BAB II ARUS BOCOR DAN KELEMBABAN UDARA II.1 Jenis Isolator Isolator merupakan salah satu bahan dielektrik yang digunakan untuk memisahkan konduktor bertegangan dengan kerangka penyangga yang dibumikan. Berdasarkan bahan pembuatnya isolator terdiri dari isolator keramik dan isolator polimer. Berikut akan dijelaskan secara singkat mengenai kedua isolator tersebut. 1. Isolator Keramik Isolator Keramik pertama kali digunakan sebagai salah satu komponen di jaringan telegraf pada tahun 1800. Ada beberapa rancangan dasar dari isolator keramik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.1 (a), (b) dan (c). (a)
(b) (c) Gambar.1 Tipe Konstruksi dari Isolator Gantung Keramik. (a) Standar (b) Tipe Terbuka (c) Anti Kabut dan Digunakan pada Aplikasi Tegangan DC Berdasarkan bahan pembuatannya, isolator keramik terdiri dari dua jenis yaitu isolator porselen dan isolator kaca. Bahan porselen digunakan dalam pembuatan isolator rantai, isolator tipe post dengan inti padat maupun berongga, isolator tipe pin, isolator post dengan sirip banyak dan bushing. Isolator berbahan porselen sering dilapisi dengan suatu lapisan mengkilat yang berfungsi untuk meningkatkan daya tahan pada permukaannya. Kaca kebanyakan digunakan dalam pembuatan isolator rantai dan isolator tipe post yang bersirip banyak. Pada umumnya isolator kaca diproduksi melalui pemanasan material kaca. Tujuan dari pemanasan ini adalah untuk menghasilkan bentuk isolator yang diinginkan dan mendapatkan sifat yang lebih kokoh dan tidak mudah retak. Bahan porselen dan kaca memiliki permukaan yang bersifat lembam, sehingga dengan sifat tersebut, bahan porselen dan kaca ini mempunyai ketahanan yang tinggi
jika pada permukaannya terjadi busur api. Bahan porselen dan kaca juga memiliki ketahanan yang tinggi terhadap tekanan. Berdasarkan konstruksinya, isolator keramik dibagi menjadi empat jenis yaitu isolator tipe pin, isolator tipe post, isolator tipe pin-post dan isolator gantung. Isolator tipe pin, post dan pin-post digunakan untuk jaringan distribusi hantaran udara tegangan menengah. Isolator post juga digunakan untuk pasangan dalam (indoor) yaitu sebagai penyangga rel daya pada panel tegangan menengah. Isolator gantung digunakan untuk jaringan hantaran udara tegangan menengah dan tegangan tinggi. Pada jaringan tegangan menengah, isolator gantung digunakan pada tiang akhir dan tiang sambungan. Bentuk dari keempat isolator ini ditunjukkan pada Gambar. (a), (b), (c) dan (d). (a) (b) (c) (d) Gambar. Bentuk-Bentuk Isolator Keramik. (a) Tipe Pin. (b) Tipe Post. (c) Tipe Post-Pin. (d) Isolator Piring
. Isolator Polimer Isolator polimer atau isolator non-keramik pertama kali diperkenalkan pada tahun 1959. Bahan utama pembuatan isolator polimer adalah epoksi. Isolator polimer yang dipasang di luar ruangan rentan terhadap masalah kerusakan akibat sinar ultraviolet dan erosi. Kerusakan yang terjadi pada isolator polimer umumnya berhubungan dengan penggunaan material yang tidak tepat, teknik produksi, kualitas batang serat fiber yang rendah, serta penyegelan antara batang, kerangka dan ujung logam yang tidak bagus. Penyebab kerusakan isolator polimer dapat juga berupa pengapuran, krasing (patah inti polimer), dan penetrasi air. Selain itu, material polimer umumnya rentan terhadap pengaruh lingkungan dan polusi yang tinggi. Keuntungan dari isolator polimer adalah berat dari isolator yang 90% lebih ringan dibanding dengan isolator keramik. Isolator polimer juga mempunyai sifat hidrofobik, sifat termal dan dielektrik yang lebih baik. Selain itu, isolator polimer juga memiliki kekuatan mekanik yang lebih baik dibandingkan dengan isolator keramik dan gelas. Pada awalnya desain utama dari isolator ini ada dua, yaitu dalam bentuk isolator gantung dan tipe post seperti yang ditunjukkan pada Gambar.3 (a) dan (b).
