PENGARUH KETEBALAN ISOLASI TERHADAP KESEIMBANGAN SUHU KABEL OLEH: HOTMAN P SIMANULLANG NIM: 060422010 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2009
PENGARUH KETEBALAN ISOLASI TERHADAP KESEIMBANGAN SUHU KABEL Oleh : HOTMAN P SIMANULLANG NIM : 060422010 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA Sidang pada tanggal 16 Mei 2009 di depan penguji: 1. Ir. Syahrawardi : Ketua Penguji 2. Ir. R. Sugih Arto Yusuf : Anggota Penguji 3. Ir. Nasrul Abdi, MT : Anggota Penguji Diketahui Oleh: Disetujui Oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro Pembimbing Tugas Akhir Ir. Nasrul Abdi, MT Ir. Bonggas L. Tobing NIP: 131 459 554 NIP: 130 520 619
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-nya sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Pendidikan Sarjana Ekstension Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir saya ini adalah PENGARUH KETEBALAN ISOLASI TERHADAP KESEIMBANGAN SUHU KABEL. Penulis juga mengucapkan terima kasih terhadap semua pihak yang telah memberikan bantuan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini yaitu: 1. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro, 2. Bapak Rahmat Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro, 3. Bapak Ir. Bonggas L. Tobing, selaku dosen pembimbing Tugas Ahir ini, 4. Bapak Ir. Panusur SM L. Tobing, selaku dosen wali, 5. Bapak dan ibu dan b Henry, k Nita, b Edis yang memberikan doa dan dukungan, 6. Keluarga besar H. Simamora yang turut memberikan doa dan dukungan, 7. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel Napitupulu, yang membimbing penulis dalam Bab II, 8. Lamringan, Andry, Herman, selaku asisten Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi, 9. Teman-teman mahasiswa Program Pendidikan Sarjana Ekstension angkatan 06, 10. Teman-teman Naposobulung HKBP Kemenangan, 11. Semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penulisan tugas Akhir ini. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritikan yang membangun demi penyempurnaan Tugas Akhir ini. Semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi kita. Terima kasih. Medan, Maret 2009 Penulis, Hotman P Simanullang
ABSTRAK Apabila suatu logam atau penghantar dipanaskan maka suhu logam atau penghantar tersebut akan naik sampai mencapai suhu setimbang (steady state). Demikian halnya dengan sebuah kabel yang dialiri arus listrik. Arus akan menimbulkan panas pada penghantar sehingga suhunya naik sampai mencapai suhu setimbang (steady state). Kenaikan suhu dan waktu mencapai keadaan suhu setimbang tergantung kepada sifat dan ketebalan bahan isolasi kabel. Dari penelitian diperoleh untuk kawat telanjang suhu akhirnya 51,0 o C dengan waktu untuk mencapai kesetimbangan suhu 80 menit. Untuk kabel dengan tebal isolasi 3,67 mm suhu akhir inti kabel adalah 41,6 o C dan suhu luar isolasinya adalah 39,3 o C. Waktu mencapai kesetimbangan suhu lebih lama yaitu 190 menit.
