ITAKAAN IIPAN
ATIMUR
l!z
31
F
B 1
-b'
Peralatan Tegangan linggi Edisi Kedua
Bonggas L. Tohing Depa
rte m e n
Te kn i k El e ktro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan
PENERBIT ERIANGGA Jl. H. Baping Raya No. 100 Ciracas, Jakarta 13740 http :i/www.erlangga. co. id
(Anggora IKAPI)
MILIK Brdrn Pcrpustakesn
dan I
.
KcareiPan
Jelrs-Trrr'$-ProPlnsi r . ur/"--
\;;a7opr/n
/top,
Peralatan Tegangan linggi, Edisi Kedua Bonggas L. Tobing Hak Cipta @2012 pada Penulis Hak terbit pada Penerbit Erlangga Disusun oleh: Bonggas L. Tobing
Editor: Ade M. Drajat, S.T. Lemeda Simarmata. S.T.
Buku ini diset dan dilayout oleh Bagian Produksi Penerbit Erlangga dengan Power MacPro
Dicetak oleh: PT Gelora Aksara Pratama
161514131254321 Dilarang keras mengutip, menjiplak, memfotokapi, atau memperbanyak dalam bentuk apapun, baik sebagian atau keseluruhan isi buku ini, serta memperjualbelikannya tanpa izin tertulis dari Penerbit Erlangga.
O HAK CIPTA DILINDLINGI OLEH T]NDANG-TINDANG
Daftar lsi
tx
Tentang Penulis Prakata Edisi Pertama Prakata Edisi Kedua Daftar Lambang dan Satuan
x xi
xii
Pendahuluan
1.1 1-2 1.3 1.4 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. Bab
1
Tegangan Transmisi Tenaga Listrik
Gardu lnduk Komponen Gardu lnduk Sistem lsolasi Peralatan Tegangan Tinggi Konduktor Peralatan Tegangan 1-inggi Sistem Pendinginan Peralatan Tegangan Tinggi Penyambung Tegangan T'inggi Alat Pelindung Peralatan Tegangan linggi
1
2
4 4 7
7 8 9
2
Pemutus Daya
2.1 2.2 2.3 2.4
Fungsi Pemutus Daya Hubungan Relai dengan Pemutus Daya Proses Pemutusan Rangkaian suatu Sistem lonisasi, Deionisasi dan Emisi
10
lonisasi
14
Deionisasi
75
2.5 2.6 2.7
11
12 13
Emisi
16
Proses Pembentukan Busur Api
17
Pemadaman Busur Api
17
Pemadaman Busur Api Arus Searah Pemadaman Busur Api Arus Bolak-balik
18
Tegangan Pemulihan Kontak
19
Resistif Kapasitif
20
Induktif
22 23 24
Rangkaian Rangkaian Rangkaian Rangkaian Ra
2.8
10
ng ka
ia
n
21
Seri lnduktif-Kapasitif In
du
ktif-
Re
18
si
stif
Jenis-Jenis Pemutus Daya
25
Pemutus Daya Udara
25
vi
Peralatan Tegangan
Pemutus Pemutus Pemutus Pemutus
2.9 2.10
Bab
T
rnggi
Daya Minyak Daya Udara-Tekan Daya Vakum Daya SF6
31
Pertimbangan dalam Pemilihan Pemutus Daya Kapasitas Pemutus Daya
32 33
Arus Hubung Singkat Kapasitas Arus Sesaat (Momentary Duty) Kapasitas Pemutusan Arus (lnterrupting Current Capacity)
33
2.11
Tegangan Kerja Pemutus Daya
37
3
Konduktor
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
Bahan dan Jenis Konduktor Kawat Telanjang
3.6
Kabel
4
34
36
38 38 38 39
ParameterKonduktor Pemilihan Ukuran Konduktor
41
Ditinjau dari Segi Ekonomi Ditinjau dari Segi Teknis
43
Rel Daya Gaya dan Tekanan pada Rel Tunggal Gaya dan Tekanan pada Rel Multi Batang
Bab
26 28 30
43
44 45
46 49
Pelindung Tegangan Lebih
53
4.2 4.3
Tegangan Lebih Prinsip Kerja Alat Pelindung Tegangan Lebih Sela Batang
53 55 56
Konstruksi dan Prinsip Kerja
56 57
4.4 4.5
Arus Susulan Arester Ekspulsl Arester Katup
4.1
Arester Katup Sela Pasif Arester Katup Sela Aktif Arester Katup tanpa Sela Percik 4.6
Tegangan Pengenal Arester Tegangan Tertinggi Sistem Tegangan Pengenal Arester Sela Pasif dan Sela Aktif Tegangan Pengenal Arester tanpa Sela Percik
4.7
4.8 4.9
Bab 5
5.1 5.2
58 60
60 61
63 64 65 oo
66
Klasifikasi dan Spesifikasi Arester
68
Spesifikasi Arester dengan Sela Percik Spesifikasi Arester tanpa Sela Percik
68
Lokasi Penempatan Arester Kawat Tanah
74 77
80
Sakelar Pemisah Konstruksi Sakelar Pemisah Fungsi Sakelar Pemisah
83 83 85
vil
Daftar lsi
5.3 Jenis Konstruksi
Sakelar Pemisah
Sakelar Pemisah Vertikal Sakelar Pemisah Lengan Ganda Sakelar Pemisah Lengan Berqutar
5.4 lnterlok Sakelar Pemisah 5.5 Pengenal Sakelar Pemisah 5.6 Penguiian Sakelar Pemisah 5.7 Pemilihan Sakelar Pemisah Penentuan SPesifikasi
lnformasi untuk Pemesanan lnformasi Penawaran Pabrikan
Bab
6
Trafo Tegangan
6.1 6.2 6.3 6.4
Jenis Trafo Tegangan Trafo Tegangan Magnetik Trafo Tegangan KaPasitif Galat lErrorl Galat Trafo Tegangan Magnetik Galat Trafo Tegangan Ka7asitif Batas Galat
6.5 6.6 6.7 6.8
Bab
Pengenal Trafo Tegangan Beban Trafo Tegangan Pemilihan Trafo Tegangan Pengujian Trafo Tegangan
86
87 88 88 90 91
93 93 94 94
95
97 97
98 101
105 105 107 108 108 110
112 114
Uii Jenis
114
Uii Rutin Uji Khusus
114
115 115
6.9
lnformasi dalam Pembelian Trafo Tegangan
7
Trafo Arus
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
Fungsi Trafo Arus Prinsip Kerja Trafo Arus Galat Trafo Arus Galat Komposit Burden Trafo Arus Faktor Kejenuhan
116
Ketahanan Terhadap Arus Hubung Singkat Arus Termis Waktu Singkat Arus Dinamis Waktu Singkat
127 127
7.8
Jenis-Jenis Trafo Arus
129
Jenis Menurut Jumlah dan Konstruksi Kumparan Primer Jenis Menurut Jumlah Rasio Jenis Menurut Jumlah lnti Jenis Menurut Ketelitian Jenis Menurut Reaktansi Jenis Menurut Konstruksi lsolasi
129 130
lrngkat lsolasi Trafo Arus Tegangan Lutut
134
7.9 7.10
116 117
119
123 125 126
128
131 131
133 134
136
vilt
Peralatan Tegangan llnggi
7.11 7.12
Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Relai Diferensiat Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Relai Jarak
Faktor Pertimbangan dalam pemilihan Trafo Arus Pengujian Trafo Arus Uji Jenis
Uji Rutin
Uji Tambahan
7.13 lnformasi dalam Pembelian Trafo Arus
Bab
8
Porselen Gelas
Bahan Komposit
8.6 KarakteristikElektriklsolator 8.7 KarakteristikMekanislsolator 8.8 lsolator Terpolusi Pengaruh Polutan terhadap Kinerja lsolator Penentuan Jarak Rambat lsolator Penetapan Tingkat Bobot polusi lsolator
Distribusi Tegangan pada lsolator Rantai Kapasitansi lsolator
8.10
Pendekatan Perhitungan Distribusi Tegangan Pemerataan Distribusi Tegangan pada lsolator Rantai
Bushing Konstruksi Bushing Pemerataan Distribusi Tegangan pada Bushing
Bab
9
Kapasitor Tegangan Tinggi
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5
Jenis-JenisKapasitor Konstruksi Sel Kapasitor Daya dan Energi suatu Kapasitor Kapasitor Gulung Rancangan suatu Kapasitor Gulung Kapasitansi Gulungan i a I m preg nasi Di el ektri k Kuat Medan pada Kapasitor Rancangan Kapasitor lmpuls Med
9.6 9.7 9.8 9.9 9.10
141 141
142 142 142
lsolator dan Bushing
8.1 Fungsi lsolator 8.2 Konstruksilsolator 8.3 Parameter lsolator 8.4 Jenis lsolator Hantaran Udara 8.5 Bahan Dielektrik lsolator
8.9
137 138 139
Jenis Konstruksi Unit Kapasitor Sekering Kapasitor Bank Kondisi Operasi Kapasitor Spesifikasi Kapasitor Pengujian Kapasitor Uji Jenis
143 143 144 145 147
149 149 149 151
152 156 157 157 158 159 160 161
162 166 167 168 169
174 174
176 178 180 181 181
782 183 184 185 186 189 190 191
191
lx
Daftar lsi
Uji Rutin Uji Lapangan
Bab 10 10.1
10.2
10.3
192
Trafo Daya
193
Prinsip Kerja Trafo Daya Susunan dan Penyambungan Kumparan
193
Jenis Susunan Kumparan Penyambungan Kumparan Bertindih Penyambungan Elemen Kumparan Berlapis
195
194
Dielektrik Padat lsolasi Kumparan Tegangan Tinggi
195 197 197 198
Minyak Trafo
200
lsolasi Kumparan Tegangan Tinggi
10.4 Susunan lsolasi Mayor Trafo Daya 10.5 Distribusi Tegangan pada Belitan Perkiraan Distribusi Tegangan Awal usi Teg a n ga n Metode Pendinginan Trafo Daya Pengujian Trafo Daya Pe me rata a n D i stri b
10.6 10.7
191
Lampiran
201 202
203 205 207
209
Karakteristik Konduktor Tembaga dan Aluminium 1 Lampiran 2 Karakteristik Mekanis Tembaga dan Aluminium Lampiran 3 B/L Menurut Standar IEC 71-1972 Lampiran 4 'l'ingkat Bobot Polusi Isolator Berdasarkan Analisis Kualitatif dan Metode ESDD Lampiran 5 Spesifikasi Minyak lsolasi dalam Kondisi Baru Lampiran 6 Spesifikasi Minyak lsolasi Setelah Dipergunakan
211 217
Daftar Pustaka
223
lndeks
225
218 220 221 222
Tentang Penulis
Bonggas L. Tobing dilahirkan di Tarutung pada ranggal 17 Agustus 1947. Setelah meraih gelar sarjana teknik elektro dari Universitas Sumatera Utara, tahun 1973, beliau mengikuti berbagai pelatihan seperti program "Matematika, Ilmu Pengetahuan clan Teknologi', clan pelatihan "Pendayagunaan Peralatan p3LpT', di ITB, Program Akta Mengajar V, Depdikbud dan pelatihan "SCADA Sltstem and Dato Communicatlon',. BWI Jakarta. Sejak tahun 1973 hingga sekarang, beliau menjadi dosen di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara. Tahun 1982-20 10, beliau menjabat sebagai Kepala Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi di perguruan tinggi yang sama. Beliau juga pernah menjadi Ketua Jurusan Teknik Elektro (1979-1988), perencana Laboratorium (1980-1985), dan kemudian Kepala Laboratorium Pengukuran Listrik (1991-1995) di Fakultas Teknik Universitas HKBP Nommensen, Medan. Beliau aktif melakukan penelitian sejak tahun 1979 dan beberapa dari hasil penelitian iru telah dipresentasikan dalam seminar-seminar nasional teknik tegangan tinggi serta dimuat dalam publikasi nasional dan internasional. Beliau juga duduk sebagai anggota Steering Committee pada seminar-seminar nasional teknik tegangan tinggi dan kelistrikan (1999-2001). Pengalamannya tidak terbatas cli bidang pendidikan dan penelitian. Beliau juga terlibat dalam dunia praktis dan pengabdian kepada masyarakat, misalnya sebagai instruktur di Udiklat PT PLN Tuntungan. instruktur pada pelatihan karyawan Pabrik Gula PTP IX Sei Semayang dan pr Inalum, sebagai Area Engineer pada BWI Consulting Service NZ, dalam rangka supervisi proyek Loss RetlLrctictn program pT PLN wilayah II Sumut (1984-1988) dan proyek scADA pr pLN pikitring Sumur (19891994). Tahun 2006 beliau menjadi anggota "Komite Keanclalan sistern Tenag,a Listrik,, Departemen ESDM RI dan tahun 2006 hingga sekarang menjadi mitra bestari jurnal "Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan" Puslitbang Teknologi Ketenagalistrikan dan
Energi Baru Terbarukan, Departemen ESDM RI. Dalam kerja-sama antar perguruan tinggi, beliau menjadi editor jurnal "Rekayasa Elektrika", universitas Syiah Kuala (2004) dan menjadi pengurus "Forum Studi Teknik Tegangan Tinggi Antar IJniversitas,' (1999-2004). Dalam organisasi profesi, beliau adalah anggota "lnternational Council on Large Electric Systems" (CIGRE).
Prakata Edisi Pertama
erkembangan sistem tenaga listrik yang pesat membuat peralatan tegangan tinggi menjadi bidang studi yang penting bagi mahasiswa teknik tenaga listrik dan juga bagi para teknisi yang berkecimpung dalam perusahaan energi listrik maupun perusahaan jasa rekayasa kelistrikan. Mengingat pentingnya studi ini, maka Departemen Pendidikan dan Kebudayaan RI telah menetapkan studi Peralatan Tegangan Tinggi menjadi mata kuliah keahlian dalam kurikulum nasional bidang Teknik Elektro. Karena Peralatan Tegangan Tinggi merupakan mata kuliah yang baru beberapa tahun terakhir ini diajarkan di Jurusan Teknik Elektro, maka buku-buku acuan terbitan lokal yang secara khusus membahas peralatan tegangan tinggi belum ada. Hal inilah yang mendorong Penulis menyusun buku ini. Lingkup studi yang akan disajikan dalam buku ini antara lain meliputi: konstruksi, prinsip kerja dan karakteristik dari peralatan tegangan tinggi yang dijumpai pada gardu induk. Buku ini juga menyajikan dasar-dasar perencanaan untuk menentukan spesi{ikasi suatu peralatan untuk suatu keperluan teftentu. Dengan demikian, mahasislva yang telah mempelajari buku ini dapat mengembangkannya nanti setelah bekerja di lapangan Penulis menyadari bahwa buku ini belum sempurna. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran-saran dari rekan-rekan untuk penyempurnaan isi dan
lingkup bahasannya. Penulis menyampaikan terima kasih kepada para asisten mahasisr'va dan rekanrekan staf pengajar di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi, Fakultas Teknik USU, yang membantu penulis menyusun buku ini. Akhir kata, semoga buku ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan. Akhir Desember 2002
Prakata Edisi Kedua
eralatan Tegangan Tinggi, edisi kedua, adalah edisi terbaru hasil penyempurnaan dari edisi pertama. Penerbitan edisi kedua ini merupakan perwujudan dari respons positif dan masukan yang penulis terima dari para pengguna. Dalam buku edisi kedua ini, sejumlah koreksi dan penambahan materi telah dilakukan, dengan maksud agar isi buku ini semakin mudah dipahami dan semakin lengkap materinya. Buku ini diharapkan dapat menjadi referensi yang berguna dar. up-to-date bagi mahasiswa teknik elektro yang mendalami program studi teknik tenaga listrik, khususnya bagi peserta mata kuliah Peralatan Tegangan Tinggi (yang dianggap sangat penting sehingga ditetapkan sebagai mata kuliah keahlian dalam kurikulum nasional). Buku ini juga bermanfaat bagi para praktisi dan profesional industri yang berkecimpung dalam bidang teknik tenaga listrik baik di perusahaan energi listrik maupun di perusahaan jasa rekayasa kelistrikan. Selain itu, para guru di sekolah kejuruan teknik elektro pun dapat menjadikan buku ini sebagai salah satu referensi pendamping dan penambah-wawasan dalam proses belajar-mengajar yang mereka laksanakan. Buku ini bertujuan memperkenalkan para pembaca kepada peralatan-peralatan tegangan tinggi yang dijumpai pada sistem tenaga listrik; terutama dari sisi konstruksi, prinsip kerja, karakteristik, serta hal-hal yang membedakan peralatan tegangan tinggi tersebut dengan peralatan tegangan rendah. Buku ini juga menyajikan konsep dasar perencanaan untuk menentukan spesiflkasi suatu peralatan untuk suatu keperluan tertentu dan konsep dasar perancangan isolasi peralatan tegangan tinggi. Dengan demikian, mahasiswa yang telah mempelajari buku ini diharapkan dapat mengembangkannya nanti setelah bekerja di lapangan Akhirnya, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada pihak editorial Penerbit Erlangga yang telah membantu proses produksi naskah sehingga bisa terbit sebagai buku. Penulis juga sangat berterimakasih kepada rekan-rekan akademisi dan para pengguna yang telah memberikan masukan berharga untuk perbaikan buku ini. Penulis juga menanti segala masukan yang bermanfaat untuk buku ini sehingga ke depannya buku ini akan semakin sempurna dan semakin bermanfaat bagi para pengguna.
Bonggas L. Tobing Medan, Juni 2012
Daftar Lambang dan Satuan
Lambang
Penjelasan
Satuan
Lambang
Penjelasan
Satuan
(t)
Kecepatan sudut frekuensi tegangan
radian/sekon
G
0
Konduktivitas
mho'm,/mm2
H
5
Galat sudut
menlt
H
Harga energi terbuang
p
Resistivitas
ohm mmr/m
Hk
Harga konduktor per satuan berat
(T
Tekanan akibat gaya
N/cm2
I. i
Arus
ampere
a
Faktor penyangga terhadap tekanan
J,JT
Jarak
mm, cm, m
Volume Gaya gerak
magnetik
cm3
A-belitan/m $/kW-Tahun $/kg
konduktor Faktor penyangga
p
terhadap tekanan
_/RS
isolator K
spesifik isolator
k
pemutusan arus
maksimum
Faktor koreksi udara
mmHg
K
Equivalent Salt Deposit Density
(ESDD) ,l' U
mm/kV
Faktor kemampuan
Faktor komponen dc dalam arus subtransien
a
Jarak rambat
.C
k
Faktor koreksi diamater isolator
m/ps
k
Faktor perkalian momen inersia
7o
k
Temperatur Kecepatan rambat tegangan impuls
Galat rasio trafo
ukur
s
Faktor jenis pembumian netral sistem
i
Kecuraman muka gelombang tegangan impuls
kV/ps
k.
6
Fluks
weber
k
Faktor transformasi aktual trafo arus
lJo
Permeabilitas udara
k
Faktor transformasi pengenal trafo arus
4,7r
x
lO-7
Hlm
Faktor koreksi kelembabam udara
mg/cm2
xiv
Peralatan Tegangan l rnggi
Lambang
Penjelasan Kekuatan mulur
C
minimum
Satuan
Lambang
Penjelasan
N/cm2
k
Faktor transformasi tegangan aktual
k
Faktor transformasi aktual trafo
Satuan
pengukuran
AP
Rugi-rugi daya
AV
Jatuh tegangan
a
Faktor transformasi pembagi tegangan
watt
tegangan voh
L
Induktansi
I
Panjang
kapasitif Faktor transformasi 0
tegangan sistem pengukuran
I
Jarak rambat isola
tor
henry mm, cm, m
mm
Faktor transformasi a
pengenal trafo tegangan
A
Luas
h
Tekanan udara Bunga uang
b
M
Modulus Young
N/mm2
mm2. m2
m
Berat konduktor per satuan volume
kg/cm:
mmHg
m
Vo
N
C
Kapasitansi
farad
p
c
Jarak minimum antar sirip isolator
mm
P
cos
(p
Faktor daya
D
Konsentrasi garam dalam air murni
D
E,,
PF
Berat konduktor per satuan panjang
kg/m
Jumlah belitan
belitan
Panjang rentangan
sirip isolator Daya
aktif
mm watt
Faktor profil isolator
Vo
ft
Resistansi
Diamater isolator
mm
s
Daya
VA, KVA. MVA
Gaya gerak Iistrik
volt
t
Waktu
detik (sekon)
volt/cm
V
Tegangan
Hz
w
Momen tahanan
cm:
newton
X
Reaktansi
ohm
9,81m/s2
Z
Impedansi
ohm
E
Kuat medan elektrik
f
Frekuensi
F
Gaya Percepatan gravitasi
ohm
volt, kV
Bab
1
Pendahuluan
erkembangan kebutuhan energi listrik senantiasa diikuti pembangunan pusat-pusat tenaga listrik berkapasitas besar. Karena alasan ekonomi, kondisi geografis, potensi alam yang dapat diolah menjadi tenaga listrik, dan masalah sosial; maka pusatpusat tenaga listrik dibangun jauh dari pusat pemukiman masyarakat atau konsumen. Oleh karena itu, untuk menyalurkan energi dari pusat pembangkit kepada konsumen dibutuhkan saluran atau transmisi tegangan tinggi dan peralatan tegangan tinggi yang mendukung pengadaan transmisi tegangan tinggi tersebut. Berikut ini akan dijelaskan alasan penerapan tegangan tinggi pada suatu transmisi tenaga listrik, peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk mendukung penerapan tegangan tinggi tersebut, dan perbedaan peralatan tegangan tinggi dengan peralatan tegangan rendah.
1.1
TEGANGAN TRANSMISI TENAGA LISTRIK Diagram garis dari suatu sistem tenaga listrik sederhana diperlihatkan pada Gambar 1.1 di bawah ini. Ketika suatu sistem tenaga listrik sedang beroperasi, pada transmisinya terjadi rugi-rugi daya. Rugi-rugi daya pada transmisi ac tiga fasa adalah: LP,
= 1 = R =
dengan AP
pusat
1.1
37zP
Rugi-rugi daya transmisi ac tiga fasa (watt) Arus pada kawat transmisi (A) Resistansi kawat transmisi masing-masing fasa (ohm)
Gardu Induk
Distribusi Transmisi
Pembangkit
GAMBAR
=
1.1
Diagram garis sistem tenaga listrik sederhana
Gardu Induk
Peralatan Tegangan linggi
Dengan mengabaikan arus kapasitif pada transmisi, makh arus di sepanjang kawat transmisi dapat dianggap sama dan besarnya adalah sama dengan arus pada ujung penerima transmisi. Jika P sama dengan daya beban pada ujung penerima transmisi (watt), v. sama dengan tegangan fasa-ke-fasa ujung penerima transmisi (volt) dan cos g sama dengan faktor daya beban, maka arus pada kawat transmisi adalah:
I=L
t.2
{54cose
Jika Persamaan 1.2 disubstitusikan ke dalam persamaan 1.1, maka diperoleh:
LP = .P2R. Vr, cos2 g
1.3
'
Terlihat bahwa rugi-rugi transmisi berbanding lurus dengan resistansi konduktor dan berbanding terbalik dengan kuadrat tegangan transmisi, sehingga pengurangan rugi-rugi yang diperoleh dari peninggian tegangan transmisi jauh lebih besar daripada pengurangan rugi-rugi dari pengurangan resistansi konduktor. Maka, rugi-rugi transmisi dikurangi dengan mempertinggi tegangan transmisi. Hal inilah yang membuat tegangan transmisi sistem tenaga listrik semakin tinggi dan saat ini sudah ada yang mencapai 750 kv.
1.2
GARDU INDUK Tegangan yang dibangkitkan generator terbatas dalam belasan kilovolt, sedangkan transmisi membutuhkan tegangan dari puluhan sampai ratusan kilovolt, sehingga di antara pembangkit dengan transmisi dibutuhkan trafo daya step up. Maka, semua perlengkapan yang terpasang di sisi sekunder trafo ini harus mampu memikul tegangan tinggi. Sebaliknya, tegangan transmisi dari puluhan sampai ratusan kilovolt, sedangkan konsumen membutuhkan tegangan dari ratusan volt sampai puluhan kilovolt, sehingga di antara transmisi dengan konsumen dibutuhkan trafo daya step down. Semua perlengkapan
yang telpasang di sisi primer trafo ini juga harus mampu memikul tegangan tinggi. Trafo-trafo daya ini bersama dengan perlengkapan-perlengkapannya disebut gardu induk. Posisi suatu gardu induk pada sistem tenaga listrik diperlihatkan pada Gambar 1.2. Jenis gardu induk dilihat dari fungsinya dibagi atas: gardu induk pembangkit, gardu induk beban dan gardu induk hubung. sedangkan dilihat dari jenis trafo daya yang telpasang, gardu induk dibagi atas gardu induk step up dan gardu induk step down. Gardu Induk Pembangkit Pusat
Pembangkit 1
1/1s0
kv Interkonektor 150
Gardu Induk Pembangkit
215t150 kV
kv
Transmisi 150
Transmisi t1t275 kY
150
kv
kv
150/20
kv Distribusi
Gardu Hubung
GAMBAR 1.2 Diagram garis sistem tenaga listrik interkoneksi
Bab
'1
Pendahuluan
GAMBAR 1.3 Gardu induk pasangan luar
Gardu induk dapatjuga dibagi berdasarkan penempatan instalasi peralatannya, yaitu gardu induk pasangan dalam dan gardu induk pasangan luar. Gardu induk pasangan luar diperlihatkan pada Gambar 1.3. Di sini, semua peralatan gardu dipasang di ruang terbuka. Pada gardu induk pasangan dalam, sebagian peralatan dipasang pada ruangan tertutup seperti diperlihatkan pada Gambar 1.4.
GAMBAR 1.4 Gardu induk pasangan dalam
Peralatan Tegangan Tlnggi
l..qe( --F H*HoH
;
I
:L)}>.....#cB fra* rru.r
os
L
GAMBAR 1.5 Diagram garis suatu gardu induk
1.3
KOMPONEN GARDU INDUK Susunan peralatan dalam suatu gardu induk diperlihatkan pada Gambar 1.5. Adapun peralatan tegangan tinggi yang terdapat pada suatu gardu induk adalah:
. . . . . .
pembagi tegangan kapasitor (CC)
trafo tegangan(PT) filter frekuensi tinggi (ff sakelar pembumian (ES) sakelar pemisah (DS)
. . . . .
pemutus daya (CB) pelindung tegangan lebih (LA)
trafo daya (TD) konduktor isolator
trafo arus (CI)
Jika sistem tenaga listrik membutuhkan perbaikan faktor daya, pada gardu induk dipasang kapasitor tegangan tinggi. Dalam buku ini akan diuraikan tentang prinsip kerja dan karakteristik dari semua peralatan tegangan tinggi tersebut, kecuali filter frekuensi
tinggi, karena peralatan ini merupakan perangkat komunikasi radio yang lebih layak dibicarakan dalam teknik telekomunikasi radio. Peralatan bertegangan rendah seperti daftar di atas, bukan barang baru dalam teknik kelistrikan. Trafo arus, kapasitor, trafo, pelindung tegangan lebih, pemutus dan sakelar dijumpai juga pada instalasi 2201380 volt. Jika sekarang dilakukan pembahasan secara khusus mengenai peralatan yang sama tetapi bertegangan tinggi, itu disebabkan adanya perbedaan pada konstruksinya. Ada lima hal utama yang membedakan peralatan tegangan tinggi dari peralatan tegangan rendah, yaitu sistem isolasinya, ukuran komponen peralatan yang menghantarkan arus, sistem pendinginan, penyambungan konduktor dan pelindung tegangan lebih. Berikut ini akan dijelaskan perbedaan konstruksi peralatan tegangan tinggi dengan peralatan tegangan rendah.
1.4
SISTEM ISOLASI PERALATAN TEGANGAN TINGGI Tekanan medan elektrik yang terdapat pada isolasi suatu peralatan listrik berbanding lurus dengan tegangan kerja (If peralatan tersebut dan berbanding terbalik dengan jarak susunan elektroda (s) yang terbentuk dalam peralatan tersebut:
,={
1.4
Karena peralatan tegangan tinggi bekerja pada tegangan yang tinggi, maka isolasinya
memikul tekanan medan elektrik yang tinggi sehingga konstruksinya harus dirancang agar mampu memikul tekanan medan elektrik tersebut. Tujuan ini dapat dicapai dengan
t
Bab
1
Pendahuluan
memperbesar dimensi bahan isolasi dan mengendalikan tekanan medan elektrik. Maka suatu peralatan tegangan tinggi dapat ditandai dari dimensi sistem isolasi yang lebih besar dan adanya usaha pengendalian tekanan medan elektrik pada peralatan itu. Untuk melihat pengaruh tegangan terhadap konstruksi isolasi suatu peralatan listrik,
pada Gambar 1.6 di bawah ini diberikan contoh perbedaan konstruksi dua isolator pendukung yang terbuat dari bahan porselen dengan tegangan kerja masing-masing 35 kV dan 110 kV. Terlihat bahwa volume isolator pendukung 110 kV hampir 3,8 kali volume isolator 35 kV. Dengan perkataan lain, kenaikan tegangan kerja isolator dari 35 kV menjadi 110 kV membuat volume isolator naik menjadi 3,8 kali volume awal. Contoh di atas menunjukkan bahwa volume bahan isolasi akan bertambah dengan bertambahnya tegangan kerja. Hal inilah yang membuat harga suatu peralatan tegangan tinggi didominasi oleh harga bahan isolasinya. Maka perlu ada upaya untuk mengurangi pemakaian bahan isolasi pada peralatan tegangan tinggi, yaitu dengan mengendalikan tekanan medan elektrik yang terjadi pada peralatan tersebut. Berikut ini akan diberikan dua cara pengendalian tekanan medan elektrik yalg dijumpai dalam praktik sehari-hari. Cara pertama adalah dengan menata bagian-bagian peralatan yang membentuk susunan elektroda sedemikian rupa sehingga tekanan medan elektrik pada sistem isolasi menjadi berkurang. Pada Gambar 1.7 di halaman 6 diperlihatkan perbedaan tekanan medan elektrik pada dua peralatan yang tegangan kerjanya sama, tetapi susunan elektrodanya berbeda. Jika dalam hal ini volume baharlisolasi yang digunakan adalah sama, maka bahan isolasi peralatan dengan susunan elektroda (a) dapat dipilih karena sistem isolasi peralatan dengan susunan elektroda (rz) memikul tekanan medan elektrik yang lebih lebih rendah daripada tekanan medan elektrik yang dipikul peralatan dengan susunan elektroda (b). Jika kekuatan dielektrik kedua peralatan adalah sama yaitu sama dengan E2*uk, peralatan (b). maka menurut Persamaan 1.2, jarak elektroda (s) pada -(ii) peralatan dapat dikurangi sehingga vdlume isolasi peralatan (a) lebih kecil dari volume isolasi peralatan (b). Cara lain untuk menghemat pemakaian bahan isolasi adalah dengan menambahkan
elektroda perata tegangan pada peralatan untuk meratakan distribusi tegangan pada sistem isolasi peralatan tersebut. Ada tiga jenis elektroda perata, yaitu elektroda perata internal, elektroda perata eksternal dan elektroda perata intermediasi. Pada Gambar
210 mm
€
180 mm
1234 mm
€
:4
:z--< 7----< 7---< >----<
z--s C35
1-,*
kV
GAMBAR 1.6 lsolator pendukung 35 kV dan
1 1
0 kV
110
kv
Peralatan Tegangan linggi
r= /
--r.-
/J
<->l
l/
-i
l}]**tlll
.------.----> .lr
Susunan (a)
tr l*
Al'
ll\
u,.,-. I
'-"1
I
lll}r.,
l1ilUM --;Susunan (D)
GAMBAR 1.7 Pengaruh bentuk elektroda terhadap tekanan medan elektrik
1.8 diperlihatkan pemasangan elektroda perata internal pada trafo uji tegangan tinggi dan elektroda perata eksternal pada isolator pendukung. Elektroda plrata intermediasi digunakan antara lain pada isolasi bushing trafo seperli diperlihatkan pada Gambar I .9. Bushing adalah isolator yang digunakan untuk mengisolir badan suatu peralatan
dengan konduktor terminal tegangan tinggi yang menerobos baclan peralatan tersebut. Seandainya elektroda perata tidak ada, maka distribusi tegangan paaailap bagian isolasi
adalah seperli pada Gambar 1.9a, dalam hal ini terlihaitetanan medan elektrik tidak merata pada bahan isolasi. Dengan adanya elektroda perata, maka distribusi tegangan pada setiap bagian isolasi semakin merata seperti diperlihatkan pada Gambar 1.9b.
Elektroda
--->
Elektroda eksternal
tegangan
tinggi
Eiektroda intemal
Mantel isolasi
(a) Trafo uji tegangan tinggi
GAMBAR 1.8 Pemasangan elektroda internal dan elektroda eksternal
ff
(b) Isolator pendukung
Bab
1
Pendahuluan
l0OVo
10OVo
75Vo 50Va 25Vo
Elektroda perata (a) Tanpa elektroda
perata
(b) Dengan elektroda perata
GAMBAR 1.9 Bushing tanpa elektroda perata dan dengan elektroda perata
1.5
KONDUKTOR PERALATAN TEGANGAN TINGGI Untuk kapasitas penyaluran arus yang sama dengan peralatan tegangan rendah, komponen yang menghantarkan arus pada peralatan tegangan tinggi berukuran lebih besar. Untuk memahami hal ini diambil contoh kabel tegangan tinggi. Suatu kabel tegangan tinggi dibungkus dengan bahan isolasi yang tebal. Jika kabel mengalirkan arus (0, dan R adalah resistansi inti kabel, maka pada setiap konduktor akan timbul rugi-rugi daya sebesar:
LP=PR
1.5
Rugi-rugi daya tersebut berubah menjadi panas yang menaikkan temperatur konduktor dan isolasi kabel. Bahan isolasi adalah penghantar panas yang buruk, sehingga penyebaran panas dari inti kabel ke media sekitar berkurang dan hal ini akan menyebabkan kenaikan temperatur kerja konduktor. Untuk mengatasinya, rugi-rugi daya harus dikurangi dengan memperkecil resistansi inti. Hal ini dilakukan dengan memperbesar ukuran penampang inti kabel. Sebagai contoh, tembaga tanpa isolasi, ukuran penampang 10 mm2 dapat mengalirkan arus 110 ampere. Jika dibungkus dengan isolasi PVC setebal I mm, maka daya hantar arus turun menjadi 64 ampere. Seandainya daya hantar arus kabel diinginkan tetap 110 ampere dan dibungkus dengan
isolasi PVC setebal 1 mm, maka luas penampang konduktor kabel harus diperbesar menjadi 25 mm2.
1.6
SISTEM PENDINGINAN PERALATAN TEGANGAN TINGGI Pada sub-bab 1.5 di atas telah dijelaskan bahwa bahan isolasi menghambat penyebaran panas dari komponen peralatan yang menjadi sumber panas, sehingga kapasitas daya hantar arus peralatan berkurang. Untuk meningkatkan kapasitas daya hantar arus peralatan,
Peralatan Tegangan Tinggi
Selubung anti korosi Pipa baja
Minvak
Pelindung
Radiator
kedap minyak
GAMBAR 1.10
GAMBAR 1.11
Kabel minyak bertekanan
Trafo dengan radiator
maka peralatan dilengkapi dengan peralatan pendingin. Misalnya, inti kabel dibuat berbentuk pipa (hollow conductor') dan pada bagian dalan pipa dialirkan air pendingin atau dengan memasukkan kabel ke dalam suatu pipa yang dialiri air pendingin, seperti diperlihatkan pada Gambar 1.10. Pada trafo daya, minyak isolasinya dibuat bersirkulasi melalui radiator, sepefii diperlihatkan pada Gambar 1.11 .
1.1
PENYAMBUNG TEGANGAN TINGGI Pada peralatan tegangan rendah, penyambungan suatu konduktor dengan konduktor lain, atau konduktor dengan terminal dapat dilaksanakan dengan solder atau dengan memintal
konduktor satu dengan konduktor yang lain, kemudian persambungan dibungkus dengan pita isolasi. Untuk peralatan tegangan tinggi, hal seperti ini tidak dapat dipraktikkan. Penyambungan harus dilakukan dengan suatu peralatan yang disebut penyambung tegangan tinggi, yaitu suatu peralatan yang dirancang khusus untuk penyambungan antar konduktor pada peralatan tegangan tinggi. Pada Gambar 1.12 diperlihatkan contoh penyambung tegangan tinggi yang digunakan pada suatu kabel.
Terminal
Ujung kabel
----) (a) Kabel satu fasa
GAMBAR 1.12 Penyambung kabel tegangar tinggi
(D) Kabel tiga fasa
Bab
1.8
1
Pendahuluan
ALAT PELINDUNG PERALATAN TEGANGAN TINGGI Ada empat tingkat tegangan yang mungkin dipikul suatu peralatan yang tersambung pada sistem tenaga listrik, yaitu: tegangan kerja kontinu, tegangan lebih pada frekuensi daya, tegangan lebih impuls hubung-buka dan tegangan lebih impuls petir. Tegangan lebih pada frekuensi daya terjadi jika terjadi hubung singkat jaringan satu fasa ke tanah, karena pada keadaan ini terjadi kenaikan tegangan pada kedua fasa yang tidak terganggu. Tegangan lebih impuls hubung-buka teijadi pada saat pemutusan dan penutupan rangkaian transmisi (switching operation). Sambaran petir pada transmisi akan menimbulkan tegangan lebih impuls petir pada sistem tenaga listrik. Semakin tinggi menara transmisi, maka semakin mudah transmisi disambar petir. Sementara, semakin tinggi tegangan transmisi suatu sistem tenaga listrik ditinggikan, maka semakin tinggi juga menara transmisi harus dibangun untuk menjamin keselamatan makhluk hidup di sekitar transmisi. Keberadaan tegangan lebih di atas mengharuskan peralatan memiliki bahan isolasi yang mampu memikul semua tingkat tegangan tinggi tersebut. Hal ini menyebabkan biaya pengadaan bahan isolasi semakin tinggi, sehingga harga suatu peralatan tegangan tinggi lebih ditentukan oleh biaya pengadaan isolasi. Untuk kapasitas yang sama. harga suatu peralatan tegangan tinggi jauh lebih mahal dari peralatan tegangan rendah. Oleh karena itu peralatan sistem perlu diperlengkapi dengan peralatan proteksi untuk menghindarkan kerusakan isolasi peralatan akibat adanya tegangan lebih impuls hubungbuka dan impuls petir. Penambahan peralatan proteksi ini menambah biaya investasi dan perarvatan sistem tenaga listrik. Pada Gambar 1.13 diperlihatkan suatu trafo daya yang dilengkapi dengan alat proteksi arester.
GAMBAR 1.13 Trafo daya dengan alat proteksr arester
Bab 2
Pemutus Daya
etiap sistem tenaga listrik dilengkapi dengan sistem proteksi yang berfungsi untuk mencegah terjadinya kerusakan pada peralatan sistem dan untuk mempertahankan kestabilan sistem ketika terjadi gangguan. Dengan demikian kontinuitas pelayanan sistem dapat dipertahankan. Salah satu komponen sistem proteksi adalah pemutus daya
(circuit breaker). Berikut ini akan dijelaskan peran pemutus daya pada sistem tenaga listrik, konstruksi dan karakteristik pemutus daya serta pemilihan kapasitas pemutus daya untuk suatu sistem tenaga listrik.
2.1
FUNGSI PEMUTUS DAYA Peranan pemutus daya dalam mempertahankan kontinuitas pelayanan dapat dijelaskan dengan diagram garis sistem tenaga listrik yang diperlihatkan pada Gambar 2. 1. Misalkan gangguan hubung singkat terjadi di titik F. Gangguan ini akan menyebabkan arus hubung singkat mengalir ke titik F, yang bersumber dari generator G, dan generator Gr. Seandainya pemutus daya 2, 3, 4 dan 5 tidak ada, maka untuk mencegah kerusakan pada generator (G, dan Gr) dan trafo (2, dan T), pemutus daya 1
l-l
= Pemutus daya
GAMBAR
2.1
Diagram garis sistem tenaga listrik terinterkoneksi
Bab2
Pemutus Daya
11
dan 6 harus membuka. Akibatnya aliran daya ke beban terputus. Tetapi dengan adanya pemutus daya 2 dan 3, maka ketika terjadi gangguan di titik F, kedua pemutus daya tersebut akan membuka sedangkan pemutus daya I dan 6 tetap tertutup, sehingga aliran daya ke beban tetap dipertahankan. Dalam hal ini pemutus daya2 dan 3 beraksi melokalisir jaringan yang terganggu, sehingga jaringan yang sehat tetap beroperasi. Ketika terjadi gangguan hubung singkat, generator dengan tiba-tiba dipaksa bekerja mengeluarkan daya yang besar. Perubahan kerja yang tiba-tiba ini dapat menimbulkan ketidakstabilan sistem. Tetapi jika pemutus daya2 dan 3 membuka sebelum batas waktu pemutusan kritis terlampaui, kestabilan sistem dapat diperlahankan. Peranan pemutus daya dalam pemeliharaan komponen sistem tenaga listrik dapat juga dijelaskan dengan Gambar 2. I di atas. Misalkan trafo To akan menjalani pemeliharaan. Untuk keperluan pemeliharaan ini pemutus daya 1 dan 8 harus dibuka. Seandainya pemutus daya 9 tidak ada, aliran daya ke jaringan L, akan terputus. Untuk mencegah pemutusan aliran daya ke jaringan Zr, pemutus daya 9 ditutup sehingga jaringan L, disulang dari trafo I.. Syarat-syarat yang harus dipenuhi oleh suatu pemutus daya agar dapat melaksanakan fungsi di atas, adalah sebagai berikut:
1. 2. 3.
2.2
Mampu menyalurkan arus maksimum sistem secara kontinu.
Mampu memutuskan dan menutup jaringan dalam keadaan berbeban maupun terhubung singkat tanpa menimbulkan kerusakan pada pemutus daya itu sendiri. Dapat memutuskan arus hubung singkat dengan cepat agar arus hubung singkat tidak sampai merusak peralatan sistem, tidak membuat sistem kehilangan kestabilan dan tidak merusak pemutus daya itu sendiri.
HUBUNGAN RELAI DENGAN PEMUTUS DAYA Bentuk flsik dan konstruksi suatu pemutus daya minyak diperlihatkan padaGambar 2.2. Bagian utama pemutus daya adalah kontak tetap dan kontak bergerak. Kontak bergerak dapat digerakkan secara manual atau dengan bantuan motor listrik atau sistem pneumatik. Jika kontak bergerak ditarik ke atas, maka pemutus daya dalam kondisi tenutup. Jika kontak bergerak didorong ke bawah, maka pemutus daya dalam kondisi terbuka.
Keterangani 1. Kontak tetap 2. Kontak bergerak 3. Bilik kontak 4. Tungkai penggerak kontak 5. Bushing 6. Tangki berisi minyak isolasi 7. Penggerak mekanik
GAMBAR 2.2 Bentuk fisik dan skema konstruksi suatu pemutus daya
12
Peralatan Tegangan linggi
Keterangon:
P = KI = KB = IP = IC = G = C?' = R = K = B =
Pegas
Kontak tetap pemutus daya Kontak bergerak pemutus daya Tungkai kontak bergerak Kumparan pemutus Tungkai kumparan pemutus Trafo arus Relai arus lebih Kontak relai Sumber arus searah
7.SR GAMBAR 2.3 Hubungan relai proteksi dengan pemutus daya
Hubungan kerja pemutus daya dengan relai proteksi diperlihatkan pada Gambar 2.3. Misalkan hubung singkat terjadi pada fasa R. Akibatnya arus di fasa R melonjak relatif besar. Arus yang besar ini melalui kumparan primer C7,, akibatnya arus yang mengalir di kumparan sekunder CT, dan relai R, juga semakin besar. Jika arus tersebut melebihi setting arus relai maka relai bekerja menutup kontak K,, akibatnya arus mengalir pada kumparan pemutus ZC sehingga tungkai kumparan pemutus G tertarik ke atas. Akibatnya tungkai kontak bergerak TP lertarik ke kiri, sehingga kontak bergerak KB menjauh dari kontak tetap KT. Dengan kata lain, kontak pemutus daya terbuka.
2.3
PROSES PEMUTUSAN RANGKAIAN SUATU SISTEM Pada Gambar 2.4a diperlihatkan suatu rangkaian yang sedang dialiri arus bolak-balik. Arus dan tegangan sesaat pada rangkaian tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.4b. Ilka kontak tertutup sempurna, maka resistansi antar kontak sangat kecil sehingga tegangan antar kontak V. dapat diabaikan. Misalkan kontak pemutus daya dibuka ketika t = /o. Sesaat setelah pembukaan kontak, timbul busur api di antara kontak, dan keadaan rangkaian menjadi seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4c. Adanya busur api membuat arus tetap mengalir pada rangkaian. Arus ini menimbulkan jatuh tegangan pada kontak yaitu sebesar perkalian arus dengan resistansi busur api. Jatuh tegangan ini sangat kecil dibandingkan dengan puncak tegangan sumber dan berlangsung dalam selang waktu tu - tr,. Selanjutnya, pada saat / = /r, arus sama dengan nol, busur api padam dan pada saat yang bersamaan tegangan antar kontak menjadi sama dengan tegangan sumber, dan berangsur naik menuju nilai maksimal. Beda tegangan antar kontak akan menimbulkan medan elektrik pada medium isolasi yang berada di antara kontak. Jika kuat medan elektrik tersebut lebih rendah daripada kekuatan dielektrik medium isolasi di antara kontak, maka medium tersebut tidak tembus listrik, sehingga busur api tidak terulang lagi dan rangkaian akan tetap terbuka sepefii diperlihatkan pada Gambar 2.4d. Keadaan seperti ini dijumpai pada pembukaan kontak pemutus daya bertegangan rendah.