Besi tempa dan logam yang disatukan dengan menggunakan proses swaging Serat fiber yang diperkuat batang damar Karet penahan udara dan selubung batang (a) Ujung logam yang disatukan dengan batang fiber melalui proses swaging Serat fiber yang diperkuat batang damar Karet penahan udara dan lapisan pelindung (b) Gambar.3 Bentuk Isolator Polimer. (a) Tipe Rantai dan (b) Tipe Post
Isolator polimer memanfaatkan inti dari serat fiber sebagai penopang mekanis. Pada serat fiber tersebut ditambatkan logam untuk menambah kekuatan mekanis pada isolator. II. Tahanan Isolator Apabila isolator memikul tegangan searah, maka arus akan mengalir melalui permukaan dan bagian dalam isolator. Arus yang melalui permukaan disebut arus permukaan. Sedangkan hambatan yang dialami arus ini disebut tahanan permukaan. Arus yang melalui bagian dalam isolator disebut arus volume dan hambatan yang dialami arus tersebut disebut tahanan volume. Besarnya tahanan volume dipengaruhi oleh bahan isolator yang digunakan. Sedangkan besarnya tahanan permukaan dipengaruhi oleh kondisi dari permukaan isolator. Jumlah arus volume dan arus permukaan disebut arus bocor. Jika tegangan yang dipikul isolator adalah tegangan AC, maka selain kedua jenis arus tersebut, pada isolator juga mengalir arus kapasitif. Arus kapasitif terjadi karena adanya kapasitansi yang dibentuk isolator dengan elektroda. Pada Gambar.4 ditunjukkan arus permukaan, arus volume dan arus kapasitif yang mengalir pada suatu isolator.
Elektroda IP IC IC V Iv Elektroda Gambar.4 Arus Bocor pada Permukaan Isolator Rangkaian listrik ekivalen suatu isolator ditunjukkan pada Gambar.5. V IP IV IC RP RV C IB Gambar.5 Rangkaian Ekivalen Arus Bocor Menurut Gambar.5, arus bocor yang mengalir melalui suatu isolator adalah :.1 I B = I P + I C + I V Karena tahanan volume relatif besar dibandingkan dengan tahanan permukaan, maka menyebabkan arus volume dapat diabaikan. Sehingga, arus bocor total menjadi :
I B = I P + I C. Dengan demikian, tahanan ekivalen isolator menjadi seperti pada Gambar.6 V IP IC RP C IB Gambar.6 Rangkaian Ekivalen Arus Bocor pada Isolator Tahanan permukaan isolator dapat bervariasi, bergantung pada material yang menempel pada permukaan isolator. Keadaan iklim, daerah pemasangan isolator serta kelembaban udara menjadi faktor yang mempengaruhi besar dari tahanan permukaan isolator. Polutan yang menempel pada permukaan isolator akan menyebabkan tahanan permukaan isolator turun dan meningkatkan besar arus permukaan yang mengalir pada permukaan isolator sehingga arus bocor semakin besar. II.3 Rugi-Rugi Akibat Arus Bocor Isolator Dalam sistem distribusi, akan selalu timbul rugi rugi daya selama penyaluran. Rugi-rugi daya menyebabkan daya yang sampai ke konsumen menjadi berkurang.
