator Belitan (Coil) Belitan (coil) adalah sejumlah lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut terdiri dari belitan primer (high voltage) dan belitan sekunder (low voltage) yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain. Bahan yang digunakan sebagai belitan transformator adalah kawat tembaga yang dilapisi dengan enamel, namun ada juga yang menggunakan kawat dari bahan alumunium, sehingga terdapat beberapa jenis kombinasi penggunaan kawat pada belitan high voltage dengan low voltage seperti pada Tabel

8 Tabel 2.1 Kombinasi Penggunaan Bahan Belitan No Kumparan HV (High Voltage) Kumparan LV (Low Voltage) 1 Tembaga (Cu) Tembaga (Cu) 2 Tembaga (Cu) Alumunium (Al) 3 Alumunium (Al) Alumunium (Al) 4 Alumunium (Al) Tembaga (Cu) Jika kumparan primer dihubungkan dengan tegangan/arus bolak-balik maka pada kumparan tersebut timbul fluks yang menimbulkan tegangan induksi, bila pada rangkaian sekunder ditutup (rangkaian diberi beban) maka mengalir arus pada kumparan tersebut, sehingga kumparan ini berfungsi sebagai alat transformasi tegangan dan arus. Gambar 2.5 Susunan belitan transformator tiga fasa 12

9 Terminal (bushing) Hubungan antara kumparan transformator ke jaringan luar melalui terminal yaitu bushing, yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki transformator. Gambar 2.6 Bushing transformator Tangki dan Radiator Tangki transformator berfungsi sebagai tempat diletakkannya belitan dan tempat minyak transformator, tangki transformator terhubung dengan radiator. Gambar 2.7 Tangki transformator Radiator merupakan sirip-sirip yang berada mengelilingi transformator, pada beberapa transformator berdaya kecil hanya berada di beberapa sisi saja. Radiator berfungsi sebagai media pendingin pada trafo, dengan konstruksi yang berupa sirip sirip dapat meradiasikan panas yang terdapat pada minyak trafo dan untuk menyalurkan panas dari minyak trafo ke udara. Berdasarkan konstruksinya 13

10 radiator terbagi menjadi dua jenis yaitu radiator tipe panel dan radiator tipe corrugated. a. Radiator tipe panel Radiator tipe panel merupakan radiator yang memiliki konstruksi terhubung dengan body transformator melalui pipa besi. Tipe panel terdiri dari dua jenis, yaitu tipe valve dan non valve. Tipe valve merupakan tipe radiator yang dapat di lepas dan dipasang kembali, sedangkan tipe non valve tidak dapat di lepas. Berikut ini merupakan gambar dari masing-masing jenis tipe radiator: Gambar 2. 8 Radiator tipe panel valve 14

11 Gambar 2.9 Radiator tipe panel non valve b. Radiator tipe corrugated Radiator tipe corrugated merupakan tipe radiator yang terhubung langsung dengan body trafo, berikut pada gambar 2.10 merupakan gambar radiator tipe corrugated. Gambar 2.10 Radiator tipe corrugated 15

12 2.5.2 Peralatan Bantu Peralatan bantu sangat berpengaruh terhadap kinerja transformator. Disebut peralatan bantu karena keberadaannya membuat kinerja transformator menjadi lebih optimal Pendingin Media yang digunakan pada sistem pendingin pada transformator dapat berupa udara dan minyak. Sistem pengaliran sirkulasi dibagi menjadi : a. Udara ilmiah (Air Natural AN) Menggunakan sirkulasi udara sekitar tanpa bantuan alat khusus. b. Minyak dan udara alamiah ( Oil Natural Air Natural ONAN ) Sirkulasi perpindahan panas minyak dari dalam transformator menyesuaikan udara pada bagian luar transformator dan berlangsung secara alamiah tanpa adanya bantuan tekanan/paksaan. Metode ini bisa juga dilengkapi dengan radiator. c. Minyak alamiah dan udara tekanan/paksaan (Oil Natural Air Forced ONAF) Untuk membantu mempercepat proses perpindahan panas, media pendingin didorong oleh tekanan. Sirkulasi perpindahan panas minyak berlangsung alami sedangkan sirkulasi udaranya menggunakan alat yang dapat menekan yaitu kipass angin (fan) khusus transformator. d. Minyak dan udara tekanan/paksaan (Oil Forced Air Forced OFAF ) Pada metode sirkulasi paksaan penyaluran panas dapat lebih cepat lagi karena media pendingin didorong oleh tekanan. Sirkulasi perpindahan panas minyak dan udaranya menggunakan alat yaitu pompa untuk sirkulasi 16