Bab
2
Pemutus Daya
13
vk
<------->
-\r----.-----1[:I+ i
---------------->
l,tl 1",
(a) Rangkaian tertutup Busur api
.1/
(b) Arus dan tegangan sesaat
Busur api padam
i
-
(c) Timbul busur api
(d) Busur api padam
GAMBAR 2.4 Tegangan dan arus sesaat pada pembukaan pemutus daya
Adanya beda tegangan di antara kontak dapat mengulangi terjadinya busur api. Hal ini terjadi jika kuat medan elektrik yang terdapat pada medium isolasi di antara kontak melebihi kekuatan dielektrik medium tersebut. Keadaan seperti ini dijumpai pada pembukaan kontak pemutus daya bertegangan tinggi. Untuk menjelaskannya, perhatikan Gambar 2.5. Misalkan pada saat
/ = /,., kuat medan elektrik di antara kontak melebihi kekuatan dielektrik medium isolasi di sela kontak. maka medium isolasi akan tembus listrik. Peristiwa tembus listrik ini disusul terjadinya busur api ulangan, sehingga arus kembali
mengalir pada rangkaian meskipun sebenarnya kontak pemutus daya sudah terpisah. Tegangan antar kontak yang menimbulkan pengulangan busur api sama dengan tegangan sumber ketika r = /. dan disebut tegangan terpaan ballk (.restrike voltttge). Hubungan rangkaian benar-benar terputus setelah busur api padam dan tidak berulang lagi. Keadaan ini dapat dicapai dengan melengkapi pemutus daya dengan pemadam busur api.
2.4
IONISASI, DEIONISASI DAN EMISI Proses terjadinya busur api dan padamnya busur api pada suatu pemutus daya berhubungan dengan peristiwa ionisasi, deionisasi dan emisi. Oleh karena itu, berikut ini akan dijelaskan secara singkat tentang ketiga peristiwa tersebut.
GAMBAR 2.5 Tegangan dan arus pada keadaan busur api berulang
14
Peralatan Tegangan 1 rnggi
lonisasi Pada Gambar 2.6 diperlihatkan model suatu atom helium. Inti atom helium terdiri dari dua proton bermuatan positif dan dua neutron yang tidak bermuatan. Dua elektron bermuatan negatif berputar mengelilingi inti atom dengan lintasan yang berbeda. Tiap
elektron mempunyai energi ikat, yaitu energi yang mengikat elektron terhadap inti atom, agar elektron tetap berada pada lintasannya. Dalam keadaan normal jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga suatu atom dalam keadaan normal akan bersifat netral. Karena suatu proses, dimisalkan terjadi benturan antara elektron dengan suatu pafiikel dari luar. Jika energi kinetik partikel ketika membentur elektron lebih besar daripada energi ikat elektron, maka elektron akan keluar dari lintasannya menjadi elektron bebas, sehingga partikel yang tersisa dalam atom tinggal berupa dua proton, dua neutron dan satu elektron. Karena muatan positif lebih banyak daripada muatan negatif, maka total muatan atom sekarang menjadi positif. Atom yang bermuatan positif ini disebut ion positif. Terlepasnya elektron dari ikatan atom netral menjadi elektron bebas disebut ionisasi. Ionisasi dalam gas dapat terjadi karena tiga hal, yaitu: karena adanya radiasi sinar kosmis, adanya massa yang membentur gas dan karena kenaikan temperatur gas.
.
Radiasi Sinar Kosmis Ruang di atas bumi secara terus menerus dibombardir dengan partikel-patikel submikroskopis yang berenergi tinggi. Sebagian berasal dari matahari yang sering disebut sinar kosmis. Sebagian lagi berasal dari pemisahan bahan radioaktif yang setiap menit terjadi di dalam bumi, di langit dan di dalam organisme makhluk hidup. Partikel berenergi tinggi ini membentur elektron molekul netral sehingga elektron terlepas dari molekul netral. Peristiwa ini membuat gas dan udara bebas selalu mengandung elektron-elektron bebas.
.
Ionisasi Benturan Pada Gambar 2.7 diperllhatkan dua elektroda plat sejajar yang dipisahkan bahan isolasi gas. Jika kedua elektroda dihubungkan ke sumber tegangan searah, maka di antara kedua elektroda timbul medan elektrik yang arahnya dari anoda ke katoda. Sebelumnya sudah dijelaskan bahwa gas selalu mengandung elektron bebas sebagai
hasil radiasi sinar kosmis. Misalkan di dalam gas dijumpai satu elektron bebas (e). Karena adanya medan elektrik, elektron tersebut akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju anoda, elektron itu membentur molekul-molekul netral gas. Jika energi kinetik elektron bebas lebih besar daripada energi ikat entD e,O
€u
H
\ Elektron bebas
(.a)
Satu elektron bebas (e,) membentur elektron
terikat (e,)
GAMBAR 2.6 Proses ionisasr
(b)
Elektron terikat (e,) terlepas dari lintasannya menjadi elektron bebas
l
Bab
2
Pemutus Daya
15
Anoda (+)
Elektron bebas
Molekul netral
GAMBAR 2.7 lonisasi benturan
elektron atom netral gas, maka elektron akan keluar dari lintasannya menjadi elektron bebas baru dan menyisakan ion positif. Ion positif akan mengalami gaya dan bergerak menuju katoda sedangkan elektron bebas baru akan bergerak menuju anoda. Elektron baru ini akan mengadakan ionisasi benturan lagi, sehingga jumlah elektron bebas dan ion positif di dalam gas semakin banyak. Ionisasi Termal Jika temperatur gas dalam suatu bejana tertutup dinaikkin, maka molekul-molekul gas akan bersirkulasi dengan kecepatan tinggi sehingga terjadi benturan antar molekul. Jika temperatur semakin tinggi, maka kecepatan molekul semakin tinggi, sehingga benturan antar molekul semakin keras dan dapat membuat terlepasnya elektron dari molekul netral.
Deionisasi Jika suatu elektron bebas bergabung dengan suatu ion positif akan dihasilkan suatu molekul netral. Peristiwa penggabungan ini disebut deionisasi. Deionisasi akan mengurangi partikel bermuatan dalam suatu gas. Jika pada suatu gas terjadi aktivitas deionisasi yang lebih besar daripada aktivitas ionisasi, maka muatan-muatan bebas di dalam gas itu akan berkurang. Ada empat proses deionisasi yang berhubungan dengan pemadaman busur api pada suatu pemutus daya, yaitu: deionisasi medan elektrik, deionisasi rekombinasi, deionisasi akibat pendinginan dan deionisasi tangkapan elektron.
.
Deionisasi Medan Elektrik Telah dijelaskan sebelumnya bahwa medan elektrik timbul di antara dua plat sejajar bertegangan. Medan elektrik ini akan menimbulkan gaya pada setiap muatan yang terdapat di antara elektroda. Elektron bebas bergerak menuju anoda sedangkan ion positif bergerak menuju katoda. Jika elektron bebas tiba di anoda, maka elektron akan bergabung dengan metal. Ion positif akhirnya akan mendekati permukaan katoda dan menarik elektron keluar dari permukaan katoda, bergabung membentuk molekul gas netral. Jika di antara kedua elektroda tidak terjadi proses ionisasi, maka medan elektrik akan melenyapkan semua elektron bebas pada gas dan mengubah semua ion positif menjadi molekul netral.
.
Deionisasi Akibat Rekombinasi Rekombinasi adalah pengurangan muatan karena penggabungan elektron bebas dengan ion positif. Rekombinasi jarang terjadi dalam suatu gas. Peristiwa ini lebih mudah terjadi pada bidang batas antara gas dengan zat padat atau zat cair.
16
Peralatan Tegangan Tinggi
Deionisasi Akibat Pendinginan Telah dijelaskan sebelumnya bahr'va di dalam gas berremperatur tinggi akan terjadi gerakan molekul-molekul gas yang dapat menimbulkan ionisasi termal. Sebaliknya,
pendinginan gas atau udara akan memperlambat gerakan molekul. Hal ini akan menghalangi terjadinya ionisasi termal dalam gas tersebut, sehingga pembentukan elektron bebas dan ion positif dapat dicegah. Pendinginan gas atau udara tidak secara langsung mengurangi partikel bermuatan, tetapi hanya menghalangi terjadinya ionisasi termal dalam gas.
Deionisasi Tangkapan Elektron Beberapa gas tertentu, seperti gas SF6, mempunyai atom netral yang giat menangkap elektron bebas yang bergerak di dekat atom netral tersebut. Penggabungan elektron
bebas dengan atom netral menghasilkan ion negatif. Seandainya gas ini berada di antara dua elektroda plat sejajar berlegangan, maka elektron bebas yang bergerak ke anoda akan ditangkap atom netralnya dan membentuk ion negatif. Ion negatif
ini akan mengalami gaya dan bergerak menuju anoda. Tetapi karena massanya yang relatif besar, maka ia bergerak lebih lambat daripada pergerakan elektron bebas, sehingga tidak mampu menimbulkan ionisasi lanjutan. Dengan demikian, atom gas netral mencegah elektron bebas melakukan ionisasi atau mencegah terjadinya elektron bebas baru hasil ionisasi.
Emisi Emisi adalah peristiwa pelepasan elektron dari permukaan suatu logam menjadi elektron bebas di dalam gas. Ada dua proses emisi yang berhubungan dengan pembentukan busur api pada pemutus daya, yaitu emisi termal dan emisi medan tinggi.
.
Emisi Termal Suatu logam yang mempunyai titik lebur tinggi, seperti tungsten dan karbon, jika dipanaskan hingga bertemperatur tinggi, maka dari permukaannya akan dilepaskan elektron-elektron. Elektron tersebut keluar dari permukaannya dan menjadi elektron bebas di dalam gas. Proses inilah disebut emisi termal.
.
Emisi Medan Tinggi Jika permukaan suatu logam diamati dengan mikroskop, akan terlihat bahwa permukaan logam tersebut tidak semuanya mulus, tetapi selalu dijumpai titik-titik yang runcing seperti diperlihatkan pada Gambar 2.8. Jika logam tersebut dikenai medan elektrik, maka elektron yang terdapat pada permukaan logam katoda (K) akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda
GAMBAR 2.8 Permukaan logam dan medan tinggi
I
Bab
2
Pemutus Daya
17
(A). Elektron pada titik runcing akan mengalami gaya yang lebih besar karena intensitas medan elektrik pada bintik tersebut relatif lebih besar dibandingkan dengan intensitas medan elektrik di bagian yang datar. Jika intensitas medan elektrik cukup besar, maka dari titik runcing tersebut akan dilepaskan elektron bebas. Pelepasan elektron ini sering disebut emisi bintik katoda.
2.5
PROSES PEMBENTUKAN BUSUR API Jika kontak pemutus daya dipisahkan, maka beda potensial di antara kontak akan menimbulkan medan elektrik di sela kontak tersebut, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.9. Arus yang sebelumnya mengalir melalui kontak akan memanaskan kontak pemutus daya sehingga ketika kontak membuka, pada permukaan kontak terjadi emisi termal. Medan elektrik di antara kontak menimbulkan emisi medan tinggi pada permukaan kontak yang beraksi sebagai katoda ((1. Kedua peristiwa emisi ini menghasilkan elektron bebas yang sangat banyak dan bergerak menuju kontak yang berperan sebagai anoda (A). Elektron-elektron ini membentur molekul netral media isolasi di kawasan positif. Benturan-benturan ini akan menimbulkan proses ionisasi. Dengan demikian, jumlah elektron bebas yang menuju anoda semakin bertambah. Proses ionisasi juga menghasilkan ion positif yang bergerak menuju katoda. Perpindahan elektron bebas ke anoda menimbulkan arus, arus ini akan memanaskan anoda. Ion positif yang tiba di katoda akan menimbulkan dua efek yang berbeda. Jika kontak terbuat dari bahan yang titik leburnya tinggi, misalnya tungsten atau karbon, maka ion positif akan menimbulkan pemanasan di katoda. Akibatnya emisi termal semakin meningkat. Jika kontak terbuat dari bahan yang titik leburnya rendah, misalnya tembaga, maka ion positif akan menimbulkan emisi medan tinggi. Hasil emisi termal dan emisi medan tinggi akan melanggengkan proses ionisasi, sehingga perpindahan muatan antar kontak terus berlangsung dan inilah yang disebut dengan busur api. Busur api yang berlangsung lama akan meluruhkan material permukaan kontak.
2.6
PEMADAMAN BUSUR API Suatu pemutus daya dinyatakan berhasil memutuskan hubungan rangkaian
jika selama
kontak terbuka, arus yang melalui sela kontak sama dengan nol, atau tidak terjadi busur api lagi pada sela kontak. Ketika busur api padam, di sela kontak akan tetap ada medan elektrik. Jika kuat medan elektrik pada sela kontak lebih besar daripada kekuatan dielektrik medium di sela kontak, maka busur api akan terjadi lagi. Kawasan nesatif
Kontak tetap
+ ++
*
* 4 **
Kontak bergerak
NiILIK GAMBAR 2.9 Pembentukan busur api
Brden Pcrpustakatn
deu Prupinsi
Kra rsipan
J*ra
Timlue
Peralatan Tegangan linggi
18
Tujuan akhir pemadaman busur api adalah untuk membuat arus pada pada sela kontak sama dengan no1. Membuat arus searah menjadi nol berbeda dengan membuat arus bolak-balik menjadi nol. Oleh karena itu, pemadaman busur api pada pemutus daya searah berbeda dengan pemadaman busur api pada pemutus daya bolak-balik. Uraian berikut ini akan menjelaskan perbedaan kedua pemadaman tersebut.
Pemadaman Busur APi Arus Searah Secara alami, arus searah tidak pernah bemilai nol. Ada dua cara membuat arus searah
menjadi nol, yaitu:
a. b.
Membuat jatuh tegangan (LV1 pada busur api sama atau lebih besar daripada tegangan sistem; dan Menginjeksikan arus yang berlawanan arah dengan arus pada busur api.
Cara pertama dilakukan pada pemutus daya berkapasitas dan bertegangan rendah, sedangkan cara kedua dilakukan pada pemutus daya tegangan tinggi'
Pada cara pertama, jatuh tegangan pada busur api diperbesar dengan menaikkan resistansi busur api. Menaikkan resistansi busur api dapat dilakukan dengan tiga cara:
a. b. c.
Memperpanjang lintasan busur api. Menekan permukaan busur api supaya diameter busur api semakin kecil. Memotong busur api dengan beberapa plat logam sehingga membentuk segmensegmen busur api pendek yang terhubung secara seri seperti diperlihatkan pada Gambar 2.10. Setiap segmen busur api mengalami pengerutan sehingga resistansi seluruh segmen busur api lebih besar daripada resistansi busur api tanpa plat logam.
Cara kedua adalah membuat arus pada busur api sama dengan nol, yaitu dengan menghubungkan suatu kapasitor bermuatan ke terminal pemutus daya dengan polaritas yang berlawanan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.11.
Pemadaman Busur Api Arus Bolak-balik Secara alamiah, dalam satu periode, arus bolak-balik dua kali bernilai nol. Agar arus terus
bernilai nol, setelah arus bernilai nol yang pertama, pembentukan busur api berikutnya harus dicegah. Pencegahan dilakukan dengan deionisasi. Deionisasi akan mengurangi elektron bebas, sehingga konduktivitas busur api berkurang. Pengurangan konduktivitas busur api mengakibatkan resistansi busur api semakin besar. Penambahan resistansi busur api akan memlerkecil arus pada sela kontak pemutus daya dari cenderung menjadi nol.
Pengerutan
Kontak F-
t:"1 7r--r
Busur apr
------\
/ ---'
Plat logam (a) Tanpa plat Pemilah
GAMBAR 2.10 Pemilahan busur api
-
(b) Dengan plat pemilah
I
19
I
----------------
Kapasitor
lnjeksi arus pada pemutus daya arus searah
Jika pengurangan partikel bermuatan karena proses deionisasi lebih banyak daripada penambahan muatan karena proses ionisasi, maka busur api akan padam. Usaha-usaha yang dilakukan untuk menimbulkan proses deionisasi, antara lain adalah sebagai berikut.
a. b. c. d.
1't
Meniupkan udara ke sela kontak, sehingga busur api mengalami pendinginan dan partikel-partikel hasil ionisasi terdorong menjauhi sela kontak. Menyemburkan minyak atau gas isolasi ke busur api untuk mendinginkan busur api sehingga peluang bagi proses rekombinasi semakin besar. Memotong busur api dengan tabir isolasi atau tabir logam, sehingga memberi peluang yang lebih besar bagi proses rekombinasi. Membuat medium pemisah kontak dari bahan gas elektronegatif, sehingga elektronelektron bebas tertangkap oleh molekul netral gas tersebut.
TIGANSAru PIMULiHAIJ Kfi NTAK Ketika busur api berlangsung pada sela kontak suatu pemutus daya, maka medium yang berada di antara kontak bersifat sebagai konduktor. Jika pemutus daya digunakan memutuskan arus bolak-balik, maka ada saatnya arus sama dengan nol dan pada saat itu busur api akan padam. Selanjutnya medium pada sela kontak akan memulihkan dirinya menjadi isolasi. Dengan kata lain, kekuatan dieiektriknya berangsur-angsur naik. Pada saat yang bersamaan, tegangan di sela kontak yang tadinya sangat kecil menjadi relatif besar. Dengan kata lain, tegangan sela kontak dipulihkan dari nilai yang sangat kecil ke nilai tegangan yang sama dengan tegangan pada saat sela kontak terbuka. Tegangan sela kontak selama busur api padam disebut tegangan pemulihan (recovery voltage). Tegangan pemulihan ini menimbulkan medan elektrik di sela kontak. Kenaikan kuat medan elektrik yang ditimbulkannya bergantung kepada kenaikan tegangan pemulihan.
Jika kenaikan kuat medan elektrik lebih cepat daripada kenaikan kekuatan dielektrik medium pada sela kontak, maka medium pada sela kontak akan tembus listrik sehingga
busur api timbul lagi. Dengan kata lain, pemutus daya gagal memutus arus. Suatu pemutus daya dinyatakan berhasil memutuskan arus jika tegangan tembus medium isolasi pada sela kontak lebih besar daripada tegangan pemulihan. Oleh karena itu, dalam perencanaan suatu sistem tenaga listrik karakteristik tegangan pemulihan pemutus daya pada sistem yang direncanakan perlu dianalisis. Hasil analisis digunakan sebagai dasar pertimbangan dalam menetapkan spesifikasi pemutus daya yang dibutuhkan untuk
sistem tersebut.
20
Peralatan Tegangan
T
rnggi
Tegangan pemulihan pada kontak suatu pemutus daya bergantung kepada karakteristik rangkaian sistem yang hubungannya akan diputuskan. Berikut ini akan dijelaskan tegangan pemulihan untuk lima jenis karakteristik rangkaian.
ffiangkaian ffiesistif Pada Gambar 2.12a diperlihatkan suatu resistor yang dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik V, melalui satu pemutus daya CB. Jika pemutus daya membuka kontaknya, maka ada beda tegangan di antara kontak tetap dengan kontak bergeraknya. Jika beda tegangan antar kontak dimisalkan vo, maka persamaan tegangan pada rangkaian Gambar 2.12a adalahl.
Vr=Vt+V, Dalam hal
ini, V, =
vt = vr=
2.1
Tegangan sumber Tegangan sela kontak Tegangan resistor
Tegangan kontak adalah:
Vt, =
vr-v,
2.2
Ketika kontak tertutup, tegangan kontak adalah nol. Misalkan kontak dipisahkan ketika I = lr (lihat Gambar 2.12b), maka busur api timbul dalam selang waktu /r - /2. Jika i sama dengan arus sesaat yang melalui busur api dan Ro sama dengan resistansi busur api, maka dalam selang waktu tersebut, tegangan kontak naik menjadi:
vr=
i R,,
2.3
Karena resistansi busur api relatif kecil, maka tegangan kontak hanya beberapa puluh volt, sehingga dapat diabaikan. Kemudian busur api padam ketika r = tz dan mulai saat itu arus pada rangkaian sama dengan nol (i = 0), sehingga tegangan pada resistor juga sama dengan nol (V, = rR = 0). Dengan demikian, terhitung mulai r = b, Iegangan pemulihan kontak menjadi:
v*=
V,
2.4
Kenaikan tegangan pemulihan sama dengan kenaikan tegangan sumber. Jika saat busur api mulai padam diambil sebagai acuan waktu, dan V = nilai puncak tegangan sesaaf sumber, maka nilai sesaat tegangan kontak adalah: vk "F----3"
t2- busur api padam
= kontak
terbuka (a)
Tegangan pemulihan pada rangkaian resistif
(b)
V,=Vt
Bab
Vr,
2
= -V sin at
Pemutus Daya
21
2.5
ffiangkaian Kapasitif Pada Gambar 2.13a diperlihatkan suatu rangkaian kapasitif.
Sebelum kontak pemutus daya membuka, arus pada rangkaian ini mendahului tegangan sebesar 90o, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.13b. Jika V, adalah tegangan pada kapasitor, maka sebelum kontak terbuka, persamaan tegangan pada rangkaian tersebut adalah sebagai berikut:
Vr=Vt*V,
2.6
Jika tegangan kontak diabaikan, maka tegangan kapasitor akan sama dengan tegangan sumber. Tegangan pada kontak dapat dituliskan sebagai berikut:
Vr=vr-V,
2.7
Misalkan ketika r = /r, kontak pemutus daya dibuka. Dalam selang waktu tt - tz, timbul busur api. Selama ada busur api, tegangan kapasitor sama dengan tegangan sumber. Ketika arus sama dengan nol, yaitu ketika r = /2, busur api padam. Pada saat itu tegangan pada kapasitor sama dengan nilai puncak tegangan sesaat sumber, sehingga persamaan tegangan kontak setelah busur api padam adalah:
Vt=Vr-V
2.8
Jika saat busur api mulai padam diambil sebagai acuan waktu, maka nilai sesaat tegangan kontak adalah: 2.9 Vt =Vcos@t-V Bentuk gelombang tegangan pemulihan diperlihatkan pada Gambar 2.13b. Terlihat bahwa kenaikan tegangan pemulihan relatif lambat dibandingkan dengan kenaikan tegangan pemulihan pada rangkaian resistif. Tetapi tegangan pemulihan dapat mencapai dua kali nilai puncak tegangan sesaat sumber. Hal ini memberi peluang terjadinya terpaan balik busur api.
v,
*-Tl
<__gE
1 V,
V,
,I
,t,
(a)
Tegangan pemulihan pada rangkaian kapasitif
22
Peralatan Tegangan
iinggi
ffiangkaian Induktif Pada Gambar 2.14a diperlihatkan suatu rangkaian induktif. Sebelum kontak pemutus daya terbuka, arus pada rangkaian ini tertinggal 90' dari tegangan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.14b. Jika V, adalah tegangan pada induktor, maka sebelum kontak terbuka, persamaan tegangan pada rangkaian di atas adalah sebagai berikut:
l/"=V*+VL dan
V,=L4 Ldt
2.10
2.1t
Jika tegangan kontak diabaikan, maka tegangan pada induktor sama dengan tegangan sumber. Tegangan pada kontak dapat dituliskan sebagai berikut:
Vr = V, - VL Misalkan ketika
I = ll,
kontak pemutus daya dibuka. Dalam selang waktu
2'12
/, -
rr, dmbul busur api. Selama ada busur api, tegangan induktor sama dengan tegangan sumber. Ketika t = t2, arus sama dengan nol dan busur api padam. Pada saat itu tegangan induktor sama dengan nol (karena nilai i pada Persamaan 2.Ll sama dengan nol), sehingga tegangan kontak setelah busur api padam adalah: Vt =
V,
2.13
Jika saat busur api mulai padam diambil sebagai acuan waktu, maka nilai sesaat legangan kontak adalah: Vt = V cos 2.14
o/
Bentuk gelombang tegangan pemulihan diperlihatkan pada Gambar 2.l4b.Terllhat bahwa tegangan kontak tiba-tiba mencapai nilai puncak tegangan sesaat sumber. Kenaikan tegangan pemulihan pada rangkaian induktif relatif lebih cepat dibandingkan dengan tegangan pemulihan pada rangkaian resistif. Hal ini memberi peluang besar terjadinya terpaan balik busur api.
vk
4-"**" CB
1
1
V,
VL
I
I (a)
Tegangan pemulihan pada rangkaian induktif
Bab
2
Pemutus Daya
23
Hangkaian $eri Induktif-fiesistif Rangkaian induktor yang terhubung seri dengan resistor dipergunakan pada transmisi. Jika pada transmisi terjadi hubung singkat, maka pemutus daya pada gardu induk akan membuka. Pada Gambar 2.15a, R dan L masing-masing merepresentasikan induktor dan resistor transmisi, terhitung dari gardu induk hingga lokasi hubung singkat' Sebelum pemutus daya membuka, pada rangkaian mengalir arus (i) yang tertinggal sebesar sudut fasa g dari tegangan sumber (V"). Sudut fasa g dihitung dengan Persamaan 2.15 di bawah ini: (2rr l'L) I 2.15
tg'g=
R
Seandainya pemutus daya membuka ketika t = tr, karena adanya busur api pada sela kontak pemutus daya, maka arus pada rangkaian tetap mengalir hingga t = tz. Ketika busur api padam, tegangan kontak menjadi sama dengan tegangan sumber. Dengan kata lain, sesaat setelah busur api padam, tegangan kontak tiba-tiba naik dari nol mengikuti tegangan sumber. Dalam kasus ini, tegangan kontak naik ke suatu nilai tertentu yang lebih kecil daripada tegangan maksimum sumber dan besarnya bergantung kepada besarnya sudut fasa g. Semakin besar R, semakin kecil sudut fasa g, dan kenaikan tegangan pemulihan semakin kecil. Dengan perkataan lain, keberadaan resistor R dalam rangkaian membuat kenaikan tegangan kontak semakin kecil. Prinsip ini digunakan untuk mengurangi kenaikan tegangan pemulihan pada saat pembukaan suatu pemutus daya. Pada Gambar 2.16a di halaman 24 diperlihatkan suatu pemutus daya yang dilengkapi dengan suatu resistor. Sesaat setelah kontak utama S, dibuka, kontak bantu Su ditutup sehingga resistor R terhubung seri dengan beban Z. Keberadaan resistor ini akan mengurangi kenaikan tegangan pemulihan kontak utama, sehingga terpaan balik busur api dapat dihindarkan. Beberapa saat kemudian, kontak bantu dibuka sehingga rangkaian terbuka sempurna. Pada saat penutupan pemutus daya, dapat terjadi tegangan lebih transien. Besar tegangan transien ini dapat dikurangi dengan terlebih dahulu menutup kontak bantu, beberapa saat kemudian kontak utama ditutup. Dewasa ini, resistor dan kontak bantu diganti dengan varistor atau resistor non-linier seperti diperlihatkan pada Gambar 2.16b. Varistor yang umum digunakan terbuat dari bahan ZnO. Varistor memiliki resistansi besar ketika dialiri arus lemah, tetapi memiliki
vk
.{-----Y A
CB1
I
v
VZ
I (.a)
Tegangan pemulihan pada rangkaian B-L
24
Peralatan Tegangan
1
rnggi
s
(a)
Pemutus daya dengan pembatas tegangan pemulihan
resistansi yang rendah ketika dialiri arus kuat. Dengan demikian, ketika kontak utama tertutup' arus yang mengalir melalui varistor relatif lemah sehingga resistansi varistor tinggi, seakan-akan varistor berperan sebagai sakelar terbuka. Jikalontak utama terbuka, maka arus tinggi mengalir melalui varistor sehingga resistansi varistor naik, seakanakan suatu resistor diparalel dengan kontak utama seperti halnya pada Gambar 2.16a. ffi
*n
gkaian lrodutrtif-Kapfr sitif
Pada Gambar 2.17a dipertihatkan suatu rangkaian yang merepresentasikan suatu trafo yang mencatu arus kepada suatu transmisi. Induktor I merupakan induktansi trafo daya pada gardu induk. Kapasitor statis C merepresentasikan kapasitansi ke tanah peralatanperalatan yang ada di gardu induk, misalnya kapasitansi uustring, kapasitansi trafo arus, kapasitansi trafo daya dan_lain-lain. v, adalah sumber daya tal terlatas (infinite bus). Dalam hal ini resistansi (R) diabaikan.
Misalkan pada bagian transmisi terjadi hubung singkat permanen dan untuk melokalisimya, pemutus daya dibuka. Ketika busur api padam, induktor (L) dankapasitor (c) membentuk rangkaian osilator (t terhubung seri dengan c), sehingga ierjadi tegangan yang berosilasi pada kapasitor. Jika busur api padam, tegangan kontak sama dengan tegangan di kapasitor. oleh karena itu, tegangan kontak jugu ukun berosilasi sama halnya dengan tegangan kapasitor. Frekuensi t.girgu, yang fetsitasi ini adalah: I t"/-2r ltc
(.a)
Tegangan pemulihan pada rangkaian L-C
2.t6
Bab
2
Pemutus Daya
25
Bentuk tegangan yang dihasilkan adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 2.11b. Terlihat bahwa kenaikan tegangan pemulihan relatif lebih tinggi dibandingkan dengan kenaikan tegangan pemulihan pada rangkaian induktif. Kemungkinan terjadinya tegangan seperti ini harus dipertimbangkan dalam pemilihan suatu pemutus daya.
fY\
JTTIS.JTi\]IS PilIViUTUS NAYA Pemutus daya dapat dikelompokkan berdasarkan beberapa kategori. Jenis-jenis pemutus daya menurut tegangan kerjanya adalah pemutus daya: tegangan rendah, tegangan
menengah dan tegangan tinggi. Kemudian jenis-jenis pemutus daya menurut lokasi penempatannya adalah pemutus daya pasangan dalam dan pasangan luar. Sedangkan jenis-jenis pemutus daya menurut medium pemadam busur api yang digunakan adalah:
a. b. c. d. e.
Pemutus daya Pemutus daya Pemutus daya Pemutus daya Pemutus daya
udara (Air Circuit Breaker) minyak (Oil Circuit Breaker) udara tekan (Air-Blast Circuit Breaker) vakum (Vacuum Circuit Breaker)
isolasi SF6
Berikut ini akan dijelaskan prinsip kerja masing-masing pemutus daya di
atas.
F*rnutus D*ya Udarx l&ir Crrceifr ffreakerl Sebelumnya telah dijelaskan bahwa deionisasi pada gas dapat dilakukan dengan mendinginkan busur api, dan deonisasi akan mengurangi partikel-partikel bermuatan. Dengan kata lain, pendinginan busur api akan mengurangi konduktivitas busur api atau meninggikan resistansi busur api, sehingga jatuh tegangan pada resistansi busur api semakin besar. Hal ini akan mengurangi arus yang mengalir pada kontak pemutus daya sehingga peluang busur api padam semakin besar. Pendinginan busur api semakin sempurna jika luas permukaan busur api yang bersentuhan dengan udara semakin besar. Hal ini dapat ditakukan dengan memperpanjang lintasan busur api. Perpanjangan busur api dapat dilakukan dengan beberapa cara, antara lain dengan menggunakan kontak sela tanduk, seperti diperlihatkan pada Gambar 2. 18. Ketika kontak dipisahkan, busur api terbentuk pada bagian bawah kontak. Panas yang ditimbulkan busur api membuat temperatur di bagian bawah kontak lebih tinggi daripada temperatur di bagian atasnya, sehingga terjadi aliran udara dari bawah ke atas. Aliran udara ini mendorong busur api bergerak ke atas. Busur api yang panjang sangat mudah dipadamkan arus konveksi udara, sehingga busur api sudah padam sebelum mencapai ujung tanduk.
t Kontak sela tanduk
26
Peralatan Tegangan linggi
Busur api akan padam ketika arus mencapai nilai nol yang pertama. Busur api tidak terulang lagi, karena tegangan tidak cukup kuat menimbulkan emisi medan yang dapat mengawali terpaan balik busur api. Letak isolasi pendukung kontak harus diatur sedemikian rupa sehingga tidak gosong karena panas yang ditimbulkan busur api. Isolator gosong akan memproduksi karbon sehingga isolasi seakan-akan menjadi elektroda dan dari elektroda ini keluar elektron hasil emisi termal yang dapat mengawali terjadinya terpaan busur api balik. Pemutus daya ini digunakan untuk rangkaian dc dan ac tegangan rendah, dengan kuat arus pada rangkaian sampai ratusan ampere. Khusus pemutus daya ac tegangan rendah, kontaknya dapat dibuat dari bahan bertitiklebur rendah seperti kuningan dan tembaga.
Untuk rangkaian bertegangan lebih tinggi, konstruksi kontak dan pemadam busur api dibuat seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.19a. Busur api yang memanjang karena dorongan udara, dipilah oleh tabir-tabir metal, sehingga terbentuk beberapa segmen busur api yang terhubung seri. Jumlah jatuh tegangan seluruh segmen busur api lebih besar daripada jatuh tegangan busur api yang tidak dipilah. Di samping itu, tabir metal juga berfungsi menjadi pendingin bagi busur api. Pemutus daya ini digunakan untuk tegangan beberapa ribu volt dan dapat memutuskan arus beberapa ribu ampere. Pemutus daya udara jenis lain diperlihatkan pada Gambar 2.19b. Tabirnya dibuat dari bahan isolasi, sehingga busur api dipaksa menelusuri permukaan isolasi. Dalam hal ini pemadaman busur api terjadi karena: (a) efek pemanjangan busur api, (b) efek pendinginan permukaan isolator dan (c) karena partikel bermuatan mempunyai peluang yang besar untuk mengadakan rekombinasi. Pemutus daya ini digunakan untuk memutus arus sampai 50 kA dan dapat digunakan pada rangkaian bertegangan sampai 10 kV.
Perurutus Daya Minyek {## ffrr*uif #reaf
Palang isolasi
Busur api
(a) Tabir metal
Kontak pemutus daya dengan tabir
(b) Tabir isolasi
Bab
2
Pemutus Daya
27
Busur api Gelembung gas
Minyak
Gelembung gas pada sela kontak
Panas yang ditimbulkan busur api menaikkan temperatur minyak, sehingga minyak meng-alami dekomposisi dan menghasilkan gas hidrogen. Gas hidrogen bersifat menghambat produksi ion, sehingga membantu pemadaman busur api. Sementara itu, minyak mendinginkan busur api dengan menghantarkan panas dari busur api ke tangki pemutus daya. Keberhasilan pendinginan ini bergantung kepada luas permukaan busur api yang bersentuhan dengan minyak dan daya hantar panas minyak. Adanya hidrogen dan pendinginan seperti tersebut di atas, membuat minyak sangat efektif memutuskan arus. Di samping itu, minyak sekaligus berfungsi sebagai bahan isolasi untuk mengisolir bagian-bagian pemutus daya yang berbeda tegangan dengan tanah. Kelemahan pemutus daya minyak adalah sebagai berikut
1. 2. 3.
4.
Minyak mudah terbakar dan jika mengalami tekanan dapat meledak. Kekentalan minyak memperlambat pemisahan kontak, sehingga tidak cocok untuk sistem yang membutuhkan pemutusan arus yang cepat. Interaksi busur api dengan minyak menimbulkan karbonisasi dan memproduksi gas hidrogen. Jika karbonisasi berlangsung lama akan terjadi endapan karbon dan jika gas hidrogen bercampur dengan udara, maka dapat menimbulkan campuran yang eksplosif. Minyak akan mengalami degradasi jika bercampur dengan air atau karbon, maka perlu diadakan pemeriksaan rutin terhadap sifat dielektrik dan sifat kimia minyak.
Telah dijelaskan bahwa pemadaman busur api bergantung pada metode pendinginan dan jenis gas hasil dekomposisi minyak. Pengembangan pemutus daya minyak didasarkan
atas perbaikan metode pendinginan busur api. Pada Gambar 2.21 di halaman 28 diperlihatkan dua metode pendinginan busur api pada pemutus daya minyak. Kontak tetap ditempatkan pada suatu bilik. Bilik diberi leher untuk jalan masuk dan keluar kontak bergerak. Pada Gambar 2.21a diperlihatkan suatu kontak yang sudah dipisahkan. Busur api terjadi datam bilik berisi minyak. Gas yang timbul karena dekomposisi minyak menimbulkan tekanan terhadap minyak, sehingga minyak juga terdorong ke bawah melalui leher bilik. Di leher bilik, minyak berinteraksi langsung dengan busur api. Hal ini akan menimbulkan pendinginan busur api, mendorong proses rekombinasi dan menjauhkan partikel bermuatan dari lintasan busur api. Jenis bilik kontak lain diperlihatkan pada Gambar 2.21b. Leher bilik terbuat dari laminasi isolasi. Jika kontak bergerak ke bawah, minyak akan mengalir dari sela-sela laminasi, sehingga minyak terdorong dengan arah radial menuju busur api. Ada juga pemutus daya yang dirancang dengan alat tambahan, sehingga busur api yang berada
28
Peralatan Tegangan linggi
{-
Kontak tetap
'n
f-
Kontak tetap
Leher bilik
(a) Desakan minyak vertikal
(b) Desakan minyak radial
Pendinginan busur api pada pemutus daya minyak
di luar leher bilik didorong horizontal oleh suatu tabir isolasi, sehingga lintasan busur api di luar leher bilik semakin panjang. Jenis pemutus daya ini dapat memutuskan arus hubung singkat sampai
l0 kA pada rangkaian
bertegangan sampai 500 kV.
Pemertus ffiay* LSdara T*kan Pemutus daya ini dirancang untuk mengatasi kelemahan pada pemutus daya minyak, yaitu dengan membuat medium pemadam kontak dari bahan yang tidak mudah terbakar
dan tidak menghalangi mekanisme pemisahan kontak, sehingga pemisahan kontak dapat dilaksanakan dalam waktu yang sangat cepat. Medium pemadam yang digunakan adalah udara kering, bersih dan bertekanan tinggi. Karena media yang digunakan adalah udara, maka resiko terbakar sangat kecil. Untuk menghasilkan udara bertekanan tinggi pemutus daya ini dilengkapi dengan kompresor seperti diperlihatkan pada Gambar 2.22.
Tangki udara bertekanan tinggi Pemutus daya udara tekan
Bab
2
Pemutus Daya
29
daya udara tekan diperlihatkan pada Gambar 2.Z3.Kontak bergerak digerakkan oleh suatu piston. Pada keadaan normal, piston didorong oleh suatu pegas, sehingga kontak bergerak terhubung dengan kontak tetap. Bilik kontak dihubungkan dengan suatu tangki berisi udara bertekanan tinggi melalui suatu katup. Jika terjadi arus hubung singkat, katup akan terbuka, udara bertekanan tinggi keluar dari tangki menuju bilik kontak dan mendorong piston sehingga kontak bergerak juga terdorong menjauhi kontak tetap. Pada waktu yang bersamaan, udara bertekanan tinggi mendinginkan busur api yang timbul pada saat pembukaan kontak. Selain mendinginkan busur api, udara bertekanan tinggi juga menyingkirkan partikel bermuatan dari sela kontak, sehingga pemulihan kekuatan dielektrik pada sela kontak berlangsung cepat. Karena pemulihan kekuatan dielektrik pada sela kontak berlangsung cepat, maka busur api berlangsung singkat, sehingga peluruhan material kontak karena busur api itu lebih sedikit daripada peluruhan material kontak pada pemutus daya minyak. Dengan kata lain, sela kontak pemutus daya udara tekan akan lebih tahan lama daripada kontak
Bilik kontak pemutus
pemutus daya minyak. Kecepatan pemulihan kekuatan dielektrik pada sela kontak pemutus daya berpengaruh terhadap jarak minimal sela kontak. Jika pemulihan kekuatan dielektrik berlangsung cepat, maka panjang sela kontak dapat dibuat lebih pendek. Dengan demikian, ukuran
bilik kontak dapat dikurangi. Dilihat dari arah tiupan udara, ada dua jenis pemutus daya udara tekan, yaitu pemutus daya di mana udara ditiup satu sumbu dengan busur api dan pemutus daya di mana udara ditiup memotong busur api. Pada Gambar 2.23a, Ddara ditiupkan satu sumbu dengan busur api. Karena pemulihan kekuatan dielektrik berlangsung cepat, maka panjang sela kontak pada saat kontak terbuka penuh dapat dibuat lebih pendek. Tetapi, pada saat tekanan udara sudah berkurang, tegangan sistem dapat menimbulkan tembus listrik pada sela kontak. Untuk mencegah terjadinya tembus listrik tersebut, suatu pemisah dihubungkan secara seri dengan kontak, yang terbuka setelah kontak pemutus daya terbuka. Pada Gambar 2.23b, terllhat udara ditiupkan memotong busur api dan mendorong busur api menelusuri permukaan tabir isolasi, sehingga busur api bertambah panjang' Hal ini memberi efek pendinginan terhadap busur api dan memberi peluang bagi partikel bermuatan untuk mengadakan rekombinasi. Pada pemutus daya ini, panjang sela kontak pada saat kontak terbuka penuh dapat dibuat lebih besar, sedemikian besarnya
*-
U !-.,: P .
i.
;'
mlsolasi iffi i; i
lldara .- -
..'1--\ !.-
Kontak
-*on*
,/
*'4.
__l<-
..
Udara --------->
.'.. Udara
<_
Isolasi
I l*_ ***o (a) Udara satu sumbu dengan busur api
Bilik kontak pemutus daya udara tekan
Isolasi
{-
Kontak
(b) Udara memotong busur apr
30
Peralatan Tegangan
llnggi
sehingga tegangan sistem tidak membuat sela kontak tembus listrik. Dengan demikian, pemutus daya ini tidak perlu diperlengkapi dengan pemisah seperti halnya pada jenis pemutus daya di atas. Pemutus daya jenis ini mampu memutus arus sampai 40 kA pada rangkaian ac bertegangan sampai 765 kV. Meskipun panjang sela kontak dapat dikurangi, konstruksi bilik kontak masih lebih rumit dibandingkan dengan bilik kontak pemutus daya minyak. Kerumitan juga ditemukan pada konstruksi penggerak kontak. Di samping itu, harus diwaspadai kebocoran udara pada bilik kontak dan kebocoran pada tabung penghubung kompresor dengan bilik kontak. Perlengkapan kompresor juga membutuhkan perawatan rutin.
Fegitutus Say* Vakurn Pada pemutus daya vakum, medium pemadam adalah vakum antara (10-7 - 10-5 torr). Vakum memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi dan merupakan bahan pemadam api yang lebih unggul daripada medium pemadam busur api lainnya. Contoh suatu pemutus daya vakum diperlihatkan pada Gambar 2.24.
Kontak pemutus daya ditempatkan pada suatu bilik vakum seperti diperlihatkan pada Gambar 2.24. Untuk mencegah udara masuk ke dalam bilik, maka bilik harus ditutup rapat dan kontak bergeraknya diikat ketat dengan puputan logam. Jika kontak dibuka, maka pada kontak yang berperan sebagai katoda terjadi emisi termal dan medan tinggi. Kedua jenis emisi ini memproduksi elektron-elektron bebas yang bergerak menuju anoda dan menimbulkan busur api. Dalam perjalanannya menuju anoda, elektron-elektron bebas ini tidak bertemu dengan molekul udara sehingga tidak terjadi ionisasi tumbukan. Akibatnya, di sela kontak tidak ada penambahan elektron bebas. Ketika arus sama dengan nol, busur api padam. Karena elektron bebas hasil ionisasi tidak ditemukan, maka kekuatan dielektrik vakum naik sangat cepat dan lebih cepat daripada kenaikan kekuatan dielektrik pemutus daya yang lain. Akibatnya, tidak terjadi lagi tembus listrik pada sela kontak atau peristiwa busur api tidak terulang, sehingga pemutusan berlangsung sangat cepat. Kelebihan-kelebihan pemutus daya vakum antara lain adalah:
l. 2. 3. 4. 5. 6.
Konstruksinya kompak (lihat contoh pada Gambar 2.24), andal dan tahan lama Tidak menimbulkan bahaya kebakaran Ketika dioperasikan, tidak memproduksi gas Dapat memutuskan arus hubung singkat yang tinggi Perawatannya mudah dan murah
Mampu menahan tegangan impuls petir
Puputan
logam
t Kontak bergerak
Pemutus daya vakum
Bab
1. 8.
2
Pemutus Daya
31
Energi yang dikonsumsi busur api rendah Konstruksi penarik kontak sederhana, sehingga dapat digerakkan peralatan mekanik bertenaga rendah.
