PENGARUH BANYAKNYA TEMBUS DAN VARIASI TEKANAN GAS TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK GAS NITROGEN Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Teknik Energi Listrik Oleh : VALENTINO TARIGAN 120402065 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
ABSTRAK Bahan isolasi gas nitrogen pada peralatan listrik digunakan sebagai media isolasi maupun sebagai pendingin. Agar dapat menjalankan fungsinya dengan baik, maka gas harus memiliki kekuatan dielektrik yang memenuhi standar. Kekuatan dielektrik pada gas dipengaruhi oleh banyaknya tegangan tembus dan besar tekanan gas. Pada tulisan ini dilakukan pengujian yang dimaksudkan sebagai studi untuk mengetahui pengaruh banyaknya tegangan tembus dan variasi tekanan gas terhadap kekuatan dielektrik gas nitrogen. Pengujian dilakukan dengan menggunakan elektroda bola - bola diameter 5 cm dengan tembus listrik sebanyak 50 kali pada variasi tekanan sebesar 1-5 bar. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa semakin banyak tembus listrik maka kekuatan dielektrik gas nitrogen menurun. Selain itu, semakin besar tekanan gas maka kekuatan dielektrik gas nitrogen juga besar. Terlihat bahwa untuk gas nitrogen tekanan 1 bar terjadi penurunan kekuatan dielektrik dari 33,65 kv/cm menjadi 27,26 kv/cm dengan batas kerusakan gas setelah 22 kali tembus listrik, untuk tekanan 2 bar terjadi penurunan dari 36,73 kv/cm menjadi 30,98 kv/cm dengan batas kerusakan gas setelah 65 kali tembus listrik, untuk tekanan 3 bar terjadi penurunan dari 47,27 kv/cm menjadi 41,63 kv/cm dengan batas kerusakan gas setelah 136 kali tembus listrik, untuk tekanan 4 bar terjadi penurunan dari 58,67 kv/cm menjadi 53,29 kv/cm dengan batas kerusakan gas setelah 249 kali tembus listrik dan untuk tekanan 5 bar terjadi penurunan dari 73,47 kv/cm menjadi 67,61 kv/cm dengan batas kerusakan gas setelah 347 kali tembus listrik. Kata kunci: Tegangan Tembus,Tekanan,Gas Nitrogen,Kekuatan Dielektrik i
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur saya ucapkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Tugas akhir ini merupakan bagian kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah: PENGARUH BANYAKNYA TEMBUS DAN VARIASI TEKANAN GAS TERHADAP KEKUATAN DIELEKTRIK GAS NITROGEN. Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan tugas akhir ini tidak terlepas dari dukungan, bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada beberapa pihak yang berperan penting yaitu : 1. Buat keluarga saya, terutama kepada kedua orang tua saya, Bapakku tercinta Jacob Tarigan dan Mamakku tersayang Rosida Malau yang telah memberikan dukungan finansial, motivasi, semangat, dan nasihat kepada saya. Saya persembahkan Tugas Akhir ini untuk Bapak, Mamak dan Saudari Kak Febri dan Kak Mita. 2. Bapak Ir. Hendra Zulkarnain selaku Dosen Pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik ii
4. Bapak Rahmad Fauzi S.T, M.T selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 5. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, M.T dan Bapak Ir. Syahrawardi selaku dosen penguji penulis yang banyak memberikan masukan dan arahan selama proses pengerjaan Tugas Akhir ini. 6. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Kepala Laboratorium Tegangan Tinggi yang telah mengijinkan penulis untuk mengambil data di Laboratorium Tegangan Tinggi FT-USU. 7. Bapak Tigor Hamonangan Nasution S.T., M.T., selaku dosen wali yang selalu mengawasi, membimbing, dan menyemangati saya selama masa perkuliahan. 8. Seluruh staf pengajar Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. 9. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro,Fakultas Teknik,. 10. Sahabat-sahabat asisten di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi TA. 2015/2016 yaitu Gomgom,dan Nova yang banyak memberi semangat dan masukan dalam pengerjaan Tugas Akhir. 10. Sahabat-sahabat saya yaitu Binsar, Bobby, Desy, Ira, Johannes, Marco, dan Ray Calvin yang banyak memberi semangat dan dengan kerelaan hati meluangkan waktunya untuk membantu pengambilan data Tugas Akhir. 11. Sahabat-sahabat stambuk 2012 yang telah banyak memberikan masukan, doa dan semangat selama pengerjaan Tugas Akhir ini. iii