13 minyak dan kipas angin (fan) khusus transformator untuk sirkulasi udaranya. Metode seperti ini jarang sekali digunakan karena membutuhkan biaya yang lebih besar dibandingkan metode lainnya. e. Kombinasi alamiah dan tekanan/paksaan ( ONAN/OFAF ) Merupakan gabungan dari metode alamiah dengan metode tekanan/paksaan Pengubah Tap (Tap Changer) Berfungsi untuk mengubah tegangan sadapan (sisi tegangan tinggi) untuk mendapatkan tegangan rendah yang diinginkan dari tegangan jaringan (tegangan sumber pada sisi tegangan tinggi) yang berubah-ubah. Gambar 2.11 Tap Changer Klasifikasi tegangan penyadapan tanpa beban pada transformator berdasarkan standar SPLN D ;2007 dengan langkah sadapan 2,5% bisaa dilihat pada table 2.2 dibawah ini yaitu pada transformator tiga fasa atau tunggal dengan sadapan tipe 1 (5 langkah) dan tipe 2 (7 langkah). 17

14 Tabel 2.2 Klasifikasi Tegangan Penyadapan No Sadapan Sistem JTM 3 Kawat Sistem JTM 3 Kawat Fasa Tiga Fasa Tunggal Fasa Tiga Fasa Tunggal Tipe 1 Tipe 2 Tipe 1 Tipe 2 Tipe 1 Tipe kv 21 kv 21 kv 21 kv 21/ 3 kv 21/ 3 kv 2 20,5 kv 20,5 kv 20,5 kv 20,5 kv 20,5/ 3 kv 20,5/ 3 kv 3 20 kv 20 kv 20 kv 20 kv 20/ 3 kv 20/ 3 kv 4 19,5 kv 19,5 kv 19,5 kv 19,5 kv 19,5/ 3 kv 19,5/ 3 kv 5 19 kv 19 kv 19 kv 19 kv 19/ 3 kv 19/ 3 kv 6-18,5 kv - 18,5 kv - 18,5/ 3 kv 7-18 kv - 18 kv - 18/ 3 kv Indikator Untuk memantau selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indikator yang dipasang pada transformator. Indikator tersebut adalah sebagai berikut : a. Indikator suhu minyak Gambar 2.12 Indikator suhu minyak 18

15 b. Indikator suhu belitan c. Indikator permukaan minyak Gambar 2.13 Indikator suhu belitan Gambar 2.14 Indikator permukaan minyak d. DGPT 2, Pressure relief valve, dan lainnya Valve Pada body transformator terdapat katup (valve) yang terpasang pada beberapa sisi, fungsi dari valve ini adalah berkaitan dengan minyak transformator. Berdasarkan letaknya terdapat beberapa jenis valve, yaitu sebagai berikut : a. Drain valve Drain valve merupakan katup yang digunakan untuk mengeluarkan minyak dari body transformator, drain valve terletak di bagian bawah body transformator. 19

16 Gambar 2.15 Drain valve transformator b. Oil filter valve Oil Filter valve merupakan katup yang digunakan ketika akan dilakukan proses penyaringan minyak transformator, filter valve terletak di bagian atas body transformator, penggunaannya harus disertai dengan drain valve, maka ketika dilakukan penyaringan minyak transformator, minyak dimasukkan melalui oil filter valve dan dikeluarkan melalui drain valve, sehingga terjadi sirkulasi minyak masuk dan keluar body transformator, sedangkan penyaringan minyak dilakukan diluar transformator dengan menggunakan alat tersendiri. Gambar 2.16 Oil filter valve transformtaor c. Sampling valve Sampling valve merupakan katup yang digunakan untuk mengambil contoh minyak transformator, contoh minyak diambil untuk mengetahui 20