Pemutr.rs Daye $F6 Dewasa ini, pemakaian pemutus daya SF6 sedang berkembang pesat, terutama pada sitem tegangan tinggi. Konstruksi pemutus daya SF6 diperlihatkan pada Gambar 2.25. Prinsip kerjanya sama dengan pemutus daya udara-tekan dan pemutus daya minyak. Perbedaannya hanya pada medium pemadam busur api. Pada pemutus daya SF6, medium pemadam busur api yang digunakan adalah gas SF6, yang pada posisi kontak tertutup bertekanan +2.8 kglcm2. Gas SF6 sebagai medium pemadam busur api pemutus daya diminati karena memiliki beberapa keunggulan sebagai berikut.
l. 2.
3.
4. 5. 6. 7. 8.
Sifat kimianya yang stabil, tidak mudah terbakar, tidak menimbulkan korosi pada bahan logam, tidak beracun, tidak berwarna dan tidak berbau' Gas SF6 memiliki sifat elektronegatif, yaitu sifat molekulnya yang aktif menangkap elektron bebas, sehingga molekul netral tersebut berubah menjadi ion negatif. Sifat ini salah satu yang membuat SF6 memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi. Sifat elektronegatif gas SF6 mempercepat pemulihan kekuatan dielektrik medium di sela kontak sehingga pemadaman busur api berlangsung lebih cepat. Pada kondisi yang sama, kekuatan dielektrik gas SF6 dua sampai tiga kali lipat daripada kekuatan dielektrik udara, bahkan pada tekanan tertentu hampir sama dengan minyak. Sifat ini membuat pemutus daya SF6 sangat efektif digunakan pada sistem tegangan tinggi dan mampu memutuskan arus tinggi. Jika gas SF6 terkontaminasi udara, kekuatan dielektriknya tidak banyak berubah. Daya hantar panas gas SF6 lebih baik daripada udara sehingga dapat digunakan untuk pendinginan konveksi. Interaksi busur api dengan gas SF6 tidak menimbulkan endapan karbon seperti halnya pada pemutus daya minyak.
Biaya perawatan murah. Konstruksi pemutus daya SF6 sederhana dan ringan sehingga biaya pembuatan fondasinya murah.
Pemutus daya SF6
32
Peralatan Tegangan linggi
Leher bejana
Bilik kontak (4) Kontak tertutup
Bilik kontak (b) Kontak terbuka
Pemadaman busur api pada pemutus daya SF6
Proses pemadaman busur api dengan gas sF6 dapat dijelaskan dengan bantuan Gambar 2.26. Bagian utama suatu pemutus daya SF6 adalah kontak bergerak, kontak tetap, bilik kontak berisi gas SF6 dan tangki gas SF6 bertekanan ringgi +14 kglcmz. Tangki gas dihubungkan dengan bilik kontak melalui sebuah katup. Jika kontak terbuka, katup akan membuka, sehingga gas SF6 dari tangki mendorong gas SF6 yang terdapat pada bilik kontak. Ketika kontak terbuka, terjadi busur api. Pada saat yang bersamaan, katup penghubung bilik dengan tangki terbuka, sehingga gas SF6 keluar dari tangki mendorong gas SF6 yang ada di bilik kontak. Gas SF6 yang ada pada bilik konrak menyembur melalui leher bilik kontak sambil mendinginkan busur api. Pendinginan busur api dan sifat elektronegatif yang dimiliki gas SF6 membuat pemulihan kekuaran dielektrik SF6 berlangsung cepat, sehingga ketika busur api padam, busur api tidak terulang lagi. Kelemahan pemutus daya SFu adalah sebagai berikut.
a. b.
Harga gas SF6 yang mahal mengakibatkan harga pemutus daya SF6 relatif mahal. Setelah pemutus daya SF6 bekerja, perlu dilakukan rekondisi gas SF6, sehingga dibutuhkan peralatan untuk rekondisi tersebut.
22
rIRTIIV]BAI\GAhI fiALAM PTILIILIH&ru PTMUTLJS DAYA Setiap pemutus daya dirancang sesuai dengan tugas yang akan dipikulnya. Ada beberapa
hal yang perlu dipertimbangkan dalam rancangan suatu pemutus daya, yaitu:
a. b. c. d. e.
f. o b. h.
Tegangan efektif tertinggi dan frekuensi daya jaringan yang akan menggunakan pemutus daya itu. Nilainya bergantung kepada jenis pembumian titik netral sistem. Arus maksimum kontinu yang akan dialirkan melalui pemutus daya. Nilai arus ini
bergantung kepada arus maksimum sumber daya atau arus nominal beban yang akan dilayani pemutus daya. Arus hubung singkat maksimum yang akan diputuskan pemutus daya. Durasi maksimum yang diperbolehkan dari arus hubung singkat. Hal ini berhubungan dengan waktu pembukaan kontak yang dibutuhkan. Jarak bebas antara bagian bertegangan tinggi dengan objek lain di sekitarnya. Jarak rambat arus bocor pada isolatornya. Kekuatan dielektrik media isolasi sela kontak. Iklim dan ketinggian lokasi penemparan pemutus daya.
Bab
2
33
Pemutus Daya
Tegangan pengenal suatu pemutus daya dirancang untuk lokasi yang ketinggiannya maksimum 1000 m di atas permukaan laut. Jika pemutus daya dipasang di lokasi yang ketinggiannya lebih daripada 1000 m, maka tegangan operasi maksimum pemutus daya harus dikoreksi dengan faktor yang diperlihatkan pada Tabel 2.1.
Eksponen Faktor Koreksi Udara
2.1
*
Ketinggian (m)
Faktor koreksi
1000
1.00
t212
0,98
15 15
0.95
3030
0,80
KAPA$
iIA$
PEh,4
LJTUS ilAY&
Pada keadaan normal suatu pemutus daya dialiri arus yang sama dengan arus beban. Jika terjadi hubung singkat tiga fasa setimbang pada sistem, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.27, arus hubung singkat (1") mengalir pada pemutus daya CB. Setelah itu, kontak pemutus daya segera membuka untuk memutuskan arus hubung singkat tersebut. Oleh karena itu, kapasitas suatu pemutus daya bergantung kepada besarnya arus hubung singkat yang diperkirakan akan mengalir pada pemutus daya tersebut. Berikut ini akan dijelaskan tentang bentuk arus hubung singkat yang mungkin melalui suatu pemutus daya dan hubungan arus tersebut dengan kapasitas pemutus daya.
&nu* Herhung Simgkat Jika suatu pemutus daya memutuskan arus hubung singkat, bentuk sesaat arus yang akan diputuskan bergantung kepada lokasi terjadinya hubung singkat dan jenis hubung singkat yang terjadi (satu fasa ke tanah, fasa-ke fasa atau tiga fasa). Jika terjadi hubung singkat tiga fasa setimbang ketika tegangan sesaat ac sama dengan nol, dan lokasi hubung singkat jauh dari generator, maka arus hubung singkat sesaat adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 2.28 di halaman 34. Dilihat dari kesimetrisan bentuk gelombang arus terhadap sumbu waktu, maka arus hubung singkat pada Gambar 2.28 dikelompokkan menjadi dua, yaitu: arus hubung
singkat asimetris dan arus hubung singkat simetris. Jika lokasi hubung singkat dekat terminal generator, maka bentuk arus hubung singkat sesaat adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 2.29 di halaman 34. Pada
R
Hubung singkat
i;;;;;
V
E
,5
Peristiwa hubung singkat pada suatu sistem dan rangkaian ekuivalennya
..----> 1,,
34
Peralatan Tegangan Tlnggi
2l^,k =
I
2"/2 1,,
Arus asimetris
T,
l^urr= t/2 I*
Arus hubung singkat jika lokasi hubung singkat jauh dari generator
Gambar 2.29 drperlihatkan tiga bentuk gelombang arus hubung singkat, yaitu: arus subtransien (1") yang berlangsung kurang lebih satu sekon setelah peristiwa hubung singkat; arus transien (1') yang berlangsung antara 0,2 - 2 sekon setelah peristiwa hubung singkat; dan arus tunak (steadv state, [) yang berlangsung setelah komponen arus searah menjadi nol. Arus subtransien dan arus transien merupakan arus asimetris, sedangkan arus tunak adalah arus simetris.
Kapnsitas Arus $esaat {dldomenfary Fufy} Sesaat setelah terjadi peristiwa hubung singkat pada suatu jaringan sistem tenaga listrik, pemutus daya akan dilalui arus hubung singkat subtransien. Nilai efektif dari arus subtransien ini adalah: CV,
^/: + Xz e
2.17
Arus tunak
.(0 F-f,1
zJzr
ryW-r
Arus hubung singkat jika lokasi hubung singkat dekat dengan generator
Bab
2
35
Pemutus Daya
TABEL 2.2 Reaktansi Mesin untuk Perhitungan Arus Hubung Singkat
Jenis Mesin
Reaktansi (7o)
Listrik K,,
Xo'
-22 t2 -30 20-40
14-35 20-45 20-40
Motor sinkron berkecepatan tinggi
15
25
80
Motor sinkron berkecepatan rendah
35
50
100
Motor kompensasi
25
40
160
9
Turbogenerator Generator salient pole dengan kumparan peredam Generator salient pole tanpa kumparan peredam
di mana
X,)
140
-
300
80
-
180
80
180
V= n
Tegangan nominal generator 1,05 untuk sistem bertegangan rendah = 1,1 untuk sistem bertegangan di atas 1000 V R"= Resistansi ekuivalen semua R dan X yang dilalui arus hubung singkat, terhitung dari sumber arus sampai dengan ke titik gangguan X"= Reaktansi ekuivalen semua R dan X yang dilalui arus hubung singkat, terhitung dari sumber arus sampai dengan ke titik gangguan L_
Nilai R dan X untuk setiap komponen dalam sistem dikoreksi
sebagaimana digenerator ditetapkan reaktansi perhitungan ini, Dalam IEC 60909. rekomendasikan dalam sama dengan reaktansi subtransien yang sudah dikoreksi. Reaktansi mesin-mesin pada umumnya diperlihatkan pada Tabel 2.2.
listrik
Resistansi kumparan generator dapat diperkirakan sebagai berikut: Generator > 100 MVA Generator > 100 MVA Generator bertegangan rendah
: Rr : Rr
- 0,05 Xo" - 0,07 Xi'
:R*=Q,|J;g,
Arus subtransien menimbulkan gaya mekanis yang sangat tinggi pada kontak-kontak pemutus daya. Oleh karena itu, suatu pemutus daya harus mampu menahan puncak arus hubung singkat subtransien tertinggi atau puncak arus subtransien pada setengah periode pertama. Kemampuan suatu pemutus daya menanggung arus subtransien tersebut
disebut kapasitas arus sesaat (momentary duQ). Kapasitas arus sesaat adalah nilai puncak arus hubung singkat subtransien tertinggi yang dapat ditanggung oleh pemutus daya tanpa menimbulkan kerusakan pada pemutus daya tersebut. Kapasitas arus sesaat suatu pemutus daya ditentukan dengan terlebih dahulu menghitung nilai efektif arus subtransien. Berdasarkan gambar 2.28 dan 2.29, suatu pemutus daya harus mampu menanggung puncak arus hubung singkat Io YanE besarnya . 2^/2 1". Dalam praktiknya, nllai Io selalu lebih kecil daripada < 2^/2'1" atat dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai:
Io=k,xt/2 I'
2.t8
Faktor ( tergantung kepada komponen arus searah 1r., sedangkan .Ir, tergantung kepada perbandingan R, dengan Xr. Faktor ft, dapat dihitung dengan persamaan: R
1-!
k"=1,02x0,98e-x"
2.19
36
Peralatan Tegangan Tinggi
Iika vn, adalah tegangan fasa-ke fasa sistem sebelum terjadi hubung singkat, maka kapasitas daya sesaat pemutus daya adalah:
s- = {3 v*x I,
2.20
Kapasitas Pemutusan Arus (Inferrupting Current Capacityl Dalam praktiknya, pemutus daya membuka setelah arus hubung singkat berlangsung 2,5 perioda, atau pada masa transien. oleh karena itu, suatu pemutus daya harus mampu memutuskan arus transien atau arus simetris tanpa menimbulkan kerusakan pada kontak pemutus daya. Kapasitas suatu pemutus daya untuk memutuskan arus hubung singkat disebut kapasitas pemutusan arus (interrupting current capacie). Kapasitas pemutusan arus suatu pemutus daya adalah nilai efektif arus hubung singkat transien tertinggi yang dapat diputuskan pemutus daya tanpa menimbulkan kerusakan pada kontak pemutus daya. Berdasarkan Gambar 2.29,arus transien pada saat r = r.,lebih besardaripada arus ketika t = /.,. Jika pemutus daya membuka pada saat I = r., maka arus yang diputuskan lebih besar ilaripada arus yang diputuskan ketika pemutus daya membuka pada saat r = r.,. Maka. kapasitas pemutusan arus pemutus daya tergantung kepada waktu tunda pembukaan pemurus daya, yaitu waktu keterlambatan minimal untuk pemutus daya membuka kontaknya dihitung dari saat terjadinya peristiwa hubung singkat. Kapasitas pemutusan arus suatu pemutus daya ditetapkan dengan menghitung terlebih dahulu nilai efektif arus hubung singkat subtransien (/,,) dengan persamaan 2. 17. Nilai efektif arus transien lebih kecil daripada nilai efektif arus subtransien. Maka, nilai arus transien ketika pemutus daya membuka kontaknya dapat dituliskan sebagai:
I,r' = kr, I"
2.21
Dalam hal ini k, adalah faktor pengali arus transien yang tergantung kepada waktu tunda pemutusan ams (7,) dan perbandingan arus subtransien (1') dengan arus nominal generator (1,) seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.30. k1
1,00
0,95 0,90
N \ \
0,85 0,80 0,75
J,=0'1 sekon_
0,70 0,65
7, = Waktu tunda pembukaan CB
0,60
{
0,55 0,50
T.
1,,
nomlnal generatol
GAMBAR 2.30 Faktor pengali arus transien /kJ
rl
> 0,25 sekor
Bab
2
Pemutus Daya
37
Kemampuan suatu pemutus daya untuk memutuskan arus harus sama dengan atau lebih besar daripada arus transien 1,,' pada Persamaan 2.21. Dengan demikian, kapasitas suatu pemutus daya dapat dihitung dengan persamaan berikut ini: S,.
2.11
=
{5
Vor
x Ii,'
2.22
TEGANGAN KERJA PEMUTUS DAYA Kemampuan pemutusan arus suatu pemutus daya dinyatakan dalam keadaan tegangan sama dengan tegangan pengenal maksimumnya. Pemutus daya tidak diperbolehkan bekerja di atas tegangan pengenal maksimumnya. Jika suatu pemutus daya bekerja pada tegangan di bawah tegangan pengenal maksimumnya, maka kemampuan pemutusan arus pemutus daya semakin besar, yakni menjadi:
tr= Dalam hal
ini 1, = Kemampuan
tn*x\
2.23
pemutusan arus pada tegangan V,
= Kemampuan pemutusan arus pengenal pemutus daya V*,r= Tegangan pengenal maksimum pemutus daya V, = Tegangan fasa-ke-fasa sistem yang menggunakan pemutus daya
1or,
tersebut
Menurut persamaan di atas, kemampuan pemutusan arus pemutus daya semakin besar jika dipakai pada sistem yang tegangannya semakin rendah. Tetapi setiap pemutus daya memiliki kemampuan maksimum dalam memutuskan arus hubung singkat, sehingga
sekalipun tegangan sistem semakin rendah, kemampuan pemutusan arus tidak boleh melebihi nilai maksimum tersebut. Nilai maksimum kemampuan pemutusan arus suatu pemutus daya adalah:
1-uk,=kxIo* Nilai ft bergantung kepada spesiflkasi rancangan pembuat pemutus
2.24 daya.
Sebagai contoh, misalkan suatu pemutus daya mempunyai tegangan pengenal maksimum 24 kY, kemampuan pemutusan arus pengenal 6000 A dan faktor k = 2,2. Kemampuan pemutusan arus maksimum pemutus daya ini adalah: 2,2 x 6O0O A = 13.200 A. Artinya, pemutus daya ini dapat dipasang pada suatu sistem yang tegangannya lebih rendah daripada 24 kY, asalkan arus hubung singkat yang akan diputuskannya tidak lebih daripada 13.200 A.
Bab 3
Konduktor
onduktor adalah salah satu komponen utama peralatan listrik dan instalasi listrik. Konduktor berperan untuk menyalurkan arus dari satu bagian ke bagian lain dan juga untuk menghubungkan bagian-bagian yang dirancang bertegangan sama. Pada sistem tenaga listrik, konduktor bertegangan tinggi dijumpai pada transmisi, gardu induk, jaringan distribusi dan panel daya. Pemilihan jenis dan ukuran konduktor harus memenuhi syarat-syarat teknis dan harus ekonomis. Oleh karena itu, dalam bab ini akan diuraikan jenis-jenis konduktor dan parameter yang perlu dipertimbangkan dalam
pemilihan ukuran konduktor.
3.1
BAHAN DAN JENIS KONDUKTOR Bahan konduktor yang paling umum digunakan adalah tembaga dan aluminum. Dilihat dari jenis isolasi yang digunakan, konduktor terdiri dari dua jenis, yaitu konduktor atau kawat telanjang dan konduktor berisolasi atau kabel. Konduktor atau kawat telanjang digunakan untuk:
1. 2. 3.
Menyalurkan energi listrik dari satu gardu induk ke gardu induk lainnya Menyalurkan energi listrik dari gardu induk ke trafo distribusi Membagi penyaluran daya pada gardu induk dan panel
Kabel tegangan tinggi digunakan pada jaringan distribusi, terutama di kawasan perkotaan yang penduduknya sangat rapat. Kabel tegangan tinggi digunakan juga untuk menyalurkan energi listrik dari generator ke trafo daya, sedangkan pada gardu induk digunakan untuk menyalurkan energi listrik dari trafo daya ke panel kontrol dan dari panel kontrol ke jaringan distribusi hantaran udara.
3.2
KAWAT TELANJANG Konduktor kawat telanjang pada umumnya terbuat dari bahan tembaga, aluminium dan aluminium campuran. Khusus untuk transmisi umumnya digunakan All-Aluminum Conductor (AAC), All-Aluminum-Alloy Conductor (AAAC), Aluminum Conductor Steel Reinforced (ACSR) dan Aluminum Conductor Alloy Reinforced (ACAR).
Bab
ffiffi (a) Konduktor
batang
(b) Kawat pilin
(c) Konduktor rongga
3
Konduktor
39
(d) Konduktor berkas
GAMBAB 3.1 Bentuk penampang konduktor telanjang
Dilihat dari bentuk penampangnya, konduktor telanjang terdiri dari konduktor batangan, kawat pilin, konduktor berongga dan konduktor berkas. Bentuk penampang
keempat konduktor tersebut diperlihatkan pada Gambar 3.1. Konduktor batangan biasanya digunakan pada panel daya. Kawat pilin digunakan untuk jaringan distribusi dan transmisi, sedangkan konduktor berongga dan konduktor berkas digunakan pada transmisi tegangan tinggi. Konduktor berongga juga digunakan pada kabel yang mengalirkan arus besar. Jika suatu konduktor bertegangan, maka di sekitar konduktor akan timbul medan elektrik dan medan elektrik tertinggi terjadi pada permukaan konduktor. Kuat medan elektrik tersebut bergantung kepada diameter dan kehalusan permukaan konduktor. Kuat medan elektrik pada permukaan konduktor akan semakin besar jika diameter konduktor semakin kecil. Kuat medan elektrik pada permukaan konduktor juga semakin besar jika permukaannya semakin kasar. Jika kuat medan elektrik di permukaan tersebut melebihi kekuatan dielektrik udara atau media di sekitarnya, maka pada udara atau media yang bersentuhan dengan permukaan konduktor akan terjadi peristiwa pelepasan muatan, yang disebut korona. Korona yang terjadi pada transmisi tegangan tinggi menimbulkan rugi-rugi daya dan gangguan komunikasi. Untuk mencegah korona, maka kuat medan elektrik di permukaan harus dikurangi hingga lebih kecil dari kekuatan dielektrik udara atau media di sekitarnya. Hal ini dapat dilakukan dengan memperbesar diameter penampang konduktor, tetapi hal ini tidak ekonomis dan membuat konduktor semakin kaku. Cara yang lebih ekonomis adalah dengan menggunakan penghantar berkas. Cara lain adalah menggunakan konduktor berongga, dengan cara ini dapat diperoleh konduktor berdiameter lebih besar dengan luas penampang yang sama dengan konduktor masif.
3.3
KABEL
di halaman 40 diperlihatkan penampang konstruksi suatu kabel tiga fasa. Bagian utama dari suatu kabel adalah inti atau konduktor, bahan isolasi, bahan
Pada Gambar 3.2
pengisi, bahan pengikat, bahan pelindung beban mekanik dan selubung pelindung luar. Semua bahan tersebut harus membentuk suatu konstruksi yang membuat kabel menjadi fleksibel dan tetap memiliki kekuatan mekanis yang memadai. Kabel tegangan tinggi pada umumnya berinti tunggal dan berinti tiga, bahannya terbuat dari pilinan serat tembaga atau aluminum. Bentuk penampangnya tidak berupa lingkaran tetapi dibuat berbentuk sektoral agar dengan diameter luar yang tetap diperoleh luas penampang inti yang lebih besar. Atau dengan luas penampang inti yang tetap diperoleh diameter luar yang lebih kecil, sehingga ongkos pembuatannya lebih murah.
40
Peralatan Tegangan Tinggi
Isolasi
lnti (konduktor) Pengisi
Isolasi pengikat Logam pembalut Bantalan Logam pelindung Selubung luar
GAMBAR 3.2 Penampang kabel tegangan tinggi
Inti dibungkus dengan bahan isolasi utama yang sifat mekanisnya fleksibel sehingga mudah digelar dan perubahan kekuatan mekanisnya tidak signifikan jika temperatur berubah dari temperatur kamar sampai temperatur operasi. Sifat termal inti kabel yang utama adalah: memiliki ketahanan termal yang tinggi, koef,sien muai panas rendah, daya hantar panas tinggi dan tidak mudah terbakar. Sifat elektrik bahan isolasi yang utama aclalah: memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi agar diameter luar dapat dikurangi sehingga ongkos pembuatan kabel berkurang; resistansi isolasinya tinggi; dan rugi-rugi dielektriknya rendah. Sedangkan sifat kimia yang diinginkan adalah tidak bereaksi dengan asam dan alkali pada temperatur kerja, dan tidak mengisap air atau kedap air. Bahan isolasi yang digunakan antara lain minyak, polimer dan kertas yang diimpregnasi minyak mineral. Jika bahan isolasi utama berupa bahan padat seperti polymer dan karet, maka di antara konduktor dengan isolasi utama dapat terjadi rongga. karena permukaan konduktor yang tidak benar-benar mulus. Untuk mengatasi hal ini, maka di antara konduktor dengan isolasi utama dibuat lapisan tipis yang terbuat dari bahan silikon. Ketiga inti kabel diikat dengan bahan isolasi yang disebut dengan isolasi pengikat. Ruang kosong yang terdapat di antara isolasi utama maupun antara isolasi utama dengan isolasi pengikat diisi dengan bahan isolasi yang kualitasnya lebih rendah, sepefti jerami atau potongan-potongan kertas. Kemudian isolasi pengikat dibungkus dengan selubung yang terbuat dari lempengan timah. Permukaan luar selubung timah dilapisi dengan pita atau kawat baja untuk meninggikan kekuatan mekanis kabel. Lapisan baja ini harus dilapisi dengan bahan anti-karat. Selubung timah dilapisi lagi dengan bantalan, yaitu suatu bahan yang sifatnya elastis. Bantalan berfungsi untuk melindungi isolasi pengikat dari tekanan mekanis yang berlebihan jika terjadi benturan mekanis pada bagian luar kabel. Kemudian bantalan diselubungi dengan pelindung dari baja anti-karat yang berfungsi untuk melindungi kabel dari beban mekanis yang berasal dari luar kabel. Lapisan terakhir adalah bahan pembungkus yang mencegah masuknya air ke dalam bahan pelindung. Jika bahan isolasi utama kabel adalah kertas, maka kertas harus dikeringkan terlebih dahulu. Kertas yang dijumpai sehari-hari selalu lembab karena serat kertas menyerap air dari udara di sekitarnya. Pengeringan kertas dilakukan dalam bejana vakum pada
Bab
3
Konduktor
41
temperatur 120 - 135 'C. Setelah itu, kertas dicelupkan dalam minyak mineral dan resin dan dikeringkan dalam bejana yang tertutup sangat rapat. Minyak harus memiliki kekentalan yang rendah pada temperatur pencelupan tetapi kekentalannya tinggi pada temperatur operasi kabel, koefisien muainya rendah dan titik bekunya harus di bawah temperatur operasi kabel. Resin adalah bahan tambahan untuk mencegah terjadinya oksidasi yang dapat mempercepat penuaan dan menimbulkan pelapukan. Bahan tambahan juga diperlukan untuk mencegah penurunan viskositas minyak. Tegangan tembus listrik gabungan keftas dengan minyak lebih tinggi dari tegangan tembus masing-masing bahan jika sendiri-sendiri. Ada kabel yang bahan isolasinya berupa serat yang diimpregnasi minyak. Hal ini bertujuan agar kabel lebih fleksibel sehingga mudah digelar. Penyambungan pada kabel jenis ini lebih mudah karena ketika penyambungan dilakukan minyak tidak keluar dari ujung-ujung kabel sehingga tidak terjadi rongga-rongga udara dalam isolasi kabel. Kelemahan utama kabel ini terletak pada kemungkinan terjadinya gelembung gas ketika beroperasi melayani beban yang berfluktuasi di mana kabel berulang-ulang mengalami pemanasan dan pendinginan. Karena koefisien pemuaian bahan isolasi kabel lebih besar dari bahan pembungkusnya (biasanya dari timah), maka pemanasan kabel akibat pembebanan maksimum akan mengakibatkan pemuaian bahan isolasi lebih besar daripada pembungkusnya, sehingga pembungkus tersebut membengkak. Ketika beban berkurang akan terjadi pendinginan yang mengakibatkan bahan isolasi menyusut sehingga terdapat rongga-rongga di antara pembungkus dengan isolasi. Lama-kelamaan rongga tersebut akan terisi dengan gas yang berasal dari bahan isolasi. Melalui proses difusi, rongga-rongga gas tersebut menyelusup ke permukaan inti kabel, yaitu kawasan di mana intensitas medan elektrik maksimal. Di kawasan ini, rongga-rongga gas dapat mengalami tembus listrik sehingga terjadi peluahan sebagian (partial dist:harge) di dalam kabel. Peluahan sebagian ini merupakan awal terjadinya tembus listrik pada bahan isolasi. Terjadinya peluahan sebagian dapat dicegah dengan mengurangi intensitas medan elektrik pada permukaan inti kabel, yaitu dengan menambah tebal bahan isolasi. Akibatnya, ongkos pembuatan kabel semakin tinggi. Itu sebabnya kabel ini hanya digunakan untuk tegangan bolak-balik sampai 35 kV saja. Di atas tegangan tersebut pengurangan intensitas medan elektrik dengan menambah tebal bahan isolasi tidak ekonomis lagi. Jenis bahan isolasi kabel lain adalah kertas yang diimpregnasi dengan minyak bertekanan. Kabel ini digunakan untuk transmisi tegangan tinggi. Minyak bertekanan akan mencegah terbentuknya rongga-rongga gas dalam kabel, karena aliran minyak dalam kabel akan segera mengisi rongga tersebut dengan minyak. Dengan cara ini, kelemahan yang terdapat pada kabel berisolasi serat dapat diatasi, tetapi ongkos pembuatannya lebih tinggi karena adanya perangkat tambahan, yaitu alat untuk membuat minyak tetap befiekanan.
3.4
PARAMETER KONDUKTOR Jika suatu konduktor dialiri arus listrik maka pada konduktor akan timbul panas akibat rugi-rugi daya (r2r). Panas ini akan membuat temperatur konduktor naik. Di samping itu, temperatur konduktor juga dapat naik karena adanya pengaruh dari sumber panas di sekitarnya, misalnya panas matahari, panas mesin-mesin, dan sumber panas lainnya. Agar sifat fisis bahan konduktor tidak berubah, maka kenaikan temperatur konduktor dibatasi sampai 15 "C. Oleh karena itu arus kontinu yang mengalir pada konduktor harus dibatasi, sedemikian hingga pada temperatur 75 'C, jumlah panas yang timbul
42
Peralatan Tegangan lInggi
pada konduktor sama dengan jumlah panas yang disebarkan konduktor ke medium sekitarnya. Arus tertinggi yang dapat dialirkan secara kontinu oleh suatu konduktor di mana arus tersebut tidak menimbulkan kenaikan temperatur konduktor lebih dari 75 .C disebut daya hantar arus (curuent carrying capacity). Dalam pemilihan suatu konduktor, perlu diperhatikan agar arus kontinu yang akan dialirkan tidak melebihi daya hantar arus konduktor yang dipilih. Jarak atau spasi antar konduktor ditetapkan sedemikian sehingga tidak terjadi peluahan sebagian atau korona pada permukaan konduktor. untuk itu kuat medan elektrik pada permukaan setiap konduktor perlu diketahui. Kuat medan elektrik tertinggi yang ditemukan harus lebih rendah dari kekuatan dielektrik bahan isolasi utama. Pada transmisi hantaran udara, kuat medan pada permukaan konduktor direduksi dengan menggunakan penghantar berkas (bundled conductor). Di bawah ini diberikan formula perhitungan kuat medan elektrik tertinggi pada permukaan konduktor sistem tiga fasa yang diperoleh secara aproksimasi.
kuv
E_
"maks -
Dalam hal
ini: "/ = fta
=
nrorn(ry)
3.1
Jarak antar konduktor fasa (m) Faktor koreksi kuat medan konduktor berkas yang bergantung kepada jumlah konduktor per fasa
r" = Jai-jari ekuivalen konduktor (m) rr = Iari-jari luar konduktor (m) n = Jumlah berkas konduktor per fasa
Untuk konduktor tunggal, re sama dengan jari-jari luar konduktor (rr). Untuk konduktor berkas denganjarak antar konduktor sama dengan s meter, jari-jari ekuivalen dihitung dengan persamaan di bawah ini:
r"={ios, -. su1
3.2
Nilai ft, bergantung kepada jumlah berkas konduktor per fasa, yang besarnya adalah seperti diperlihatkan pada Tabel 3.1. TABEL 3.1
Faktor ko Konduktor Berkas n 2
3
4
Susunan
kb
oo o
oo oo oo
t*# )r
I
2r,
tE
*-4,
3r,-tD
l*---
Bab
3
Konduktor
43
Jarak antar konduktor pada jaringan hantaran udara, selain dibatasi oleh medan tertinggi yang diizinkan, dibatasi juga oleh jarak ayunan konduktor jika ditiup angin' Jarak ayunan bergantung kepada kecepatan angin, diameter konduktor, berat jenis konduktor, lendutan dan jarak rentangan. Konduktor yang lebih ringan, spasinya harus lebih besar daripada konduktor yang lebih berat. Hal lain yang perlu diperhatikan dalam pemilihan konduktor adalah resistansinya, kekuatan mekanisnya, jari-jari geometris rata-rata (GMR = geometric mean radius) dan diameter luarnya. Resistansi konduktor berpengaruh terhadap rugi-rugi daya dan jatuh tegangan (voltage drop) pada konduktor. Semakin besar resistansi suatu konduktor. semakin besar rugi-rugi daya dan jatuh tegangan pada konduktor tersebut' GMR dan diameter luar berpengaruh terhadap reaktansi induktif dan kapasitif konduktor. Untuk jaringan hantaran udara tiga fasa yang ditransposisi, yang jari-jari geometris rata-rata konduktornya sama dengan GMR mete\ panjang konduktornya sama dengan i kilometer dan frekuensi tegangannya sama dengan f (Hz)' maka nilai reaktansinya dapat dihitung dengan rumus di bawah ini: 3.3
3.4
ohm
3.5
PEMILIHAN UKURAN KONDUKTOR
Ditinjau dari Segi Ekonomi Ukuran konduktor transmisi dapat ditentukan berdasarkan pertimbangan ekonomi dan teknis. Menurut Kelvin, biaya tahunan penyaluran adalah:
Biaya rahunon Pada rumus
=3
+;#. 1#
3.5
di atas: H" = Harga energi terbuang ($/kW-tahun)
1 = Kuat arus masing-masing konduktor R = Resistansi masing-masing konduktor/meter Ht = Harga konduktor/kilogram m' = Beral semua konduktor dalam
kilogram/meter
b, = Bunga uang/tahun dalam Persen
Biaya minimum diperoleh jika harga tahunan energi terbuang sama dengan bunga dari bagian modal yang dipertimbangkan sebanding dengan berat konduktor, yaitu:
3H PR
-m-
Jika
A= pm=
= Hk b" flt'
Luas penampang konduktor (mm2) Resistivitas konduktor (ohm.mm2/m) Kerapatan konduktor (kgicm3)
3.6
4
Peralatan Tegangan
maka Persamaan
T
rnggi
3.6
dapat dituliskan menjadi:
3H
12o
-tr-
Hn bu A
m
3.j
Dari Persamaan 3.7 diperoleh ukuran konduktor yang ekonomis sebagai berikut:
A_
3H"P p 10 Hrbum
3.8
Ditinjau dari Segi Teknis Dalam praktiknya, rumus Kelvin di atas jarang digunakan karena hasil yang diperoleh belum tentu memenuhi syarat teknis. Syarat-syarat teknis yang harus dipenuhi suatu konduktor adalah sebagai berikut.
1. 2. 3.
Rugi-rugi daya(P$ yang terjadi pada konduktor tidak melebihi nilai yang diizinkan. Jatuh tegangan (AIf pada konduktor tidak melebihi nilai yang diizinkan. Ketika beroperasi tidak terjadi korona di permukaan konduktor.
Perhitungan ukuran konduktor dilakukan dengan meninjau rangkaian ekuivalen nominal z' transmisi seperti diperlihatkan pada Gambar 3.3a. Diagram fasor tegangan dan arus dari transmisi ini diperlihatkan pada Gambar 3.3b. Terlihat bahwa arus yang mengalir pada konduktor transmisi adalah 1* di mana arus
ini dapat dihitung dengan Persamaan 1.2. Artinya, konduktor harus mampu mengalirkan arus sebesar 10. Maka, daya hantar arus konduktor terpilih harus lebih besar dari 1*. Jika rugi-rugi yang diizinkan pada transmisi adalah AP, maka resistansi konduktor maksimal adalah:
n= Al
3.9
3I o'
Menurut diagram fasor Gambar 2.3b, arus konduktor lebih kecil dari arus beban. Tetapi dalam perencanaan arus konduktor dapat dianggap sama dengan arus beban. Jlka Pu = besar beban yang diramalkan pada ujung penerima transmisi, 4 = tegangan fasa-fasa ujung penerima transmisi dan cos g = faktor daya beban yang diramalkan, maka arus pada konduktor transmisi dapat dihitung dengan Persamaan di bawah ini:
J" (a) Rangkaian ekuivalen transmlsl
(&) Diagram fasor arus dan tegangan transmisi
GAMBAR 3.3 Rangkaian ekuivalen dan diagram fasor arus - tegangan transmisi
Bab
3
P,0
r 11 -,f -1'--
45
Konduktor
K o- r/34cos9
3.10
Jika panjang transmisi dalam kilometer, maka resistansi konduktor/kilometer adalah:
R'=+
3.1
1
Pada Lampiran I diberikan tabel yang memuat jenis, ukuran, dan karakteristik dari konduktor tembaga dan aluminium. Pada tabel tersebut dapat dicari konduktor yang resistansinya per kilometer pada temperatur kerja lebih kecil atau sama dengan R' dan mampu mengalirkan arus 1*. Jika resistansi konduktor terpilih adalah R*' ohm/ km, maka resistansi konduktor yang dipilih adalah:
Rt=Rt'xl
3.12
Selanjutnya nilai arus dan tegangan jika transmisi menggunakan konduktor yang dipilih dapat dihitung. Jika tegangan fasa ke netral ujung penerima adalah V,,,, n*a arus kapasitansi pada ujung penerima adalah:
rr=& v"_
3.l3
Arus pada konduktor transmisi menjadi:
3.t4 Sudut fasa arus konduktor transmisi adalah:
*=arc,r(qH+)
3.15
Tegangan ujung pengirim fasa ke netral dapat dihitung dengan persamaan berikut: Vrr2
= (Vr, + Ir Rrcos a + IoXrsin a)2 + (Ir X, cos a - 1* R* sin a)2
3.t6
Dengan demikian dapat dihitung jatuh tegangan pada konduktor yang dipilih, yaitu:
lv -vl x t007o \v - '-! v:
3.11
Jika AV ) A\,i,, maka prosedur perhitungan di atas diulang kembali dengan mempergunakan konduktor yang ukurannya lebih besar dari pilihan pertama sampai diperoleh AY < AYi,i,.
3.6
REL DAYA Konduktor digunakan juga sebagai rel daya gardu induk umumnya terbuat dari
la sarf,gurrfufld1n pnel. Re dava untuk uk panel berbe fi i0k kaiTatl se-tlan gkan
terbuat dari konduktor berbentuk batang.
,'uPl8fa8f tdPt$?flP'.oc ikian rupa dan litarsipan Propinsi Jo'na Timur
46
Peralatan Tegangan 1 rnggi
sehingga mampu memikul arus yang akan disalurkan. Kemampuan menghantar arus konduktor dapat dilihat pada Lampiran L Jika pada rel mengalir arus hubung singkat, maka rel daya akan mengalami gaya elektromagnetik yang besarnya bergantung kepada besarnya arus hubung singkat dan jarak antar rel. Oleh karena itu, jarak antar rel harus dirancang sedemikian rupa sehingga gaya yang diakibatkan arus hubung singkat tidak sampai merusak rel dan isolator penyangganya. Berikut ini akan diuraikan perihal gaya dan tekanan yang terjadi pada konduktor dan isolator penyangga suatu rel akibat arus hubung singkat pada sistem ac tiga fasa.
Gaya dan Tekanan pada Rel Tunggal Jika dua konduktor garis yang ukurannya sama, berdampingan sejajal dan masingmasing konduktor dialiri arus yang arahnya sama, maka konduktor akan mengalami gaya tarik-menarik yang besarnya:
F_ Pada persamaan
di atas: F &
1t
i, i,
I
2rJ
3.18
= Gaya tarik-menarik antar konduktor (N) = Permeabilitas medium yang berada di antara kedua konduktor
= 4r x 10-7 H/m untuk udara I = Arus yang mengalir pada konduktor (A) / = Panjang konduktor (m) J = Jarak antara kedua konduktor (m) Prinsip di atas digunakan untuk menentukan besar gaya tarik-menarik pada rel daya. Pada Gambar 3.4 diperlihatkan susunan rel suatu panel tiga fasa ac, yang setiap relnya terdiri dari satu batang konduktor. Rel daya dirancang atas pertimbangan arus tertinggi yang mungkin melalui rel, yaitu arus puncak hubung singkat tiga fasa tertinggi yang diperkirakan melalui rel. Jika arus simetris mengalir pada rel suatu panel, maka tiap rel akan mengalami gaya. Gaya ini merupakan hasil interaksi arus fasa R dengan arus fasa S, interaksi arus fasa S dengan arus fasa I dan interaksi arus fasa R dengan arus fasa 7. Karena arus fasa
t,tl<-
,s
-->l r
n]-a ri nlll I|t ln lll ilt t1--- .-]-'1 ffi -
-!:-
I
m lll
t,l
^ M t ----t
ffi
-=E:=
-
-rI__l--\ tltJl
r<---------->t <-------------i>t
GAMBAR 3.4 Susunan rel daya konduktor tunggal
Bab
3
Konduktor
47
berbentuk sinusoidal dan masing-masing berbeda fasa 120 derajat listrik dan jarak antar fasa juga tidak sama, maka gaya pada setiap rel tidak sama. Gaya sesaat yang terjadi pada tiap rel adalah:
Fta.s=
F,,,. T Pada ketiga persamaan
di
uioirl
pi*irl
uiol, I
p.itirL
-ffi--ffi
u:ll-*Fioi't = '- 2r J 2rr eA
l.l9 j3.ZO 3'll
atas:
F(,) = Gaya sesaat pada rel (N) tL= Permeabilitas medium yang berada di antara satu rel dengan rel lain 4r x l0-7 H/m untuk udara iArus sesaat pada rel (A) l_ tJarak antara kedua penyangga terluar (m) JJarak antara rel fasa ke rel fasa berurutan (m) Karena arus berbentuk sinusoidal, maka gaya sesaat di atas juga berbentuk sinusoidal. i maka nilai puncak gaya pada masing-masing rel adalah sebagai berikut;
Jika nilai puncak arus sesaat adalah
Fn =
"
Fs =
dan
Fr = 0,13 0,86
uli2 Z*
uliz ,, t
3.22
3./-.)
Dengan membandingkan Persamaan 3.22 dengan 3.23, terllhat bahwa gaya paling besar terjadi pada rel yang berada di tengah (fasa S). Dasar perhitungan dalam perencanaan rel daya adalah gaya mekanis tertinggi yang diperkirakan terjadi pada rel. Gaya mekanis tertinggi terjadi ketika rel dialiri arus puncak subtransien dari arus hubung singkat tertinggi yang mungkin mengalir pada rel. Jika arus hubung singkat tiga fasa tertinggi yang diperkirakan melalui rel adalah 1r,. (A), dan medium yang berada di antara rel adalah udara dengan p = 4t x 10-' H/m, maka gaya tertinggi dalam newton yang timbul pada rel tengah adalah:
Fp
= o'86 x L,iz
4n x IO-7 1r,,2 I
2rJ
x Io-7 1p,,2 I J
Jika
o = a = I4l =
Tekanan atau s/ress pada rel (N/m1 Faktor jumlah penyangga terhadap tekanan rel (lihat Tabel 3.2) Tahanan momen rel (m3)
maka tekanan yang ditimbulkan gaya tersebut pada rel adalah:
3.24
48
Peralatan Tegangan lrnggi
TABEL 3.2 Faktor Penyangga Terhadap Tekanan Rel dan Gaya lsolator B
Susunan Penyangga
d
la ta la
Isolator A
lsolator B
1,0
A=0,5
B=0,5
0.73
A=0.5
B = 1,25
0,5
ta ta tr ta
o
*
A=0.5
B=
1.0
A=0,5
B
1,0
7l**
0,5*
=
0,73**
aFrl o= W
3.25
Tahanan momen suatu batang konduktor bergantung kepada arah gaya pada rel dan ini diperlihatkan dengan jelas pada Gambar 3.5. Rel dinyatakan dapat memikul arus hubung singkat yang diperkirakan, jika:
bentuk penampang rel. Hal
os
1,5
on,n
3.26
di mana ontinadalah kekuatan mulur minimal bahan rel (lihat Lampiran 2). Gaya yang terjadi pada isolator penyangga adalah:
F,=lFFo Dalam hal
ini, Fi =
Gaya pada isolator (N) Faktor yang bergantung kepada besar tekanan (o) pada rel
7= 0 = Faktor yang bergantung
F
nt I lI
ll' lll -l Llv +lr
3.27
hr)
'=a
kepada isolator penyangga rel (Tabel 3.2)
n ,f----ll
t
l<--
(a) Batang tegak
I
(b) Batang mendatar
GAMBAR 3.5 Tahanan momen berdasarkan bentuk penampang rel konduktor
w=[
Bab
3
49
Konduktor
Jika o.uu, adalah kekuatan mulur maksimal bahan rel (iihat karakteristik material Lampiran 2) dan tekanan pada rel o > 0,8 o*uor, maka nilai 7 - 1. Jika tekanan pada rel o < 0,8 o-"*.. maka nilai 7 dihitung dengan Persamaan 3.28 di bawah ini:
0,8
v-
o-*,
3.28
Isolator dinyatakan memenuhi syarat teknis jika gaya'yang terjadi padanya melebihi batas pembebanan maksimal isolator.
(f,)
tidak
Gaya dan Tekanan pada Rel Multi Batang Pada panel daya berkapasitas besar, arus per fasa sangat besar, sehingga diperlukan dua
atau lebih batang konduktor paralel pada setiap fasa. Agar susunan batang konduktorkonduktor tersebut kokoh, maka di beberapa tempat diberi pengikat sehingga satu rel merupakan ikatan beberapa batang konduktor. Selanjutnya, seikat konduktor yang membentuk rel fasa disebut rel fasa, sedangkan batang-batang konduktor yang membentuk satu rel fasa disebut elemen rel. Pada Gambar 3.6 diperlihatkan contoh susunan rel panel tiga fasa ac yang setiap relnya terdiri dari dua batang konduktor. Untuk panel rel ganda seperti diperlihatkan pada Gambar 3.6, ada dua jenis arus yang perlu dibedakan, yaitu arus rel atau arus fasa (1r,,); dan arus elemen rel (1r). Arus fasa adalah arus total yang mengalir pada satu rel sedangkan arus elemen rel adalah arus pada satu batang konduktor yang membentuk rel tersebut. Jrka I, = arus pada satu batang elemen rel, Ipr, = arus fasa atau total arus pada satu rel dan 2 = jumlah batang konduktor per rel, maka besar arus pada elemen rel adalah sebagai berikut.