12. Seluruh abang dan kakak senior serta adik-adik junior yang telah memberikan dukungan dan bantuan selama penyelesaian Tugas Akhir ini. 13. Serta untuk semua yang telah mendukung penyelesaian Tugas Akhir ini yang tidak dapat disebutkan penulis satu persatu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan adanya kritik dan saran yang bertujuan untuk menyempurnakan dan memperkaya kajian Tugas Akhir ini. Akhir kata saya mengucapkan terima kasih dan semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Medan, 21 September 2016 Penulis, Valentino Tarigan NIM. 120402065 iv
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1.Latar Belakang... 1 1.2.Rumusan Masalah... 2 1.3.Batasan Masalah... 2 1.4.Tujuan Penulisan... 3 1.5.Manfaat Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1.Sifat-sifat Dielektrk Listrik... 4 2.2.Kekuatan Dielektrik... 6 2.3.Kekuatan Dielektrik Gas... 7 2.4.Tegangan Tembus... 9 2.5.Kegagalan Isolasi Gas... 9 2.5.1.Proses Ionisasi... 9 2.5.1.1.Radiasi Kosmis... 11 v
2.5.1.2.Ionisasi karena Benturan Elektron... 12 2.5.1.3.Ionisasi Termis... 13 2.5.2.Deionisasi... 14 2.5.3.Emisi... 15 2.6.Proses-proses Dasar dalam Kegagalan Gas... 15 2.7.Mekanisme Tembus Listrik pada Gas... 16 2.8.Gas Nitrogen... 18 2.8.1.Struktur dan Sifat Gas Nitrogen... 18 2.8.2.Proses Produksi Nitrogen... 22 2.8.3.Pengaplikasian Gas Nitrogen pada Peralatan Listrik... 23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 28 3.1.Umum... 28 3.2.Tempat dan Waktu... 28 3.3.Bahan dan Peralatan... 28 3.4.Rangkaian Percobaan... 34 3.5.Prosedur Percobaan... 35 3.6.Diagram Alir Percobaan... 36 vi
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 37 4.1.Pengujian Kekuatan Dielektrik Gas Nitrogen 1 Bar... 38 4.2.Pengujian Kekuatan Dielektrik Gas Nitrogen 2 Bar... 42 4.3.Pengujian Kekuatan Dielektrik Gas Nitrogen 3 Bar... 46 4.4.Pengujian Kekuatan Dielektrik Gas Nitrogen 4 Bar... 50 4.5.Pengujian Kekuatan Dielektrik Gas Nitrogen 5 Bar... 54 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 60 5.1.Kesimpulan... 60 5.2.Saran... 61 DAFTAR PUSTAKA... 62 LAMPIRAN... 64 vii
DAFTAR GAMBAR 1. Gambar 2.1 Medan Listrik di Antara Dua Elektroda... 7 2. Gambar 2.2 Proses ionisasi... 10 3. Gambar 2.3 Ionisasi karena radiasi sinar Kosmis... 11 4. Gambar 2.4 Benturan ionisasi... 12 5. Gambar 2.5 Ionisasi thermis... 14 6. Gambar 2.6 Proses deionisasi... 14 7. Gambar 2.7 Proses terjadinya emisi... 15 8. Gambar 2.8 Elektron-elektron bebas di udara... 16 9. Gambar 2.9 Banjiran elektron menyebabkan tembus listrik.... 18 10. Gambar 2.10 Bentuk Molekul Nitrogen... 19 11. Gambar 2.11 Proses produksi Nitrogen... 23 12. Gambar 2.12 High Voltage Gas Pressure Cable... 24 13. Gambar 2.13 Gas Nitrogen pada Main Tank Trafo... 25 14. Gambar 2.14 Trafo type Hermetically sealed... 26 15. Gambar 3.1 Wadah penampung gas Nitrogen... 29 16. Gambar 3.2 Trafo uji... 29 17. Gambar 3.3 Auto Transformator... 30 18. Gambar 3.4 Voltmeter AC... 31 19. Gambar 3.5 Pompa Vacuum... 31 20. Gambar 3.6 Tahanan peredam... 32 21. Gambar 3.7 Elektroda Bola-bola... 33 22. Gambar 3.8 Wadah Pengukuran gas Nitrogen... 33 23. Gambar 3.9 Rangkaian Percobaan... 34 viii
24. Gambar 3.10 Diagram alir percobaan... 36 25. Gambar 4.1 Grafik Nilai Kekuatan Dielektrik Rata-Rata Gas Nitrogen Tekanan 1 Bar Setelah N kali tembus listrik.... 40 26. Gambar 4.2 Grafik Nilai Kekuatan Dielektrik Rata-Rata Gas Nitrogen Tekanan 2 Bar Setelah N kali tembus listrik... 44 27. Gambar 4.3 Grafik Nilai Kekuatan Dielektrik Rata-Rata Gas Nitrogen Tekanan 3 Bar Setelah N kali tembus listrik... 48 28. Gambar 4.4 Grafik Nilai Kekuatan Dielektrik Rata-Rata Gas Nitrogen Tekanan 4 Bar Setelah N kali tembus listrik... 52 29. Gambar 4.5 Grafik Nilai Kekuatan Dielektrik Rata-Rata Gas Nitrogen Tekanan 5 Bar Setelah N kali tembus listrik... 56 30. Gambar 4.6 Penggabungan tabel dan grafik percobaan... 58 ix
DAFTAR TABEL 1. Tabel 2.1 Bahan dielektrik gas.... 8 2. Tabel 2.2Nilai faktor efisiensi Ƞ... 21 3. Tabel 4.1Interpolasi mencari nilai efisiensi.... 37 4. Tabel 4.2 Kekuatan dielektrik gas nitrogen tekanan 1 bar.... 39 5. Tabel 4.3 Kekuatan dielektrik gas nitrogen tekanan 2 bar... 43 6. Tabel 4.4 Kekuatan dielektrik gas nitrogen tekanan 3 bar... 47 7. Tabel 4.5 Kekuatan dielektrik gas nitrogen tekanan 4 bar... 51 8. Tabel 4.6 Kekuatan dielektrik gas nitrogen tekanan 5 bar... 55 x