17 kualitas atau kondisi minyak transformator setelah sekian lama pemakaian, Sampling valve terletak di tangki konservator. Gambar 2.17 Sampling valve transformator 2.6 Definisi dan Fungsi Minyak Transformator Minyak transformator adalah cairan yang dihasilkan dari proses pemurnian minyak mentah. Selain itu minyak ini juga berasal dari bahan bahan organik, misalnya minyak piranol dan silikon, beberapa jenis minyak yang sering dijumpai dilapangan adalah jenis Diala, Apar, Mectrans dan Nitro Libra. Minyak transformator merupakan salah satu bahan isolasi cair yang digunakan sebagai isolasi dan pendingin pada transformator. Sebagian bahan isolasi minyak harus memiliki kemampuan untuk menahan tegangan tembus, sedangkan sebagai pendingin minyak transformator harus mampu meredam panas yang ditimbulkan, sehingga dengan kedua kemampuan ini maka minyak diharapkan akan mampu melindungi transformator dari gangguan Struktur Minyak Transformator Minyak transformator mempunyai unsur atau senyawa hidrokarbon yang terkandung dalam minyak transformator in iadalah: 21

18 1. Senyawa hidrokarbon parafinik 2. Senyawa hidrokarbon naftenik 3. Senyawa hidrokarbon aromatic Selain ketiga senyawa diatas, minyak transformator masih mengandung senywa yang disebut zat aditif meskipun kandungannya sangat kecil. Kenaikan suhu pada transformator akan menyebabkan terjadiya proses hidrokarbon pada minyak, nilai tegangan tembus dan kerapatan arus konduksi merupakan beberapa indikator atau variabel yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu minyak transformator memiliki ketahanan listrik yang memenuhi persyaratan. Berikut ini adalah standar tegangan tembus minyak transformator: Tabel 2.3 Standar Tegangan Tembus Minyak Transformator NO Jarak (mm) Tegangan Tembus (kv) 1. 2,5 23, , ,5 58, ,466 Secara analis kimia ketahanan listrik suatu minyak transformator dapat menurun akibat adanya pengaruh asam dan pengaruh tercampurnya minyak dengan ai. Untuk menetralisir keasaman suatu minyak transformator dapat menggunakan potas hidroksida (KOH). Sedangkan untuk menghilangkan air yang terdapat dalam minyak tersebut yaitu dengan cara memberikan suatu bahan higroskopis yaitu silikagel. 22

19 2.6.1 Standar Minyak Transformator Dalam menyalurkan perannya sebagai pendingin, kekentalan minyak transformator tidak boleh terlalu tinggi agar mudah bersirkulasi, dengan demikian proses pendinginan dapat berlangsung dengan baik. Kekentalan relative minyak transformator tidak boleh lebih dari 4,2 pada suhu 20ºC dan 1,8 dan 1,85 dan maksimum 2 pada suhu 50ºC. Hal ini sesuai dengan sifat minyak transformator yakni semakin lama dan berat operasi suatu minyak transformator, maka minyak akan semakin kental. Bila kekentalan minyak tinggi maka akan sulit untuk bersirkulasi sehingga akan menyulitkan proses pendinginan transformator. Adapun persyaratan yang harus dipenuhi oleh minyak transformator adalah sebagai berikut: 1. Kejernihan Kejernihan minyak isolasi tidak boleh mengandung suspensi atau endapan (sedimen). 2. Massa Jenis Massa jenis dibatasi agar air dapat terpisah dari minyak isolasi dan tidak melayang. 3. Viskositas kinematika Viskositas memagang peranan penting dalam pendinginan, yaitu untuk menentukan kelas minyak transformtor. 4. Titik nyala Titik nyala yang rendah menunjukkan adanya kontaminasi zat gabar yang mudah terbakar. 23