, - Io" n
3.29
te -
Gaya yang timbul pada satu rel sebagai hasil interaksi antar arus fasa, disebut gaya fasa (Fo), sedangkan gaya hasil interaksi antar arus pada elemen rel disebut gaya elemen (F"). Gaya fasa dan gaya elemen diperlihatkan pada Gambar 3.7 di halaman 50.
Pengikat I
i
-t v
L
J
B'ffitiB
+jd-l-Ejir
ttl
t€rert
lt9ttl
l
[r,6,,*Xrgi.'P*
EAlEiAXiXii
T--r_T
Konduktor
-lr!
.T). / i
-\// l--------------i--------------
pJ5Jr
I
lsolator
I
Pengikat
li
GAMBAR 3.6 Susunan rel batang ganda pada suatu panel daya
50
Peralatan Tegangan
T
rnggi
: J, . i<-i-->l
,I F, Fett
2)
GAMBAR 3.7 Gaya fasa dan gaya elemen
Menurut Persamaan 3.24, gaya fasa adalah:
F_
l,7z x l0-7
1p,,2 I
3.30
D
Karena arus pada setiap elemen adalah sefasa, maka gaya yang paling besar terjadi pada elemen terluar. Jika, yaitu:
F, = F"0 -z) + Fr(t-3) + "' * F"{t-(tr- l)} +
Fe{t
-
n)
3.31
Dalam hal ini:
F, F e(t-2)
= =
Resultan gaya pada elemen nomor I Gaya hasil interaksi arus pada elemen nomor 1 dengan arus pada elemen
nomor 2 Fe(t-3)
=
Gaya hasil interaksi arus pada elemen nomor 1 dengan arus pada elemen
Felr-n)
=
Gaya hasil interaksi arus pada elemen nomor 1 dengan arus pada elemen
nomor
3
nomor n Arus pada masing-masing elemen sama dan satu fasa, maka gaya hasil interaksi arus pada dua elemen dapat dihitung dengan Persamaan 3.18. Dengan menganggap bahwa media yang berada di antara elemen-elemen adalah udara, maka gaya tarikmenarik antar dua elemen dapat ditulis sebagai berikut:
Deta
- Dt
_ 4rr x lO-7 1"2 l, 2T J"ru _ b,
z
x
lo-1 Jela _
1"2
l, 3.32
b1
Dalam hal ini:
lr
= =
Gaya tarik-menarik antara elemen a dengan elemen b (N) Jarak maksimal antar pemisah atau jarak maksimal antara pemisah dengan penyangga (m). Untuk lebih jelasnya lihat Gambar 3.5
Je(q_b)
=
Jarak efektif antara elemen a dengan elemen b (m)
Fe(a_b)
Substitusi Persamaan 3.32 ke dalam Persamaan 3.31 menghasilkan:
Bab
F"=
2
Fe = 2
F"
x
lo-1 (1")2
li
2 x ro-7
J, _,
x
_2 x
J,
* lO-7 tt-12 t, ,-e, .,.Jt_r,
t=L
(1")2 li
_,
-l Jr_,
+...
+
2
x
3
51
Konduktor
to-1 (1,)z li J, _,
+ ... + --L-4
_)
lo-7 (t")2 ll -1.
J"
-l
J
Gaya pada Persamaan 3.18 berlaku untuk susunan konduktor garis paralel berdiameter mendekati nol atau konduktor garis berdiameter sangat kecil dibandingkan terhadap jarak antar konduktor. Untuk susunan konduktor batang seperti diperlihatkan pada Gambar 3.7, dan jarak antar konduktor sangat dekat, dan penampang tidak berbentuk lingkaran, maka jarak antar konduktor tidak dapat disamakan dengan jarak antar sumbu konduktor, tetapi bergantung pada tebal (r) dan tinggi (/z) konduktor. Oleh karena itu, jarak efektif (J") bergantung kepada ukuran penampang elemen dan jumlah elemen. Nilai "f" untuk berbagai ukuran rel diperlihatkan pada Tabel 3.3. Tekanan pada rel akibat gaya fasa adalah:
o-p=oFnl gk"w"
3.34
Dalam hal ini: Fn = Gaya fasa yang dihitung dengan Persamaan 3.30 d, = Tekanan pada rel akibat gaya fasa F, (N/m2) o = Faktor penyangga (lihat Tabel 3.2) W" = Momen tahanan ekuivalen semua rel 1m3; lNilai-nilainya diperlihatkan pada Tabel 3.4) k" = Faktor perkalian momen inersia = 0,6 untuk rel yang terdiri dari dua batang konduktor = 0,5 untuk rel yang terdiri dari tiga atau lebih batang konduktor Tekanan yang terjadi pada elemen konduktor karena gaya pada elemen konduktor adalah:
TABEL 3.3
Jarak Efektif Elemen Rel
Jarak Efektif O) cm Susunan Elemen
Tebal (/) cm
h=4
h=5
h=6
h=8
cm
cm
cm
cm
0,5
z,o
2,4
t,0
7R
3.1
3,4
4.1
4,7
1.3
1,5
1.8
a)
t.9
2.0
)7
2.7
0,5
1,0
1,7
h =10 cm
h=12 h=16
h =20
cm
cm
cm
5,4
6,7
8,0
10
3,t
4,3
4,0
Bab 4
Pelindung Tegangan Lebih
da beberapa tingkat tegangan pada suatu sistem tenaga listrik, yaitu: tegangan nominal, tegangan maksimum, tegangan puncak maksimum dan tegangan lebih. Tegangan nominal adalah tegangan pengenal sistem. Nilai tegangan ini dinyatakan dalam harga efektif dan dituliskan pada papan nama sistem. Dalam praktiknya, sistem beroperasi pada tegangan yang tidak sama dengan tegangan nominalnya, adakalanya beroperasi di bawah tegangan nominal dan adakalanya di atas nominal. Jika sistem beroperasi di atas tegangan yang diizinkan, maka sistem dinyatakan memikul tegangan lebih. Tegangan lebih dapat merusak peralatan, oleh karena itu peralatan perlu dilindungi agar tidak rusak karena tegangan lebih tersebut. Berikut ini akan dijelaskan tentang jenis-jenis tegangan lebih yang mungkin terjadi pada suatu sistem tenaga listrik; jenis-jenis alat pelindung tegangan lebih dan karakteristik alat-alat pelindung tersebut.
4.1
TEGANGAN LEBIH Batas tertinggi tegangan operasi suatu sistem di atas tegangan nominalnya disebut tegangan maksimum (V-*,), umumnya tidak lebih daripada 1,1 kali tegangan nominal. Jika tegangan sistem adalah tegangan bolak-balik, maka tegangan maksimum sistem mempunyai nilai puncak yang disebut dengan tegangan puncak maksimum (Vr.urr). Tegangan lebih adalah tegangan pada sistem tenaga listrik yang bersifat temporer dan nilainya melebihi tegangan puncak maksimum sistem. Dilihat dari sumbernya, tegangan lebih dibagi dua jenis, yaitu: tegangan lebih internal dan tegangan lebih eksternal. Dilihat dari frekuensi dan durasinya, tegangan lebih intemal terdiri dari tegangan lebih sementara berfrekuensi daya dan tegangan lebih transien. Tegangan lebih
frekuensi daya terjadi akibat: (a) hubung singkat satu fasa ke tanah, (b) resonansi atau ferroresonansi, (c) pelepasan beban tiba-tiba dan (r/) transmisi panjang berbeban rendah. Besaran tegangan lebih frekuensi daya akibat hubung singkat satu fasa ke tanah bergantung kepada lokasi gangguan, pembumian netral dan parameter impedansi sistem. Tegangan lebih transien terjadi karena adanya operasi hubung-buka (switching operation) pada sistem ketika: (a) energisasi dan re-energisasi jaringan, (b) pengisoliran gangguan, (c) pemutusan arus kapasitifdan induktif, dan (fl pelepasan beban. Tegangan lebih akibat operasi hubung-buka pemutus daya disebut tegangan impuls hubung-buka.
54
Peralatan Tegangan Tinggi
Titik sambaran petir
GAMBAR 4.1 Tegangan Iebih akibat sambaran petir
Tegangan lebih eksternal adalah tegangan impuls yang terjadi pada sistem tenaga
listrik akibat sambaran petir pada kawat hantaran udara transmisi sistem tersebut. Sambaran petir pada kawat transmisi merupakan suntikan muatan listrik. Mengingat
bahwa suatu kapasitor dibentuk oleh dua material konduktor yang diisolir oleh bahan dielektrik, maka antara kawat transmisi dengan tanah terbentuk suatu kapasitor, karena dalam hal ini kawat transmisi dan tanah adalah dua material konduktor yang diisolir bahan dielektrik udara. Karena itu, suntikan muatan pada kawat transmisi analog dengan suntikan muatan pada suatu kapasitor. Suntikan muatan pada suatu kapasitoi akan menaikkan tegangan kapasitor. Karena itu, suntikan muatan pada kawat transmisi akan menaikkan tegangan kawat transmisi melebihi tegangan operasinya. Tegangan lebih ini berbentuk gelombang impuls yang merambat menuju ujung-ujung transmisi seperti diperlihatkan pada Gambar 4. 1. puncak tegangan dapat mencapai 100 - 1000 kV, dan berlangsung dalam waktu mikrosekon. Tegangan lebih akibat sambaran petir disebut tegangan impuls petir. Durasi dan amplitudo masing-masing tegangan di atas,
diperlihatkan pada Gambar 4.2. Amplitudo tegangan pada Gambar 4.2 dinyatakan dalam per-unit puncak tegangan maksimum fasa-ke-tanah sistem. Jika tegangan maksimum sistem sama aengan v*"u., maka tegangan maksimum fasa-ke-tanah sistem sama dengan V^ kJ^/3. Dengan aemitian
Amplitudo Tegangan (pu)
Tegangan Ketahanan Isolasi Peralatan
i
Tegangan
Tegangan Impuls
Impuls Petir (mikrosekon)
Hubung-Buka
(milisekon)
Tegangan Sesaat Maksimum S isrem (Konrinu)
Tegangan -Fasa-ke-Tanah
Lebih AC (sekon)
GAMBAR 4.2 Durasi dan besaran tegangan pada sistem tenaga listrik
V-uk.
Bab
4
55
Pelindung Tegangan Lebih
puncak tegangan maksimum fasa-ke-tanah sama dengan V, =(t/2v^uo.)/y'3. Nilai yp diambil sama dengan 1,0 pu. Ada tiga bahaya yang dapat terjadi pada sistem tenaga listrik akibat tegangan lebih
impuls petir, yaitu:
1.
2. 3.
Jika sistem pembumian menara transmisi buruk, maka arus petir yang mengalir melalui menara akan menimbulkan tegangan yang tinggi pada puncak menara, sehingga beda potensial yang dipikul isolator transmisi naik dan dapat menimbulkan peristiwa lewat denyar (flashover) pada isolator tersebut. Jika suatu tegangan impuls petir tiba di suatu gardu maka tegangan lebih tersebut
akan merusak isolasi peralatan yang terdapat pada gardu. Jika gelombang tegangan impuls petir merambat menuju ujung jaringan transmisi yang terbuka, maka gelombang tegangan impuls petir akan dipantulkan, merambat kembali menuju titik sambaran, sehingga tegangan pada titik pantulan menjadi dua kali tegangan impuls petir yang datang.
Melihat bahaya yang dapat terjadi akibat tegangan lebih, maka perlu dilakukan tindakan untuk mengurangi tegangan lebih yang tiba pada peralatan sistem agar tegangan lebih tersebut tidak melebihi kekuatan isolasi peralatan. Ada dua cara yang dilakukan, yaitu memasang alat pelindung tegangan lebih dan kawat tanah.
4.2
PRINSIP KERJA ALAT PELINDUNG TEGANGAN LEBIH
Alat pelindung tegangan lebih dipasang paralel dengan peralatan yang dilindungi. Lokasinya diatur sehingga tegangan lebih impuls melalui alat pelindung terlebih dulu sebelum melalui alat yang dilindungi. Pada Gambar 4.3 diperlihatkan suatu alat pelindung tegangan lebih yang dipasang pada sambungan kabel dengan jaringan hantaran udara. Pada keadaan tegangan jaringan normal, sampai 1 ,l tegangan normal, pelindung berperan sebagai isolasi atau idealnya tidak mengalirkan arus dari jaringan ke tanah. Tetapi jika suatu tegangan lebih impuls tiba pada terminal alat pelindung, maka alat pelindung segera berubah menjadi penghantar dan mengalirkan arus impuls ke tanah sehingga amplitudo tegangan lebih yang merambat menuju peralatan yang dilindungi berkurang menjadi di barvah ketahanan tegangan impuls peralatan yang dilindungi. Kawat pembumian
20
------' Teminal
$# &t
GAMBAR 4.3 Arester jenis saluran dan pemasangannya pada jaringan distribusi
kv
56
Peralatan Tegangan Tinggi
Suatu alat pelindung tegangan lebih akan mengalirkan arus petir ke tanah. oleh karena itu, alat pelindung tegangan lebih harus dirancang sedemikian rupa, sehingga ketika mengalirkan arus ke tanah, alat pelindung tidak mengalami kerusakan. Ada tiga jenis alat pelindung tegangan lebih pada sistem tenaga listrik, yaitu sela batang, arester jenis tabung atau arester ekspulsi, dan arester jenis katup. Berikut ini akan dijelaskan prinsip kerja masing-masing alat-alat pelindung regangan lebih tersebut.
4.3
SELA BATANG
Konstruksi dan Prinsip Kerja Pelindung yang paling sederhana adalah sela batang. Konstruksinya diperlihatkan pada Gambar 4.4. Sela batang digunakan untuk melindungi bushing transformator, isolator saluran udara tegangan tinggi, pemutus daya dan sebagai pelindung cadangan. Pelindung ini terdiri dari dua elektroda batang dan satu isolator pendukung. Satu elektroda dihubungkan ke kawat jaringan dan elektroda lainnya dihubungkan ke tanah. Tegangan yang menimbulkan percikan pada sela elektroda bergantung kepada panjang sela (s). Oleh karena itu, panjang sela dapat diatur sehingga percikan terjadi pada nilai tegangan yang diinginkan. Tegangan yang membuat terjadinya percikan disebut tegangan percik sela (%). Jika beda tegangan anrara sela (If melebihi tegangan percik seia (7,), maka akan terjadi percikan pada sela. Jika tegangan pada jaringan tetap ada, maka percikan akan berubah menjadi busur api, sehingga sela elektroda terhubung singkat. Waktu yang dibutuhkan tegangan impuls positif untuk menimbulkan percikan pada sela lebih pendek daripada waktu yang dibutuhkan tegangan impuls negatif. Ditemukan juga bahwa tegangan tembus sela elektroda batang-batang bergantung pada panjang elektroda batang yang dibumikan. Jika panjang elektroda tersebut pendek, maka tegangan tembus impuls positif jauh lebih rendah daripada tegangan impuls negatif. Untuk mengatasi perbedaan tegangan tembus ini, panjang elektroda batang biasanya dibuat 1,5 - 2,0 kali panjang sela. Panjang sela diatur sedemikian sehingga t.gurgun tembusnya tidak kurang daripada 70vo tegangan ketahanan impuls peralatan yang dilindungi. Panjang sela untuk berbagai tegangan sistem diperlihatkan pada Tabel 4.1.
Karvat janngan
GAMBAR 4,4 Pelindung tegangan lebih sela batang
I
Bab
4
pelindung Tegangan Lebih
57
TABEL 4.1 Panjang Sela Batang untuk Berbagai Tegangan Sistem
Tegangan (kY)
Panjang sela (cm)
JJ
23
66
35
132
65
275
t23
Arus Susulan Pada Gambar 4.5 diperlihatkan suatu sistem yang dilengkapi alat pelindung sela batang. Panjang sela diatur sedemikian sehingga terpercik jika mlmikul tegangan sebesar v,. Misalkan suatu tegangan impuls petir merambat menuju transformator. Jika t.gurgin impuls petir telah tiba pada terminal pelindung, maka tegangan sela batang naik mengikuti kenaikan tegangan impuls, seperti diperlihatkan pada Gambar 4.6. Ketika tegangan pada sela mencapai tegangan percik sela (v,), sela terpercik sehingga kedua elektroda batang terhubung singkat. Akibatnya, t"gurrgi, di terminal pelindung tiba-tiba menjadi nol dan arus petir mengalir ke tanah. Arus petir berlangsung dalam waktu mikrosekon dan menimbulkan busur api pada sela. Setelah arus petir nol, busur api pada sela tetap berlangsung karena dipertahankan tegangan bolak-balik frekuensi daya sendiri. Dengan kata lain, sela elektrodatetap terhubung iingkat. Akibatnya timbul arus hubung singkat frekuensi daya yang disebut dengan arus susulan. Arus susulan ini diputuskan dengan membuka pemutus daya, akibatnya terjadi pemutusan aliran daya;
Tegangan lebih
Pemutus
Trafo
daya
Sela batang
GAMBAR 4.5 Sistem dengan pelindung sela batang
Gelombang impuls yang tiba di trafo jika pelindung tidak ada
I Gelombang impuls yang tiba di trafo.jika pelindung bekerja
GAMBAR 4.6 Tegangan pada sela batang
58'
Peralatan Tegangan Tinggi
suatu keadaan yang tidak diinginkan terjadi pada suatu sistem tenaga listrik. Besarnya arus susulan ini tergantung kepada impedansi jaringan, impedansi pembumian netral
sistem dan impedansi pembumian alat pelindung. Seandainya sela tidak terpercik, maka tegangan lebih akan menimbulkan lompatan api pada isolator pendukung sela batang. Untuk mencegah terjadinya lompatan api tersebut, maka harus dipenuhi syarat-syarat di bawah ini: Vte-brs sela
= 0'8
Vto-putan api isolator
S:>!
4.t 4.2
J
Kelemahan alat pelindung
a. b.
ini
adalah sebagai berikut'
Jika pelindung tegangan lebih sela batang bekerja, harus terjadi pemutusan aliran daya pada sistem. Itu sebabnya, pelindung tegangan lebih sela batang umumnya digunakan sebagai pelindung tegangan lebih cadangan' Tegangan percik sela lebih besar pada tegangan impuls bermuka curam, sehingga panjang sela harus diperkecil jika digunakan sebagai pelindung terhadap tegangan impuls petir. Tetapi panjang sela yang pendek membuat sela terpercik jika dikenai tegangan impuls hubung-buka.
c. d. 4.4
Bekerjanya sela batang dipengaruhi kondisi udara sekitar, karena medium yang berada di antara sela adalah udara yang tegangan tembusnya bergantung kepada temperatur, tekanan dan kelembaban. Bekerjanya sela batang juga tergantung kepada polaritas tegangan impuls.
ARESTER EKSPULSI Sebelumnya telah dijelaskan bahrva alat pelindung tegangan lebih sela batang tidak dapat
memutuskan arus susulan. Untuk memutuskan arus susulan tersebut, dikembangkan alat pelindung tegangan lebih yang disebut arester. Ada dua jenis arester, yaitu arester ekspulsi dan arester katup. Arester jenis ekspulsi digunakan pada sistem tenaga listrik bertegangan hingga 33 kV. Konstruksinya diperlihatkan pada Gambar 4.7. Arester ini mempunyai dua sela yang terhubung seri, yaitu sela luar dan sela dalam. Sela dalam ditempatkan di dalam tabung serat (fiber). Elektroda sela dalam yang dibumikan, dibuat berbentuk pipa. Keberadaan kedua pasang elektroda ini membuat arester ini mampu memikul tegangan tinggi frekuensi daya tanpa menimbulkan korona dan arus bocor ke tanah. Tegangan tembus sela luar dibuat lebih rendah daripada tegangan lompatan api isolator pendukung sela luar. Demikian juga tegangan tembus sela dalam dibuat lebih rendah daripada tegangan lompatan api tabung serat. Bila pada terminal arester tiba suatu tegangan impuls petir, maka sela dalam dan sela Iuar sama-sama terpercik, sehingga arus petir mengalir ke tanah. Arus petir menimbulkan busur api pada kedua sela. Karena arus petir berlangsung dalam tempo mikrosekon, maka energi panas yang terjadi pada busur api relatif rendah. Setelah arus petir menjadi nol, mengalir arus susulan yang ditimbulkan tegangan frekuensi daya. Karena arus susulan berlangsung dalam tempo milisekon, maka energi panas yang terjadi pada busur api relatif besar. Panas pada busur api didisipasikan ke tabung serat. Akibatnya, bahan organik pada permukan dalam tabung serat menguap dan menghasilkan gas bertekanan tinggi. Gas tersebut terdorong keluar dari lobang pipa elektroda sela dalam yang dibumikan. Gas ini mendinginkan busur api pada sela dalam, sehingga
Bab
4
Pelindung Tegangan Lebih
59
Konduktor transmisi Sela luar
Elektroda Saluran pembuangan gas
GAMBAR 4.7 Arester ekspulsi
menimbulkan deionisasi. Arus susulan merupakan arus sinusoidal. Artinya, dalam satu periode, arus susulan dua kali bernilai nol. Ketika arus susulan mencapai nol, busur api mengecil, dan pada saat itulah busur api dipadamkan oleh gas yang diproduksi tabung serat. Jika busur api sudah padam, maka arus susulan tidak berlanjut lagi. Arus susulan paling lama bertahan selama dua periode, tapi biasanya sudah padam dalam waktu setengah periode arus susulan. Kemampuan gas memadamkan busur api bergantung kepada besarnya energi panas
busur api. Energi panas busur api bergantung kepada besar arus susulan yang mengalir pada arester, sedangkan besar arus susulan bergantung kepada tegangan sistem dan parameter impedansi sistem. Jika arus susulan besar, busur api yang ditimbulkannya juga besar, sehingga gas yang diproduksi tabung serat tidak mampu lagi memadamkan busur api tersebut. Akibatnya, arus susulan tetap berlanjut. Maka, pemakaian arester ini terbatas hanya pada sistem yang kapasitas daya hubung singkatnya rendah, umumnya pada sistem yang bertegangan sampai 33 kV. Arester ini dapat digunakan untuk melindungi transformator distribusi bertegangan 3 - 15 kY tetapi belum memadai untuk melindungi transformator daya. Arester ini dapat juga digunakan pada saluran transmisi untuk mengurangi besar tegangan impuls petir yang masuk ke gardu induk. Keuntungan arester ini adalah sebagai berikut:
a. b. c. d.
Karena konstruksinya sederhana, harganya tidak begitu mahal. Unjuk kerjanya lebih baik daripada pelindung jenis sela batang, karena dapar memadamkan sendiri arus susulan. Karakteristik volt-waktu arester ini lebih baik daripada sela batang. Pemasangannyamudah. Sedangkan kelemahan arester
a. b. c.
ini adalah sebagai berikut:
Setelah beberapa kali bekerja, arester harus diganti, karena setiap kali arester bekerja, tabung serat arester mengeluarkan gas yang mengakibatkan sebagian material tabung terkelupas. Adanya gas buangan ketika arester bekerja membuat arester tidak dapat ditempatkan berdampingan dengan peralatan yang akan dilindungi. Karakteristik volt-waktu arester ini masih kurang baik, sehingga ticlak dapat digunakan untuk melindungi peralatan yang harganya mahal.
60
Peralatan Tegangan Tinggi
4.5
ARESTER KATUP Berdasarkan sela perciknya, arester katup terdiri dari arester sela pasif, arester sela aktif
dan, arester tanpa sela percik. Arester sela pasif digunakan pada jaringan distribusi hantaran udara; arester sela aktif digunakan pada jaringan tegangan tinggi dan titik pusat jaringan distribusi; sedangkan arester tanpa sela digunakan untuk semua tingkat tegangan.
Arester Katup Sela Pasif Konstruksi arester jenis katup sela pasif diperlihatkan pada Gambar 4.8. Arester ini terdiri dari sela percik, resistor non-linier dan isolator tabung. Sela percik terdiri dari beberapa susunan elektroda plat-plat yang terhubung seri. Sela percik dan resistor non-
linier keduanya ditempatkan dalam tabung isolasi tertutup, sehin-ega kerja arester ini tidak dipengaruhi oleh keadaan udara sekitar. Resistor non-linier terbuat dari beberapa piring silikon karbida (silicort carbide) yang terhubung seri. Ukuran diameter piring kurang lebih 90 mm, sedangkan tebalnya kurang lebih 25 mm. Nilai resistansi resistor ini sangat besar ketika melewatkan arus lemah, tetapi nilai resistansinya sangat rendah ketika dilewati arus kuat. Karakteristik arus dan tegangan suatu resistor non-linier dapat dinyatakan dengan Persamaan 4.3.
I=KV"
4.3
Untuk bahan karbon silikon, a berkisar antara 2 - 6, sedangkan nilai K bergantung kepada ukuran dan bentuk geometris piring silikon karbida. Karakteristik ketidaklinierannya ditentukan sifat listrik kontak antar permukaan piring silikon karbida. Jika tegangan impuls petir tiba di terminal arester dan sela arester terpercik, maka rangkaian ekuivalen arester adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 4.9a. Jika resistansi resistor non-linier adalah R, dan arus petir yang dialirkan ke tanah adalah ir, maka tegangan pada terminal arester ketika mengalirkan arus petir adalah:
f,,
V,=ioR
4.4
Misalkan karakteristik resistor non-linier adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 4.9b dan arus petir yang mengalir pada arester adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 4.9c. Dalam selang waktu 0 - /,, arus petir naik dan mencapai nilai puncak i, = I*. Dalam selang waktu ini resistansi R mengecil, sehingga kenaikan tegangan terminal arester dibatasi hanya sampai V,. Seandainya nilai resistor R konstan, maka ketika arus petir mencapai nilai puncak (/,,,), tegangan di terminal arester sama dengan V,. Artinya
Konduktor transmisi Sela percik
Resistor non-linier
GAMBAR 4.8 Arester katup
Bab
4
Pelindung Tegangan Lebih
61
(,)
(b)
GAMBAR 4.9 Rangkaian ekuivalen dan karakteristik arester
tegangan sistem tetap tinggi, sehingga tujuan perlindungan tidak tercapai. Dalam selang waktu /, - /2, arus petir menurun, nilai resistor R membesar. Ketika arus petir menjadi nol, masih tersisa arus susulan (l") yang relatif kecil. Arus susulan ini juga akan semakin
kecil karena resistansi R semakin membesar, akhirnya tersisa arus yang lebih kecil lagi, yaitu arus kendali (i*). Biasanya arus kendali ini kurang lebih 50 A. Ketika arus kendali sama dengan nol, busur api pada sela padam sehingga arus kendali menjadi nol dan tidak berlanjut lagi. Seluruh proses di atas diperlihatkan pada Gambar 4.10. Pada Gambar 4. 10 terlihat bahrva besarnya arus susulan tergantung kepada waktu tibanya tegangan petir. Jika tegangan petir tiba ketika tegangan sesaat sistem mendekati nilai puncaknya, maka arus susulannya besar. Jika tegangan impuls tiba ketika tegangan sesaat sistem mendekati nilai nol, maka arus susulannya kecil. Tegangan di teminal arester sama dengan tegangan di terminal peralatan yang dilindunginya. Tegangan petir yang tiba pada suatu peralatan yang dilindungi dengan arester katup diperlihatkan pada Gambar 4. ll di halaman 62. Karena tegangan yp berlangsung lebih lama daripada V,, maka tingkat tegangan perlindungan arester ini ditetapkan sama dengan Vr.
Arester Katup Sela Aktif Konstruksi arester katup sela aktif hampir sama dengan arester katup sela pasif. Perbedaanya terletak pada metode pemadaman busur api pada sela percik. Pada arester
Keterangan:
{o = Tegangan imPuls Petir
{, = Tegangan gagal sela arester Vr, = Tegangan sisa l,
= Atus petir
1. = Arus susulan 1* = Arus kendali +50 A v,,,
I Arus petir nol
Arester bekerja Tegangan impuls petir tiba pada terminal arester
GAMBAR 4.10 Tegangan dan arus pada arester katup sela pasif
62
Peralatan Tegangan Tinggi
Bentuk gelombang yang tiba di peralatan jika tidak ada arester Bentuk gelombang yang tiba di peralatan jika arester bekerja
GAMBAR 4.11
Tegangan impuls yang tiba pada peralatan
katup sela aktif, ada suatu usaha untuk memadamkan busur api, yaitu memperpanjang dan mendinginkan busur api dengan cara membangkitkan medan magnet pada sela percik. Prinsip kerjanya dapat dijelaskan dengan bantuan Gambar 4'12' Arester katup sela aktif terdiri dari sela utama (G,), kumparan (X), sela bantu (G6) dan resistor non-linier. Semuanya dimasukkan dalam tabung isolasi porselen. Jika suatu
tegangan impuls petir membuat sela utama arester terpercik, maka mula-mula, arus petir mengalir ke tanah melalui sela utama, kumparan dan resistor non-linier (Gambar 4.12a). Karena tegangan impuls petir merupakan tegangan berfrekuensi tinggi, maka impedansi kumparan menjadi besar, sehingga tegangan pada terminal kumparan menjadi tinggi. Beda tegangan yang tinggi pada terminal kumparan, mengakibatkan sela bantu terpercik. Dengan terperciknya sela bantu, maka arus petir mengalir melalui sela bantu, sedangkan kumparan tidak lagi dilalui arus petir (Gambar 4.12b). Setelah arus petir menjadi nol, mengalir arus susulan berfrekuensi daya' Pada frekuensi daya, impedansi kumparan sangat rendah, sehingga sebagian arus susulan mengalir melalui kumparan,
I'
Jaringan
Jaringan
Jr'=*
G,,
Jaringan
--[r
ll,,
J-+ Gu
---------> Gb
Resistor
Nonlinier
Nonlinier
(a) Aliran
arus sesaat setelah ada arus petir.
GAMBAR 4.12 Rangkaian arester katup sela aktif
(b) Aliran
arus ketika arus petir tinggi.
(c)
Aliran arus ketika terjadi arus susulan
Bab
Jaringan
Pelindung Tegangan Lebih
63
r
Jaringan
Tegangan Tinggi
I-K
u,_
4
tr-: G,
G,-
I
''^J
K
T--c qH
\
Gbl
n ,fl ,J
Resistor Nonlinier
Resistor
Nonlinier Resistor
NonJinie
GAMBAR 4.13 Arester katup sela aktif tegangan tinggi
GAMBAR 4.14 Arester katup sela aktif tanpa sela bantu
mengakibatkan busur api pada sela bantu tidak stabil dan akhirnya padam. Selanjutnya, semua arus susulan mengalir melalui kumparan (Gambar 4.12c). Arus susulan pada kumparan membangkitkan medan magnet yang menerpa busur api pada sela utama, membuat lintasan busur api semakin panjang dan temperatur busur api berkurang, sehingga ketika arus susulan bernilai nol, busur api pada sela utama padam. Jika arester ini hendak digunakan pada jaringan bertegangan lebih tinggi, maka ditambah satu atau lebih set "sela utama-kumparan-sela bantu" seperti diperlihatkan pada Gambar 4.13. Sela bantu dapat juga diganti dengan resistor non-linier seperti diperlihatkan pada Gambar 4.14.
Arester Katup Tanpa Sela Percik Konstruksi arester jenis tanpa katup diperlihatkan pada Gambar 4.I5 di halaman 64. Arester ini tidak menggunakan sela percik seperti halnya kedua jenis arester katup terdahulu, tetapi hanya menggunakan resistor non-linier yang terbuat dari logam oksida (Metal-Oxide). Karena bahan utamanya adalah logam oksida, dalam praktik sehari-hari arester ini dinamai Arester MO. Resistor non-linier terbuat dari beberapa kolom logam oksida. Satu kolom terbuat dari beberapa lempeng logam oksida yang disusun bertindih atau secara listrik terhubung seri. Lempeng oksida logam berbentuk silinder, diameter 30 - 100 mm dan panjang 20 - 45 mm. Kolom-kolom logam oksida dikurung oleh beberapa batang penyangga. Batang penyangga di beberapa tempat diikat oleh cincin pengikat, sehingga susunan lempeng logam oksida terpadu dengan kokoh. Di antara satu kolom logam oksida dengan kolom logam oksida lain diselipkan medium logam, berbentuk tabung yang terbuat dari bahan aluminium. Medium logam ini berfungsi untuk menghubungkan dua kolom logam oksida dan sekaligus berfungsi sebagai pendingin. Resistor logam oksida dimasukkan dalam bejana isolasi porselen. Di kedua ujung resistor dipasang per untuk menghubungkan logam oksida dengan penutup bejana yang terbuat dari diafragma logam tahan korosi. Umumnya diafragma dibuat dari bahan baja
murni tingkat tinggi atau nikel. Jika logam oksida mengalami pemanasan berlebihan,
64
Peralatan Tegangan Tinggi Diafragma baja Pegas
Seal
Ventilasi
Semen perekat
Logam oksida Logam pengantara
Badan penyangga
Cincin pengikat
Ventilasi
GAMBAR 4.15 Konstruksl arester logam oksida
tekananudaradiruangbejanaisolasinaiktinggi,sehinggaudaradapatmenembus diafragmadankeluardarilobangventilasiyangterdapatpadakeduaujungarester'
4.16. Karakteristik suatu bahan logam oksida diperlihatkan pada Gambar jaringan' pada keadaan normal' Karena resistor non-linier teriambung langsung ke sangat rendah' besarnya arester mengalirkan arus berfrekuensi daya ke tanah. Arus ini dalam orde I0-o
u-p"r"
pada tegangan hingga 350 kV. Tanggapannya terhadap tegangan
lebih tiba di lebih berlangsung cepat; yaitu dalam orde 0,5 nanosekon. Jika tegangan resistansi resistor terminal arester, arus ya;g mengalir ke tanah semakin tinggi dan ke tanah, kenaikan non-linier menurun. Maka, ketika-arus petir mengalir melalui arester
teganganpadaterminalaresterdapatdibatasihinggatidaksampaimerusakperalatan yang dilindungi. kiloampere, Arester ini dapat mengalirkan arus dari orde ampere hingga beberapa kilovolt. Kelemahan arester sedangkan tegangan kerjanya dari orde volt hingga ratusan yang besar; dan ini adalah mengalirkan u-, Uo"or kontinu ke tanah; menyerap energi piring-piring logam oksida' mengandung kapasitansi, yaitu kapasitansi yang dibentuk
4.6
TEGANGAN PENG.ENAL ARESTER tetapi tetap memberikan Tegangan pengenal suatu arester harus dipilih serendah mungkin,
yang cukup kepada peralatan yang dilindungi, dan pada tegangan tersebut, pemilihan tegangan pengenal arester tetap berumur panla.rg. Berikut ini akan diuraikan utama dalam menentukan pertimbangan Dasar arester bersela percik dan aresier tanpa sela.
p"Itinirniun
daya. oleh karena itu, tegangan pengenal tersebut adalah tegangan tertinggi frekuensi dijelaskan tentang dahulu terlebih pengenal, selelum menguraikan pemilihan tegangan listrik' tenaga sistem tegangan tertinggi frekuensi daya pada suatu
Bab
1
4
Pelindung Tegangan Lebih
65
200
+-l
I 100
1000
900 800 d
u
700
co
600
.o F
500 400 300 200
/
100 0
10-2
10-4
1
102
101
Puncak Arus (A)
GAMBAR 4.16 Karakteristik tegangan
- arus (y -
/) logam oksida
Tegangan Tertinggi Sistem Dalam praktiknya, arester mengalirkan arus petir yang amplitudonya puluhan ribu ampere dan arus susulan berfrekuensi daya yang amplitudonya ribuan ampere. Arus petir berlangsung dalam orde mikrosekon, sedangkan ams susulan berlangsung dalam orde milisekon, sehingga energi panas yang terdisipasi pada arester oleh arus petir sangat kecil dibandingkan dengan energi panas akibat arus susulan. Oleh karena itu, dasar pertimbangan dalam memilih suatu arester adalah besamya arus susulan yang akan mengalir pada arester tersebut. Telah dijelaskan sebelumnya, bahwa adanya arus susulan karena dipertahankan oleh tegangan frekuensi daya. Dengan kata lain, besar arus susulan sebanding dengan tegangan
operasi sistem saat arester bekerja. Oleh karena itu, perlu diketahui tegangan frekuensi daya tertinggi yang mungkin dipikul oleh suatu arester. Arester terpasang di antara fasa jaringan dengan tanah. Maka, dalam pemilihan arester perlu diperhitungkan tegangan fasa-ke-tanah tertinggi yang mungkin terjadi selama operasi. Tegangan fasa-ke-tanah tertinggi dapat ditentukan dengan pertimbangan:
1. 2.
3.
Ada kalanya, suatu sistem beroperasi pada tegangan maksimum, yakni tegangan kerja tertinggi yang diizinkan pada sistem tersebut. Umumnya tegangan maksimum suatu sistem tidak lebih daripada 1,1 kali tegangan nominal sistem. Saat sistem beroperasi pada tegangan maksimum, selalu ada kejadian yang membuat tegangan sistem melebihi tegangan maksimum. Misalnya, saat suatu jaringan panjang berbeban sangat rendah, maka tegangan pada ujung penerima melebihi tegangan ujung pengirim. Pelepasan beban PLTA yang tiba-tiba membuat turbin berputar lebih cepat, sehingga tegangan keluaran generator lebih tinggi daripada keadaan normal. Kandungan harmonisa pada tegangan sistem juga menaikkan tegangan di atas tegangan maksimum. Jika salah satu fasa sistem terhubung singkat ke tanah, maka tegangan pada fasa yang tidak terganggu sama dengan frr/: Ul tegangan operasi. Faktor k, bergantung kepada metode pembumian netral sistem, impedansi urutan nol dan impedansi urutan positif sistem. Dalam praktiknya, untuk sistem yang tidak dibumikan nilai ftc = 1,0. Untuk sistem yang dibumikan efektif nilai ft, < 0,8 dan untuk sistem yang dibumikan tidak efektif nllai kr = 0,8 - 1,0.
66
Peralatan Tegangan
linggi
Misalkan suatu sistem memiliki tegangan nominal vno*. Tegangan maksimum fasa.ke-fasa sistem adalah V.,k. = 1,1 %o-.Tegangan maksimum fasa-ke-tanah adalah:
,.-v'uk'=l.l%l* .mfi ,/z Jz
4.5
Analisis hubung singkat sistem tenaga listrik menyatakan bahwa pada peristiwa hubung singkat satu fasale tanah, tegangan fasa yang sehat akan naik menjadi &,y'3 kali tegangan normal. Bila hubung singkat terjadi ketika tegangan sistem sama dengan tegangan maksimum (V-*J, maka tegangan tertinggi fasa yang sehat adalah: Vu
= krl3 v*f,
=
4.6
ftg Y*uk,
Tegangan Pengenal Arester Sela Pasif dan Sela Aktif Suatu arester dipasang di antara kawat fasa dan tanah. Oleh karena itu, dalam keadaan tidak normal, arester mungkin memikul tegangan sebesar V,, (Persamaan 4.6). Oleh karena itu, suatu arester harus mampu memikul tegangan sebesar Vr,'
Telah dijelaskan sebelumnya, saat sistem beroperasi pada tegangan maksimum, selalu ada kejadian yang membuat tegangan sistem naik melebihi tegangan maksimum' Dengan memperhitungkan kenaikan tersebut, maka tegangan pengenal arester ditetapkan
1,05 Vn Yp"rg"nul
=
1,05 Vu
=
l,O5
x
1,1
k, %o.
4.7
Dalam praktiknya, untuk sistem yang tidak dibumikan nilai kr = 1,0; untuk sistem yang dibumikan efektif nilai fr, = 0,8; dan untuk sistem yang dibumikan tidak efektif nilai kn = 0,8 - 1,0. Jika nilai ftr< 0,75, maka tegangan pengenal arester ditambah dengan fiktor keamanan 7,5Vo, sehingga tegangan pengenal arester menjadi: Yp.ng.nur
= 1,075 (1,1 k.Vno
)
4'8
Suatu sistem dibumikan efektif jika salah satu syarat di bawah ini dipenuhi: a. (RolX,) < 1 dan (X,lX) < 3, di mana R, adalah resistansi urutan nol, X, aOitafi reaktansi urutan nol dan X, adalah reaktansi urutan positif sistem dilihat
b.
dari titik lokasi penempatan arester. Semua titik netral transformator dibumikan langsung. Jika hanya sebagian dari transformator yang netralnya dibumikan, sistem tidak dibumikan efektif.
c.
Arus hubung singkat satu fasa ke tanah
>
0,6 arus hubung singkat tiga fasa simetris.
Sistem yang dibumikan tidak efektif adalah sistem di mana tidak semua titik netral transformator dibumikan, atau pembumiannya dilakukan melalui resistor atau reaktor.
Tegangan Pengenbl Arester Tanpa Sela Percik Arester tanpa sela percik mengalirkan arus frekuensi daya pada keadaan normal maupun
ketika memikul tegangan lebih frekuensi daya. Arus pada keadaan normal berlangsung kontinu, sedangkan arus akibat tegangan lebih frekuensi daya berlangsung sementara. Suatu arester harus mampu mengalirkan arus kontinu dan arus sementara tersebut tanpa menimbulkan kerusakan pada arester. Tegangan yang menimbulkan arus kontinu disebut tegangan operasi kontinu (V,*) dan tegangan yang menimbulkan arus sementara disebut tegangan tertinggi frekuensi d,aya (V,,), seperti diperlihatkan pada Persamaan 4.6.
Bab
4
Pelindung Tegangan
Lebih
67
Jika sistem bekerja pada tegangan maksimum (V_4r), dan diperhitungkan mengandung harmonisa yang membuat tegangan naik sekitar 5Vo, maka tegangan operasi kontinu arester adalah:
V,_
1,05
ymaks
4.9
./3
Tegangan pengenal berdasarkan tegangan kontinu adalah: vpolr
=
1,25 vou
1,25
=
"r ''" ./35*'
= 0,758 v
4.10
Jika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah, maka arester pada fasa yang
sehat
memikul tegangan tertinggi frekuensi daya seperti diperlihatkan pada Persamaan 4.6.
Vu= krV^u" Arus yang diakibatkan v,,menimbulkan pemanasan pada resistor non-linier (izrt). Jika V, berlangsung lama, panas yang diakibatkannya semakin besar dan temperatur resistor non-linier semakin tinggi. Maka, tegangan pengenal arester harus diatur sehingga panas yang terjadi akibat tegangan Y, tidak menaikkan temperatur resistor nonlinier melebihi temperatur yang diizinkan. Setiap pabrik pembuat resistor non-linier, selalu memberikan spesifikasi faktor ketahanan tegangan lebih sementara (k,1) dari resistor non-linier yang diproduksinya. Faktor ini menyatakan perbandingan tegangan lebih sementara di atas tegangan operasi kontinu yang diizinkan untuk suatu resistor non-linier. Faktor ini bergantung pada lamanya tegangan tertinggi itu berlangsung. pada Gambar 4.17 diperlihatkan contoh faktorketahanan tegangan lebih sementara suatu resistor non-linier. Jika tegangan lebih sementara sama dengan V,,, maka tegangan pengenal (tegangan operasi kontinu) adalah:
V ' pt,=V,, kr,
4.tt
Tegangan pengenal yang dipilih adalah tegangan pengenal yang terbesar di antara kedua tegangan V*o dan Vr,,. Kemudian nilainya dibulatkan ke atas agar dapat dibagi dengan
tiga (Standar IEC 6m99-4). k,r, 1.3
t,2 1,1
1,0
0,9 0,8 t (sekon)
0.7 1,0
10
GAMBAR 4.17 Contoh faktor ketahanan tegangan lebih sementara
1000
10000
68
Peralatan Tegangan Tinggi
Berikut ini diberikan contoh penentuan tegangan nominal suatu arester tanpa sela yang dipergunakan pada sistem 150 kV. Titik netral sistem ditanahkan efektif dengan ft, = 0,8. Tegangan maksimum sistem dimisalkan Y*uo, - 1,1 %o..= 165 kV' Tegangan lSbih frekuensi daya berlangsung maksimum I sekon. Karakteristik resistansi non-linier arester seperti diperlihatkan pada Gambat 4.13. Tegangan pengenal menurut tegangan kontinu adalah: Vpo1,= 0'758 V.ukr= 0'751
x
165
= 125 kV
Tegangan tertinggi frekuensi daya adalah:
Vu= ke V*uk. = 0'8 Menurut Gambar 4.13, kth
x
165
= l32kY
= 1,I9
Tegangan pengenal menurut tegangan tertinggi frekuensi daya adalah: r/
'p, -
Vll
krt
-
111
kv
ll25 kV) lebih besar daripada Vptt (lll kV), maka tegangan pengenal ditetapkan b5idasarkan Vro1,. yaitu 125 kV. Tegingan di atas 125 kV yang dapat dibagi dengan Vook
tiga adalah tfOt
4.7
KLASIFIKASI DAN SPESIFIKASI ARESTER Ditinjau dari penggunaannya, arester terdiri dari tiga jenis:
a.
Jenis gardu: Dipasang pada sistem 3
b.
Jenis Jaringan: Dipasang pada sistem 20
-
312 kV dan dirancang untuk mengalirkan arus
petir di atas 100 kA. Digunakan untuk melindungi gardu induk dan transformator daya.
c.