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... ABSTRAK... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR LAMPIRAN... i iii iv vi viii viii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Tujuan Penulisan... 1 1.3. Batasan Masalah... 1 1.4. Metodologi Penelitian... 1 1.5. Sistematika Penulisan... 2 BAB II PERPINDAHAN PANAS 2.1. Umum... 3 2.2.Konduksi... 3 2.2.1. Laju Perpindahan Panas... 3 2.2.2. Konduksi pada Bidang Datar... 6 2.2.3. Konduksi pada Silinder... 8 2.3. Konveksi... 10 2.4. Radiasi... 12 2.5. Perpindahan Panas pada Kabel... 13 2.5. Contoh Perhitungan... 16 BAB III BAHAN ISOLASI 3.1. Umum... 20 3.2. Sifat Kelistrikan... 20 3.2.1. Kekuatan Dielektrik... 20
3.2.2. Konduktansi... 22 3.2.3. Rugi-Rugi Dielektrik... 23 3.2.4. Peluahan Parsial... 26 3.2.5. Tahanan Isolasi... 28 3.3. Sifat Terhadap Panas... 30 3.3.1. Ketahanan terhadap Suhu Rendah... 31 3.4. Sifat Kimia... 31 3.4.1. Sifat Kemampuan Larut... 31 3.4.2. Resistansi Kimia... 32 3.4.3. Higroskopisitas... 32 3.4.4. Permeabilitas Uap... 33 3.4.5. Pengaruh Tropis... 33 3.4.6. Resistansi Radiasi... 34 3.5. Sifat-Sifat Mekanis... 34 3.5.1. Kekuatan (Strength)... 34 3.5.2.Modulus Elastisitas... 35 3.5.3. Kekerasan... 35 BAB IV PENGUKURAN KESEIMBANGAN SUHU KABEL 4.1. Sampel... 37 4.2. Pengumpulan Data... 39 4.3. Pengolahan Data... 40 4.4. Analisis Data... 43 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan... 50 5.2. Saran... 50 DAFTAR PUSTAKA... 51
DAFTAR GAMBAR Gambar 2-1 Perpindahan panas secara konduksi... 4 Gambar 2-2 Konduksi pada dinding datar... 6 Gambar 2-3 Dinding lapis rangkap... 7 Gambar 2-4 Analogi listrik perpindahan panas pada dinding lapis rangkap... 7 Gambar 2-5 Aliran radial panas di dalam silinder... 8 Gambar 2-6 Analogi listrik aliran panas pada silinder... 9 Gambar 2-7 Silinder lapis rangkap dan analogi listriknya... 10 Gambar 2-8 Perpindahan panas konveksi dari suatu plat... 11 Gambar 2-9 Perpindahan panas pada kawat telanjang dan analogi listriknya... 13 Gambar 2-10 Perpindahan panas pada kabel dan analogi listriknya... 14 Gambar 2-11 Perpindahan panas pada kabel lapis rangkap dan analogi listriknya... 16 Gambar 2-12 Kawat tanpa isolasi... 16 Gambar 2-13 Kabel dengan satu lapisan isolasi... 17 Gambar 2-14 Kabel dengan dua lapisan isolasi... 18 Gambar 3-1 Terpaan elektrik dalam dielektrik... 20 Gambar 3-2 Arus konduksi pada suatu dielektrik... 22 Gambar 3-3 Rangkaian ekivalen suatu dielektrik... 24 Gambar 3-4 Rangkaian ekivalen dielektrik... 25 Gambar 3-5 Faktor rugi-rugi dielektrik... 25 Gambar 3-6 Ragkaian ekivalen dielektrik berongga... 27 Gambar 3-7 Arus pada suatu dielektrik... 28 Gambar 3-8 Pengaruh tegangan terhadap tahanan isolasi... 29 Gambar 3-9 Perubahan tahanan terhadap waktu... 29 Gambar 4-1 Isolasi sampel dari bahan polyolefin... 37 Gambar 4-2 Pemanasan bahan isolasi... 37 Gambar 4-3 Sampel yang siap diuji... 38
Gambar 4-4 Pengelompokan sampel... 38 Gambar 4-5 Terminal sampel... 39 Gambar 4-6 Rangkaian pengukuran... 39 Gambar 4-7 Hubungan antara suhu kawat telanjang dengan waktu... 44 Gambar 4-8 Hubungan antara suhu inti kabel dengan waktu untuk tebal isolasi yang bervariasi... 45 Gambar 4-9 Hubungan antara suhu isolasi kabel dengan waktu untuk tebal isolasi yang bervariasi... 46 Gambar 4-10 Hubungan antara tebal isolasi dengan waktu untuk Mencapai kesetimbangan... 47 Gambar 4-11 Hubungan antara suhu akhir inti dan isolasi kabel dengan tebal isolasi... 48
DAFTAR TABEL Tabel 2-1 Konduktivitas termal berbagai bahan... 5 Tabel 2-2 Koefisien perpindahan panas konveksi... 11 Tabel 3-1 Klasifikasi bahan isolasi... 30 Tabel 3-2 Permeabilitas uap beberapa bahan... 33 Tabel 4-1 Suhu rata-rata tembaga telanjang sebagai fungsi waktu... 41 Tabel 4-2 Suhu rata-rata inti kabel sebagai fungsi waktu untuk empat ukuran tebal isolasi... 41 Tabel 4-3 Suhu rata-rata isolasi kabel sebagai fungsi waktu untuk empat ukuran tebal isolasi... 42 Tabel 4-4 Waktu untuk mencapai keseimbangan suhu... 47 Tabel 4-5 Suhu akhir inti dan isolasi kabel... 48