20 5. Titik tuang Titik tuang dipakai untuk mengidentifikasi dan menentukan jenis perlatan yang akan menggunakan minyak isolasi. 6. Angka kenetralan Angka kenetralan merupakan angka yang menunjukkan penyusutan asam minyak dan dapat mendeteksi kontaminasi minyak, menunjukkan kecenderungan perubahan kimia atau indikasi perubahan kimia dalam bahan tambahan. 7. Korosi belerang Korosi belerang kemungkinan dihasilkan dari adanya belerang bebas atau senyawa belerang yang tidak stabil dalm minyak isolasi. 8. Tegangan tembus Tegangan tembus yang terlalu rendah menunjukkan adanya kontaminasi seperti air, kotoran atau partikel konduktif dalam minyak. 9. Kandungan air Kandungan air dalam isolasi menyebabkan menurunnya tegangan tembus dan tahanan jenis minyak isolasi akan mempercepat kerusakan kertas pengisolasi. 2.7 Pengujian Tangen Delta Transformator Jika dielektrik dikenai medan elektrik, maka elektron-elektron akan mengalami gaya yang arahnya berlawanan dengan arah medan elektrik sedang inti atom yang bermuatan positif akan mengalami gaya searah dengan arah medan elektrik. Gaya ini akan memindahkan elektron dari posisinya semula, sehingga 24

21 molekul-molekul berubah menjadi dipol-dipol yang letaknya sejajar dengan medan elektrik. Jika medan elektrik berubah arah, maka gaya pada muatanmuatan dipol akan berubah arah membuat dipol berputar 180º. Ketika molekul-molekul yang terpolarisasi ini berubah posisi, maka terjadilah gesekan antar molekul. Jika medan elektrik berulang-ulang berubah arah, maka gesekan antar molekul juga akan berulang-ulang. Gesekan yang berulangulang ini akan menimbulkan panas pada dielektrik, dan panas inilah yang disebut dengan rugi-rugi dielektrik. Rugi-rugi dielektrik terjadi jika terdapat perubahan arah medan elektrik yang berulang - ulang. Oleh karena itu, rugi-rugi dielektrik hanya terjadi pada medan elektrik bolak-balik, yaitu medan yang ditimbulkan oleh tegangan bolakbalik, sehingga frekuensi gesekan antar molekul meningkat. Akibatnya rugi-rugi dielektrik yang dihasilkan semakin besar. Namun jika frekuensi yang diperoleh sangat tinggi, maka perubahan posisi dipol hanya sedikit, karena molekul harus segera kembali ke posisi semula. Ketika suatu tegangan diterapkan pada suatu dielektrik, akan ditimbulkan tiga komponen arus, yaitu arus pengisian, arus absorpsi, dan arus konduksi. Rangkaian pendekatan pendeteksian rugi-rugi dielektrik ini harus dapat menampilkan ketiga komponen tersebut. Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen suatu dielektrik 25

22 Adapun komponen komponen rangkaian diatas adalah: C g = kapasitansi geometris R a = tahanan arus absorpsi R k = tahanan dielektrik C a = kapasitansi arus absorpsi Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen dielektrik Jika ada kontaminasi pada isolasi contohnya kelembaban dalam transformator terlalu tinggi (moisture), maka nilai tahanan dari isolasi berkurang dan berdampak kepada tingginya arus resistif yang melewati isolasi tersebut, sehingga sudut arus mendahului tegangan tidak lagi 90 o tapi akan bergeser kurang dari 90 o. Sudut kehilangan daya (loss angle) adalah δ = 90 - α. Sehingga faktor daya bisa ditulis sebagai sin δ. Dalam kapasitor sempurna, α = 90 sehingga δ = 0. Karenanya kehilangan daya dalam kapasitor sempurna adalah nol. Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen kapasitor yang tidak sempurna 26