- 73 kV dan dirancang untuk mengalirkan arus petir 65 - 100 kA. Digunakan untuk melindungi transformator distribusi, transformator kapasitas rendah dan gardu kecil. Jenis distribusi: Dipasang pada sistem 8 - 15 kV dan dirancang untuk mengalirkan arus petir di bawah 65 kA. Digunakan untuk melindungi transformator distribusi.
Spesifikasi suatu arester harus sesuai dengan kebutuhan. Oleh karena itu, sebelum membeli suatu arester, perlu ditetapkan spesifikasi arester yang akan dibeli. Produsen arester juga wajib mempublikasikan spesifikasi arester yang diproduksi. Sebelumnya telah dijelaskan, dilihat dari ada-tidaknya sela percik, arester terdiri dari duajenis, yaitu: arester bersela, yaitu arester yang memiliki sela percik; dan arester tanpa sela. Karena prinsip kerja dan karakteristik kedua jenis arester tersebut berbeda, maka butir-butir ipesifikasi kedua jenis arester itu juga berbeda. Berikut ini akan dijelaskan butir-butir spesifikasi arester bersela dan arester tanpa sela.
Spesifikasi Arester dengan Sela Percik Mengacu kepada standar IEC 60099-1, spesifikasi arester dengan sela percik yang perlu diketahui adalah sebagai berikut.
a.
Tegangan pengenal Adalah tegangan efektif tertinggi frekuensi daya yang mungkin dipikul oleh arester. Cara menentukannya telah diuraikan pada sub-bab 4.6 terdahulu. Tegangan pengenal standar arester bersela percik diperlihatkan pada Tabel 4.2'
Bab
4
69
Pelindung Tegangan Lebih
TABEL 4.2 Tegangan Pengenal Standar Arester Bersela Percik (kVrms) 0,175
-l
9
18
30
42
'75
108
150
0,280
4,5
10.5
21
33
51
84
120
t'7
0,500
6
12
24
36
54
96
126
186
15
27
39
60
102
r38
198
0.660
Untuk tegangan di atas 198 b.
kY
4
tegangan pengenal arester harus dapat dibagi 6.
Arus peluahan nominal Data ini menentukan klasifikasi arester menurut kemampuannya mengalirkan
arus
peluahan 10120 p,s. Standar arus peluahan nominal arester adalah: . 10 kA, 10/20 ps; digunakan pada gardu induk, gardu yang berada di kawasan yang sering terjadi petir, dan pada sistem bertegangan > 66 kV' . 5 kA, l0l2O p.s\ digunakan pada gardu bertegangan < 66 kV' . 2,5 kA, 10/20 prs; digunakan pada sistem bertegangan < 22 kY' . 1,5kA, lOl20 y,s; digunakan pada sistem distribusi bertegangan '< 22kY'
Frekuensi pengenal Sama dengan frekuensi sistem, 50 Hz atau 60 Hz. d.
Tegangan percik frekuensi daYa Adalah besar tegangan efektif frekuensi daya yang membuat terjadinya percikan di sela arester. Tegangan percik frekuensi daya harus cukup tinggi agar sela arester tidak terpercik jika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah maupun ketika terjadi operasi hubung-buka (switching operation). Biasanya, tegangan percik frekuensi daya ditetapkan > 1,5 kali tegangan pengenal arester. Tegangan percik impuls petir maksimum Adalah puncak tegangan impuls l,2l5O pcs, yang membuat sela arester pasti terpercik utu, yurg membuat arester pasti bekerja. Misalnya ada suatu arester mempunyai tegangan percik impuls maksimum 65 kV. Jika arester ini diuji dengan tegangan impuls poiitll 65 kV - l,2l5O p,s, sebanyak 5 kali, maka sela arester akan terpercik 5 kali. Demikian juga halnya jika diuji dengan tegangan impuls negatif. Tegangan percik impuls petir maksimum untuk berbagai tegangan pengenal arester katup sela percik diperlihatkan pada kolom 2 dan3, Tabel 4.3. Tegangan percik muka gelombang impuls Adalah tegangan yang membuat sela arester terpercik dalam tenggang waktu muka gelombang impuls. Jika tegangan impuls seperti pada kolom 4, 5 dan 6 dari Tabel 4.3, dikenakan lima kali berurutan, maka sela arester akan terpercik pada semua urutan, baik pada tegangan impuls positif maupun tegangan impuls negatif.
o
Tegangan percik impuls hubung'buka Adalah puncak tegangan impuls hubung-buka yang membuat sela arester terpercik' Jika tegangan impuls hubung dikenakan lima kali berurutan, maka sela arester akan terpercik pada semua urutan, baik pada tegangan impuls positif maupun tegangan impuls negatif. Spesiflkasi ini diberlakukan hanya untuk arester bertegangan nominal di atas 200 kV. Tegangan percik impuls hubung-buka diperlihatkan pada Tabel 4.4.
70
Peralatan Tegangan linggi
TABEL 4.3 Tegangan Percik lmpuls Petir Maksimum Tegangan Percik
Tegangan Percik
Impuls Maksimum
Muka Gelombang Impuls
(kY, puncak)
Tegangan Pengenal V,
Tegangan Percik
(kYr..)
t0 kA
2,5kA,5 kA dan 10 kA
Kecuraman Muka Gelombang
Maksimum
(kY puncak)
(kY/p.s) 10
kA
2,5l5lt0kA
0,15<%s0,3
8,0 %
10
12,0 V,
6,0 v"
10
7,5 V"
5,0 %
10
6,0 vn
0,3
t2o
200< y"
= 300 300
420
4,t5 V,
3,6 V"
8,3
2,8V"
3,33 V,
7,0 V,
3,2V
3,8s %
2,6V"
3,0 V,
6,0 V,
3,0 v"
3,45 V,
Vn
v,
2,6V,
1300
3,0
2,5
Vn
1500
2.9 Vn
2,5 V,
2000
2,9 V"
TABEL 4.4 Tegangan Percik lmpuls Hubung-Buka Tegangan Pengenal Y"
(kV*)
Tegangan Percik Impuls Hubung-Buka
Maksimum (kY puncak) Arester 10 kA
200< y"
2,75 V,
= 300 300 420
h.
2,45 V, 2,45 V,
Ketahanan arus imPuls tinggi Suatu arester harus mampu memikul arus impuls tinggi di atas arus nominalnya, seperti diperlihatkan pada Tabel 4.5.
TABEL 4.5 Ketahanan Arus lmPuls
i.
-linggi
Kelas Arester (kA)
Arus Impuls Tinggi (kA)
t0
100
5
65
2,5
25
1,5
10
Ketahanan arus durasi Panjang Arester harus mampu memikul arus impuls berdurasi panjang. Untuk arester l0 kA, kelas kerja berat (heavy duty), arus durasi panjang sama dengan arus yang
Bab
4
Pelindung Tegangan
Lebih
77
diperoleh melalui pelepasan muatan generator arus impuls pada tegangan tidak kurang 5OVo daipada tegangan peluahan V.. Muatan dilepaskan melalui melalui induktansi rendah dan resistor (R). Tegangan peluahan V", nilai resistansi resistor (fi) dan durasi arus impuls diperlihatkan pada Tabel 4.6. TABEL 4.6 Ketahanan Arus Durasi Paniang Arester 10 kA, Kelas Keria Berat
Durasi Tegangan Puncak ps
Tegangan Peluahan
(Ohm)
I
3,3 Vn
2000
3,0 V,
2
t,8 v,
2000
2,6 Vn
3
1,2
v,
24AO
2,6
4
0,8 %
2800
2,4 V,
5
0,5
v,
3200
2,2 V,
Kelas
Resistansi Resistor
Generator (V")
Vn
Untuk arester kerja-ringan, arus dan durasi waktu diperlihatkan pada Tabel 4.7. TABEL 4.7 Standar Arus Durasi Panjang Arrester Kelas Kerja-Bingan Kelas Arester (kA)
Puncak Arus Impuls (kA)
Durasi (ps)
10
r50
2000
5
75
1000
)\
50
500
Tegangan sisa Adalah amplitudo tegangan di terminal arester saat arester mengalirkan arus petir nominal. Besar arus peluahan nominal arester telah diberikan pada butir b di atas. Tegangan sisa harus lebih rendah daripada tegangan sisa standar yang diperlihatkan pada Tabel 4.8. TABEL 4.8 Standar Tegangan Sisa Tegangan Pengenal % (kV,-.)
Tegangan Sisa Maksimum (kY puncak) 10
kA
2,5
kA, 5 kA dan
v,
0,15
8,00
0,3
6.00 v,
lo
200
v
>420
5,OO
V,
3,60 V, 2.8 V"
3,33 V,
2,6
3.00
V,,
300
2,6 V,
420
2,5 V, 2.5
V,,
4
10
kA
72
Peralatan Tegangan Tinggi
k.
Tegangan dasar (cut-off voltage) Adalah tegangan efektif ac maksimum pada terminal arester, dan pada tegangan tersebut arus susulan masih dapat dipadamkan.
t.
Tegangan gagal sela Jika tegangan pengenal suatu arester adalah V,, maka tegangan gagal selanya adalah besar tegangan yang membuat sela arester tembus listrik saat dikenai tegangan impuls yang kecuraman muka gelombangnya (100 x V,,)l(l2p.s). Sebagai contoh: Tegangan pengenal suatu arester adalah 30 kV dan tegangan gagal selanya adalah 120 kV. Artinya, sela arester akan tembus listrik pada tegangan 120 kV jika arester ini dikenai tegangan impuls dengan kecuraman muka gelombang (100 x 30 kV)/ (l2p"s) = 250 kV/p.s. Untuk lebih jelasnya, lihat Gambar 4.18.
Karakteristik voltase - waktu (V - t) Adalah karakteristik yang menyatakan hubungan tegangan percikan sela arester dan waktu percikan, seperti diperlihatkan pada Gambar 4.19. Karakteristik ini dibutuhkan untuk melihat keberhasilan arester melindungi peralatan. Jika tegangan impuls yang datang adalah %,. maka isolator B terlebih dahulu terpercik, yaitu ketika / = /,. Kemudian arester terpercik ketika r = I: dan isolator A terpercik ketika r = /r. Dalam hal ini arester gagal melindungi isolator B, tetapi berhasil melindungi isolator A. Jika tegangan impuls yang datang adalah V.", maka arester terlebih dahulu
terpercik, yaitu ketika t = t4.Kemudian isolator-B terpercik ketika r = /s dan isolator A terpercik ketika r = 10. Dalam hal ini arester berhasil melindungi kedua isolator.
Margin Ketahanan suatu peralatan memikul tegangan impuls, jika dipasang pada suatu sistem bertegangan tefientu, disebut BIL (Basic Impulse Level). Untuk tegangan sistem tertentu, telah ditetapkan BIL setiap peralatan yang akan dipasang pada sistem tersebut. Contohnya dapat dilihat pada Lampiran 3. Selisih BIL peralatan yang dilindungi dengan tingkat proteksi arester yang melindunginya disebut margin. Margin biasanya ditetapkan 20 - 307o dari BIL peralatan yang dilindungi.
Arus peluahan maksimum Adalah nilai puncak tertinggi dari arus impuls 5/10 p.s yang dapat dialirkan arester tanpa merusak arester. Dewasa ini, arus peluahan maksimum arester dirancang 100 kA untuk jenis gardu dan 65 kA untuk arester jenis saluran.
GAMBAR 4.18 Tegangan gagal sela
Bab
4
Tegangan
impuls 3
73
Pelindung Tegangan Lebih
A = Isolator 1 B = Isolator 2 C = Arester
I (ps)
t1 GAMBAR 4.19 Karakteristi k voltase-wa ktu
p.
Kemampuan hubung singkat Kemampuan arester memikul arus hubung singkat di titik penempatan arester atau arus hubung singkat internal tanpa menimbulkan kerusakan pada arester.
q.
Tingkat perlindungan Adalah tegangan tertinggi pada terminal arester saat arester mengalirkan arus impuls petir. Tingkat proteksi untuk arester jenis ekspulsi dan jenis katup diperlihatkan pada Gambar 4.2O. Untuk arester jenis ekspulsi, tingkat perlindungan ditetapkan sama dengan tegangan percik sela (V,), sedangkan untuk aresterjenis katup, tingkat proteksi ditetapkan sama dengan tegangan Vr, karena V, berlangsung lebih lama daripada Vo. Jlka margin diambil 307o dan V, adalah tingkat proteksi atau tegangan sisa arester, maka BIL peralatan yang dilindungi arester adalah:
BIL
4.12
= 1,3 Vp
t(
(a) Jenis ekspulsi
GAMBAR 4.20 rngkat proteksi arester
1
(b) Jenis katup
i-rs)
74
Peralatan Tegangan'linggi
sisa atau tingkat Proteksi untuk berbagai Pada Tabel 4.9 diperlihatkan tegangan tegangan Pengenal arester' TABEL 4.9
Tingkat Proteksi Arester Tegangan Sisa/
Tingkat Proteksi (kV)
arester Panjang dan jarak rambat badan
r.
bobot polusi di lokasi b"d"; ;;; arester ditetapkan berdasarkan jarak rambat adalah: bobot polusi dengan pemasangan ut"tt"t t"""Uut' Hubungan 16 mr/kv . Bobot polusi ringan ruilkV 20 . Bobot polusi sedang
Jarak rambat
. .
Bobot polusi berat Bobot Polusi sangat berat
25 mm/kV 31 mrr/kv
Percik Spesifikasi Arester tanpa Sela
tegangan kontinu, tegangan lebih
berhadapan.dengan Suatu arester tanpa sela percik, lebih lebih impils hulung buka dan tegangan tegangan daya, sementara frekuensi keempat dengan arester tanPa sela berhug::gl' impuls petir. Butir-butir spesiRtrasi sela IEC;0099-4' spesifikasi arester tanpa jenis teganga, t"r,.Uut' fi*lr*t standar
adalah sebagai berikut' V""g p"".f, aiketahui
a.
(Continuous operating voltage)
Tegangan operasi kontinu terus daya yang dapat dipikul arester secara Adalah tegangan efektif frekuensi menerus.
b.
Tegangan resealing
arus arester, dan pada tegangan tersebut Adalah uutu, t"guigan pada terminal
susulanmasihdapatdipadamkan.TeganganiniharusSamaataulebihbesardaripada tegangan oPerasi kontinu'
c.
Tegangan pengenal (rated' voltage) lebih kemampuan arester memikul tegangan Adalah tegangan yang menyatakan Tegangan 4.6.3. gut ini telah dijelaskan lada sy!^bab sementara selamaio i"ton. pada Tabel 4'10' pengenal ,turrdut uJuluh seperti diperlihatkan
Bab
4
Pelindung Tegangan Lebih
75
TABEL 4.10 Standar Tegangan Pengenal Arester Tanpa Sela Kelas Tegangan Pengenal (kY"-.)
Selisih Antar Tegangan Pengenal (kV"*.)
<3
Dalam pertimbangan
3-30 30-54 54-96
3
6
t2
- 288 288 - 396 396 - 756 96
d.
18
24
Frekuensi pengenal Sama dengan frekuensi sistem 50 Hz atau 60 Hz.
Tegangan sisa (residual voltage) eOatatr besar puncak tegangan impuls yang terjadi di antara kedua terminal arester ketika arester tersebut menyalurkan arus impuls. Jenis arus impuls dalam menentukan tegangan sisa adalah sebagai berikut. . Arus impuls hubung-buka: (30 - 100)/(60 - 200) ps, i = 2 kA . Arus impuls petir: 8/20 ps, i '40 kA . Arus impuls tinggi: 4/10 ps, i - 100 kA, umumnya pada arester 65 dan100
kA. Tegangan
ini
harus di bawah tegangan ketahanan terhadap tegangan impuls.
Arus nominal ps menurut standar, dan digunakan untuk impuls petir nominal umumnya 2'5; 5; arus mengklasifikasikan arester. Puncak untuk tegangan nominal < 36 digunakan 10; atau 20 kA. Arus nominal 2,5 kA .< 10 kA digunakan untuk tegangan kv; 132 kV; 5 kA untuk tegangan pengenal tegangan nominal di atas 360 untuk nominal 3 - 360 kV; dan 20 kA digunakan kV hingga 756 kV.
Adalah besar puncak arus impuls
8120
o
Tegangan ketahanan imPuls Petir Adalahtegangan impuls petir maksimum yang dapat dipikul arester tanpa menimbulkan percikan pada badan arester. Tegangan ketahanan impuls petir sama dengan 1,3 kali tingkat proteksi tegangan impuls arester.
h.
Tegangan ketahanan impuls hubung-buka Adalah tegangan impuls hubung-buka maksimum yang dapat dipikul arester tanpa > menimbulkan percikan pada badan arester. Untuk arester tegangan pengenal 200 kY arus nominal 10 kA dan 20 kA, tegangan ketahanan impuls hubung-buka sama dengan 1,25 kali tingkat proteksi tegangan impuls hubung-buka' Tegangan ketahanan tegangan frekuensi daya Adalah tegangan frekuensi daya maksimum yang dapat dipikul arester tanpa menimbulkan percikan pada badan arester. Arester 1,5 kA; 2,5 kA; dan 5 kA harus mampu memikul tegangan frekuensi daya yang puncaknya sama dengan 0,88 tingkat proteksi tegangan impuls petir dalam waktu satu menit. Untuk arester < 200 kV arus nominal 10 kA dan 20 kA, harus mampu memikul tegangan frekuensi daya
76
Peralatan Tegangan Tinggi
yang puncaknya sama dengan 1,06 tingkat proteksi tegangan impuls hubung-buka dalam waktu satu menit. J.
Thermal runaway Adalah batas kehilangan energi pada arester agar tidak melebihi kemampuan disipasi panas semua komponen arester (badan, terminal, dan lain-lain). Jika kehilangan energi melebihi kemampuan disipasi panas arester, maka temperatur resistor non-linier akan naik dan pada akhirnya dapat merusak resistor tersebut.
k.
Kemampuan arus gangguan Kemampuan arester mengalirkan arus gangguan saat terjadi kerusakan pada salah satu piring resistor non-linier. Arester harus mampu mengalirkan arus gangguan tersebut agar tidak terjadi kerusakan fatal pada tabung arester' Oleh karena itu' kemampuan arus gangguan harus sama atau lebih besar dengan arus hubung singkat maksimum fasa-ke-tanah pada titik pemasangan arester.
Ketahanan arus hubung singkat Adalah batas arus frekuensi daya yang dapat mengalir pada arester tanpa menimbulkan kerusakan pada arester. Arus ini harus lebih besar daripada arus hubung singkat satu fasa ke tanah di lokasi arester'
Kelas peluahan (Line discharge class) Kelas peluahan didasarkan atas kemampuan arester menyerap energi yang diinjeksikan tegangan impuls hubung-buka pada arester. Pada Tabel 4.11 diperlihatkan lima kelas peluahan. TABEL 4.11 Kelas Peluahan (Ltne Discharge Class\ Tegangan Peluahan
Kelas
Impedansi lmpuls Transmisi (Z = ohm)
Durasi Tegangan Puncak (ps)
I
4,9 V,
2000
3,2
V,,
2
2.4 V,
2000
3,2
V,,
3
7,3
Vn
2400
2,8 V,
4
0.8 v,,
2800
2,6 V
5
0.5 %
3200
2.4 V
(kv-DC)
Catatan: % = Tegangan nominal arester (harga efektif) Kelas peluahan dapat juga ditentukan berdasarkan tegangan tertinggi sistem seperti diperlihatkan pada Tabel 4.12. TABEL 4.12 Kelas Peluahan lvlenurut Tegangan Tertinggi Sistem Kelas
Tegangan Tertinggi Sistem (kV)
4
< 245 < 300 < 420 < 550
5
<
2 3
800
4
Bab
77
Pelindung Tegangan Lebih
n.
Arus impuls waktu 2ms Kemampuan arester memikul arus impuls berdurasi 2 milisekon.
o.
Jarak rambat badan arester Jarak rambat badan isolator ditentukan berdasarkan bobot polusi isolator di kawasan penempatan arester
4.8
LOKASI PENEMPATAN ARESTER Arester ditempatkan sedekat mungkin dengan peralatan yang dilindungi dengan tujuan:
1. 2.
3.
Untuk mengurangi peluang tegangan impuls merambat pada kawat penghubung arester dengan peralatan yang dilindungi. Saat arester bekerja, gelombang tegangan impuls sisa merambat pada kawat penghubung transformator dengan arester. Setelah gelombang tegangan itu tiba pada terminal transformator, gelombang tegangan tersebut akan dipantulkan, sehingga total tegangan pada terminal arester dua kali tegangan sisa. Peristiwa ini dapat dicegah jika arester dipasang langsung pada terminal transformator.
Jika kawat penghubung arester dengan transformator yang dilindungi cukup panjang, maka induktansi kawat itu harus diperhitungkan. Misalkan induktansi kawat penghubung adalah L, tegangan sisa arester adalah 1R, dan kecuraman muka gelombang afl.ls impuls adalah dildt, maka tegangan yang tiba pada terminal transformator adalah:
V=IR+L
di
4.13
dt
Jika ada kapasitor pada terminal peralatan yang dilindungi, maka kecuraman gelombang tegangan impuls yang menuju peralatan akan berkurang, sehingga dildt berkurang. Dalam hal ini, tidak menjadi masalah jika ada kawat penghubung arester dengan peralatan yang dilindungi. Karena keterbatasan tempat, ada kalanya arester ditempatkan dengan jarak tertentu dari peralatan yang dilindungi. Jarak arester dengan peralatan yang dilindungi berpengaruh terhadap besar tegangan yang tiba pada peralatan. Telah disebutkan sebelumnya, jika jarak arester terlalu jauh, maka tegangan yang tiba pada peralatan dapat mencapai dua kali tegangan yang datang. Hal ini dapat dijelaskan dengan konsep gelombang berjalan. Pada Gambar 4.21 di halaman 78. diperlihatkan suatu gelombang tegangan impuls, merambat pada suatu jaringan yang impedansi impulsnya 2,, menuju suatu jaringan yang impedansi impulsny a Zr. Titlk I adalah titik persambungan kedua jaringan, dapat berupa titik sambung jaringan hantaran udara dengan kabel, atau titik sambung jaringan dengan transformator atau ujung dari suatu jaringan, atau sambungan jaringan transmisi dengan rel daya gardu induk. Tegangan pada titik T dapat dinyatakan sebagai berikut:
et=ef+er Karena arus yang dipantulkan berpolaritas negatif, maka arus pada
i, =
i.f
- i,
4.t4
titik T
adalah'.
4.15
Menurut Hukum Ohm:
ef et e, ,, _ ,'_ ZI ZI' Z;
4.16
78
Peralatan Tegangan linggi
Keterangan: er = Gelombang rr = Gelombang e, = Gelombang j. = Gelombang er = Gelombang l, = Gelombang
r,
tegangan yang datang arus yang datang tegangan yang dipantulkan arus yang dipantulkan tegangan yang diteruskan arus yang datang diteruskan
GAMBAR 4.21 Gelombang berjalan dan pantulannya
Substitusi Persamaan 4.16 ke dalam Persamaan 4. 15 menghasilkan:
€,
Zr--
€l
Z,-
€,
4.1',l
zl
Dari Persamaan 4.14 diperoleh tegangan e. dan jika tegangan ini disubstitusikan
ke
dalam Persamaan 4.17, maka didapatkan:
€t
er-
el
22 21 -=-et
el
z1
2rf
et
Zr' Zr-
zl
* Z,+2, zJ,
atau
n,
atau
€,=€J*
2ur
zr
22,
rr*r,
4.18
Dengan cara yang sama, tegangan yang dipantulkan dapat diturunkan, hasilnya adalah sebagai
berikut: €, =
Z, _ Z, €.f
"
#, -
co, dan tegangan yang terjadi pada
2e,
4.20
Jlka Z, adalah suatu transformator, maka Z, terminal transformator adalah: e,
=
4.19
Artinya, nilai tegangan pada terminal transformator dua kali tegangan yang datang menuju terminal transformator. Sekarang dimisalkan ada suatu arester terpasang di antara jaringan dengan transformator seperti diperlihatkan pada Gambat 4.22. Suatu gelombang tegangan (er) merambat menuju terminal transfotmator dan ketika gelombang tiba di terminal arester, arester bekerja sehingga gelombang yang diteruskan ke transformator adalah seperti gelombang e, dalam hal ini kecuraman muka gelombang sama dengan gelombang semula dan puncaknya sama dengan tegangan percik sela arester (%). Menurut Persamaan 4.20, tegangan pada terminal transformator adalah dua kali tegangan yang datang. Karena tegangan yang datang merupakan fungsi waktu, maka tegangan pada terminal transformator juga merupakan fungsi waktu. Jika r = 0 dihitung saat gelombang e., tiba di terminal arester dan kecepatan merambat gelombang
Bab
4
Pelindung Tegangan Lebih
79
GAMBAR 4.22 Transformator dan arester terpisah
adalah v, maka waktu tempuh gelombang dari terminal arester ke terminal transfomator adalah:
l=,
I
4.21
Tegangan pada terminal transfomator terbentuk dalam2t atatZllu, yaitu waktu tempuh tegangan pantulan menuju arester ditambah dengan waktu tempuh tegangan pantulan negatif dari arester kembali menuju terminal transformator. Tegangan maksimum terminal transformator pada pantulan pertama gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut:
Aa)
V,=Vr+ 2tl V,=Vo
atau
dengan:
/
+ zl,f,
4.23
= jarak maksimum arester dengan peralatan (m)
rlvt _ tegangan pada terminal transformator r/yd _ tegangan percik arester (kV) kecuraman muka gelombang tegangan lt-
\_
v--
impuls (kV/pcs)
kecepatan rambat tegangan impuls (m/fts)
Dalam praktiknya, tegangan mungkin lebih tinggi daripada perkiraan di atas karena terjadinya osilasi sebagai akibat adanya induktansi penghantar yang menghubungkan arester dengan transformator dan adanya kapasitansi dari transformator itu sendiri. Di samping itu, saat arester bekerja mengalirkan arus petir ke bumi, maka terjadi jatuh tegangan pada resistansi penghantar penghubung arester dengan jaringan dan penghubung arester dengan elektroda pembumian. Jatuh tegangan ini dipengaruhi oleh kenaikan arus petir dan akan mengakibatkan kenaikan tegangan antara terminal arester dengan bumi. Adanya perbedaan potensial pembumian transformator dengan potensial pembumian arester juga menambah tegangan di antara isolasi transformator. Sehubungan dengan hal-hal di atas, adalah lebih baik membuat penghantar penghubung sependek mungkin dan menghubungkan elektroda pembumian arester dengan elektroda pembumian transformator. Resistansi pembumian diusahakan serendah mungkin, dan akan lebih baik jika dapat dibuat di bawah satu ohm. Jika diketahui tegangan impuls maksimum yang dapat dipikul transformator (BIL) dalam kV, maka jarak maksimum arester dari peralatan dapat ditentukan sebagai berikut:
80
Peralatan Tegangan Tinggi
l_ lmaks
% *uk,
4.9
v (vt
maks
-
vu)
4.24
2\
-
= tegangan impuls maksimum yang dapat dipikul transformator (kV).
KAWAT TANAH Kawat tanah diikat pada puncak menara transmisi, ditarik sejajar dengan kawat fasa, seperti diperlihatkan pada Gambar 4.23. Kegunaan kawat tanah adalah untuk melindungi karvat fasa transmisi agar tidak disambar petir. Jika terjadi sambaran petir pada transmisi, maka yang diterpa petir adalah
kawat tanah. Di samping itu, kawat tanah memberi jalan bagi gelombang tegangan impuls petir, sehingga impedansi impuls yang dilalui arus petir semakin rendah. Hal ini lebih mudah dipahami dengan bantuan Gambar 4.24. Jika petir menyambar puncak menara, maka satu kawat tanah menjadi dua kawat paralel bagi arus petir, sehingga impedansi impuls yang ditemui sambaran petir adalah impedansi ekuivalen dari tiga impedansi yang terhubung paralel. Kawat tanah dengan kawat fasa transmisi membentuk kopeling magnetik dan elektrik. Kopeling magnetik dan elektrik akan mengurangi kegagalan isolasi sistem. Dengan kata lain, kawat tanah dapat mengurangi kegagalan isolasi sistem. Kawat tanah umumnya terbuat dari bahan baja galvanis. Dewasa ini, bahan dan ukuran kawat tanah dibuat sama dengan kawat fasa transmisi. Pemilihan kawat tanah lebih ditekankan pada aspek kekuatan mekanis daripada aspek elektriknya. Ada dua hal penting dalam merancang kawat tanah, yaitu sudut proteksi dan zona proteksi. Sudut proteksi adalah sudut yang dibentuk sumbu vertikal yang melalui kawat tanah dengan garis yang menghubungkan kawat tanah dengan kalvat fasa paling luar. Pada Gambar 4.23a diperlihatkan sudut proteksi sebesar a. Pada umuflmya, a = 30o.
Kawat tanah
(a)
GAMBAR 4.23 Kawat tanah pada transmisi
\.b)
(c)
Bab
4
Pelindung Tegangan Lebih
81
1 v
4 v
t, ? iu Tanpa Kawat Tanah Lr-L,
Satu Kawat Tanah
r11l Z. Z 'Z '2.
GAMBAR 4.24 Pengaruh kawat tanah terhadap impedansi impuls
Zona proteksi adalah kawasan di bawah kawat tanah, yang membatasi tempat objek-
objek yang dilindungi kawat tanah. Peluang suatu objek yang berada pada kawasan tersebut terkena sambaran petir adalah sangat kecil. Zona proteksi yang diberikan oleh kawat tanah transmisi diperlihatkan pada Gambar 4.25 di halaman 82. Zona proteksi bergantung kepada banyaknya kawat tanah dan ketinggian kawat tanah di atas tanah. Antara kaki menara dengan tanah terdapat resistansi kontak yang disebut dengan resistansi kaki menara. Jika petir menyambar menara, maka arus petir mengalir ke tanah melalui menara. Ketika menara menghantarkan arus ke tanah, terjadi jatuh tegangan pada resistansi kaki menara, mengakibatkan menara bertegangan tinggi. Tegangan tinggi pada menara dapat mengakibatkan terjadinya beda tegangan yang besar antara kawat fasa dengan menara maupun antara kawat fasa dengan kawat tanah. Jika beda tegangan tersebut melebihi tegangan lewat denyar isolator, akan terjadi lewat denyar dari
kawat fasa ke menara atau hubung singkat fasa-ke-tanah. Untuk mencegah terjadinya lewat denyar pada isolator, maka harus ada jarak yang aman antara kawat fasa dengan struktur menara maupun dengan kawat tanah. Mengingat bahwa penambahan jarak kawat fasa ke struktur menara akan menambah biaya struktur menara, maka cara yang lebih
ekonomis adalah membatasi kenaikan tegangan pada menara. Hal
ini
dapat dicapai
dengan mengurangi resistansi kaki menara. Resistansi kaki menara dapat dikurangi dengan mempermudah arus petir mengalir ke tanah, yaitu dengan menambah luas permukaan konduktif yang mengadakan kontak
dengan tanah. Berikut
ini akan dijelaskan dua cara untuk menambah luas
permukaan
konduktif tersebutPertama, menanam tegak beberapa elektroda batang di sekitar kaki menara, yang terhubung konduktif dengan kaki menara. umumnya, diameter elektroda +15 mm dan panjangnya +2,5 - 3 m. Untuk membatasi tegangan menara, resistansi kaki menara dibatasi hingga 10 ohm. untuk mencapai nilai resistansi di bawah l0 ohm, jumlah dan panjang elektroda batang diperbanyak. Di daerah yang struktur tanahnya keras atau berbatu-batu, panjang elektroda dapat mencapai 50 m. Resistansi kaki menara akan semakin rendah, jika panjang dan tebal atau diameter elektroda semakin besar. Tetapi, adalah lebih baik menggunakan elektroda batang yang tipis tetapi panjang daripada
82
Peralatan Tegangan 1 rnggi
(.r) Satu kawat tanah
(b) Dua kawat tanah
GAMBAR 4.25 Zona proteksi kawat tanah transmisi
elektroda batang tebal tetapi pendek. Bila elektroda berupa pipa konduktif, lebih baik menambah panjang elektroda daripada menambah diameternya. Cara kedua, adalah dengan metode counterpoise, yaitu dengan menanam beberapa kawat baja galvanis atau ACSR di dalam tanah pada kedalaman 0,5 - 1 m di bawah permukaan tanah. Panjang kawat 50 - 100 m, digelar memanjang di bawah kawat transmisi dan sejajar dengan kawat transmisi. Kemudian kawat-kawat tersebut dihubungkan ke kaki menara, seperti diperlihatkan pada Gambar 4.26. Kawat dapat juga digelar di bawah kaki menara dengan arah radial, atau kombinasi kawat radial dengan kawat memanjang. Metode ini dapat mengurangi impedansi impuls menara hingga mencapai 25 ohm. Kaki Menara
Kaki Menara
Kawat Tunggal Kontinu
t
t 4.
Kawat Radial
$
f;
Kombinasi Kawat Kontinu dengan Kawat Radial
GAMBAR 4.26 Counterpoise pada kaki menara transmisi
Bab 5
Sakelar Pemisah
ntuk menjaga kontinuitas pelayanan, maka komponen-komponen sistem tenaga listrik harus dipelihara secara teratur. Ketika pemeliharaan tersebut dilaksanakan, komponen yang akan menjalani pemeliharaan harus dipisahkan dari sistem, sehingga benar-benar bebas dari tegangan tinggi. Dengan demikian operator dapat melaksanakan pemeliharaan dengan aman. Untuk mencegah terjadinya bahaya tegangan tinggi. operator harus melihat dengan jelas bahwa komponen yang akan menjalani pemeliharaan benarbenar sudah terpisah dari rangkaian sistem. Hal ini dapat dilakukan dengan suatu alat yang disebut sakelar pemisah (disconnecting switcll. Dalam bab ini dijelaskan peran sakelar pemisah pada sistem tenaga listrik; jenis dan konstruksi sakelar pemisah; spesifikasi, pemilihan dan pengujian sakelar pemisah.
5.1
KONSTRUKSI SAKELAR PEMISAH Pada Gambar 5.1 diperlihatkan dua contoh sakelar pemisah.
Penggerak
Lengan
Kontak Terminal Isolator Pendukung
Rangka Pendukung
(a) Tegangan menengah
GAMBAR 5.1 Sakelar pemisah
(D) Tegangan tinggi
84
Peralatan Tegangan Tinggi
Komponen utama suatu sakelar pemisah adalah: rangka pendukung, isolator pendukung, lengan pemisah, kontak, terminal dan penggerak. Untuk sakelar pemisah seperti Gambar 5.|a, lengan pemisah digerakkan secara manual dengan menggunakan tongkat pengait. Untuk sakelar pemisah tegangan tinggi, lengan pemisah digerakkan dengan penggerak mekanik atau penggerak elektrik. Penggerak mekanik maupun elektrik dapat dioperasikan dengan menekan tombol "on-off' yang berada di bawah sakelar pemisah atau dengan kendali jarak jauh. Rangka pendukung harus sedemikian tingginya, sehingga operator dapat berdiri di bawahnya. Sakelar pemisah dapat memisahkan dan menghubungkan sistem dengan suatu rangkaian atau peralatan berarus lemah (+J ampere), atau pemisahan rangkaian yang *"ni*bulku, beda tegangan antar terminal sakelar pemisah tidak signiflkan. Sakelar pemisah dirancang mampu memutuskan arus peluahan transmisi pendek dan arus magnetisasi transformator. Pada keadaan normal, sakelar pemisah harus dapat melewatkan arus beban kontinu; dan arus hubung singkat dalam waktu terbatas. Ketika melewatkan arus hubung singkat, kontak harus tetap tertutup dan pada komponen konduktif sakelar pemisah tidak terjadi panas yang berlebihan. Konstruksi sakelar pemisah harus terbuka, sehingga status operasinya (tertutup atau terbuka) dapat terlihat dengan jelas oleh operator. Dengan demikian, operator yakin bahwa peralatan atau jaringan yang akan dirawat benar-benar sudah bebas dari tegangan tinggi. Perbedaan sakelar pemisah dengan pemutus daya diperlihatkan pada Tabel 5.1.
TABEL 5.1 Perbedaan sakelar pemisah dengan pemutus daya
Sakelar Pemisah 1DS)
Pemutus Daya (CB) Memisahkan rangkaian
Memisahkan rangkaian
Mampu mengalirkan arus beban kontinu
Mampu mengalirkan arus beban kontinu
Mampu memikul tegangan sistem
Mampu memikul tegangan sistem
Dapat memutuskan arus beban
Tidak dapat memutuskan arus beban, kecuali arus beban +5
A
Dapat memutuskan arus hubung singkat
Tidak dapat memutuskan arus hubung singkat
Dapat menghubungkan sumber dengan suatu
Tidak dapat menghubungkan sumber dengan suatu jaringan yang sedang terhubung singkat
jaringan yang sedang terhubung singkat Dapat menghubungkan beban besar pada suatu rangkaian
Tidak dapat menghubungkan beban besar
Ketika membuka suatu rangkaian, timbul tegangan tinggi di antaratedua kutubnya
Ketika membuka suatu rangkaian, beda tegangan di antara kedua kutubnya tidak
pada suatu rangkaian
tinggi Ketika membuka, timbul busur api berenergi besar pada sela kontak, sehingga perlu usaha pemadaman busur api Operasi penutupan dan Pembukaan
berlangsung cepat
Ketika membuka, timbul busur api berenergi rendah pada sela kontak, sehingga busur api padam sendiri Operasi penutupan dan pembukaan berlangsung lebih lambat
Bab
5,2
5
85
Sakelar Pemisah
FUNGSI SAKELAR PEMISAH Sebelumnya telah dijelaskan bahwa jenis gardu terdiri dari gardu beban, gardu pembangkit dan gardu hubung. Banyaknya sakelar pemisah yang digunakan pada suatu gardu
tergantung kepada jenis gardu tersebut. Pada Gambar 5.2 diperlihatkan contoh lokasi penempatan sakelar pemisah pada suatu gardu induk. Berdasarkan penempatannya, sakelar pemisah dibagi atas tiga jenis, yaitu: sakelar pemisah jaringan (DS,), sakelar pemisah bus (DS6) dan sakelar pemisah trafo (DS,). Dengan Gambar 5.2 dapat diperlihatkan peranan sakelar pemisah dalam pemeliharaan peralatan sistem tenaga listrik. Sebelumnya, perlu diketahui bahwa suatu kawat transmisi dengan tanah membentuk susunan kapasitor. Oleh karena itu, ketika suatu transmisi dipisahkan dari sistem, kawat transmisi akan menyimpan muatan listrik. Selain daripada itu, awan bermuatan di sekitar transmisi dan sambaran petir langsung maupun tidak langsung, dapat juga menginduksikan muatan listrik pada kawat transmisi. Oleh karena
itu, kawat transmisi yang sudah dipisahkan dari sistem harus selalu dibumikan. Jika pemutus daya CB, akan menjalani pemeliharaan, maka kedua sakelar pemisah
DS, dan DS, harus dibuka agar CB, benar-benar bebas dari tegangan tinggi, baik tegangan yang berasal dari sumber maupun yang berasal dari induksi muatan pada kawat transmisi. Sebenarnya tegangan pada CB, dapat ditiadakan dengan membuka CB, dan DSr, tetapi kawat transmisi masih bertegangan karena masih menyimpan muatan. Oleh karena itu, agar CB, benar-benar bebas dari tegangan, maka CB, harus dipisahkan dari jaringan. Hal ini dapat dilakukan dengan membuka DS, dan DSr. Jika pemeliharaan hendak dilakukan pada transmisi, maka prosedurnya adalah sebagai berikut: CB, dan CBrdlbuka terlebih dahulu; setelah itu, DS, pada kedua ujung transmisi dibuka; kemudian kawat transmisi dibumikan agar transmisi tidak menyimpan muatan listrik. Pembumian kawat transmisi dapat dilakukan dengan menambah satu sakelar pada DS,. Sakelar ini disebut sakelar pembumian, berfungsi untuk menghubungkan
kawat transmisi ke tanah sesaat setelah sakelar pemisah membuka. Hal yang sama juga dilakukan ketika memisahkan kapasitor shunt dari sistem.
Porsea
Dari Pematang
Siantar
_-___________> r. Tl ......-........:..........._Y
/_1
Keterangan: -J- = Sakelar Pemisah
tr O
"""" -->
f\114-n$ \-)___/ i. z I 'J
+flr_
DS,
DSO
P
CB. Tarutung
= Pemutus Daya
=Trafo = Trafo
= Beban
GAMBAR 5.2 Lokasi penempatan sakelar pemisah
Ke
Tele
I
+
86
Peralatan Tegangan
5.3
JENIS KONSTRUKSI SAKELAR PEMISAH
T
tnggi
Dilihat dari jumlah kutubnya, sakelar pemisah dibagi atas dua jenis, yaitu sakelar pemisah kutub tunggal (satu fasa) dan sakelar pemisah tiga kutub (tiga fasa). Berdasarkan lokasi pemasangannya, sakelar pemisah dibagi atas pasangan dalam dan pasangan luar. Berdasarkan posisi perletakannya, sakelar pemisah dibagi atas tigajenis, yaitu horizontal, vertikal (Gambar 5.3a) dan terbalik (Cambar 5.3b). Ditinjau dari arah gerakan lengan pemisah, sakelar pemisah dibagi atas gerak lengan vertikal (Gambar 5.14) dan gerak lengan horizontal (Gambar 5.lb). Sedangkan ditiniau dari jumlah kontaknya, sakelar pemisah dibagi atas dua jenis, yaitu kontak tunggal dan kontak ganda. Jenis kontak tunggal ada dua, yaitu lengan pemisah tunggal dan lengan pemisah ganda. Skema operasi "tutup-buka" jenis sakelar pemisah kontak tunggal dan kontak ganda diperlihatkan pada Gambar 5.4. Untuk menyederhanakan nama sakelar pemisah, maka jenis sakelar pada Gambar 5.4 diberi nama sebagai berikut: sakelar pemisah vertikal (Gambar 5.44), sakelar pemisah lengan ganda (Gambar 5.4b), dan sakelar pemisah lengan berputar (Gambar 5.4c). Berikut ini akan dijelaskan konstruksi ketiga jenis sakelar pemisah tersebut.
(a) Posisi vertikal
thl Posisi terbalik
GAMBAR 5.3 Sakelar pemisah vertikal dan terbalik
Kontak
I *.,*o
"/
Tutup
t' Buka
T
l
o\.
I I
A..L
l/ I
Tutup
(a) Kontak tunggal lengan tunggal
lI
Buka
(D) Kontak tunggal lengan ganda
GAMBAR 5.4 Skema "tutup-buka" sakelar pemisah
y*
i x
A'
lh"** Tutup
(c)
Kontak ganda
I
Buka
Bab
5
Sakelar Pemisah
87
Sakelar Pemisah Vertikal Sakelar pemisah vertikal paling banyak digunakan pada sistem tenaga listrik dan penggunaannya sangat luas. Konstruksinya diperlihatkan pada Gambar 5.5. Jika penggerak mekanik (2) dioperasikan, maka isolator (4) berputar, menggerakkan pendorong pegas (9), sehingga pegas (10) terenergisasi menahan lengan (6) agar tetap
pada posisi horizontal. Jika penggerak mekanik (J) dioperasikan berlawanan dengan operasi semula, maka isolator (4) berputar berlawanan dengan arah semula, pendorong pegas (9) bergesel sehingga pegas (10) membebaskan energi untuk menggerakkan lengan (6) secara vertikal. Karena gerakan lengan pada sakelar pemisah ini adalah vertikal, maka sakelar pemisah ini disebut sakelar pemisah vertikal. Sakelar pemisah di atas dan juga sakelar tegangan tinggi lainnya, mempunyai dua
sakelar, yaitu sakelar utama dan sakelar pembumian (12). Dalam praktiknya, setelah sakelar utama dibuka, sakelar pembumian ditutup. Kedua sakelar ini mempunyai hubungan interlok, sehingga sakelar pembumian dapat ditutup setelah sakelar utama terbuka dan sakelar utama tidak dapat ditutup sebelum sakelar pembumian dibuka. Kontak bergerak terbuat dari bahan aluminium atau tembaga yang dilapisi dengan perak. Kontak tetap dilengkapi dengan pegas plat untuk menekan kontak bergerak dengan tekanan yang konstan. resistansi kontak tidak berubah signifikan, meskipun sudah lama digunakan. Kontak dapat rusak karena arus hubung singkat. oleh karena itu, kontak dirancang sedemikian, sehingga mudah diganti. Karena konstruksi kontaknya kompak, sakelar ini mampu memikul arus hubung singkat yang tinggi. Sakelar pemisah juga dilengkapi dengan kontak bantu untuk keperluan indikasi posisi kontak. Kontak bantu dihubungkan ke lampu indikasi pada ruang kontrol, sehingga operator dapat mengetahui status buka-tutup sakelar pemisah. Jika kekuatan dielektrik antara fasa dengan fasa dan antara terminal dengan terminal pada kutub yang sama lebih tinggi daripada kekuatan dielektrik ke tanah, maka sakelar pemisah dilengkapi dengan sela pelindung.