Pada Gambar.7, ditunjukkan representatif dari suatu saluran distribusi hantaran udara dengan arus kapasitansi (I c ) yang diabaikan. Pada gambar terdapat pembangkit, tahanan kawat penghantar per gawang (R), reaktansi kawat penghantar per gawang (X), tiang distribusi, isolator dan beban. Isolator R 1 X 1 R X R n X n Panel Tegangan Menengah Tiang distribusi Beba n Gambar.7 Representatif dari Saluran Distribusi pada Keadaan Tanpa Beban Apabila arus bocor pada isolator diabaikan, maka rangkaian ekivalen dari saluran distribusi hantaran udara adalah seperti ditunjukkan pada Gambar.8. Bila dioperasikan pada keadaan tidak berbeban, maka tidak ada rugi-rugi daya pada saluran distribusi hantaran udara. R 1 X 1 R X R n X n Beban Gambar.8 Rangkaian Ekivalen Tanpa Arus Bocor pada Keadaan Tanpa Beban
Pada keadaan berbeban, arus mengalir di sepanjang penghantar seperti yang ditunjukkan pada Gambar.9. R 1 X 1 R X R n X n I Beban Gambar.9 Rangkaian Ekivalen Tanpa Arus Bocor pada Keadaan Berbeban Rugi-rugi daya pada saluran hantaran udara menjadi : P = I. ( R 1 + R + R 3 +.. + R n ).4 Jika arus bocor pada isolator diperhitungkan, maka rangkaian ekivalen saluran distribusi hantaran udara adalah seperti ditunjukkan pada Gambar.10. R 1 X 1 R X R n X n I k1 I k I kn I i1 Rp I i Rp I i3 Rp I i (n-1) Rp (n- I i n 1 3 1) Rp n Gambar.10 Rangkaian Ekivalen Saluran Distribusi Hantaran Udara dengan Arus Bocor pada Keadaan Tanpa Beban
Pada keadaan tidak berbeban, ada rugi rugi daya hantaran udara sebesar : P = I k1. R 1 + I i1. R p1 + I k. R + I i. R p + I k3. R 3 + I i3. R p3 +.. + I kn. R n + I i (n-1). R p (n-1) + I in. R pn.5 Sebagai pendekatan, rangkaian ekivalen saluran distribusi hantaran udara dapat dibuat dalam rangkaian T-nominal, seperti ditunjukkan pada Gambar.11. R ek / XL ek / R ek / XL ek / I R ie Beban Keterangan : 1. R ek = Tahanan Seluruh Kawat per Fasa. Xl ek = Reaktansi Seluruh Kawat per Fasa 3. R ie = Tahanan Ekivalen Permukaan Semua Isolator Gambar.11 Pendekatan T untuk Rangkaian Ekivalen Saluran Distribusi Hantaran Udara dengan Arus Bocor pada Keadaan Tanpa Beban Jika tahanan permukaan setiap isolator dianggap sama, jumlah isolator per tiang per fasa adalah satu unit, dan jumlah tiang adalah, maka R ie =.6
Pada saat keadaan tanpa beban, arus akan mengalir melalui permukaan isolator, sehingga rugi-rugi total pada saluran distribusi hantaran udara adalah : P = I. ( R ek / + R ie ).7 Pada keadaan berbeban, rangkaian ekivalen saluran distribusi hantaran udara adalah seperti pada Gambar.1. R ek/ X ek/ R ek/ X ek/ I 1 I B I R ie Beban Gambar.1 Pendekatan T untuk Rangkaian Ekivalen Saluran Distribusi Hantaran Udara dengan Arus Bocor pada Keadaan Berbeban Untuk kasus ini, rugi-rugi saluran distribusi hantaran udara menjadi : P = I 1. R ek / + I B. R ei + I. R ek /.8 Dengan membandingkan.4 dan.8 dapat disimpulkan bahwa rugi-rugi daya pada saluran distribusi hantaran udara semakin besar jika ada arus bocor pada permukaan isolator. Dengan perkataan lain, arus bocor pada permukaan isolator memperbesar rugi-rugi daya pada saluran distribusi hantaran udara. II.4 Pengaruh Kelembaban Udara terhadap Arus Bocor Isolator Terpolusi Keadaan cuaca akan mempengaruhi kinerja dari isolator yang terpasang pada saluran udara. Keadaan udara yang lembab, hujan gerimis dan adanya kabut juga
berpengaruh penting terhadap kinerja isolator. Udara di sekitar isolator mengandung polutan. Polutan tersebut dapat berupa debu, asap-asap kendaraan maupun garam. Polutan akan menempel pada permukaan isolator. Banyaknya polutan yang menempel pada suatu isolator berbeda-beda bobotnya, bergantung pada bobot polutan udara di sekitar tempat isolator tersebut. Polutan ini kemudian membentuk suatu lapisan yang disebut lapisan kontaminan. Pada musim hujan, akan terjadi proses pembasahan kontaminan secara alami. Apabila isolator dikenai hujan deras, maka lapisan kontaminan pada isolator akan tercuci bersih. Sebaliknya, jika hujan yang terjadi berupa hujan rintik- rintik atau kondisi udara pada sekitar isolator lembab, maka lapisan kontaminan akan menyerap uap air dari udara basah. Lapisan kontaminan yang basah ini membuat konduktivitas lapisan kontaminan semakin besar sehingga tahanan permukaan isolator semakin kecil, akibatnya, arus permukaan semakin tinggi dan menyebabkan rugi-rugi daya pada permukaan isolator bertambah. Dengan demikian rugi-rugi saluran distribusi hantaran udara juga bertambah besar.