23 Besar kehilangan daya dielektrik karena kapasitor yang tidak sempurna sehingga didapatkan persamaan : PD = V I R = V I cos α = V I sin δ (2.11) Keterangan : PD = Daya hilang / Power Disappear (Watt) V = Tegangan input (Volt) I R = Arus resistan (Ampere) cos α = Faktor daya dari kapasitor α = Sudut fasa dari kapasitor I = Arus total (Ampere) Berikut ini adalah diagram fasor dari kapasitor yang tidak sempurna. Gambar 2.21 Diagram fasor dari kapasitor yang tidak sempurna Dari gambar 2.24 berlaku persamaan : I R = V/ R e (2.12) Ic = ω.c e.v = Icos δ (2.13) Arus total diperoleh dari: I = (2.14) 27

24 sehingga Tangen Delta (δ) = (2.15) Dimana : I C = arus kapasitor (Ampere) I R = arus resistor (Ampere) ω = 2πf Tan δ = Dissipation Factor Dari persamaan diatas, tan δ merupakan perbandingan antara komponen imajiner dengan komponen real dari pemitivitas kompleks dielektrik. Adapun metode pengujian tangen delta yaitu dengan jembatan schering. Gambar 2.22 Jembatan schering 2.8 Mode Pengukuran yang Dipakai Pada Pengujian Tangen Delta Pada pengujian tangen delta ada beberapa mode yang digunakan antara lain: 1. Mode GST (Grounded Speciment Test) 28

25 Mode ini yaitu mode pangujian tangen delta yang mana kapasitansi uji yang digunakan sebagai referensi pengukuran adalah kapasitansi obyek yang diuji dengan ground. Misalnya menguji antara sisi sekunder terhadap ground ataupun antara sisi primer terhadap ground. 2. Mode GSTg (Grounded Speciment Test Guard) Mode ini yaitu pengujian kapasitansi uji yang digunakan sebagai referensi pengukuran adalah kapasitansi obyek yang diuji terhadap ground dan membatasi kapasitansi obyek lain (guard) yang mempengaruhi kapasitansi obyek uji. 3. Mode UST (Ungrounded Speciment Test) Mode ini dimana kapasitansi yang diuji adalah kapasitansi antara dua obyek yang sama sekali tidak terhubung dengan ground. Misalnya antara pengujian antara sisi primer dan sekunder. 4. Hot Collar Mode pengukuran ini sangat efektif untuk mengetahui lokasi keretakan pada porcelain, pemburukan atau kontamianasi pada permukaan bushing seperti lapisan tipis compound yang menempel pada bushing. 2.9 Mekanisme Kegagalan Isolasi pada Minyak Transformator Beberapa macam faktor yang diperkirakan 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 atau minyak transformator itu sendiri juga mampengaruhi kekuatan elektrik minyak transformator. 29

26 Kegagalan isolasi (Insulation Breakdown, insulation failure), disebabkan karena beberapa hal antara lain isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya kekuatan dielektrik dank arena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada prinsipnya tegangan pada isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress) yang harus dilawan oleh gaya dalam isolator itu sendiri agar isolator tidak gagal. Dalam struktur molekul material isolasi, electron-elektron terikat erat pada molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka sifat isolasi pada tempat itu hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut diberikan tegangan akan terjadi perpindahan electron-elektron dari suatu molekul ke molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor. Karakteristik isolator akan berubah bila material tersebut kemasukan suatu ketidakmurnian (impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi yang dapat menurunkan tegangan gagal. Gradien tegangan dv/dx yang melalui sebuah isolator tidak konstan walaupun elektrodanya adalah plat-plat sejajar, gradien tegangan paling curam terjadi dekat kepingan-kepingan. Bila dimensinya besar dibandingkan dengan jarak antara kedua plat maka pada bagian tengah antara kedua plat gradiennya seragam. yaitu: Berikut ini beberapa faktor yang mempengaruhi mekanisme kegagalan 1. Partikel 30