Keterangan: 1 = Rangka pendukung 2 = Penggerak mekanik 3 = Pemutar isolator 4 = Isolator berputar 5 = Isolator tetap 6 = Lengan pemisah
7 8 9
= Kontak = Terminal
= Pendorong pegas
10 = Pegas pemegang lengan
l1 = Sela pelindung = Sakelar pembumian
12
GAMBAR 5.5 Sakelar pemisah vertikal
88
Peralatan Tegangan llnggi
Keterangan: I = Rangka pendukung 2 = Penggerak mekanik 3 = Pemutar 4 = Isolator 5 = Lengan pemisah 6 = Kontak 7 = Sela pelindung 8 = Sakelar pembumian 9 = Teminal
GAMBAR 5.6 Sakelar pemisah lengan ganda
Sakelar Pemisah Lengan Ganda Konstruksi sakelar pemisah lengan ganda diperlihatkan pada Gambar 5.6. Sakelar ini hanya membutuhkan dua isolator pendukung. Untuk sistem tiga fasa, sakelar ini membutuhkan 6 unit isolator, sedangkan sakelar pemisah jenis lain membutuhkan 9 unit isolator. Sakelar ini digunakan jika jarak bebas antara sakelar dengan hantaran udara di atasnya terbatas. Jarak terminal antar fasa lebih besar dibandingkan dengan sakelar pemisah yang lain. Untuk menghemat pemakaian ruang, maka kedua isolator pendukung dapat disusun dalam bentuk "V" seperli diperlihatkan pada Gambar 5.7.
Sakelar Pemisah Lengan Berputar Konstruksi sakelar pemisah lengan berputar diperlihatkan pada Gambar 5.8. Ketika sakelar terbuka, lengan pemisah tidak bertegangan, sehingga ruang antar fasa dapat
GAMBAR 5.7 Sakelar pemisah lengan ganda dengan isolator pendukung disusun berbentuk "V"
Bab
5
Sakelar Pemisah
89
Keterangan: 1 = Rangka pendukung 2 = Penggerak mekanik 3 = Pemutar 4 = Isolator 5 = Lengan pemisah 6 7 8 9
= Kontak = Sela pelindung = Sakelar pembumian = Terminal
GAMBAR 5.8 Sakelar pemisah lengan berputar
dibuat sama dengan ruang antar fasa sakelar kontak tunggal-lengan tunggal (sakelar vertikal). Sakelar ini digunakan jika jarak bebas antara sakelar dengan hantaran udara di atasnya sangat terbatas. Ketika memutar lengan pemisah, penggerak mekanik sakelar
ini membutuhkan energi yang rendah, karena penggerak mekanik tidak dibebani dengan pegas sepefii halnya pada sakelar pemisah vertikal. Karena kedua ujung lengan pemisah
masing-masing diikat oleh satu kontak (ada dua kontak pengikat), maka sakelar ini dapat memikul arus hubung singkat yang tinggi, memutuskan arus magnetisasi dan arus pengisian transmisi (line discharge) yang lebih besar dibandingkan dengan jenis sakelar pemisah yang lain. Jika ruang untuk instalasi terbatas, maka kedua isolator pendukung (4) dapat disusun dalam bentuk "V" seperti diperlihatkan pada Gambar 5.9.
GAMBAR 5,9 Sakelar pemisah lengan berputar dengan isolator pendukung disusun berbentuk"V"
90
Peralatan Tegangan linggi
5.4
INTERLOK SAKELAR PEMISAH Kesalahan operasi sakelar pemisah dapat merusak peralatan lain dalam sistem, sehingga
biaya pemeliharaan berlambah. Untuk mencegah kesalahan operasi, dibuat interlok antara sakelar pemisah dengan pemutus daya, antara sakelar pemisah dengan sakelar pembumian dan antara sakelar pemisah dengan sakelar pemisah yang lain. Interlok dapat dijelaskan dengan mengambil contoh sistem seperti diperlihatkan pada Gambar 5.10. Interlok harus memenuhi syarat-syarat di bawah ini:
. . . .
Sakelar pemisah (DS) tidak dapat ditutup sebelum pemutus daya (.PD) terkunci pada posisi terbuka. Sakelar pembumian (ES) dapat ditutup hanya ketika sakelar pemisah terkunci pada posisi terbuka dan tidak ada busur api. Sakelar pemisah dapat ditutup hanya ketika pemutus daya dan sakelar pembumian dalam keadaan terbuka. Pemutus daya hanya dapat ditutup setelah semua sakelar pemisah terkunci dalam posisi tertutup atau dalam posisi terbuka.
Ada tiga cara mengadakan interlok, yaitu dengan hubungan mekanik, dengan menggunakan kunci, atau dengan menggunakan solenoid. Cara pertama digunakan pada sakelar pemisah yang dioperasikan manual. Interlok dilakukan dengan membuat hubungan mekanik antara poros sakelar utama dengan poros sakelar pembumian, sehingga sakelar utama tidak dapat ditutup jika sakelar pembumian masih terhubung. Sebaliknya, sakelar pembumian tidak dapat ditutup jika sakelar utama masih terhubung. Cara kedua digunakan pada sakelar pemisah yang dioperasikan dengan perangkat elektromekanik. Kunci berfungsi untuk meluluskan atau mencegah operasi sakelar pemisah dan pemutus daya. Selain mengadakan interlok antara sakelar pembumian dengan sakelar utama, cara ini dapat mengadakan interlok antara satu sakelar pemisah dengan sakelar pemisah lain pada jaringan yang sama, maupun interlok antara sakelar pemisah dengan pemutus daya. Cara ketiga digunakan untuk meyakinkan pemutus daya sudah terbuka sebelum sakelar pemisah dibuka. Solenoid dipasang pada sakelar
pemisah, dan dapat dioperasikan dengan sakelar kendali.
---T--.d -]G1l I
-n
L
GAMBAR 5.10 Jaringan keluaran suatu sistem
l^
DS
Bab
5.5
5
91
Sakelar Pemisah
PENGENAL SAKELAR PEMISAH Menurut IF,C 60694, suatu sakelar pemisah umunmya dilengkapi dengan informasi tentang nilai nominal dari:
.
Tegangan Nominal Tegangan pengenal suatu sakelar pemisah ditetapkan sama dengan tegangan tertinggi
sistem. Tegangan tertinggi sistem menurut standar IEC adalah: 3,6 kV; 7,2 kY; 12 kV; 17,5 kV; 24 kY;36 kV; 52 kY 72,5 kY; 100 kV; 123 kY:. 145 kV; 170 kY;245 kV; 300 kY;362 kY; 420 kV; 550 kV; 800 kV
.
Tingkat Isolasi Adalah ketahanan sakelar pemisah memikul tegangan impuls petir standar, tegangan impuls hubung-buka standar dan tegangan frekuensi daya. Untuk sakelar pemisah dengan tegangan nominal hingga 245 kV, nilainya diperlihatkan pada Tabel 5.2. Sedangkan untuk sakelar pemisah dengan tegangan nominal lebih daripada 245 kV dapat dilihat pada IEC 60694. Nilai pada tabel adalah nilai ketika atmosfer dalam keadaan standar. TABEL 5.2
Tingkat lsolasi Sakelar Pemisah Tegangan Pengenal
Ketahanan Tegangan Impuls Standar 1,2150 ps
Ketahanan Tegangan AC 50 Hz l Menit
kV-rms
Ke Tanah dan
Antara Titik
Ke Tanah dan
Antara Titik
Antar Kutub
yang Dipisahkan
Antar Kutub
yang Dipisahkan
3,6
10
t2
20140*
23146*
1a
20
23
40160*
46170*
t2
28
32
60175*
70185*
24
50
60
951125*
I
36
70
80
145t170*
t65t195*
7)\
140
160
325
375
145
185
210
450
520
245
360
415
850
950
10/140*
*) Untuk tingkat keamanan yang lebih tinggi
Frekuensi
Nominal
Nilai standar frekuensi nominal adalah 16
-,
i
Hz, 25 Hz, 50 Hz and 60 Hz.
Arus Nominal Adalah arus (rms) tertinggi yang dapat dialirkan sakelar pemisah dalam waktu tidak terbatas. Arus pengenal standar sakelar pemisah yang dijumpai dewasa ini antara lain adalah: 200,400,630, 800, 1250, 1600,2000,2500,3150,4000,5000, 6300 A.
Kenaikan Temperatur Batas maksimum kenaikan temperatur komponen peralatan sakelar pemisah adalah
40 'C di atas temperatur sekelilingnya.
92
Peralatan Tegangan llnggi
Ketahanan Arus Waktu Singkat Adalah nilai tertinggi arus efektif yang dapat dipikul sakelar pemisah dalam satu sekon. Hal ini perlu, karena adakalanya sakelar pemisah mengalirkan arus hubung singkat yang berlangsung dalam waktu singkat. (Arus hubung singkat berlangsung singkat karena segera diputuskan oleh pemutus daya atau sekering)' sama dengan arus hubung dengan ketahanan arus sama pemisah atau sakelar penempatan pada lokasi singkat pemisah tersebut. sakelar dengan seri yang terhubung pemutus daya waktu singkat 50; 16;20:'25;31,5;40; 12,5; 10; 8; adalah: besarnya yang ada Menurut standar 63: 100 kA.
Nilai ketahanan arus waktu singkat sekurang-kurangnya
Ketahanan Arus Puncak Adalah nilai tertinggi puncak arus yang dapat dipikul sakelar pemisah dalam satu sekon. Hal ini berhubungan dengan arus hubung singkat yang mengalir pada sakelar pemisah. Jika frekuensi sistem adalah 50 Hz, nilai puncak arus sama dengan 2,5 kali nilai ketahanan arus singkat, sedangkan pada frekuensi sistem 60 Hz, nilai puncak arus sama dengan 2,6 kali nilai ketahanan arus singkat'
Durasi Hubung Singkat Durasi hubung singkat standar adalah satu sekon.
Kemampuan Arus Penutupan Hubung Singkat Kemampuan ini dinyatakan hanya pada sakelar pembumian, berhubungan dengan arus yang dialirkan sakelar pembumian ketika menghubung-singkatkan jaringan
ke tanah. Tegangan Nominal Catu DaYa Tegangan catu daya peralatan bantu untuk penutupan dan pembukaan sakelar pemisah, umumnya adalah seperti diperlihatkan pada Tabel 5'3' TABEL 5.3 Tegangan Catu Daya Peralatan Bantu Sakelar Pemisah
AC Satu Fasa (Volt)
120
AC Tiga Fasa (Volt) 1201208
1101125
Tekanan Gas Nominal
Data ini hanya ada jika sakelar pemisah menggunakan gas sebagai isolasi atau menggunakan gas untuk keperluan operasi tutup-buka. Standar tekanan gas adalah: 0,5 MPa; 1 MPa; 1,6 MPa; 2 MPa;3 MPa; 4 MPa.
Zona Kontak Nominal Kontak tetap suatu sakelar pemisah dapat bergeser dari kedudukan normalnya, karena adanya gaya yang dialami kontak tetap. Gaya tersebut adalah akibat adanya tiupan angin pada konduktor penghubung, rel daya dan peralatan bergerak. Zona
Bab
5
Sakeiar Pemisah
93
kontak nominal adalah toleransi pergeseran kontak tetap suatu sakelar pemisah. Spesiflkasi zona kontak diberikan oleh pabrikan. Pemakai harus yakin bahwa pergeseran kedudukan kontak tetap tidak melebihi toleransi yang diberikan pabrikan.
Beban Mekanik Nominal Terminal Konduktor penghubung (padu atau fleksibel) merupakan beban statis bagi terminal suatu sakelar pemisah. Jika pada konduktor penglubung tersebut mengalir arus hubung singkat, maka gaya antar konduktor akan meningkat tajam dan merupakan beban mekanik bagi terminal sakelar pemisah. Kombinasi beban statis dan gaya akibat arus hubung singkat disebut beban mekanik dinamis.
Kemampuan Transfer Arus ke Bus Adalah kemampuan sakelar pemisah mentransfer arus dari suatu rel daya ke rel daya yang lain. Dibutuhkan untuk sakelar pemisah di atas 52 kV. Kemampuan Arus Induksi Sakelar Pembumian Adalah kemampuan sakelar pemisah memutuskan dan mengalirkan arus induksi pada suatu jaringan akibat adanya kopling kapasitif dan kopling induktif jaringan tersebut dengan jaringan lain. Hal ini dipertimbangkan hanya pada sakelar pemisah transmisi jaringan ganda atau sakelar pemisah transmisi bergandengan.
5.6
PENGUJIAN SAKELAR PEMISAH Pengujian sakelar pemisah terbagi atas uji jenis dan uji rutin. Uji jenis terdiri dari:
. . . . . . . . .
Pengujian tegangan tinggi impuls Pengujian tegangan tinggi ac Pengujian perangkat kontrol Pengujian temperatur Pengukuran resistansi kontak Pengujian hubung singkat Pengujian sakelar pembumian
Uji
pengoperasian
Pengujian ketahanan rnekanik
uji rutin terdiri dari: Pengujian tegangan tinggi ac
Sedangkan
. . . .
Pengujian perangkat kontrol
Uji
pengoperasian
Pengukuran resistansi kontak
Prosedur dan tegangan pengujian harus mengacu kepada standar pengujian yang dianut, misalnya IEC 60694 dan IEC 62211-102.
5.1
PEMILIHAN SAKELAR PEMISAH Pengadaan suatu sakelar pemisah melaiui empat tahap, yaitu:
1. 2.
Tahap pertama, pemakai menentukan spesiflkasi. Tahap kedua, pemakai memesan kepada pabrikan sesuai dengan spesiflkasi yang ditetapkan pada tahap pertama di atas.
94
Peralatan Tegangan llnggi
3. 4.
Tahap ketiga, pabrikan mengajukan penawaran kepada pemakai. Tahap keempat, pemakai menetapkan pembelian.
Berikut ini akan dijelaskan hal-hal yang dilakukan pada tahap pertama sampai dengan tahap ketiga.
Penentuan Spesifikasi Dalam pemilihan sakelar pemisah dan sakelar pembumian, perlu dipertimbangkan perkembangan sistem, sehingga sakelar mampu menyesuaikan diri jika terjadi perkembangan beban pada masa yang akan datang. Langkah persiapan sebelum menetapkan data nominal suatu sakelar pemisah adalah menghimpun informasi dari lapangan mengenai hal-hal di bawah ini:
. . . . . . .
Arus beban normal dan arus beban lebih Kondisi gangguan Beban statis dan dinamis terminal hasil rancangan gardu induk Bentuk konduktor penghubung (konduktor padu atau fleksibel) Keadaan lingkungan yang menyangkut: temperatur, ketinggian, kelembaban, jenis dan tingkat bobot polusi, dan keadaan khusus lainnya Unjuk kerja yang dibutuhkan (ketahanan mekanis)
Tujuan penggunaan sakelar pemisah (pemisah jaringan, pemisah rel daya, atau sakelar pembumian)
Berdasarkan informasi di atas, dilakukan penentuan data nominal atau karakteristik sakelar pemisah seperti tersebut pada sub-bab 5.5.
lnformasi untuk Pemesanan Ketika memesan suatu sakelar pemisah, kepada pabrikan perlu diberikan informasi tentang hal-hal di bawah ini.
1.
Tegangan nominal dan tertinggi, jumlah fasa, frekuensi nominal dan pembumian sistem
2. 3.
Atmosfer (temperatur, ketinggian, polusi) lokasi pemasangan sakelar pemisah Informasi yang berhubungan dengan karakteristik sakelar pemisah: . Jenis pasangan (pasangan luar atau pasangan dalam)
' . . . . . . . . . . .
Tegangan nominal Tingkat ketahanan isolasi terhadap: tegangan impuls petir, tegangan lebih pada frekuensi daya dan tegangan impuls hubung buka (untuk sakelar pemisah di atas 300 kV)
Frekuensi nominal Arus normal nominal Arus waktu singkat nominal dan arus puncak nominal Arus penutupan nominal dan arus induksi nominal sakelar pembumian Durasi arus hubung singkat yang melalui sakelar pemisah Beban mekanis (statis dan dinamis) terminal Bentuk konduktor penghubung (konduktor padu atau fleksibel) Tata letak pemasangan Isolator: jumlahnya, jenis bahannya dan profll siripnya Tingkat bobot polusi di lokasi pemasangan sakelar pemisah
Bab
o . . . . '
5
Sakelar Pemisah
95
Zona kontak Keperluan: transfer arus ke bus, sakelar pembumian atau pemisah Unjuk kerja yang dibutuhkan (ketahanan mekanis) Jumlah kutub Jarak antar fasa Ruang untuk operator
Informasi yang berhubungan dengan karakteristik mekanik sakelar pemisah:
' . . . . o 5.
Metode pengoperasian: manual atau dengan penggerak mekanik; independen, interlok atau dengan waktu tunda Catu daya Ketinggian lokasi pengoperasian Jumlah dan jenis kontak bantu (auxiliary switch) Tingkat perlindungan sela pelindung Kemampuan tekanan kerja bejana jika menggunakan gas
Pengujian rutin yang perlu disaksikan pemakai sebelum pengiriman: . Tebal lapisan cat, lapisan galvanis, dan lain-lain . Pencegahan korosi . Pengawatan kendali ' Aksesori dan dokumen-dokumen pemasangan, pengoperasian, penyimpanan dan pengangkutan . Waktu pengoperasian
.
Hal-hal khusus
lnformasi Penawaran Pabrikan Informasi yang disertakan pada penawaran harus memenuhi semua spesifikasi yang dibutuhkan pemakai dan menyebutkan penyimpangan dari spesifikasi tersebut. Sebagai tambahan, pabrikan harus memberikan uraian rinci tentang peralatan dan melengkapilya dengan gambar dan sertifikat pengujian. Informasi yang perlu diberikan pabrikan tepaOa pemakai adalah sebagai berikut.
1.
2.
Nilai nominal dan karakteristik sakelar pemisah yang ditawarkan:
. . . . . . . ' . . . '
Jumlah kutub Pemasangan terbuka atau tertutup Tegangan
Tingkat ketahanan isolasi Arus normal Frekuensi
Arus waktu singkat nominal dan arus puncak nominal Arus penutupan nominal dan arus induksi nominal sakelar pembumian Arus transfer nominal Kelas ketahanan mekanik Kelas ketahanan elektrik (sakelar pembumian)
Hal-hal khusus
Corak konstruksi, meliputi: . Jumlah pemisah per kutub . Jarak pemisah per kutub . Zona kontak . Pencegahan korosi ' Gaya reaksi kontak pada saat pembukaan dan penutupan sakelar pemisah
96
Peralatan Tegangan linggi
-)-
Mekanisme pengoperasran:
. . .
Jenis pengoperasian Tegangan catu daya atau tekanan untuk pengoperasian Arus yang dibutuhkan untuk pengoperasian. Arus maksimum dan tegangan maksimum pada terminal alat penggerak mekanik
.
Jumlah (volume) dan tekanan udara atau minyak yang dibutuhkan untuk
. . . . . .
pengoperasiannya Jumlah dan jenis kontak bantu Daya untuk pengoperasian Berat sakelar pemisah dan alat mekanisnya Rancangan letak setiap alat mekanis Rancangan sinyal indikasi status "tutup-buka" sakelar pemisah Waktu pengoperasian membuka dan menutup
4.
Sertiflkat dan laporan hasil pengujian Pabrikan harus memberikan sertifikat dan laporan hasil pengujian sakelar pemisah, baik untuk suatu komponen maupun untuk keseluruhan sakelar pemisah.
5.
Dimensi dan informasi lainnya Pabrikan harus memberikan dimensi keseluruhan sakelar pemisah baik pada status membuka maupun pada status menutup. Dimensi tersebut diperlihatkan pada gambar teknik sakelar pemisah. Berat keseluruhan sakelar pemisah juga harus diinformasikan. Di samping itu, pabrikan juga harus memberikan petunjuk pemeliharaan sakelar pemisah.
Bab 6
Trafo Tegangan
ntuk memonitor dan mengendalikan kinerja suatu sistem tenaga listrik, diperlukan alat ukur, lampu indikator dan relai proteksi. pengukuran tegangan tinggi tidak dapat dilakukan langsung seperti halnya pengukuran tegangan rendah, karena selain berbahayabagi operator, adalah sulit membuat voltmeter yang mampu mengukur
langsung tegangan tinggi. Lampu indikator dan relai proteksi, juga membutuhkan tegangan rendah. Oleh karena itu, diperlukan trafo tegangan untuk mentransformasi tegangan sistem ke suatu tegangan rendah agar dapat diukur dengan voltmeter dan dapat dimanfaatkan untuk keperluan lampu indikator dan relai proteksi. Berikut ini akan dijelaskan prinsip kerja dan jenis-jenis trafo regangan; kesalahan pengukuran dengan menggunakan trafo tegangan; spesiflkasi dan pemilihan trafo tegangan; dan pengujian trafo tegangan.
6.1
JENIS TRAFO TEGANGAN Pada Gambar 6.1 diperlihatkan contoh suatu trafo tegangan. Trafo tegangan adalah trafo
satu fasa step-down yang mentransformasi tegangan sistem ke suatu tegangan rendah
yang besarannya sesuai untuk lampu indikator, alat ukur, relai dan alat sinkronisasi. Transformasi tegangan ini dilakukan atas pertimbangan harga peralatan tegangan tinggi yang mahal, dan bahaya yang dapat ditimbulkan tegangan tinggi bagi operator. Tegangan perlengkapan seperti indikator, meter dan relai dirancang sama dengan tegangan terminal sekunder trafo tegangan yang dirancang dalam ratusan volt.
GAMBAR 6.1 Trafo tegangan
98
Peralatan Tegangan Tinggi
Ada dua jenis trafo tegangan, yaitu: trafo tegangan magnetik dan trafo tegangan kapasitif. Trafo tegangan kapasitif, selain untuk keperluan pengukuran, sekaligus dapat digunakan untuk keperluan komunikasi Qtower line carrier). Berikut ini akan diuraikan tentang konstruksi dan karakteristik kedua jenis trafo tegangan tersebut.
6.2
TRAFO TEGANGAN MAGNETIK Komponen utama suatu trafo tegangan magnetik adalah: kumparan primer, kumparan sekunder, dan inti baja silikon. Susunan dan hubungan ketiga komponen tersebut ditunjukkan pada Gambar 6.2. Ketiga komponen tersebut dicetak dalam isolasi padat atau dimasukkan dalam suatu bejana berisi isolasi cair atau gas' Dalam praktiknya, badan trafo tegangan selalu terhubung ke tanah. Prinsip kerja trafo tegangan sama dengan trafo daya. Kumparan primer dihubungkan jaringan tegangan tinggi yang akan diukur, sehingga arus mengalir pada kumparan ke
primer. Arus pada kumparan primer menimbulkan fluks magnetik pada inti trafo tegangan. Fluks tersebut akan menginduksikan gaya gerak listrik yang rendah pada kumparan sekunder sehingga pada terminal kumparan sekunder terdapat beda tegangan yang sebanding dengan tegangan jaringan yang diukur. Karakteristik yang membedakan trafo tegangan dengan trafo daya adalah:
a. b.
Kapasitasnya kecil (10
-
150 VA), karena bebannya hanya peralatan yang meng-
konsumsi daya rendah, seperti voltmeter, kWh-meter, wattmeter, relai jarak, sinkronoskop dan lampu indikator. Karena digunakan kontinu dan menjadi beban bagi sistem yang menggunakannya, maka trafo tegangan dirancang mengkonsumsi energi yang sekecil mungkin.
c.
Untuk mengurangi kesalahan pengukuran, trafo tegangan dirancang sedemikian
d.
agar tegangan sekunder sebanding dan sefasa dengan tegangan primer. Tegangan pengenal sekunder trafo tegangan umumnya ditetapkan 100
atau
(l@ - Bq $
E = Kumparan eksitasi l( = Kumparan kompensasi Ii = Kumparan tegangan tinggi
GAMBAR 6.2 Trafo tegangan magnetik
V.
-
230 V
Bab
6
Trafo Tegangan
99
R
s T
(a) Kutub tunggal
(b) Kutub ganda
(c) Tiga fasa
GAMBAR 6.3 Rangkaian trafo tegangan magnetik
j
Ada tiga jenis trafo tegangan magnetik, yaitu: trafo tegangan kutub tunggal, trafo tegangan kutub ganda dan trafo tegangan tiga fasa. Rangkaian listrik masing-masing jenis trafo tegangan tersebut diperlihatkan pada Gambar 6.3. Pada trafo tegangan kutub tunggal, salah satu terminalnya dibumikan seperti ditunjukkan pada Gambar 6.3a. Jika digunakan pada sistem tiga fasa V,,, maka dibutuhkan tiga unit trafo tegangan kutub tunggal masing-masing dengan perbandingan tegangan (Vtl\/3 - 100/./3) volt; kemudian kumparan primernya dan kumparan sekundernya, masing-masing dihubungkan dalam hubungan bintang. Di samping untuk pengukuran sistem tiga fasa, trafo tegangan kutub tunggal dan trafo tegangan tiga fasa dapat sekaligus digunakan untuk mencatu tegangan kepada relai proteksi arus-tanah. Dalam ha1 ini, trafo tegangan dilengkapi lagi dengan kumparan tambahan yang digunakan untuk mendeteksi adanya arus gangguan tanah. Kumparan tambahan ini disebut kumparan proteksi. Kumparan proteksi ketiga unit trafo tegangan dihubungkan seri seperti diperlihatkan pada Gambar 6.4. Jika besaran tegangan pada ketiga kumparan proteksi sama (Vo- = Vr, = V., = maka selama operasi normal, tidak ada tegangan pada terminal a-b,karenajumlah {,), vektoris ketiga tegangan sekunder Vor, 7r, dan Vr- adalah sama dengan nol (y, = 0). Tetapi, jika terjadi hubung singkat fasa-ke-tanah pada salah satu fasa sistem (misalkan di fasa R), maka tegangan pada fasa R menjadi sama dengan nol, sedangkan tegangan pada fasa S dan 7 naik /3 kali daripada tegangan semula, sehingga di belitan sekunder trafo tegangan P7, dan PZ, dibangkitkan tegangan ^/3V,,. Tegangan pada terminal a-b sama dengan resultan vektoris tegangan sekunder trafo tegangan PZ, dan PTr, yang
i ri
Kumparan pengukuran
Kumparan proteksi
GAMBAR 6.4 Bangkaian kumparan tambahan trafo kutub tunggal
I0o
':': zrz'
egangan lrnggi
besarnya tiga kali nilai tegangan fasa ke netral (3(,). Tegangan ini memicu relai proteksi arus-tanah untuk bekerja. Tegangan pengenal kumparan proteksi biasanya dipilih sedemikian sehingga ketika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah pada sistem, Vo mencapai nilai yang sama dengan tegangan sekunder fasa-ke-fasa. Bentuk badan trafo tegangan kutub tunggal dan kutub ganda diperlihatkan pada Gambar 6.5. Trafo tegangan kutub ganda digunakan untuk pengukuran daya dan energi sistem tiga fasa. Kedua terminalnya diisolir terhadap bumi seperti diperlihatkan pada Gambar 6.5c.
Dilihat dari terminal belitan primernya, trafo tegangan kutub tunggal terdiri
atas
trafo tegangan tanpa bushing (Gambar 6.54) dan trafo tegangan dengan bushing (Gambar 6.5b). Trafo tegangan dengan bushing digunakan untuk tegangan di atas 11 kV. Konstruksi trafo tegangan kutub tunggal lebih sederhana daripada trafo kutub ganda, karena tebal isolasi pada trafo tegangan kutub tunggal dapat dibuat bertingkat sesuai dengan tekanan elektrik yang dipikulnya; sedangkan pada trafo tegangan kutub ganda, seluruh kumparan tegangan tinggi harus diisolasi terhadap bagian-bagian yang dibumikan dengan tebal isolasi yang sama, agar trafo tegangan dapat memikul tegangan pengujian penuh. Oleh karena itu trafo tegangan kutub ganda hanya digunakan untuk tegangan pengenal sampai 30 kV sedangkan trafo tegangan kutub tunggal dipergunakan
untuk tegangan pengenal yang lebih tinggi. Beberapa macam konstruksi trafo tegangan magnetik diperlihatkan pada gambar 6.6. Pemilihan jenis konstruksi trafo tegangan magnetik bergantung kepada nilai tegangan operasi dan tempat instalasi. Untuk pemakaian pasangan dalam, trafo ukur tegangan biasanya diisolasi dengan resin epoksi, di mana semua kumparan dan kadang-kadang termasuk inti besi dicetak dalam bahan isolasi resin padat (Gambar 6.6a). Untuk operasi pasangan luar, trafo resin epoksi masih dapat dipakai untuk tegangan pengenal yang
tidak terlalu tinggi.
untuk tegangan yang lebih tinggi dipakai trafo kutub tunggal dengan isolasi minyak-kertas. Rancangan trafo kutub tunggal isolasi minyak-kertas terdiri dari dua jenis, yairu: jenis tangki logam dan jenis tabung isolasi. Pada jenis pertama, badan aktif trafo tegangan dimasukkan dalam bejana baja. Pada bejana dipasang bushing untuk melewatkan tegangan tinggi ke terminalnya (Gambar 6.6b). Pada jenis kedua, badan aktif trafo semua dibungkus dengan tabung porselen (Gambar 6.6c). Jenis terakhir ini, biasanya digunakan untuk tegangan yang lebih besar daripada 66 kV. Pemilihan
t
(b) Kutub tunggal dengan baslrlng
GAMBAR 6.5 \ --s:'-
(c) Kutub ganda
Terminal tegangan tlnggr
Bushing dari porselen
Porselen
(a) Badan resin epoksi
(b) Badan baja
<-
(c) Badan porselen
GAMBAR 6.6 Konstruksi badan trafo tegangan magnetik
jenis konstruksi trafo tegangan bergantung pada susunan bahan aktif trafo (inti dan kumparan). Dilihat dari segi pemakaian tempat, jenis tabung isolasi adalah lebih baik karena konstruksinya lebih kecil. Konstruksinya sangat berbeda dengan jenis tangki Iogam yang harus menggunakan tabung porselen dengan diameter yang lebih besar.
6.3
TRAFO TEGANGAN KAPASITIF Untuk pengukuran tegangan di atas 110 kV adalah lebih ekonomis menggunakan tratb tegangan kapasitif daripada menggunakan trafo tegangan magnetik, karena konstruksi isolasi trafo tegangan kapasitif lebih sederhana daripada trafo tegangan magnetik. Trato tegangan kapasitif akan lebih ekonomis lagi jika digunakan sekaligus untuk pengiriman sinyal melalui konduktor transmisi (power line carrier), yaitu sinyal komunikasi data. sinyal audio dan sinyal kendali jarak j auh (telecontrol). Trafo tegangan kapasitif digunalian juga untuk pengukuran energi pada konsumen industri. Sangat andal digunakan untuk mencatu tegangan ke relai elektronik yang bekerja sangat cepat, terutama jika trato tegangan kapasitif menggunakan peredam osilasi elektronik. Rangkaian ekuivalen tralc tegangan kapasitif diperlihatkan pada Gambar 6.7 di halaman 102. Bagian utama trafo tegangan kapasitif adalah pembagi tegangan kapasitif C -C Secara teknis, dengan merancang nilai kapasitansi C, dan C, tegangan pada kari..: : Crdapat diperoleh dalam orde ratusan volt (sesuai dengan kebutuhan alat uku:. ::,.atau lampu indikator), tetapi cara ini tidak ekonomis. Oleh karena itu. kapa.::':-. .' dan C, dirancang sedemikian rupa, sehingga tegangan pada kapasitor C, ;':t: .dalam orde puluhan kilovolt, umumnya 5, 10, 15 dan 20 kV. Di antari k':--: dengan beban diselipkan suatu trafo tegangan magnetik yan-e disetul J,:'-.-:- '--' penengah (intermediate transformer). Terminal kapasitor C. dihubuni(i . : --. *.' primer trafo penengah, sehingga tegangan primer trafo penengah sami a.:. -: - ' j --- - --' = pada terminal kapasitor Cr. Tegangan primer trafo penengah rdalam :.1- :,- --;- - -'. volt), diturunkan oleh trafo penengah menjadi ratusan volt. umum:'.: -''=-.& I r-.-
102
,e'aralan Tegangan Tinggi
Keterangan:
{,
= Tegangan fasa ke netral transmisi
tegangan tinggi Cz = Kapasitor tegangan rendah
C, = Kapasitor
V, = Tegangan primer trafo Penengah % = Tegangan sekunder trafo penengah
GAMBAR 6.7 Rangkaian ekuivalen trafo tegangan kapasitif
100r/3 volt. Ketika hubungan antara terminal kumparan primer trafo tegangan yang dibumikan dengan inti atau badan trafo tegangan dibuka, kumparan primer dirancang mampu memikul tegangan frekuensi daya sebesar 3 kV,,,, dalam durasi singkat. Jika rugi-rugi pada trafo penengah diabaikan dan impedansi bebannya tidak terhingga (terminal belitan sekunder terbuka), maka hubungan tegangan v,,, v, dan v, dinyatakan sebagai: v,,
C,+C,
6.1
c(
vl
-l
v1
v2
=A
6.2
t
vn v2
Dalam hal ini:
a= c
Q,=
a= p
6.3
=ArXA,=4,
faktor pembagi tegangan kapasitor laktor transformasi trafo penengah faktor transformasi sistem pengukuran
Jika rugi-rugi pada trafo penengah dan impedansi beban diperhitungkan, maka faktor pemUagi tegangan kapasitor (a,) dan faktor transformasi sistem pengukuran \ao)_ akan teruUatr. Untuk mengkompensaii perubahan tersebut, maka di antara kapasitor C, dengan trafo penengah disisipkan suatu induktor kompensasi (l) seperti yang pada Gambar 6'8' iilru zuadalah impedansi ekuivalen gabungan trafo penengah dengan beban dilihat dari sisi t"gungun tinggi, maka hubungan tegangan jaringan dengan tegangan primer
trafo penengah menjadi:
V,, C, + C, Vt
---l
Ct
l-alL(Ct+C2)
jaC,Zo
6.4
Bila nilai L. C,dan C, dipilih sedemikian, sehingga memenuhi hubungan di bawah ini: a2
L (C,+ Cr) =
1
6.5
. !-:
Keterangan: fasa ke netral :l-i.:r : = Kapasitor tegangan tinggi = Kapasitor tegangan rendah
V,, =Tegangan
Cr
C,
TP =Trafo
R I
SP
IIF
= = = = =
penengah (interntediaic'
Resistor
Induktor kompensasi Sela pelindung Peralatan komunikasi frekuensi tinggr Impedansi peredam
Z V, = Tegangan Primer trafo Penengah % = Tegangan sekunder trafo penengah S = Sakelar (ditutupjika tidak digunakan
unruii
pengiriman sinyal komunikasi)
GAMBAR 6.8 Rangkaian lengkap trafo tegangan kapasitif
maka perbandingan V, dengan V, akan tetap seperti dinyatakan pada Persamaan 6.1. Artinya, impedansi trafo penengah maupun impedansi beban (Z) tidak berpengaruh terhadap faktor
a,..
Jika terjadi tegangan lebih pada jaringan transmisi, tegangan pada kapasitor C. akan naik dan dapat menimbulkan kerusakan pada kapasitor tersebut. Untuk mencegah kerusakan tersebut dipasang sela pelindung (SP). Sela pelindung akan terpercik pada tegangan yang lebih rendah daripada tegangan ketahanan isolasi kapasitor C, sehing-sa kapasitor C, terlindung dari bahaya tegangan lebih yang terjadi pada jaringan. Jika sela pelindung terpercik, terminal C, terhubung singkat ke tanah, sehingga mengalir arus yang besar ke tanah. Untuk membatasi arus yang besar tersebut, sela pelindung (SP) dihubungkan seri dengan suatu resistor (R). Trafo penengah merupakan induktor non-linier. Trafo penengah ini membentuk rangkaian tertutup dengan kapasitor Cr. Artinya, kapasitor C, membentuk rangkaian tertutup dengan suatu induktor non-linier. Rangkaian seperti ini berpeluang menimbulkan gejala feroresonansi. Osilasi feroresonansi dapat menyebabkan tegangan lebih lang cukup besar dan menghasilkan panas yang tidak diinginkan pada inti dan kumparan trafo penengah. Untuk meredam efek ferroresonansi tersebut, maka pada terminal belitan sekunder trafo penengah dipasang suatu impedansi peredam (D yang tidak ada efeknre terhadap galat dan respon sistem pengukuran. Peristiwa hubung singkat pada jaringan mengakibatkan terjadi osilasi tegangan sisi sekunder trafo tegangan, karena dua hal berikut ini:
Karena
b.
Cr
;-
Vz
d* I
Kapasitor C,, induktor kompensasi L dan peredam Z membentuk
ranekeli: ....: '
Amplitudo awal osilasi bergantung pada:
a. b. c.
Perbedaan energi yang tersimpan pada kapasitor C, dengan C. Burden trafo dan induktansi peredam Z Tegangan sesaat belitan primer ketika hubung singkat ter-iadi- A=:'-:-': , : osilasi akan menjadi maksimum jika hubung singkat terjadi kel:k, ii!r-: :- '- "' '
.ja-gan llnggi beiitan primer sama dengan nol dan menjadi minimum jika hubung singkat terjadi ketika tegangan sesaat belitan primer sama dengan maksimum. Osilasi dapat berlangsung beberapa siklus. Jika relai proteksi bekerja akibat adanya osilasi di sisi sekunder trafo tegangan, maka hal ini akan menimbulkan kesalahan operasi. Oleh karena itu, relai proteksi harus memiliki waktu tunda operasi kira-kira l0 - 30 milisekon. Trafo kapasitif yang diproduksi saat ini dapat meredam osilasi dalam 20
milisekon. Namun. jika relai proteksi harus bekerja dalam 20 milisekon, maka trafo ukur yang digunakan sebaiknya adalah jenis trafo tegangan magnetik 3-phase 5 limb, yaitu trafo yang reluktansinya rendah. Trafo reluktansi rendah memudahkan keberadaan fluks urutan nol, sehingga pada keadaan hubung singkat, urutan nol, urutan positif dan urutan negatif tegangan tetap ada. Perlu dicatat bahrva ketika terjadi pemutusan tiba-tiba karena adanya kesalahan hubung singkat padajaringan, maka kawat yang terhubung dengan trafo tegangan kapasitif akan menyimpan muatan statis. Dengan kata lain rangkaian ini dapat menghasilkan tegangan lebih hubung-buka (swlrclring over voltage) yang tinggi. Hal seperti ini tidak terjadi pada trafo tegangan magnetik, sehingga trafo ini dapat dihubungkan ke jaringan tanpa resiko tegangan lebih. Maka, adakalanya trafo tegangan magnetik digunakan untuk pengukuran tegangan tegangan tinggi meskipun trafo tegangan kapasitif sebenarnya Iebih ekonomis untuk pengukuran tegangan tinggi. Perlu diingat bahwa konstruksi isolasi trafo tegangan kapasitif lebih sederhana daripada trafo tegangan magnetik. Rancangan konstruksi suatu trafo tegangan kapasitif biasanya seperti diperlihatkan pada Gambar 6.9. Karena adanya pembagi kapasitif, maka konstruksinya dapat dibuat hanya dalam bentuk trafo kutub tunggal. Kumparan proteksi dapat juga disediakan dengan cara yang persis sama seperti pada trafo magnetik. Kapasitor C, dan C, terbuat dari beberapa elemen kapasitor gulung yang dielektriknya terbuat dari bahan kertasminyak. Elemen-elemen kapasitor dihubungkan secara seri dan disusun di dalam suatu tabung porselen yang ramping. Induktor kompensasi dan trafo penengah ditempatkan
c,7F ^ __)_
:T C,T
:1-
Keterangan: C, = Kapasitor tegangan tinggi C. = Kapasitor tegangan rendah L = Induktor kompensasi P = Kumparan primer V = Kumparan sekunder untuk pengukuran G = Kumparan sekunder untuk relai arus tanah r( = Terminal untuk alat
Komunikasi
GAMBAR 6.9
.
:-
s:--. s :'a'c tegangan kapasitif
' 'li
di dalam bejana logam. Di luar bejana disediakan temlrnal untlrk :;:i .:.(r\1. Terminal ini dapat dibumikan jika trafo tegangan kapasitii lr;.,' , untuk komunikasi. Agar efektif sebagai kopeling kapasitor. maka klpu.-:.: C, dan C., harus memiliki nilai minimum 4400 pF.
6.4
GALAT (ERRORI Ketika mengukur suatu besaran listrik, hasil ukur yang ditunjukkan alat uku: :,-.r
persis sama dengan nilai sebenarnya dari besaran listrik yang diukur. Selisih anl:rrr :r. j besaran yang sebenarnya dengan nilai yang ditunjukkan alat ukur disebut kesalar":. Galat adalah kesalahan pengukuran relatif, yakni perbandingan antara kesalahan dens,:' nilai sebenarnya. Jika nilai sebenarnya dari besaran yang diukur adalah Ai. dan niL. yang ditunjukkan alat ukur adalah ly', maka besar galat adalah:
IN _N Galat=l+lxl\jVo I
lN,
hA
l
Untuk pengukuran daya dan energi bolak-balik, ada dua besaran yang perlu diuku: yaitu tegangan dan sudut fasa tegangan. Oleh karena itu, jika trafo tegangan akan digunakan untuk pengukuran daya dan energi bolak-balik, maka galat yang terjadi ketik;. mengukur besaran-besaran tersebut perlu diketahui. Berikut ini akan dijelaskan galei yang berhubungan dengan kedua besaran tersebut jika pengukuran dilakukan den-san trafo tegangan.
Galat Trafo Tegangan Magnetik Jika tegangan suatu sistem diukur dengan menggunakan trafo tegangan, maka ditemukan dua jenis galat, yaitu galat rasio dan galat sudut. Untuk menjelaskan arti dari kedua
galat ini, pada Gambar 6.10a diperlihatkan rangkaian ekuivalen suatu trafo tegangan dilihat dari sisi primer atau sisi tegangan tinggi. Diagram fasor tegangan dan arus pada rangkaian tersebut diperlihatkan pada Gambar 6. 10b. Dalam halini Zrr' , R"' dan X"' masing-masing adalah impedansi beban nol, ekuivalen resistansi dan ekuivalen reaktansi bocor kumparan trafo dilihat dari sisi tegangan tingsr Nilai ketiga impedansi tersebut dapat diperoleh dari percobaan beban nol dan percobaar hubung singkat trafo tegangan yang bersangkutan. Impedansi dan tegangan alat ukur dilihat dari sisi tegangan tinggi adalah:
Zu' =
Z'
-
{1,r2
,. -
Zr,
V.'
(a) Rangkaian ekuivalen trafo dilihat dari sisi
(D) Diagram fasor arus dan
tegangan tinggi
GAMBAR 6.10 Rangkaian ekuivalen trafo dan diagram fasor tegangan
-
arus
:e:"-...
106
,e'e,aian Tegangan llnggi
dan
6'8
Vr' = anV,
adalah: Dalam hal ini a, adalah rasio transformasi nominal trafo tegangan yang besarnya
,,=ffi Vl-no.inul
6.9
maka Vr'sama Jika impedansi beban tidak terhingga dan rugi-rugi trafo diabaikan, v,, Adanla dengan sama adalah benar dan sefasa d"rgun v,. Artinya, nllai vr'yang fasaVr'berbeda sudut dan besaran impedansi alat-ukur dun *gi-*gi trafo membuat vr' menimbulkan dengan besaran dan sudut fasa v,. Perbedaan besaran v, dengan (7): rasio kesalahan relatif yang disebut dengan galat
lv-' - v.l , =l- , ll x loo7o
6.10
berikut: Menurut Persamaan 6'8, V2' = anVr, maka galat rasio dapat dituliskan sebagai
raV--V.t
, =l- ,- lx 1oo7o Beda sudut fasa
v,
6'11
dengan vr' seharusnya sama dengan nol. Jika terjadi perbedaan dengan Vr' sebesar 6, maka trafo tegangan dinyatakan memiliki
sudut fasa antara i, galat sudut sebesar 6. Mengacu kepada diagram fasor pada Gambar 6'10b, hubungan fasor tegangan primer dan sekunder dapat dituliskan sebagai berikut'
Y,
=
T,'
6.12
+ 1'' Z"'
Z"'=P,'+ jx"'
Dalam hal ini
Arus beban dilihat dari sisi tegangan tinggi adalah:
_I'=: .
i
v.'
6.13
2,,'
Substitusi Persamaan 6.13 ke Persamaan 6 12 menghasilkan:
V'r
v' xZ' =lt/ + z'\-V.'
= V-' '2 +:l Z,
\
v'= ') / T-z,\
-Ll Zu,/
6.14
6.15
(t+:rl
\ z't
itu' galat Terlihat bahwa Vr' tergantung kepada impedansi alat ukur (Z ,')' Karena yang terpasang beban atau ukur alat impedansi kepada rasio dan galat sudut iergantung sekunder pada tenninal sisi sekunder trafo. Beban yang terhubung pada terminal sisi Gambar pada galat diperlihatkan terhadap beban irafo ukur disebut burden. Pengaruh 6.11.
'r 0-?
cos
I
cos (p
= 0,5
=
1,0
(b) Pengaruh beban terhadap galat sudut
(a) Pengaruh beban terhadap gaiat rasio
GAMBAR 6.11 Pengaruh beban terhadap galat trafo tegangan
Persamaan 6.15 menunjukkan bahwa galat trafo tegangan terjadi karena adan\i impedansi Z"' . Seandaiflya Zet = 0, maka galat sama dengan nol dan galat tidak dipengaruhi oleh beban trafo. Oleh karena itu, resistansi dan reaktansi bocor kumparan trafo ukur tegangan harus dirancang sekecil mungkin. Besarnya Z"' bergantung kepada frekuensi, maka galat trafo ukurjuga bergantung kepada frekuensi. Pada Gambar 6.11
diperlihatkan pengaruh frekuensi terhadap galat.
Galat Trafo Tegangan Kapasatif Rangkaian ekuivalen trafo tegangan kapasitif diperlihatkan pada Gambar 6. 13 di halaman 108. Dalam hal ini C,-C, adalah pembagi tegangan kapasitif; X* adalah reaktansi induktor kompensasi; Zo', R"' dan X"' adalah parameter trafo penengah dilihat dari sisi primer: sedangkan Zu' adalah impedansi alat ukur atau beban dilihat dari sisi primer. Seandainya induktor kompensasi, trafo penengah dan beban tidak ada, maka menurut Persamaan 6.4, nllai tegangan pada kapasitor C, adalah:
C' v= c C,+C, v=
v
n
a
6.16
Seandainya tidak ada rugi-rugi di antara terminal kapasitor C, dengan terminal alat ukur dan impedansi alat ukur adalah tak-terhingga, maka tegangan Vr.' = V,. Artinla. nilai Vr' yang benar sama dengan V. y6
GAMBAR 6.12 Pengaruh frekuensi terhadap galat
NE
Peralatan Tegangan 1 rnggi
V,,
GAMBAB 6.13 Rangkaian ekuivalen trafo kapasitif dilihat dari sisi tegangan tinggi
Jika tegangan fasa ke netral sistem (V,) dan semua impedansi pada rangkaian di atas diketahui, maka dengan analisis rangkaian listrik, tegangan Vr' dapat dihitung. Dengan demikian, galat rasio trafo tegangan kapasitif dapat dinyatakan seperti persamaan di
bawah ini:
lr,'
- ,,1 x l00%o
lv,
= l-l
la,v, _t_l
-l
6.11
l
- v)
vc
x
I00Vo
6.18
I
Kesalahan sudut pada trafo tegangan kapasitif adalah beda sudut fasa antara fasor V, dengan fasor Vr' . Jika referensi tegangan dalam analisis rangkaian adalah
6 dan hasil analisis memberikan kapasitif sama dengan 6.
nr' =Vr'< 6, maka kesalahan
n ,, = V n I
sudut trafo tegangan
Batas Galat Suatu alat ukur dinyatakan sangat akurat jika galatnya sangat kelas ketelitian suatu alat ukur bergantung kepada galat alat ketelitiannya, trafo tegangan dibagi atas beberapa kelas. Pada kelas ketelitian trafo tegangan dan penggunaannya. Batas galat pada Tabel 6.1 berlaku untuk kondisi sebagai Tegangan yang
Beban Faktor daya
6.5
kecil. Oleh karena itu, ukur tersebut. Menurut Tabel 6.1 diperlihatkan berikut:
diukur : (0,8 -
: :
1,2) tegangan nominal (0,25 - 1,0) burden nominal 0.8 lagging
PENGENAL TRAFO TEGANGAN Setiap trafo tegangan diberi tanda pengenal yang menginformasikan karakteristik trafo tegangan tersebut. Besaran-besaran yang diberikan dalam tanda pengenal tersebut adalah:
.
Tegangan Nominal Primer Adalah besar tegangan primer yang dicantumkan pada papan nama trafo tegangan. Pada trafo tegangan kutub ganda yang digunakan untuk pengukuran tegangan sistem
TABEL 6.1 Kelas Ketelitian Trafo Tegangan Kelas
Y (vo)
6 (Menit)
0,1
+0,1
+5
Penggunaan
Di laboratorium untuk: pengujian presisi. seba,sai .u: standar pada pengujian trafo tegangan, dan kalibrasi
0,2
+0,2
+10
Untuk laboratorium pengujian kWh-meter ketelitian ting= dan sub-standar pada pengujian trafo tegangan industri
0.5
+0,5
+20
Meter industri presisi dan sebagai sub-standar pada pengujian wattmeter penunjuk
1,0
+1.0
+40
Meter industri presisi, sub-standar pada pengujian \\'attmeler penunjuk, meter komersial dan industri, wattmeter penunjuk. wattmeter grafis dan voltmeter
3,0
+3.0
+720
Voltmeter atau meter yang tidak mementingkan kesalahan sudut. Untuk proteksi yang prinsip kerjanya didasarkan akan adanya perbedaan fasa arus dengan tegangan. Misalnya. relai arus terarah, relai daya balik dan relai jarak terarah
5,0
+5O
t300
Trafo proteksi yang prinsip kerjanya tidak didasarkan akan adanya perbedaan fasa arus dengan tegangan. Misalnya. relai tegangan rendah dan relai tegangan lebih
10.0
+10,0
+600
Trafo tegangan residu
tiga fasa, dan terhubung antara fasa dengan tanah, tegangan pengenal dinyatakan dalam besaran Vlt/3. Dalam hal ini, V adalah tegangan fasa-ke-fasa sistem standar menurut IEC 60038.
.
.
Tegangan Nominal Sekunder Adalah besar tegangan sekunder yang dicantumkan pada papan nama trafo tegangan dan dinyatakan dalam besaran Vlr/3. Oalamhal ini, V adalah tegangan fasa-ke-fasa sekunder. Jika ada kumparan tambahan untuk proteksi arus-ke-tanah, tegangan pengenalnya dinyatakan dalam besaran V/3. Dalam praktiknya, tegangan nominal sekunder umumnya adalah 100, 110, ll5, 120,200 dan 230 Y.
Rasio Nominal Perbandingan tegangan nominal primer dengan tegangan nominal sekunder.
.
Burden Adalah beban pada terminal sekunder yang dinyatakan dalam besarnya daya yang dikomsumsi beban pada faktor daya dan tegangan nominal sekunder.
.
Burden Nominal Adalah burden yang mengakibatkan galat sama dengan galat nominal
(\.\
''.
t
-
dicantumkan pada papan nama.
.
Daya Nominal Adalah daya keluaran (VA) trafo tegangan ketika bebannya sama dengan bui.l:: nominal dan tegangan sekundernya sama dengan tegangan nominal seku:,::: Pada umumnya daya nominal adalah: 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100. 150. lr r,. 1 r 400,500 VA. Daya nominal yang lebih disukai adalah yang diberi !an- r:. -Pernyataan daya nominal pada trafo tegangan tiga fasa adalah dara per :.-.
lt0
-egangan linggi 'e'a a:ar
Galat Nominal Adalah galat yang terjadi ketika tegangan primer sama dengan tegangan nominal primer dan beban sama dengan burden nominal. Faktor Tegangan Adalah suatu faktor pengali terhadap tegangan nominal primer yang menghasilkan batas tertinggi tegangan pada kumparan primer trafo tegangan dalam waktu terbatas. Dalam batas waktu tertentu, suatu trafo tegangan dapat bekerja di atas tegangan nominalnya. Batas tertinggi tegangan kerja suatu trafo tegangan adalah Vr_.uk, = Faktor Tegangan X Vr_no.inur. Faktor tegangan bergantung kepada metode penyambungan kumparan primer trafo tegangan pada sistem, dan metode pembumian sistem. Nilai faktor tegangan untuk berbagai metode pembumian sistem diperlihatkan pada Tabel 6.2 berikut. TABEL 6.2 Faktor Tegangan Menurut IEC 60044-2
Faktor
Metode Pembumian Sistem
Metode Penyambungan
Tegangan
Waktu
Kumparan Primer
t,2
Kontinu
Antara fasa dengan fasa
Antara titik bintang transformator dengan tanah
1,2
Kontinu
1,5
30 sekon
1,2
Kontinu
t,9
30 sekon
1,2
Kontinu
t,9
8 Jam
Antara fasa dengan tanah Netral sistem dibumikan efektif
Antara fasa dengan tanah Netral sistem dibumikan tidak efektif. dan sistem dilengkapi dengan pemutus arus tanah otomatis Antara fasa dengan tanah Netral sistem terisolasi dari tanah aLau uluurIllKail uetlBaIr KullrpaIaI kompensasi, dan sistem tidak dilengkapi dengan pemutus arus tanah otomatis
Ketahanan Tegangan Frekuensi Daya
Adalah kemampuan trafo tegangan memikul tegangan frekuensi daya
di
atas
nominal dalam waktu terbatas (Tabel 6.3). Ketahanan Tegangan Impuls Adalah batas tertinggi puncak tegangan impuls petir standar dan tegangan impuls hubung-buka yang dapat dipikul trafo tegangan (Tabel 6.3). Ketahanan Tegangan Impuls Terpotong
Adalah kemampuan trafo tegangan memikul tegangan impuls terpotong yang puncaknya 1,15 kali tegangan impuls penuh. Ha1 antara pabrikan dengan pemakai.
6.6
ini perlu jika ada kesepakatan
BEBAN TRAFO TEGANGAN Beban trafo tegangan umumnya adalah alat ukur, lampu indikator dan relai. Daya yang dikonsumsi alat ukur, lampu indikator dan relai pada umumnya dalam orde puluhan r olt-ampere seperti diperlihatkan pada Tabel 6.4.
3z=;- -a'- =]'=- =:TABEL 6.3 Ketahanan Tegangan Frekuensi Daya dan Tegangan lmpuls Tra{o Tega^-::-
Ketahanan Terhad ap Tegangan Tertinggi
Peralatan
(V . . kV-rms) ' maks/
Tegangan Frekuensi
0,72
3
1,2
6
3.6
10
'7)
20
Daya (kY-rms)
Tegangan Impuls
Petir Standar (kY-Puncak)
40 60
28
60 75
r7,5
38
75 95
24
50
36
'10
t45
52
95
250
'12,5
140
325
100
185
450
185
450
230
550
t45 170
245 300
362 420 525 765
95
t25 170
230
550
275
650
275
650 750
325
(k!'-Puncalit
20 40
t2
t23
Tegangan Impuls Hubung-Buka Standar
4@
950 1050
395 460
950 1050
'750
4@
1050
510
tt75
850 950
570 630
1300 1425
1050 1050
630 680
1425 1550
1050
1950 2100
t4?5
395
880
975
850
tt75 1550
Catatan: Nilai tertinggi diambil untuk peralatan pasangan yang berhadapan langsung denr:: tegangan lebih petir. Misalnya, peralatan yang dihubungkan langsung dengan transmisi atau melalui kawat pendek
112
Peralatan Tegangan Tinggi
TABEL 6,4
Konsumsi Daya Meter dan Relai Meter/Relai
Konsumsi (YA)
Konsumsi (YA)
Voltmeter
5
kwh & kVARh-meter
7<
Wattmeter
5
Perekam PF-Meter
7.5
PF- Meter
5
Perekam daya
"t,5
Sinkronoskop
15
Perekam tegangan
Frekuensimeter
6.7
Meter/Relai
5
75
8-70
Relai
PEMILIHAN TRAFO TEGANGAN Hal penting yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan trafo tegangan adalah tegangan nominal primer dan sekunder, frekuensi nominal, daya nominal dan kelas ketelitian yang dibutuhkan. Hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah arus durasi panjang kumparan proteksi, faktor tegangan dan durasi yang diizinkan jika bekerja pada tegangan di atas nominal. Untuk trafo tegangan kapasitif, perlu dipertimbangkan peran kapasitor yang dipilih terhadap kondisi transien sistem atau interaksinya dengan relai sistem proteksi. Jika diharuskan untuk memilih antara trafo tegangan magnetik atau trafo tegangan kapasitif, ada beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan, di antaranya yang terpenting adalah: penggunaannya, penempatan trafo dan biaya. Pada Tabel 6.5 diperlihatkan perbandingan trafo tegangan magnetik dengan trafo tegangan kapasitif. Pada Tabel 6.6 diperlihatkan jenis trafo yang cocok untuk beberapa keperluan.
TABEL 6.5 Perbandingan Trafo Tegangan Magnetik dengan Trafo Tegangan Kapasitif
Trafo Tegangan Magnetik Ketelitian bergantung kepada faktor
Trafo Tegangan Kapasitif
transformasi
Ketelitian bergantung kepada: pembagi tegangan kapasitif; reaktansi; dan faktor transformasi trafo intermediasi
Ketelitian tidak sensitif terhadap perubahan
Ketelitian sensitif terhadap perubahan
frekuensi
frekuensi
Dapat terjadi ferroresonansi dengan sistem
Ferroresonansi dilokalisasi pada rangkaian sekunder
Tidak memiliki fasilitas untuk PLC
Dapat digunakan untuk PLC
Memiliki respon yang baik terhadap transien
Responsnya kurang baik terhadap transien ada gangguan pada sistem
jika ada gangguan pada sistem
jika
Dapat digunakan pada stasiun pembangkit
Dilengkapi dengan sela proteksi
Tidak mempengaruhi ketahanan isolasi sistem
Adanya kapasitansi mempengaruhi ketahanan isolasi sistem
Tingkat tegangan pengujian rendah
Tingkat tegangan pengujian lebih tinggi
Menimbulkan kenaikan tegangan tanah yang rendah pada ketika dipisahkan dari sistem
Menimbulkan kenaikan tegangan tanah yang tinggi pada ketika dipisahkan dari sistem
Bab
6
Trafo Tegangan
113
TABEL 6.6
Jenis Trafo Tegangan Untuk Berbagai Keperluan Jenis T[afo
Untuk Keperluan Voltmeter, kWh-Meter, Sinkronisasi, relai jarak tanpa PLC
Trafo tegangan magnetik
Komunikasi tanpa meter dan relai
I unit trafo tegangan kapasitif per sirkuit
Relai jarak dengan PLC
1
Komunikasi dan meter
1 unit trafo tegangan kapasitifdan 2 unit trafo tegangan magnetik atau 3 unit trafo tegangan kapasitif
unit trafo tegangan kapasitifper fasa
Berikut ini diberikan contoh pemilihan trafo tegangan berdasarkan pertimbangan penggunaan dan biaya. Misalkan sistem mempunyai pen.vulan-s lebih daripada dua dan sistem membutuhkan alat sinkronisasi. Dalam hal ini. salah satu susunan \an-s diperlihatkan pada Gambar 6. 14 dapat di,eunakan. Pada Gambar 6.14a terlihat satu set trato kapasitif dipasang pada setiap penr ulang. Setiap set mencatu te-sangan ke relai jarak lang terpasang pada setiap penlulang. Untuk sinkronisasi dipasang satu unit tratb tegangan kapasitif atau trafo magnetik pada setiap fasa rel day'a. Pemasangan trafo tegan_san kapasitif pada rel da1 a lebih disukai. karena trafo sejenis telah digunakan pada peny'ulang. Dengan demkian. bial'a pengadaan trafo tegangan semakin rendah, sebab biaya pengadaan 1{ unit trafo sejenis adakalanla lebih murah daripada biaya pengadaan y'y' unit trafo berbeda jenis.
Bus 2
I unit TTM
Tfi *T:,1 Line
(a) Keterangan:
TTM = Trafo
TTK =
PTK =
tegangan magnetik Trafo tegangan kapasitif Pembagi tegangan kapasitif
GAMBAR 6.14 Susunan trafo tegangan pada dua gardu induk
1
(b)
114
Peralatan Tegangan
1
rnggi
Pada Gambar 6.14b hanya trafo tegangan kapasitif yang digunakan pada penyulang. Jumlah trafo tegangan kapasitif pada setiap penyulang bergantung kepada kebutuhan. Untuk keperluan meter, sinkronoskop dan relai, tegangan diperoleh dari trafo tegangan magnetik yang dipasang satu set per rel daya. Dalam hal ini, kapasitas trafo tegangan magnetik harus cukup besar supaya mampu melayani konsumsi daya semua peralatan meter, sinkronoskop dan relai. Susunan mana yang akan dipilih dari kedua susunan di atas akhirnya ditetapkan berdasarkan pertimbangan biaya.
6.8
PENGUJIAN TRAFO TEGANGAN Pengujian tegangan tinggi yang dilakukan terhadap trafo tegangan terdiri dari uji jenis, uji rutin dan uji khusus. Uji jenis dilakukan pada suatu jenis trafo tegangan untuk menyatakan bahwa semua trafo sejenis telah memenuhi spesifikasi yang dibutuhkan, termasuk spesifikasi yang tidak diuji pada uji rutin. Jika hasil pengujian sedikit menyimpang dari spesifikasi, hal itu masih dapat diterima, asalkan sudah ada kesepakatan sebelumnya antara pabrikan dan pembeli mengenai penyimpangan itu. Uji rutin dilakukan terhadap setiap unit trafo tegangan, sedangkan uji khusus adalah pengujian di luar lingkup uji jenis dan uji rutin, yang sebelumnya disepakati pabrikan dengan pembeli. Berikut ini akan dijelaskan lingkup pengujian yang dilakukan untuk masing-masing uji jenis, uji rutin dan uji khusus.
Uji Jenis Dalam uji jenis dilakukan pengujian sebagai berikut:
. . . . . . . . . . .
Pengujian Pengujian Pengujian Pengujian Pengujian
kenaikan temperatur ketahanan ketahanan ketahanan ketahanan
memikul arus hubung singkat tegangan tinggi impuls petir tegangan tinggi impuls hubung-buka tegangan tinggi ac pada kumparan primer dan sekunder pada
kondisi basah Pengukuran galat Pengukuran tegangan interferensi radio (radio interference voltage) Pengujian peluahan sebagian Qtartial discharge) Pengukuran rugi-rugi dielektrik Penyetelan panjang sela pelindung Pengujian ferroresonansi
Uii Rutin Setelah
uji jenis selesai, dilakukan pengujian rutin. Uji rutin terdiri dari:
. .
Verifikasi terminal dan polaritas
. . .
Pengukuran galat; Pengujian ketahanan tegangan tinggi ac pada setiap seksi isolasi; dan Pengujian peluahan sebagian
Pengujian ketahanan tegangan tinggi ac pada kumparan primer dan kumparan sekunder
Jika ada pengujian yang non-standar, dan hasilnya tidak sesuai dengan spesifikasi, maka pengujian diulang kembali, setelah pengujian yang lain selesai. Jika pengujian
Bab6 TrafoTegangan
115
ketahanan tegangan ac pada kumparan primer akan diulang, maka tegangan penguji": yang dikenakan hanya 807c daripada tegangan yang dispesifikasikan.
Uii Khusus Uji khusus adalah pengujian
yang telah disepakati sebelumnya oleh pabrikan dan pembeli. Lingkup pengujian pada uji khusus yang dilakukan adalah:
. . . .
6.9
Pengujian ketahanan tegangan impuls terpotong Pengukuran kapasitansi dan rugi-rugi dielektrik kapasitior pembagi tegangan Pengujian mekanikal Pengukuran tegangan lebih yang ditransmisikan pada kumparan primer
INFORMASI DALAM PEMBELIAN TRAFO TEGANGAN Dalam setiap pembelian trafo tegangan, perlu diberikan informasi yang lengkap tentang sistem dan iklim kawasan pemasangan trafo tegangan. Informasi berikut ini merupakan hal-hal yang perlu diberikan pada suatu trafo tegangan.
' . . . . . . . . . . . . .
Tegangan nominal primer dan sekunder Tegangan sistem tertinggi dan pembumiannya Tingkat isolasi sistem Jumlah fasa dan hubungannya Frekuensi
Perbandingan transformasi Kapasitas keluaran per fasa Kelas ketelitian Kelas isolasi Faktor tegangan dan tenggang waktunya Pembumian trafo tegangan Jenis pasangan dan kondisi lokasi pemasangan Batas dimensi Penggunaan
Di bawah ini diberikan contoh spesifikasi Tegangan nominal primer Tegangan nominal sekunder Ketahanan tegangan frekuensi daya Ketahanan tegangan impuls petir Tegangan nominal kumparan proteksi Daya keluaran Faktor tegangan
Arus durasi panjang kumparan proteksi
sua .tu
trafo tegangan:
t32.oool"/3 Y 100//3 v 275 kV 650 kV (puncak) 100/3 v 100 vA, KI.0,2
l.9Vnomlnal .4iam 9A,4jam
Kapasitansi
12.000 pF x.l0%o
Frekuensi
50 Hz
li
t I I I I I
Bab 7
Trafo Arus
ama halnya dengan trafo tegangan, trafo arus tegangan tinggi digunakan untuk memonitor kinerja suatu sistem tenaga listrik. Pengukuran arus pada jaringan tegangan tinggi tak dapat dilakukan langsung seperti padajaringan tegangan rendah, karena selain berbahaya bagi operator, membuat amperemeter yang mampu mengukur langsung arus yang mengalir pada jaringan tegangan tinggi adalah hal yang sulit. Pada sistem tenaga listrik ditemukan juga relai-relai proteksi yang mengontrol kinerja sistem tenaga listrik. Relai-relai tersebut juga membutuhkan besaran sensor berupa arus lemah. Oleh karena itu, diperlukan trafo arus untuk mentransformasi arus kuat pada suatu jaringan ke suatu nilai arus lemah supaya dapat diukur amperemeter dan dapat dimanfaatkan sebagai besaran sensor pada relai proteksi. Berikut ini akan dijelaskan tentang fungsi, prinsip kerja dan karakteristik trafo arus. Kemudian akan diuraikan tentang jenis-jenisnya, definisi-definisi yang berkaitan dengan karakteristik trafo arus dan cara menentukan spesifikasi suatu trafo arus untuk suatu keperluan tertentu. Di samping itu diberikan juga penjelasan tentang jenis-jenis pengujian tegangan tinggi yang dilakukan pada suatu trafo arus tegangan tinggi.
7.1
FUNGSI TRAFO ARUS Trafo arus digunakan untuk pengukuran arus yang besarnya ratusan ampere dan arus yang mengalir dalam jaringan tegangan tinggi. Jika arus yang hendak diukur mengalir pada jaringan tegangan rendah dan besarnya di bawah 54, maka pengukuran dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan suatu ammeter yang dihubungkan seri dengan jaringan. Tetapi jika arus yang hendak diukur mengalir pada jaringan tegangan tinggi, meskipun besarnya di bawah 5A, maka pengukuran tidak dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan suatu ammeter, karena cara yang demikian berbahaya bagi operator. Cara itu juga berbahaya bagi ammeter yang digunakan karena isolasi ammeter tidak dirancang untuk memikul tegangan tinggi. Jika arus yang hendak diukur mengalir pada jaringan tegangan rendah dan besamya lebih daripada 5A, maka pengukuran tidak dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan suatu ammeter, karena pada umumnya, batas kemampuan ammeter hanya mengukur arus di bawah 5A.
Bab
(a) Tegangan rendah
(&) Tegangan menengah
7
117
Trafo Arus
(c) Tegangan tinggi
GAMBAR 7.1 Trafo arus
Pada Gambar 7.1 diperlihatkan contoh trafo arus yang digunakan untuk tegangan rendah, tegangan menengah dan tegangan tinggi. Di samping untuk pengukuran arus, trafo arus juga dibutuhkan untuk pengukuran daya dan energi; dibutuhkan juga untuk keperluan telemeter dan relai proteksi. Kumparan primer trafo arus dihubungkan seri dengan jaringan atau peralatan yang akan diukur arusnya, sedangkan kumparan sekunder dihubungkan dengan meter atau relai proteksi. Pada umumnya peralatan ukur dan relai membutuhkan arus 1 atau 5A. Trafb arus bekerja sebagai trafo yang terhubung singkat. Rentang kerja trafo arus yang digunakan untuk pengukuran biasanya 0,05 sampai l,2kali arus yang akan diukur. Trafo arus untuk tujuan proteksi dirancang sedemikian sehingga mampu mengalirkan arus lebih daripada 10 kali arus nominalnya.
7.2
PRINSIP KERJA TRAFO ARUS Trafo arus dibutuhkan untuk mengubah arus kuat menjadi arus lemah sebesar 1--i
A yang sebanding dan satu fasa dengan arus primer. Pada Gambar 7.2 diperlihatka::
Kumparan
(a) Bagian utama trafo arus
GAMBAR 7.2 Bagian utama dan rangkaian ekuivalen trafo arus
(b) Rangkaian ekuirale: ---.,'
-
118
tre'aratan Tegangan linggi
bagian utama trafo arus dan rangkaian ekuivalennya dilihat dari sisi sekunder. Prinsip kerjanya sama dengan trafo daya satu fasa. Jika pada kumparan primer mengalir arus 1,. maka pada kumparan primer timbul gaya gerak magnet sebesar N,1,. Gaya gerak magnet ini memproduksi fluks pada inti. Fluks ini membangkitkan gaya gerak listrik pada kumparan sekunder (82). Jika terminal kumparan sekunder tertutup, maka pada kumparan sekunder mengalir arus 1r. Arus ini menimbulkan gaya gerak magnet NrI, pada kumparan sekunder. Bila pada trafo arus tidak ada rugi-rugi daya (trafo ideal), maka berlaku persamaan:
N,I, = N,I,
7.1
atau
,,
Iz =*, Nl Dalam hal
ini:
N, N2
Il I2
7.2
Jumlah belitan kumparan primer Jumlah belitan kumparan sekunder Arus pada kumparan primer (A) Arus pada kumparan sekunder (A)
Tegangan pada terminal sekunder (Vr) bergantung kepada impedansi Zr, yaitu impedansi gabungan peralatan dan kabel penghubung yang tersambung pada terminal sekunder trafo arus. Tegangan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:
Vz=
IzZz
7'3
Jika resistansi dan reaktansi bocor kumparan trafo arus dinyatakan dalam impedansi internal 2,, maka gaya gerak listrik pada kumparan sekunder harus lebih besar daripada tegangan sekunder agar rugi-rugi tegangan pada impedansi Z,dapat dikompensasi. Oleh karena itu, persamaan di bawah ini harus dipenuhi:
Er-Vr- Ez- IrZr=
IrZ,
7.4
atau
Ez= IzZ,+ I,Zi= Iz(Zr+ Z)
7'5
Dalam praktiknya trafo arus selalu mengandung arus eksitasi atau arus beban Ams beban nol menimbulkan fluks bersama (d) yang dibutuhkan untuk membangkitkan gaya gerak listrik E . Hubungan fluks bersama (@) dengan gaya gerak listrik E, adalah sebagai berikut:
nol
(1p).
Ez= Dalam hal ini:
f=
o= A_ B_
4,44
f
Nz
d = 4,44 f
N2
AB
7.6
Frekuensi tegangan (Hz)
Fluks bersama (weber) Luas penampang inti trafo arus (m2) Rapat medan magnetik (weber/m2)
Gaya gerak listrik inilah yang mempertahankan aliran arus I, pada impedansi (22 + Z). Maka, ampere belitan yang ditimbulkan arus beban nol (N,10) harus dapat mengimbangi ampere belitan yang ditimbulkan arus primer (N,1,) dan ampere belitan yang ditimbulkan arus sekunder (N212). Hubungan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk fasor:
Bab
7
119
Trafo Arus
'i-
N,Io-N,I,+NrI, Jika arus
1o
diabaikan maka
N,I, = -N2lz atau besaran N,1, = Nr1r,
atau sama
dengan Persamaan 7.1 di atas. Dalam perencanaan suatu trafo arus, ditetapkan batas tertinggi arus kontinu yan-e mengalir pada belitan primer dan belitan sekunder, masing-masing disebut arus nominal
primer dan arus nominal sekunder. Perbandingan arus nominal primer dengan
arus
nominal sekunder disebut faktor rasio nominal. Pada rangkaian sekunder suatu trafo arus ditemukan tiga impedansi yang terhubung seri, yaitu: impedansi belitan sekunder trafo arus; impedansi kabel penghubung terminal
trafo arus dengan meter atau relai; dan impedansi relai atau meter. Jumlah
semua
impedansi tersebut disebut burden. Perbedaan utama trafo arus dengan trafo daya adalah:
a.
Jumlah belitan kumparan primer trafo arus sangat sedikit, tidak lebih daripada
lima belitan.
b.
Arus primer tidak dipengaruhi arus beban yang terhubung pada kumparan
c. d.
sekundernya, karena arus primer ditentukan oleh arus pada jaringan yang diukur. Semua beban pada kumparan sekunder dihubungkan seri. Terminal sekunder trafo arus tidak boleh terbuka, oleh karena itu terminal kumparan
sekunder harus selalu dihubungkan dengan beban atau dihubung singkat jika bebannya belum dihubungkan.
Berikut ini akan drjelaskan mengapa terminal sekunder trafo arus tidak boleh terbuka. Jika arus sekunder nol, maka Persamaan 7.7 menjadi: N,1o
= N,
1,
Karena 11 tidak berubah, maka fasor Nt10 yang berubah semakin besar sehingga sama dengan fasor N, 1,. Telah dijelaskan bahwa Nrlo membangkitkan fluks bersama td' pada inti trafo. Oleh karena itu, kenaikan N,1o akan memperbesar fluks bersama td' Rugi-rugi inti suatu trafo arus berbanding kuadrat dengan fluks, sehingga kenaikan fluks bersama (@) akan memperbesar rugi-rugi inti. Rugi-rugi inti menimbulkan pana. pada inti trafo, sehingga temperatur inti semakin tinggi. Akibatnya isolasi kumparan trafo arus rusak. Hal ini akan menimbulkan hubung singkat pada kumparan tratb. Di samping itu, gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada kumparan sekunder juga aka:r bertambah besar. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada isolasi kumparan.
7.3
GALAT TRAFO ARUS Sama halnya dengan trafo tegangan, pada trafo arus ditemukan juga galat risiLr Jan galat sudut. Galat ini terjadi karena adanya arus beban nol pada trafo aru:. Pen,saruh arus beban nol ini dapat terlihat pada diagram fasor. Pada diagram fasor di Gambar 7.3 di halaman 120 terlihat bahsa aru: ttban nol
mengakibatkan dua hal. yaitu:
a.
I, N. i- i,
b.
Arus 1, tidak satu fasa lagi dengan 1r, hal ini menimbulkan kesalahan sudut.
hal ini menimbulkan galat rasio.
120
Pe:a a:ar Tegangan
linggi
Rasio nominal suatu trafo arus adalah perbandingan jumlah belitan sekunder dengan jum-lah belitan primer, atau:
, N, *r=N=
1,,
7.8
L,
Jika suatu ketika suatu trafo arus mengukur sembarang arus 1,, dan arus di belitan sekundernya adalah Ir, maka menurut Gambar 1.3, galat rasio trafo arus tersebut adalah:
- Nrlr -N/, N212
y=
I
I
-l*J,-r,l
11,
x
rooz,
7.9
I
sedangkan galat sudut (6), yaitu beda sudut fasa fasor (NrI,) dengan fasor adalah sama dengan jumlah proyeksi NrI, dan N,Io pada N,1,, yaitu:
Nrlr = NrI,
=
cos
NzIz cos
6+
(-Nrlr). N,1,
N,1o cos a
6 + N,1o cos (es - 6 -
9rS
Karena 6 = 0, maka N,1, menjadi:
Nrlr = NrI, + N,Io cos (go -
IrX"'
/
GAMBAR 7.3 Diagram fasor ampere belitan trafo arus
qz)
1.10
Bab
7
121
Trafo Arus
Dari Persamaan 7.10, diperoleh arus primer:
It
IrN, + 1oN, cos (Eo =
-
ez) 1
Nl
Jika rasio trafo arus ketika mengukur sembarang arus
1,
adalah O, =
Persamaan 7.11 dibagi dengan 1r, maka diperoleh:
lt N, . ki= -=l2 Nl
Io cos (90
dan
9r)
12
In cos (go
,
= ir-
-
l,
.11
-
gz)
1.12
L
Persamaan 7.9 dapat dituliskan sebagai berikut:
1=
kn-tJI2lxrcos" r1tr2 |
k - kl
7.13
r00vo
Tlx
Substitusi Persamaan 7.12 ke Persamaan 7.13 menghasilkan:
kt^ kn
I,
+
1o
cos (go
-
9r)
-1 x lo0%o
1.t4
Persamaan 7.14 menunjukkan bahwa galat bergantung kepada arus beban nol (/o). = 0, maka galat y = 0. Keadaan seperti ini tercapai hanya pada trafo arus ideal, yaitu trafo arus tanpa rugi-rugi inti. Karena 5 sangat kecil, maka tg 5 dapat dianggap sama dengan 6, sehingga galat sudut 5 dapat ditulis sebagai berikut:
Jika
1n
6=tg5=
1n
N, sin (Eo - Ez) N, 1, cos 5
Karena eo= 90", maka sin (Eo - E) = coS gz. Selain itu, 5 = 0, maka cos 6 Dengan demikian, galat sudut dapat ditulis:
d=--
7.15
= l.
I^ N, cos g,
N, I, 1o
g, Nr. I, cos
1o
cos g,
k, I,
7.16
1V,
Persamaan l.l4 dan 7.16 menunjukkan bahwa faktor-faktor yang mempen-earuhi galat suatu trafo arus adalah:
a. b. c. d.
arus beban nol (1s) arus sekunder (1r) faktor daya (9r) frekuensi (karena I, Is, e0 dan E, bergantung kepada frekuensi)
122
Peralatan Tegangan I rnggi
Pada Gambar 7.4 diperlihatkan pengaruh arus sekunder terhadap galat rasio dan galat sudut. Dilihat dari sisi sekunder, arus beban nol pada suatu trafo arus dapat dituliskan sebagai berikut:
Io= Dalam hal
ini:
11
I Po
lL,
= = = =
HI N2
=-llo BI lL, Nz
7.17
Gaya gerak magnetik (A/m) Panjang lintasan magnetik pada inti trafo arus (m) Permeabilitas udara = 4 r x 10-7 H/m Permeabilitas relatif inti trafo
Dari Persamaan J.6 dapat diperoleh nilai rapat magnetik B, dan jika nilai ini disubstitusikan ke dalam Persamaan '7.17 maka akan menghasilkan:
'o
-
4.4
I
E. I A po tr, Nr'
7.r8
Menurut persamaan di atas, arus 1o dapat diperkecil dengan cara: memperpendek lintasan rangkaian magnetik (/) membuat inti dari bahan yang permeabilitasnya luas penampang inti trafo (A) memperbanyak jumlah belitan sekunder (Nr)
(p,) tinggi; atau
memperbesar
Dari beberapa hubungan penting ini dapat dilihat bahwa perancangan trafo arus sangat unik. Galat sebanding dengan panjang jalur magnet pada inti besi (/) dan berbanding terbalik dengan luas penampang inti besi A. Hal penting lain yang berpengaruh terhadap parameter trafo arus adalah gaya gerak magnet pada kumparan primer dan sekunder. Hubungan kedua gaya gerak magnetik tersebut adalah sebagai berikut:
1,, N, = 1,, N,
1,2 ohm, cos
I
1.19
= 0,6 1,2 ohm, cos
0,6 ohm, cos
I
9=
1,0
= 0.6 0.6 ohm. cos
2
(a) Galat rasio
GAMBAR 7.4 Pengaruh arus sekunder terhadap galat trafo arus
(b) Galat sudut
.p
=
1,0
Bab
7
Trafo Arus
123
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 t,0 GAMBAR 7.5 Kurva magnetisasi baja silikon dan baja nikel
Galat dapat juga diperkecil dengan memperbanyak jumlah belitan sekunder (Nr). Tetapi, penambahan jumlah belitan sekunder harus dibarengi dengan penambahan jumlah belitan primer agar Persamaan '7.19 tetap terpenuhi. Akibatnya, jika terjadi hubung singkat pada sistem, maka arus hubung singkat yang mengalir pada belitan primer akan membangkitkal gaya gerak magnetik (A/111,.) yang sangat besar pada belitan primer. Gaya gerak magnetik ini menimbulkan tekanan dinamis yang besar pada kumparan trafo arus. Oleh karena itu, penambahan jumlah belitan primer ada batasnya. Untuk memperoleh trafo arus berakurasi tinggi, inti trafo arus dibuat dari bahan campuran besi-nikel. Permeabilitas bahan ini relatif tinggi, tetapi menghasilkan ga1 a gerak listrik rendah, karena saturasi rapat fluks (B) yang dihasilkannya rendah. Pada kurva magnetisasi yang diperlihatkan pada Gambar 7.5 terlihat bahwa nilai terting_ei rapat fluks baja-nikel sekitar 7 x 103 gauss. Trafo arus yang digunakan untuk proteksi. intinya dibuat dari campuran baja-silikon, yakni bahan yang mempunyai saturasi rapar fluks yang tinggi. Pada Gambar 7.5 diperlihatkan bahwa saturasi rapat fluks baja-silikor: besarnya di atas 16 x 103 gauss. Jika dilakukan penambahan I dalam rangka mengurangi kuat medan elektrik pac: isolasi trafo arus, maka galat akan bertambah. Agar galat tidak bertambah, maka l:'. penampang inti harus diperbesar, akibatnya volume inti trafo bertambah secara kuadr:::i. oleh karena itu dibutuhkan jenis konstruksi yang sangat kompak untuk mendapa:i.-panjang inti besi yang sekecil mungkin.
7.4
GALAT KOMPOSIT Pada Gambar 7.6 diperlihatkan karakteristik magnetisasi suatu trafo arus. K::-.t:magnetisasi trafo arus ideal adalah berupa garis lurus berwarna gelap ,.r -;;-_r karakteristik magnetisasi trafo arus aktual adalah seperti garis beru.ami -ir:-
-.
124
Peralatan Tegangan Tinggi
GAMBAR 7.6 Kurva magnetisasi trafo arus
Dalam praktiknya, pada trafo arus dengan inti besi tertutup (tanpa sela), ketika puncak arus pada belitan primernya melebihi 1,s, kurva arus sesaat pada belitan sekundernya tidak lagi berbentuk sinusoidal murni. Keadaan seperti ini dapat terjadi jika pada belitan primer mengalir arus hubung singkat. OIeh karena itu, galat rasio tidak dapat lagi dihitung dengan Persamaan 7.9. Pada keadaan seperti ini, galat disebut galat komposit yang dihitung dengan persamaan 7.20'
Galat komporU =
= = iz = Z= k =
Dalam hal ini: 1r
1r
f
lf r0,,,. -
7a
1.20
0
Nilai efektif arus primer Arus sesaat Primer Arus sesaat sekunder
l
Periode gelombang arus sesaat (7--) Jststem Rasio transformasi nominal
Unjuk kerja suatu trafo arus ketika belitan primernya dialiri arus hubung singkat, digambarkan dengan faktor arus lebih n. untuk menyatakan bahwa ketika arus primer sama dengan nlb,, galat masih dalam batas yang ditentukan. Untuk suatu trafo arus, telah dibuat suatu standar untuk menyatakan batas galat dan faktor pengali arus lebih, misalnya: O,5lM5;10P20; dan lain-lain. Simbol Mmenunjukkan trafo arus adalah untuk pengukuran; dan simbol P menunjukkan bahrva trafo arus adalah untuk proteksi' Trafo arus O,5lM5, menunjukkan bahwa trafo arus adalah untuk pengukuran, dan jika arus primer sama dengan lima kali arus nominal primer, maka batas galat tertinggi adalah 0,57o. Simbol 10P20 menunjukkan bahrva trafo arus adalah untuk keperluan proteksi, < 109a. dan ketika arus primer 20 kali arus nominal primer, total galat
Bab
7.5
7
Trafo Arus
125
BURDEN TRAFO ARUS Sebelumnya telah dinyatakan bahrva burden adalah semua impedansi yang ditemukan pada rangkaian sekunder trafo arus. Burden dinyatakan dalam impedansi dan faktor daya atau daya dalam VA. Burden nominal suatu trafo arus ditetapkan lebih besar daripada burden total yang akan terdapat pada rangkaian sekunder trafo arus tersebut. Jumlah semua impedansi pada rangkaian sekunder adalah: Burden total = Z, + Z,r+ Zr
1.21
Dalam hal ini, Z, adalah impedansi kumparan sekunder trafo arus, Zu adal.ah impedansi alat ukur, relai, atau peralatan yang terhubung pada terminal sekunder trafo arus; dan Zr adalah impedansi kabel penghubung peralatan dengan terminal trafo arus. Impedansi kabel penghubung dapat dianggap hanya berupa resistansi (R*). Nilai tahanannya bergantung pada penggunaan trafo arus. Jika jarak antara terminal trafo arus dengan peralatan adalah / (meter), resistivitas kabel adalah p (ohm . mm2/m; dan luas penampang kabel adalah A (mm2), maka nilai resistansi kabel penghubung adalah seperti diperlihatkan pada Tabel 7.1. Jika S,, (VA) adalah burden satu peralatan pada rangkaian sekunder trafo arus dan arus nominal peralatan tersebut dalam ampere adalah 1,,, maka impedansi peralatan tersebut dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini:
s 7,--+ o I:
1.22
n
Burden berbagai alat ukur diperlihatkan pada Tabel 7.2, sedangkan burden berbagai
relai diperlihatkan pada Tabel 7.3.
TABEL 7.1
Nilai Resistansi Kabel Penghubung
Nilai Resistansi Kabel Penggunaan C? Meter satu fasa
Penghubung (ohm)
Rr=
2pl A
ol
Meter tiga fasa beban setimbang
R.KA -',
Meter tiga fasa beban tidak setimbang
R,_ *A
Relai gangguan fasa-ke-tanah Netral sistem dibumikan
Rr=+
Relai gangguan fasa-ke-tanah Netral sistem tidak dibumikan
R.KA
Relai gangguan tiga fasa
_' R,rA
2ol
ol
=L
ol
126
Peralatan Tegangan Tinggi
Burden nominal yang tercantum pada papan nama suatu trafo arus adalah total burden tertinggi pada rangkaian sekunder trafo arus, yang membuat kesalahan pengukuran sama dengan ketelitian yang tercantum pada papan nama trafo arus tersebut. Burden
nominal trafo arus yang sudah distandarisasi antara lain adalah: 2,5; 5; 7,5; l0;,
15;"
dan 30 VA. TABEL 7.2
Burden Alat Ukur Pada 54,/50 Hz Alat Ukur
Burden
(vA) Ammeter
3
Wattmeter
5
Faktor daya-meter
5
Perekam arus
3
Perekam daya
5
Perekam faktor daya
5
kWh dan KVAR meter
5
TABEL 7.3
Burden Relai Pada Arus Nominal Jenis Relai
Burden (VA)
Relai Arus Lebih
2
1,5-5
Relai arus lebih-waktu terbalik Relai arus balik
1,8
Relai daya balik
0,07
-
3,5
Relai dava
0,23
-
1t,5
Relai diferensial Relai Jarak
7.6
0,8-6 2-25
FAKTOR KEJENUHAN Pada Gambar 7.6, terlihat bahwa ketika arus primer mencapai 1,,, rapat magnet pada
inti trafo arus mengalami kejenuhan. Perbandingan arus primer yang membuat rapat magnet pada inti trafo arus mengalami kejenuhan (1,,), dengan arus nominal primer(11,)
disebut faktor kejenuhan (fl*), atau:
,F k _
I,B l.l
J
Iu,_ q,
7.23
B, dapat dianggap konstan dan tidak bergantung pada besaran burden, sedangkan B,berbanding lurus dengan impedansi burden. Dengan demikian faktor kejenuhan dapat dituliskan sebagai berikut.
r-1-1 'k B,
Z
7.24
Bab
7
Trafo Arus
127
Faktor kejenuhan bergantung kepada impedansi burden. Maka, faktor kejenuhan harus dinyatakan untuk nilai burden tertentu. Jika faktor kejenuhan ketika impedansi burden nominal (2,,) adalah Fr,,, maka faktor kejenuhan pada sembarang burden ({) adalah:
Fr, = Fn,,
Z 1.25
i
Untuk keperluan proteksi, inti trafo arus harus lambat mengalami kejenuhan: biasanya memiliki faktor kejenuhan tinggi yakni Fo = 10. Sedangkan trafo arus untuk pengukuran harus segera jenuh. agar ketika arus hubung singkat mengalir pada belitan primer, arus tidak naik secara linier mengikuti arus hubung singkat tersebut. Dengan demikian. peralatan pada beiitan sekunder trafo arus tidak mengalami kerusakan. Maka. trafo arus untuk pen-eukuran memiliki faktor kejenuhan rendah, yakni F.. = 5. Untuk penggunaan pengukuran. trafo arus biasanya dioperasikan pada bagian kurva magnetisasi yang linier. Faktor kejenuhan dapat juga dipergunakan untuk memperkirakan luas penampan-e
inti suatu trafo arus: F'"
l2nz"
A =Ci '" NDalam hal
ini:
A.I C.I
) (cm-)
= Luas penampang inti trafo arus = Konstanta yang bergantung kepada
1.26
bahan
inti (untuk baja cold
rolled oriented nilainya adalah 25) F, I^zil
Z, N2
7.7
= Faktor kejenuhan nominal = Arus nominal sekunder = Impedansi burden nominal = Jumlah belitan sekunder
KETAHANAN TERHADAP ARUS HUBUNG SINGKAT Trafo arus terhubung seri dengan jaringan sehingga belitan primer trafo arus haru. mampu memikul arus hubung singkat yang terjadi pada jaringan. Jika trafo arus ru>;r. ketika belitan primernya dialiri arus hubung singkat, maka relai proteksi yang menr;r beban trafo arus tidak bekerja. Dengan kata lain, peralatan sistem tidak terlinduns: Setiap trafo arus harus dilengkapi dengan informasi tentang besaran dan du::arus waktu singkat. Informasi ini diperoleh dengan menghitung arus hubuns :ir-.;r.. terbesar jika gangguan hubung singkat terjadi di lokasi pemasangan trafo &ru:. :i:dapat juga diperoleh dari data daya pemutusan pemutus daya yang bekerja sama c--. i ; trafo arus tersebut. Jika penentuan besaran dan durasi arus waktu singkat tidaii :,r-'maka ketika terjadi hubung singkat trafo arus dapat mengalami kerusakan. Adanya arus hubung singkat pada belitan trafo arus mengakibatkan du: i-*,- *efek, yaitu efek termal dan efek gaya dinamis.