27 Ketidakmurnian memegang peranan penting dalam kegagalan isolasi. Partikel debu atau serat selulosa dari sekeliling dielektrik padat selalu tertinggal dalam cairan. Apabila diberikan suatu medan listrik maka partikel ini akan terpolarisasi. Jika partikel memiliki permitivitas e 2 yang lebih besar dari permitivitas e 1, suatu gaya akan terjadi pada pertikel yang mengarahkannya kedaerah yang memiliki tekanan elektris maksimum diantara elektroda-elektroda. Untuk pertikel berbentuk bola (sphere) dengan jari-jari r maka besar gaya F adalah : (2.16) Jika partikel itu lembab atau basah maka gaya ini semakin kuat karena permitivitas air tinggi. Partikel yang lain akan tertarik kedaerah yang bertekanan tinggi hingga partikel-partikel tersebut bertautan satu dengan lainnya karena adanya medan. Hal ini menyebabkan terbentuknya jembatan hubung singkat antara elektroda. Arus yang mengalir sepanjang jembatan ini menghasilkan pemanasan lokal dan menyebabkan kegagalan. 2. Air Air yang dimaksud adalah berbeda dengan partikel yang lembab. Air sendiri akan ada dalam minyak yang sedang beroprasi/dipakai. Namun demikian pada kondisi operasi normal, peralatan cenderung untuk membatasi kelembaban hingga nilainya kurang dari 10%. Medan listrik akan menyebabkan tetesan air yang tertahan didalam minyak yang memanjang searah medan dan pada medan yang kritis, tetesan itu menjadi tidak stabil. 31

28 Kanal kegagalan akan menjalar dari ujung tetesan yang memanjang sehingga menghasilkan kegagalan total. 3. Gelembung Pada gelembung dapat terbentuk kantung-kantung gas yang terdapat dalam lubang atau retakan permukaan elektroda, yang dengan penguraian molekulmolekul cairan menghasilkan gas atau dengan penguatan cairan lokal melalui emisi elektron dari ujung tajam katoda. Gaya elektrostatis sepanjang gelembung segera terbentuk dan ketika kekuatan kegagalan gas lebih rendah dari cairan, medan yang ada dalam gelembung melebihi kekuatan uap yang menghasilkan lebih banyak uap dan gelembung sehingga membentuk jembatan pada seluruh celah yang menyebabkan terjadinya pelepasan secara sempurna Sifat Sifat Listrik Cairan Isolasi Sifat-sifat listrik yang menentukan untuk kerja cairan sebagai isolasi adalah : 1. Withstand Breakdown merupakan kemampuan untuk tidak mengalami kegagalan dalam kondisi tekanan listrik (elektrik stress) yang tinggi. 2. Kapasitansi listrik per unit volume yang menentukan permitivitas relatifnya. Minyak petroleum merupakan substansi non polar yang efektif karena merupakan campuran cairan hidro karbon. Minyak ini memiliki permitivitas kira-kira 2 atau 2,5. Ketidak bergantungan permitivitas substansi non polar pada frekuensi membuat bahan ini lebih banyak dipakai dibandingkan dengan bahan yang bersifat polar. Misalnya air memiliki permitivitas 78 32

29 untuk frekuensi 50Hz, namun hanya memiliki permitivitas 5 untuk gelombang mikro. 3. Faktor daya Faktor disipasi daya dari minyak dibawah tekanan bolak-balik dan tinggi akan menentukan unjuk kerjanya karena dalam kondisi berbeban terdapat sejumlah rugi-rugi dielektrik. Faktor disipasi sebagai ukuran rugi-rugi daya merupakan parameter yang penting bagi kabel dan kapasitor. Minyak transformator murni memiliki factor disipasi yang bervariasi antara 10-4 pada 20 0 C dan 10-3 pada 90 0 C pada frekuensi 50Hz. 4. Resistivitas Suatu cairan dapat digolongkan sebagai isolasi cair bila resitivitasnya lebih besar 10 9 W-m. Pada system tegangan tinggi resistivitas yang diperlukan untuk material isolasi adalah W-m atau lebih. (w = ohm) 2.11 Kekuatan Dielektrik Kekuatan dielektrik merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk bisa tahan terhadap tegangan tinggi tanpa berakibat terjadinya kegagalan. Kekuatan dielektrik ini tergantung pada sifat atom dan molekul cairan itu sendiri. Namun demikian dalam prakteknya kekuatan dielektrik tergantung pada material dari elektroda, suhu, jenis tegangan yang diberikan, gas yang terdapat dalam cairan dan sebagainya yang dapat mengubah sifat molekul cairan. Dalam isolasi cairan kekuatan dielektrik setara dengan tegangan kegagalan yang terjadi. Dalam upaya memberikan gambaran tentang kekuatan dielektrik maka akan lebih memudahkan bila dua eletroda seri ditinjau. Dalam hal ini medan dianggap 33

30 seragam, arus bocor diabaikan dan konsentrasi fluks pada pinggiran juga diabaikan. V 1 V V 2 E n1 E n2 X 1 X 2 Gambar 2.23 Dua Elektroda Yang Terhubung Seri Oleh karena perpindahan (displacement) netral sama, maka: E n1 E n2 D n1 = D n2 (2.17) e 1 E n1 = e 2 E n2 (2.18) X 1 X 2 E n1 = dan E n2 = (2.19) Dimana : e 1 e 2 adalah permitivitas, v 1 v 2 adalah tegangan tiap dielektrik dan v (2.20) Jika n buah dielektrik dalam hubungan seri maka gradien atau kuat medannya pada titik x adalah : 34

31 E nx = (2.21) Sebagai contoh : Jika terdapat lapisan udara, minyak dan padat yang tebalnya 0,5 inci dengan permitivitas masing-masing 1, 2 dan 4 ; tegangan V = 280Kv. Berdasarkan rumus diatas gradien tegangan udara 320 volt/mil, minyak 160 volt/mil dan bahan padat 80 volt/mil. Oleh karena itu udara mulai gagal saat 54 volt/mil, minyak pada saat 200 volt/mil dan bahan padat volt/mil Pengujian Kualitas Minyak Transformator Ada beberapa pengujian kualitas minyak dari transformator, yaitu : 1. Pengujian kekuatan dielektrik minyak Kekuatan listrik merupakan karakteristik penting dalam material isolasi. Jika kekuatan listrik rendah minyak transformator dikatakan memiliki mutu yang jelek. Hal ini sering terjadi jika air dan kotoran dalam minyak transformator. 2. Pengujian viskositas minyak Viskositas minyak adalah ukuran kekentalan minyak yang menunjukkan besar kecilnya gesekan internal. Viskositas merupakan hal yang sangat penting karena minyak transformator yang baik akan memiliki viskositas yang rendah, sehingga dapat bersirkulasi dengan baik dan akhirnya pendinginan inti dan belitan transformator dapat berlangsung dengan baik pula. 3. Titik nyala (flash point) 35

32 Titik nyala ini adalah panas campuran antara uap dari minyak dan udara yang akan meledak (terbakar) bila didekati dengan bunga apai kecil. Untuk mencegah kemungkinan timbulnya kebakaran dari peralatan dipilih minyak dengan titik nyala yang tinggi. Titik nyala dari minyak yang baru tidak boleh lebih dari C. Untuk mengetahui titik nyala minyak transformator dapat ditentukan dengan menggunakan alat Close up tester. 4. Pemurnian minyak transformator Minyak transformator dapat terkontaminasi berbagai kotoran seperti, kelembaban, serat, resin, dan sebagainya. Ketidakmurnian dapat tinggal dalam minyak kerena pemurnian yang tidak sempurna. Kontaminasi pada minyak dapat terjadi saat pengangkutan dan pada saat penyimpanan, ketika pemakaian, dan minyak itu sendiri dapat membuat kotoran pada dirinya sendiri. Beberapa metode pemurnian minyak transformator sebagai berikut : a. Mendidihkan (boiling) Minyak dipanaskan hingga titik didih air dalam alat yang disebut boiler. Dalam proses ini air yang ada dalam minyak akan menguap karena titik didih minyak lebih tinggi dari pada titik didih air. Metode ini merupakan metode yang paling sederhana namun memiliki kekurangan. Kekurangan pertama adalah hanya air saja yang dipisahkan dari minyak, sedangkan serat, arang dan kotoran lainnya tetap tinggal. Dan kekurangan kedua adalah minyak dapat menua dengan cepat karena suhu tinggi dan adanya udara. 36

33 Kekurangan kedua dapat diatasi dengan sebuah alat boiler minyak hampa udara (vacum oil boiler). Alat ini dipakai dengan minyak dipanaskan dalam bejana udara sempit (air tight vessel) dimana udara dipindahkan bersama dengan air yang menguap dari minyak. Air mendidih pada suhu rendah dalam ruangan hampa oleh sebab itu air lebih cepat mengup ketika minyak didihkan dalam alat ini pada suhu yang relatif rendah. Alat ini juga belum bisa menghilangkan kotoran seperti kendala kekurangan yang pertama. b. Alat sentrifugal (Centrifuge reclaiming) Pada alat ini air serat, karbon, dan lumpur yang lebih bert dari pada minyak dapat dipisahkan dari minyak setelah mengendap. Untuk masalah ini memerlukan waktu lama, sehingga untuk mempercepatnya minyak dipanaskan hingga C dan diputar dengan cepat dalam alat sentrifugal. Kotoran akan tertekan ke sisi bejana oleh gaya sentrifugal, sedangkan minyak yang bersih akan tetap berada ditengah bejana. Alat ini mempunyai efisiensi yang tinggi. c. Penyaringan (filtering) Dengan metode ini minyak disaring melalui kertas penyaring sehingga kotoran tidak dapat melalui pori pori penyaring yang kecil, sementara embun atau uap telah diserap oleh kertas yang mempunyai hygroscopicity yang tinggi. Jadi filter press ini sangat efisien memisahkan kotoran padat dan uap dari minyak yang merupakan kelebihan dari alat sentrifugal. Walaupun cara ini lebih mudah dan sederhana untuk dilakukan, namun keluaran yang dihasilkan lebih sedikit 37

34 jika dibandingkan alat sentrifugal yang menggunakan kapasitas motor penggerak yang sama. d. Regenerasi (regeneration) Regenerasi merupakan alternatif terakhir bila metode metode sebelumnya tidak dapat mengurangi penuaan pada minyak secara sempurna Pengukuran Konduktivitas Arus Searah Minyak Transformator Konduktivitas minyak (k) sangat tergantung pada kuat medan, suhu dan kotoran. Nilai konduktivitas diakibatkan oleh pergerakan ion. Pengukuran nilai k dapat menunjukkan tingkat kemurnian minyak transformator. Penguraian dari kotoran elektrolitik menghasilkan ion positif dan negative. Untuk satu jenis ion dengan muatan q 1 dengan rapat ion n 1 maka kontribusi rapat arus yang ditimbulkan pada kuat medan E yang tidak terlalu tinggi adalah : S 1 = q 1. n 1. v 1 (2.22) S 1 = q 1. n 1. E (2.23) dimana v 1 dan n 1 adalah kecepatan dan mobilitas ion. Mobilitas ion akan bernilai konstan hanya jika berlaku hokum Ohm. Jika terdapat kuat medan tertentu dalam medan dielektrik, maka akan berlangsung mekanisme kompensasi yang menyeimbangkan kerapatan berbagai jenis ion hingga tercapai keseimbangan antara penciptaan, rekombinasi serta kebocoran ion terhadap elektroda elektroda. Karena mobilitas ion yang berbeda, maka mekanisme juga berlaku dengan laju yang berbeda pula sehingga nilai k merupakan fungsi waktu. Oleh karena itu dalam mengukur nilai k dianjurkan untuk menunggu beberapa saat misalnya 1 menit hingga mekanisme transien turun. 38

35 Susunan elektroda yang digunakan dalam mengukur nilai k harus dilengkapi dengan elektroda cincin pengaman untuk menghilangkan pengaruh pada bidang batas dan arus arus permukaan yang dibumikan secara langsung. Gambar 2.24 Susunan elektroda untuk tegangan searah 39