Arus Terma! Waktu Singkat Arus termal waktu singkat (1,r) adalah arus efektif tertinggi yang dapar C,; , - -. selama I (satu) sekon tanpa menimbulkan perubahan sifat mekanik c:- r--_t listrik pada trafo arus itu-sendiri. Besar arus termal waktu sinskar *.':---t--.
128
r:-aratan Tegangan Tlnggi
besar atau sama dengan arus hubung singkat tertinggi yang diperkirakan akan mengalir pada kumparan primer trafo arus. atau tidak boleh kurang daripada kapasitas pemutusan
arus pemutus daya yang bekerja sama dengan trafo arus tersebut. Arus termal waktu singkat dapat juga dihitung dengan rumus di bar.vah ini.
/" =yr6 s,,,
'7.21
Dalam hal ini, s,,. adalah tingkat daya hubung singkat sistem jika hubung singkat terjadi di titik instalasi trafo arus; dan v adalah tegangan fasa-ke-fasa sistem. Jika arus termal waktu singkat dinyatakan dalam sembarang waktu /,, maka arus termal waktu singkat dihitung dengan rumus di bar,vah ini.
Irr.(=
T,,
7.28
fl
Perbandingan arus termal waktu singkat dengan arus nominal primer (1,,,) disebut
faktor termal waktu singkat, atau:
Faktor Termal Waktu Singkat (FTWS) =
I
II
T
1.29
Arus Dinamis Waktu Singkat Puncak arus hubung singkat pada periode transien dapat mencapai 2,5 kali arus termal waktu singkat, 1rr. Arus ini menimbulkan gaya elektromagnet pada belitan primer trafo arus. Trafo arus harus mampu memikut gaya elektromagnetik tersebut. Arus dinamis waktu singkat (Ior) adalah nilai puncak arus tertinggi yang dapat mengalir di kumparan primer trafo arus selama setengah periode, tanpa menimbulkan perubahan pada karakteristik trafo. Nilai standar IEC arus dinamis waktu singkat (puncak) adalah: 2,5 x 1,, untuk frekuensi sistem 50 Hz dan 2,6 x Ir, untuk frekuensi sistem 60 Hz. Perbandingan arus dinamis waktu singkat dengan puncak arus nominal primer trafo arus (1,,,) disebut faktor dinamis waktu singkat, atau:
Faktor Dinamis Waktu Singkat (FTW$ =
b
1,,
1.30
Tekanan mekanis yang dialami trafo arus pada saat hubung singkat bergantung pada nilai puncak arus tertinggi, jumlah belitan kumparan primer dan konfigurasi kumparan. Tekanan mekanis dapat dikurangi dengan mengurangi jumlah belitan dan memperkecil diameter kumparan. Puncak arus tertinggi yang dapat dipikul suatu trafo arus bergantung kepada faktor dinamis waktu singkat. Faktor ini umumnya adalah 50 100' Untuk trafo arus komersil dapat dirancang antara 200 400. Jika faktor dinamis -
rvaktu singkat lebih dari 400, maka sebaiknya digunakan trafo arus jenis konduktor tunggal. Tetapi trafo arus jenis konduktor tunggal mempunyai burden, ketelitian dan faktor batas ketelitian yang terbatas. Jika ternyata burden, ketelitian dan faktor batas ketelitian tersebut tidak sesuai dengan kebutuhan, maka dipilih trafo arus jenis belitan yang arus nominal primernya ditinggikan sedemikian sehingga faktor dinamis waktu singkat tidak melebihi 400.
Bab
I
Trafo Arus
129
7.8 JENIS-JENIS TRAFO ARUS Jenis trafo arus dapat dibagi menurut jumlah dan konstruksi kumparan primernra: menurut jumlah rasio: menurut jumlah inti; menurut ketelitian; menurut reaktansi dan menurut konstruksi isolasinya. Berikut ini akan dijelaskan jenis-jenis trafo arus menurut keempat pemba,uian tersebut.
Jenis Menurut Jumlah dan Konstruksi Kumparan Primer Jenis trafo arus ditinjau dari konstruksi belitan primernya terdiri dari jenis kumparan (wotrnd npa) dan jenis konduktor tunggal. Jenis konduktor tunggal terdiri dari duajenis. jenis cincin dan jenis bar. Bentuk ketiga jenis trafo ini diperlihatkan pada Gambar 7.7. Jenis cincin belum dilen-skapi dengan belitan primer, hanya terdiri dari inti dan belitan sekunder, tetapi dapat langsung dirangkaikan pada konduktor yang arusnya akan diukur. Jenis cincin terbagi la-ei atas jenis bushing dan jenis terbuka. Jenis bushing digunakan untuk mengukur arus pada konduktor yang sudah diisolasi penuh. Misalnya. untuk mengukur arus keluaran trafo daya, trafo arus dipasang pada bushing trafo daya. Dalam hal ini, isolasi belitan primer dengan inti trafo arus adalah isolasi dari bushin-e itu sendiri, sehingga tidak dibutuhkan lagi isolasi tambahan. Trafo arus jenis cincin terbuka, intinya dilengkapi dengan isolasi untuk mengisolir belitan primer dengan inti. Trafo arus ini digunakan untuk pengukuran arus pada konduktor telanjang, misalnya rel daya pada panel daya. Trafo arus jenis kumparan digunakan untuk pengukuran arus rendah, untuk burden yang besar dan untuk pengukuran yang memerlukan ketelitian tinggi. Jumlah belitan primernya bergantung kepada arus primer yang akan diukur, biasanya dibatasi tidak lebih daripada 5 belitan dan dirancang menghasilkan gaya gerak magnet kira-kira 1200 ampere-belitan. Meskipun dimungkinkan memperoleh trafo arus yang memiliki burden besar dan ketelitian yang tinggi, adalah tidak lazim memilih trafo arus yang burden dan ketelitiannya melebihi daripada kebutuhan. Penambahan jumlah belitan primer akan mengurangi kemampuan trafo arus memikul efek termal dan gaya dinamis yang terjadi pada kumparannya, ketika kumparan primer dialiri arus hubung singkat sistem. Trafo arus jenis konduktor tunggal digunakan untuk pengukuran arus besar (ribuan ampere). Konstruksinya sangat sederhana dan kokoh sehingga trafo arus ini mampu menahan arus hubung singkat yang besar, atau dengan kata lain mampu memikul efek termal dan gaya dinamis yang terjadi pada kumparannya, ketika kumparan primer
(a) Jenis
kumparan
(D) Jenis cincin
GAMBAR 7.7 Jenis trafo arus dilihat dari konstruksi kumparan primer
(c') Jenis bar
130
Peralatan Tegangan Tinggi
dialiri arus hubung singkat sistem. Tetapi, trafo arus jenis konduktor tunggal dengan arus nominal primer rendah memiliki ketelitian yang rendah. Hanya pada arus primer nominal > 1000 A diperoleh ketelitian yang lebih tinggi. Ketelitian trafo arus jenis konduktor tunggal dapat juga ditinggikan dengan menambah luas penampang intinya (memperbesar A pada Persamaan 7.18). Akibatnya, dibutuhkan volume isolasi yang semakin besar, sehingga biayanya menjadi lebih tinggi.
Jenis Menurut Jumlah Rasio Berdasarkan jumlah rasio yang disediakan trafo arus terbagi atas dua jenis, yaitu trafo arus rasio tunggal dan trafo arus rasio ganda. Untuk memperoleh trafo arus rasio ganda, jumlah belitan kumparan primer diperbanyak. Kumparan-kumparan itu dapat dihubungkan seri atau paralel. Trafo arus rasio ganda dapat juga diperoleh dengan mengubah jumlah belitan sekundemya. Agar trafo arus dapat digunakan untuk mengukur arus yang besar, maka belitan primer biasanya dibagi menjadi beberapa kelompok yang dapat dihubungkan seri atau
paralel. Dengan demikian arus primer nominal trafo arus dapat diatur, misalnya 1,2 dan 4 kali arus nominal. Perubahan arus primer nominal membuat rasio arus nominal bervariasi, namun galat tetap tidak berubah untuk setiap rasio yang dipilih, karena amperebelitan tidak berubah pada setiap rasio. Tetapi, ketika belitan primer dihubungkan seri, ketahanan arus waktu singkat lebih rendah daripada ketika belitan primer dihubungkan paralel, dan ketahanan arus hubung singkat trafo arus menjadi berkurang. Rasio ganda pada trafo arus jenis kumparan diperoleh dengan merangkai kumparan primernya dalam hubungan seperli diperlihatkan pada Gambar 7.8. Jika arus nominal tiap unit kumparan dimisalkan 100 A, maka dengan rangkaian seperti diperlihatkan pada Gambar 7.8b, diperoleh arus nominal sebesar 200 A; dan dengan rangkaian seperti diperlihatkan pada Gambar 7.8c, diperoleh arus nominal sebesar 400 A. Rancangan seperti ini sangat menguntungkan, terutama jika tidak ada arus hubung singkat yang mengalir pada sisi primernya, misalnya trafo arus yang digunakan di laboratorium. Dengan cara seperti ini, dapat diperoleh beberapa ragam rasio tanpa mengorbankan burden dan ketelitian. Untuk memperoleh arus nominal primer dan arus waktu singkat yang tinggi, kumparan primer trafo arus terbuat dari konduktor tunggal. Pada trafo arus jenis konduktor tunggal, rasio ganda diperoleh dengan membuat sadapan di kumparan sekundernya. Tetapi perlu diperhatikan bahwa daya keluaran sebanding dengan kuadrat ampere-belitan sekundernya. Jika rasio dikurangi menjadi setengah, maka kapasitas dayanya berkurang menjadi seperempat daripada semula, tetapi arus termal waktu singkat tetap seperti semula. Kelas ketelitian dinyatakan pada saat semua belitan sekunder digunakan.
t,tt1(X)A
(b) 200 A
GAMBAR 7.8
?:ro
(c) ,+00 A
Bab
7
Trafo Arus
131
Jenis Menurut Jumlah lnti Trafo arus dapat juga dibuat memiliki beberapa inti, dan masing-masing inti dililir dengan sebuah belitan sekunder, tetapi dieksitasi oleh satu belitan primer. Dengan cara ini, sifat-sifat inti dapat dioptimalkan sehingga sifat inti yang satu cocok unruk pengukuran dan sifat inti yang lain cocok untuk proteksi. Berdasarkan jumlah intin1,a, trafo arus dapat dibagi atas dua jenis, yaitu trafrr arus inti tunggal dan trafo arus inti Trafo arus inti ganda digunakan jika sistem -eanda. membutuhkan arus untuk pengukuran dan proteksi. Pada Gambar 7.9 diperlihatkan trafo arus dua inti, satu intinya digunakan untuk keperluan proteksi dan satu lagi untuk keperluan pengukuran. Jika terjadi gangguan pada sisi primer suatu trafo arus, gangguan itujuga dirasakan pada rangkaian sekunder trafo arus tersebut. Relai proteksi pada rangkaian sekunder trafo arus tidak membutuhkan ketelitian yang tinggi, tetapi harus dapat mentransformasi arus gangguan, sehingga relai bekerja, dan sistem proteksi beroperasi dengan baik. Inti trafo arus untuk pengukuran terbuat dari bahan yang jenuh pada arus rendah. sehingga besar arus belitan sekunder tetap dalam batas kemampuan ammeter sekalipun arus di belitan primer naik beberapa puluh kali arus nominalnya, sehingga ammeter tidak menjadi rusak ketika arus primer sangat besar. Sebaliknya, inti yang digunakan untuk relai proteksi harus terbuat dari bahan yang jenuh pada arus tinggi, sehingga arus sekunder tetap sebanding dengan arus primer sekalipun arus primer naik sampai sepuluh atau lima belas kali arus nominal primer.
Jenis Menurut Ketelitian Ciri suatu trafo arus yang digunakan untuk pengukuran adalah: bekerja pada kondisi sistem normal; membutuhkan ketelitian tinggi; burden rendah; dan jenuh pada tegangan rendah. Kelas ketelitian dan galat trafo arus standar diperlihatkan pada Tabel 7.4. Ketelitian trafo arus yang digunakan untuk proteksi, ditentukan oleh galat komposit tertinggi yang diizinkan pada saat batas ketelitian arus primer sama dengan 1'ang ditetapkan untuk kelasnya. Galat komposit terjadi karena adanya galat rasio. -ealat sudut dan perbedaan bentuk gelombang arus sekunder dengan arus primer. Biasanr a dinyatakan dalam persen arus primernya seperti dinyatakan dalam Persamaan 7.20.
GAMBAR 7.9 Trafo arus inti ganda
't32
Peralatan Tegangan
T
rnggi
TABEL 7.4
Kelas Ketelitian Trafo Arus Pada 100% Arus Nominal Kelas
Y
(vr)
5 (menit)
Penggunaan
0.1
+0,1
+5
Pengujian yang teliti dan sebagai sub-standar pada pengujian trafo arus yang digunakan di laboratorium
0.2
+O)
+10
Untuk laboratorium, pengujian meter berketelitian tinggi dan sebagai sub-standar pada pengujian trafo arus
(C0 industri
0"5
+O5
+30
Untuk alat ukur industri berketelitian tinggi, komersial dan industri
1.0
+1,0
+60
Untuk meter komersial dan meter yang dipakai pada industri
3.0
+3,0
Untuk wattmeter dan ammetet
5n
+5O
Untuk pengukuran di mana ketelitian rasio tidak terlalu penting
Kelas trafo arus ini dinyatakan dengan tanda "nP", dalam hal ini n menunjukkan kelas ketelitian dan P menunjukkan trafo arus adalah untuk keperluan proteksi. Batas ketelitian trafo arus yang digunakan untuk proteksi diperlihatkan pada Tabel 7.5. TABEL 7.5
Batas Ketelitian Trafo Arus Proteksi Galat Rasio (y) ketika Arus Primer = Arus Nominal
Galat Sudut (6) ketika
5P
+1,0
+60,0
t0P
+3,0
10
l5P
+5,0
15
Kelas
Arus Primer = Arus
Galat Komposit ketika 7
Nominal
dan6=GalatNominal 5
Kelas ketelitian trafo arus untuk berbagai relai proteksi diperlihatkan pada Tabel 7.6. TABEL 7.6
Kelas Ketelitian Trafo Arus Untuk Berbagai Relai Proteksi No
Penggunaan Relai arus lebih reaksi cepat(Instantaneous overcurrent relay)
Kelas
l5P Faktor batas ketelitian
(FBn
2
Relai arus lebih, karakteristik arus terbalik dan waktu tunda minimum tertentu (Inverse and definite minimum time lag)
l0P
J
Relai arus tanah karakteristik arus terbalik dan waktu tunda minimum tertentu (Inverse and definite minimum time lag earth fault relq-)
lOP atau l5P di mana S, x FBK= 150 S, = Daya keluaran nominal Setting arus relai ) 2OVo Burden relai pada setting arus nominal < 4 VA
yang tidak membutuhkan stabilitas ketika terjadi
gangguan fasa-ke-fasa dan peningkatan waktu yang teliti 4
5
Relai arus tanah yang membutuhkan kestabilan ketika terjadi gangguan fasa-ke-fasa dan pertambahan waktu yang teliti
S, x FBK= 150
Relai diferensial dan relai jarak
5Pdan 10P
5P
=5
Bab
7
Trafo Arus
133
Jenis Menurut Reaktansi Dalam pemilihan trafo arus untuk keperluan proteksi, perlu diperhatikan fluks remanensi pada inti trafo arus tersebut. Pada Gambar 7.10. diperlihatkan fluks remanensi tratb arus inti tertutup (ungapped core) dan inti dengan sela udara (air-gap core). Jika arus eksitasi dinaikkan, nilai fluks naik tidak mulai dari nol, tetapi naik mulai dari nilai fluks remanensi (ry',, dan tlt,). Terlihat bahwa pada inti teftutup, sampai arus eksitasi sebesar 1., fluks tidak berbanding lurus dengan arus eksitasi; sedangkan pada inti bersela, sampai arus eksitasi sebesar 1., fluks masih dianggap berbanding lurus dengan arus eksitasi. Ketrka arus eksitasi sama dengan 1", fluks pada trafo arus inti tertutup (ry',) lebih besar daripada fluks pada trafo arus inti dengan sela udara (/r,). Karena induktansi sebanding dengan fluks, maka ketika arus eksitasi sama dengan 1,, induktansi trafo arus inti tertutup lebih besar daripada induktansi trafo arus dengan sela udara. Dengan demikian, dilihat dari reaktansi eksitasi, trafo arus dapat dibagi dua jenis, yaitu trafo arus reaktansi tinggi dan trafo arus rektansi rendah. Pada trafo arus reaktansi tinggi, fluks tidak berbanding lurus dengan arus eksitasi, maka reaktansinya tidak tetap dan tidak dapat diduga, sehingga kinerja trafo arus reaktansi tinggi tidak dapat dianalisis berdasarkan pengetahuan akan arus eksitasi. resistansi kumparan dan rasio belitan. Kinerja trafo arus reaktansi tinggi ditetapkan atas kesepakatan antara pemakai dengan produsen. Pada trafo arus reaktansi rendah, fluks berbanding lurus dengan arus eksitasi, sehingga induktansi atau reaktansinya konstan. Dengan demikian kinerja trafo arus ini dapat diperkirakan dengan mengetahui arus eksitasi, resistansi belitan sekunder dan rasio belitan. Dalam menganalisis kinerja suatu trafo arus reaktansi rendah, diperlukan data: arus nominal primer; rasio belitan sekunder dengan belitan primer; tegangan lutut; arus eksitasi ketika tegangan sama dengan tegangan lutut atau dalam persentase tegangan lutut; dan resistansi kumparan sekunder pada temperatur 75 oC.
Inti Tertutup
I"
GAMBAR 7.10 Fluks remanensi inti tertutup dan inti bersela udara
134
' :' z a'.a' -eEargan f inggi
Jenis Menurut Konstruksi tsolasi Pada Gambar 7' I
I diperlihatkan trafo
arus epoksi-resin jenis pendukung dan jenis bushing.
Konstruksi trafo arus dengan isolasi epoksi-resin sering dipakai uniuk pasangan lua"r, jaringan tegangan menengah sampai tegangan 110 kV. Tiafo arus epoksi-resin memiliki kekuatan gaya dinamis hubung singkat yang tinggi, sebab semua belitannya tertanam dalam bahan isolasi.
Trafo arus tegangan tinggi untuk gardu induk pasangan luar, dibuat dengan isolasi minyak-kertas yang ditempatkan dalam tabung porselen. Jenis konstruksi trafo arus ini dibedakan atas susunan bagian-bagian aktifnya (inti, belitan), yaitu: jenis tangki logam, jenis tabung isoiasi dan jenis gardu. Trafo arus jenis gardu mlmiliki kelebihan, karena penyulang pada rangkaian primernya lebih pendek, sehingga banyak digunakan untuk arus nominal dan arus hubung singkat yang besar. Trafo arus jenii tangki logam, jenis tabung isolasi dan jenis gardu diperlihatkan pada Gambar 1.12. Pada sistem isolasi koaksial seperti pada kabel, bushing trafo dan rel daya yang diisolasi dengan SFu, selalu dimungkinkan untuk membuat trafo arus jenis konduktoi tunggal tanpa menggunakan isolasi khusus. Dalam hal ini sering digunakan inti berbentuk cincin yang dikenakan mengelilingi isolasi kabel, bushing atau-rel. tselitan sekunder dibelitkan secara seragam pada cincin, dengan demikian terminal sekunder trafo arus dapat dibuat pada lapisan terluar isolasi atau pada bagian isolasi yang dibumikan. pada Gambar 7.13 diperlihatkan sebuah trafo arus, inti cincin, dipasang piaa rel daya gardu isolasi SFu (GIS).
7.9
TINGKAT ISOLASI TRAFO ARUS Trafo arus harus mampu memikul tegangan sistem pada keadaan normal maupun ketika terjadi tegangan lebih. Oleh karena itu, trafo arus memiliki suatu spesifikasi yang disebut tingkat isolasi, yaitu nilai tegangan uji frekuensi daya, tegangan uli impuls prli, t,ztso ps dan tegangan uji impuls hubung-buka 25ol25oo ps, yarg dapat dipikul rrafo arus tersebut. Trafo arus yang akan dipasang pada sistem tegangan di bawah 300 kv harus memiliki spesifikasi tegangan uji frekuensi daya pada kondisi kering dan basah; dan
Keterangan: i = Kumparan primer 2 = Kumparan sekunder 3
(.a)
GAMBAR 7.11 Trafo arus jenis pendukung dan jenis bushing
= Inti
Bab
7
Trafo Arus
135
Keterangan:
I = Kumparan primer 2 = Kumparan sekunder 3 = Inti
I 2 3
(a) Tangki baja
tbt Isolasi silinder
(c) Jenis gardu
GAMBAR 7.12 Trafo arus tegangan trnggi
Keterangan: 1. Konduktor internal sebagai kumparan primer 2. Inti berbentuk cincin 3. Kumparan sekunder 4. Elektroda pelindung 5. Tabung luar 6. Kontak terminal sekunder 1. Tutup penyekat gas
GAMBAR 7.13 Trafo arus pada rel daya gardu isolasi SF6
tegangan uji impuls petir. Trafo arus yang akan dipasang pada sistem tegang?r Z .r r kV harus memiliki spesifikasi tegangan uji frekuensi daya pada kondisi kerin-s: lc!a:._i:l uji impuls petir; dan tegangan uji impuls hubung-buka pada kondisi basah. \t::.,:-' IEC 61869-1, tingkat isolasi trafo arus adalah seperti diperlihatkan pada Tate. - Kekuatan dielektrik isolasi trafo arus berkurang jika ditempatkan pa,1. . .,.. yang ketinggiannya lebih dari 1000 m di atas permukaan laut. Oleh karena iI-. t -ir.:' isolasi trafo arus harus disesuaikan dengan lokasi penempatannya. \aitu -irj :.---faktor koreksi ketinggian (kr) dikalikan dengan tingkat isolasi pada kea.:.::. :':-;'
r35
=='a arao Tegangan i rnggi
(=
1000 m). Menurut IEC 61869-1, fakror koreksi ketinggian dapar dihirung dengan
rumus berikut:
zx(I/-1000)
a*
kr=e
7.31
Dalam hal ini, 11 = tinggi lokasi di atas permukaan laut (meter); ru I untuk tegangan = dan m = o,j5 untuk tegangan uji
uji frekuensi daya dan tegangan uji impuls petir; impuls hubung-buka. TABEL 7.7
lrngkat lsolasi Trafo Arus Ketahanan Terhadap Uji Tegangan Tertinggi
]
Peralatan (r-,u", kv- rms)
Tegangan Frekuensi
Daya (kV-rms)
Kering i
Tegangan lmpuls
Hubung-Buka (kV-Puncak)
(kV-Puncak)
36
70
52
95
95
250
1)<
140
140
32s
123
230
230
550
145
275
2'/5
650
t70
325
325
750
245
460
460
t050
70
t70
300
460
1050
362
510
1175
9s0
420
630
1425
1050
550
680
l -5.50
117 5
800
975
2100
1550
Catatan: Pengujian di ketinggian
7.10
Basah
Tegangan
Impuls Petir
<
8s0
1000 m di atas permukaan laut. Titik netrol tlibumikan
TEGANGAN LUTUT Jika pada belitan sekunder suatu trafo arus diberi tegangan sinusoidal frekuensi nominal. sedangkan terminal primernya terbuka. maka akan diperoleh kurva eksitasi seperti diperlihatkan pada Gambar 7.14.
Tegangan lutut adalah nilai et'ektif tegangan pada sisi sekunder, yang memberi penambahan arus eksitasi lebih 50clc daripada arus eksitasi sebelumnya, jika tegangan bertambah l0o/o daripada nilai tegangan tersebut (lihat Errpada Gambar 7.14). Tegangan lutut perlu diperhitungkan jika trafo arus bakal digunakan untuk relai proteksi, terutama
jika trafo arus digunakan untuk relai diferensial dan relai jarak. Jika suatu trafo arus akan digunakan untuk relai yang beroperasi cepat, ternyata tidak memiliki tegangan lutut sebesar yang dibutuhkan, maka relai akan bekerja lebih lambat, sehingga relai gagal memproteksi sistem. Menurut IEC 60044-1, spesilikasi suatu trafo arus dapat ditetapkan berdasarkan tegangan lutut (E *). Tegangan lutut lebih rendah daripada gaya gerak listrik nominal
Bab
7
Trafo Arus
137
E:r = Tegangan lutul
GAMBAR 7,14 Kurva magnetisasi dan tegangan lutut
600-1-1-6. Oleh karena itu. secara pendekatan. E.^ dapat ditetapkan sama dengan 0.88.,,. Gaya gerak listrik nominal belitan sekunder (E.,,) sama atau lebih besar daripada gaya gerak listrik maksimum pada belitan sekunder (Ez*rr.,). Gaya gerak listrik E-,n,o*. dihitung dengan Persamaan 7.5, dengan menggantikan 1, sama dengan arus ter-tinggi
belitan sekunder (E.,,) 1an-s ditetapkan berdasarkan IEC
yang mungkin terjadi pada belitan sekunder. Arus sekunder tertinggi terjadi ketika belitan primer dialiri arus hubung singkat tertinggi. Dengan demikian, tegangan lutut dapat ditetapkan seperti persamaan di barvah ini: E2k
>
0,8
E2_uk.
1.32
Berikut ini diberikan dua contoh perhitungan tegangan lutut, yaitu tegangan lutut trafo arus yang digunakan untuk relai diferensial dan relai jarak.
Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Relai Diferensial Untuk relai diferensial diperlukan dua set trafo arus dan setiap set terdiri dari tiga unit trafo arus. Tegangan lutut tidak perlu diperhatikan jika karakteristik magnetisasi kedua set trafo arus adalah sama; galat arus pada setiap nilai arus juga sama; dan inti trafb arus tidak jenuh ketika belitan primer dialiri arus hubung singkat tertinggi. Tetapi dalam praktiknya adakalanya hal tersebut tidak terpenuhi. Jika demikian halnya, galat rasio trafo arus perlu diperiksa agar galat tersebut tidak terlalu besar ketika terjadi arus hubung singkat yang terbesar. Arus hubung singkat keadaan tunak suatu trafo daya biasanya tidak lebih dari 10 - 15 kali arus nominalnya. Tetapi untuk relai diferensial kecepatan tinggi. arur hubung singkat yang diperhitungkan a$alah arus transiennya. Arus transien ini bergantuns kepada perbandingan resistansi dan reaktansi (R/)Q sistem ditinjau dari sumber \&Irlp;: titik lokasi trafo arus. Nilai R/X bergantung kepada lokasi trafo arus dan akan sen.:.r..:. besat jika trafo arus semakin dekat dengan generatof. l{ubungan arus transier, I primer dengan arus hubung s'rngkat keadaan tunak (1,r.--..) adalah:
138
Peralatan Tegangan
T
rnggi
'r,=
(UJ
I,t.\( -nlaKs
1.33
Jika hasil perhitungan menurut Persamaan 7.33 lebih kecil daripada 20 kali arus nominal trafo daya yang diproteksi (1r), maka Ir, ditetapkan sama dengan 20 1,. Iika arus transien di atas tidak dapat dihitung dengan pasti, maka 1,, secara pendekatan dapat diambil sama dengan 20 1,,. Jika arus hubung singkat transien tertinggi yang mungkin mengalir pada belitan primer trafo arus adalah Ir,, maka arus sekunder tertinggi adalah Iz, Ir,x Ir,,lIr,,. pada = keadaan arus sekunder = adalah: E2
Iz, maka gaya gerak listrik maksimum pudu b"litu, sekunder
Ir, (R, + Rr + R, + ks) -uk, =
E2-uk,
='r,?(R,
+ R. +
fi
7.34
+
rrl
7.3s
Dalam hal ini: Ir, = Arus hubung singkat tertinggi yang mungkin mengalir pada belitan primer R, = Resistansi kumparan sekunder trafo arus
R. = Resistansi relai Sr. = Daya nominal relai Ir, = Arus nominal relai Rr = Resistansi kabel penghubung tanpa kabel balik k, = I jika impedansi pembumian sistem tinggi atau sistem tidak dibumikan = 2 jika sistem dibumikan langsung
Tegangan lutut belitan sekunder masing-masing trafo arus ditetapkan dengan persamaan berikut ini: E2k
>
0,8
,,,?6,+
ft. +
*.
or)
7.36
Setelah tegangan lutut diketahui, maka faktor kejenuhan trafo arus yang dibutuhkan dapat dihitung, yaitu perbandingan tegangan lutut dengan tegangan nominal sekunder trafo arus. atau: TKlll
(q
Dalam hal
ini: Fr = 1r,, = S,, =
V,L 7.31
Faktor kejenuhan Arus nominal sekunder (A) Daya nominal trafo
Terlihat bahwa untuk daya nominal yang tetap, faktor kejenuhan dapat diperkecil dengan memperkecil arus nominal sekunder atau memperkecil tegangan lutut. Tegangan lutut dapat diperkecil dengan memperbesar ukuran kabel penghubung. Cara yurg dipitil, adalah cara yang memberi pengurangan biaya terbesar.
Tegangan Lutut Trafo Arus untuk Relai Jarak Trafo arus yang digunakan untuk relai jarak harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:
1.
Ketika hubung singkat terjadi pada ujung terjauh zona proteksi pertama, relai mengukur impedansi hubung singkat dengan galat rasio trafo arus tidak lebih
daripada 3
-
54o.
Bab
7
139
Trafo Arus
Inti trafo arus tidak mengalami kejenuhan ketika belitan primer dialiri arus hubung singkat tertinggi. bahr.va waktu kerja relai tidak begitu terpengaruh oleh efek yang disebabkan adanya komponen dc pada arus transien, maka tegangan kejenuhan persamaan di bawah ini: harus memenuhi lutut trafo arus
Untuk meyakinkan
Ezr
)
0,8 1r,..r
?n"6,+
R* +
Il.)
7.38
Dalam hai ini, 1,,.-, adalah arus pada belitan primer jika hubung singkat terjadi pada ujung zona proteksi pertama; dan ft,. adalah konstanta untuk memperhitungkan keberadaan komponen dc pada arus hubung singkat tersebut. Pada sistem berfrekuensi 50 Hz, nilai konsantd k,, = 4 untuk LIR < 30 ms, dan k,, = 6 untuk LIR > 30 ms. Resistansi kabel penghubung R*, dihitung menurut Tabel 7.1. LIR adalah perbandingan induktansi dengan resistansi jaringan sistem, jika titik gangguan hubung singkat terjadi pada ujung zona proteksi pertama.
1 .11
FAKTOR PERTIMBANGAN DALAM PEMILIHAN TRAFO ARUS Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan suatu trafo arus adalah:
.
Standar Standar yang dapat digunakan sebagai acuan antara lain adalah IEC, IEEE atau standar nasional (SNI atau SPLN).
.
Arus Nominal Primer Adalah batas tertinggi arus kontinu pada belitan primer trafo arus. Arus nominal primer antara lain adalah: 10,15, 30, 50,15, 100, 150, 200, 300, 500, 750, 1000. 1500, 2000, 3000, 5000, 7500 dan 10.000 A. Arus nominal primer dipilih 10 40Vo leblh tinggi daripada perkiraan arus yang akan diukur.
.
Arus Nominal Sekunder Adalah batas tertinggi arus kontinu pada belitan sekunder trafo arus, biasanya: -i A, 2 A dan 1 A. Arus nominal 2 A dan 1 A digunakan: jika kabel penghubunr cukup panjang sehingga jumlah impedansi meter atau relai dengan impedansi kabel lebih besar daripada impedansi burden; dan jika jumlah belitan kumparan sekunder sedikit sehingga rasio tidak dapat diubah dengan mengubah jumlah belitan sekundernya.
. . .
Rasio Nominal Adalah perbandingan arus nominal primer dengan arus nominal sekunder. Frekuensi Nominal Frekuensi nominal sama dengan frekuensi sistem, 50 Hz atau 60 Hz.
Galat (Error) Ada tiga jenis galat trafo arus, yaitu galat rasio, galat sudut dan -salat Burden Burden ditentukan berdasarkan pertimbangan beban (meter atau relai ,. kabel penghubung trafo arus dengan beban.
k,r:::' '
:-
'
140
Peralatan Tegangan 1 rnggi
Arus Eksitasi Adalah nilai efektif arus sekunder bila belitan sekunder diberi tegangan sinusoidal frekuensi nominal, sedangkan terminal primer dibiarkan terbuka.
Arus termal kontinu Adalah arus kontinu tertinggi yang menimbulkan temperatur trafo arus sama dengan temperatur yang diizinkan. Jika nilai nominal arus termal kontinu tidak diberikan, nilainya dapat ditetapkan sama dengan arus nominal primer. Ada kalanya diberi faktor pengali untuk menyatakan kemampuannya memikul arus termal kontinu di atas nominalnya, misalnya 1,2 kali arus nominal. Ketelitian harus tetap (tidak boleh berubah) ketika arus kontinu di atas arus nominal.
Arus termal waktu singkat Adalah arus tertinggi yang dapat mengalir pada belitan primer selama satu sekon tanpa menimbulkan kerusakan pada komponen trafo ams, maupun menimbulkan perubahan karakteristik trafo arus. Nilainya ditentukan dengan menghitung arus hubung singkat terbesar yang melewati kumparan primer trafo arus. Nilai standar arus termal waktu singkat (rms) adalah: 6,3; 8; l0; 12,5; 16 20; 25 31,5: 40; 50;63;80; dan 100 kA. Arus dinamis waktu singkat Ditentukan dengan menghitung arus hubung singkat terbesar yang melewati kumparan primer trafo arus. Untuk frekuensi sistem 50 Hz, arus dinamis waktu singkat sama dengan 2,5 kali arus termal waktu singkat; sedangkan untuk frekuensi sistem 60 Hz, arus dinamis waktu singkat sama dengan 2,6kali arus termal waktu singkat.
Arus keamanan instrumen (Rated Instrument Security Cunent) Adalah arus primer efektif terendah (1,,) yang menimbulkan arus sekunder (1r,) dikalikan dengan rasio transformasi (ft,). Nilainya tidak melebihi 0,9 arus primer; dan burden pada saat itu sama dengan burden nominal trafo arus. Pernyataan ini dapat dituliskan sebagai:
k, Ir, 10,9
11"
7.39
Faktor keselamatan instrumen (Instrument Security Factor) Adalah perbandingan arus keamanan dengan arus nominal primer (1,,,) atau dapat dituliskan:
,F ,
_
-
I.r,t Ir,,
7.40
Ketelitian Ketelitian trafo arus bergantung kepada fungsinya. Ketelitian trafo arus untuk keperluaan pengukuran lebih tinggi daripada ketelitian trafo arus untuk keperluan proteksi.
Arus primer batas ketelitian (Rated Accuracy Limit Primary Current) Adalah arus primer tertinggi (11,,,) di mana ketelitian trafo arus belum melebihi batas ketelitiannya.
Jumlah kumparan primer dan sekunder Jumlah kumparan primer dan sekunder bergantung kepada banyak rasio yang dibutuhkan dan jenis beban yang akan dipasang pada terminal sekunder trafo arus. Umumnya trafo arus dilengkapi dengan dua kumparan sekunder, satu untuk alat ukur dan satu lagi untuk keperluan relai proteksi.
Bab
7
Trafo Arus
141
Faktor batas ketelitian (Accuracy Limit Factor) Adalah perbandingan arus primer batas ketelitian (11*) dengan arus nominal primer (1,,), atau dinyatakan sebagai berikut:
ALF =
I;:
1.41
Untuk meter den_ean inti yang terbuat dari besi, faktor batas ketelitian tidak perlu tinggi. Untuk keamanan alat ukur, lebih disukai memakai trafo arus yang intinya jenuh pada nilai arus sedikit di atas rentang arus kerja alat ukur. Untuk relai diferensial diperlukan dua set trafo arus. Tiap set harus mempunyai karakteristik yang sama. Faktor batas ketelitian untuk relai jarak, biasanya diambil 20, jarang di barvah 10. Faktor batas ketelitian berhubungan dengan burden. Jika burden hanya setengah daripada burden nominal, maka faktor batas ketelitian dapat menjadi dua
kali lipat. Tegangan lutut Tegangan lutut diperhitun-gkan bila trafo arus dipergunakan untuk relai proteksi.
Jenis trafo arus
Jika digunakan bersama pemutus da1'a minyak (bulk oil circuit breaker), maka trafo arus jenis bushing adalah lebih murah. Untuk jenis pemutus daya yang lain digunakan trafo arus jenis tong-sak (posr). Ada kalanya trafo arus jenis tonggak dengan belitan terpisah digunakan bersama dengan pemutus daya minyak. Hal ini dilakukan karena keterbatasan burden dan ketelitian trafo arus jenis bushing. Jika arus nominal sekunder dirancang 5 A, kabel ukur yang digunakan cukup panjang dan trafo arus yang akan digunakan adalah jenis bushing, maka harus diperiksa apakah burden total dapat dipikul oleh trafo tersebut.
Jumlah inti Jumlah inti bergantung kepada jenis beban (meter dan relai) yang akan dilayani trafo arus. Jika sistem proteksi terdiri dari proteksi primer dan proteksi cadangan. maka dibutuhkan trafo arus dengan inti terpisah.
Tingkat isolasi Tingkat isolasi trafo arus ditentukan menurut IEC 61869-1, seperti diperlihatkan pada Tabel 7.7.
Kondisi lingkungan instalasi trafo arus Ada tiga hal yang perlu dipertimbangkan, yaitu: bobot polusi dan temperatur ratarata sefia ketinggian lokasi instalasi trafo arus di atas permukaan laut.
1.12
PENGUJIAN TRAFO ARUS Seperti halnya trafo tegangan, trafo arus juga harus melalui pengujian. Adu ti"u j-... pengujian pada trafo arus, yaitu: (a) ujijenis, (b) uji rutin dan (c) uji tambahan. Prt.e;-: pengujian dilakukan sesuai dengan standar yang disepakati pembeli dengan prcr.lu-.':
Uji Jenis Uji jenis terdiri dari:
.
penandaan terminal dan polaritas
142
Peralatan Tegangan lrnggi
. . . . . . . . .
ketahanan tegangan tinggi ac frekuensi sistem pada kedua kumparan trafo arus tegangan lebih antar belitan pengukuran galat pengujian arus waktu singkat pengujian kenaikan temperatur pengujian tegangan tinggi impuls pengukuran ketelitian (khusus untuk trafo arus pengukuran) arus keamanan instrumen (khusus untuk trafo arus pengukuran)
pengukuran galat rasio, sudut dan komposit (khusus untuk trafo proteksi)
Uji Rutin Uji rutin meliputi:
. . . . .
penandaan terminal dan polaritas ketahanan tegangan tinggi ac frekuensi sistem pada kedua kumparan trafo arus tegangan lebih antar belitan
pengukuran galat rasio, sudut dan komposit (khusus untuk trafo proteksi) pengukuran ketelitian (khusus untuk trafo arus pengukuran)
Uji Tambahan Uji tambahan untuk trafo
' . . .
1,13
arus proteksi reaktansi rendah adalah: tegangan lutut arus eksitasi tahanan kumparan sekunder; dan perbandingan belitan primer dengan sekunder
INFORMASI DALAM PEMBELIAN TRAFO ARUS Informasi tentang keadaan sistem, iklim dan instalasi perlu dikemukakan dalam pengadaan suatu trafo arus. Sekurang-kurangnya mengenai hal-hal tersebut di bawah ini:
' ' . . . . . . . . .
tegangan dan jenis pengetanahan sistem tingkat isolasi frekuensi sistem rasio arus nominal dan jumlah rasio keluaran nominal untuk setiap inti faktor batas ketelitian arus
kelas ketelitian untuk setiap inti arus termal kontinu arus waktu singkat dan masa berlangsungnya kondisi cuaca, lingkungan dan ketinggian lokasi penempatan trafo arus; dan lokasi pemasangan (pasangan dalam atau pasangan luar)
Khusus untuk trafo arus kelas 5P perlu diinformasikan hal-hal tersebut di bawah ini: . arus nominal kumparan primer . rasio belitan nominal (N,/Nr)
' . .
tegangan lutut tahanan kumparan sekunder maksimal batas arus eksitasi
Bab 8
lsolator dan Bushing
ada instalasi tenaga
listrik dan peralatan listrik dijumpai konduktor-konduktor yang
berbeda potensialnya, sehingga dibutuhkan isolator untuk mengisolir konduktor dengan konduktor, maupun mengisolir konduktor dengan bagian peralatan yang terhubung secara listrik dengan tanah. Dalam bab ini, akan dijelaskan fungsi, konstruksi. jenis-jenis, sifat elektrik dan sifat mekanik isolator; pengaruh polutan terhadap unjuk kerja isolator; distribusi tegangan pada isolator dan usaha untuk meratakan distribusi tegangan tersebut; dan pengujian tegangan tinggi pada isolator.
8.1
FUNGSI ISOLATOR Pada transmisi hantaran udara, suatu konduktor dengan konduktor lain diisolir dengan udara, sedangkan konduktor dengan menara atau tiang pendukung diisolir dengan bahan isolasi padat yang disebut isolator. Jadi, isolator berfungsi sebagai pendukung konduktor dan sekaligus memisahkan konduktor bertegangan dengan bagian yang bertegan-gan ntrl. Selain pada transmisi, isolator juga drjumpai pada jaringan distribusi hantaran udara. gardu induk dan panel pembagi daya. Padajaringan distribusi hantaran udara digunakan sebagai penggantung atau penopang konduktor. Pada gardu induk digunakan seba-sai pendukung sakelar pemisah, pendukung konduktor penghubung dan pen-egantun-s rel daya. Pada panel pembagi daya, rel dengan rel dipisahkan oleh udara. sedangkan rel dengan kerangka pendukung dipisahkan oleh isolator. Pada Gambar 8.1 diperlihatkan isolator tegangan tinggi pada suatu transmisi hantaran udara dan sakelar pemisah. Bushing adalah isolator yang digunakan untuk mengisolir badan suatu peralatan dengan konduktor bertegangan tinggi yang menerobos badan peralatan tersebut. Bushing ditemukan pada transformator, kapasitor tegangan tinggi, pemutus dal a dan trafo ukur' Pada Gambar 8.2 diperlihatkan bushing pada trafo dan pemutus daya tegangan tinggi.
14
:.'.
a'.an Tegangan
T
rnggi
(a) Isolator transmisr
(b) Isolator sakelar pemisah
GAMBAR 8.1 lsolator pada transmisi dan sakelar pemisah
(a) Bushing trafo
(b) Bushing pemutus daya
GAMBAR 8.2 Bushing pada trafo dan pemutus daya
8.2
KONSTRUKSI ISOLATOR Pada Gambar 8.3, diperlihatkan contoh suatu isolator dan potongan penampangnya. Terlihat bahwa bagian utama suatu isolator terdiri dari bahan dielektrik, kap dan fitting. Di samping itu terdapat juga semen perekat antara dielektrik dengan kap dan antara
dielektrik dengan Iitting. Umumnya dielektrik isolator terbuat dari bahan porselen, gelas dan bahan komposit. Kap dan fitting terbuat dari besi tuang atau baja; dan untuk arus tinggi digunakan besi tuang non-magnetik atau logam putih agar tidak terjadi pemanasan yang berlebihan pada
jepitan akibat magnetisasi. Konstruksi kap dan fitting, dan cara merekatnya ke bahan dielektrik, akan menentukan kekuatan mekanis isolator. Bahan perekat yang umumnya digunakan adalah semen. Persyaratan umum yang harus dipenuhi dalam merancang isolator, antara lain adalah:
.
Setiap lubang pada bahan isolasi, harus memiliki sumbu yang sejajar dengan sumbu memanjang atau sumbu tegak isolator. Lubang dibuat pada temperatur penempaan isolator.
Bab
B
lsolator dan Bushing
145
Kap
GAMBAR 8.3 Penampang isolator piring
a a
a
Tidak memiliki lekukan yang runcing agar pada isolator tidak terjadi medan elektrik yang tinggi. Permukaan isolator harus licin dan bebas dari partikel-partikel runcing. Untuk menghindari terjadinya peluahan sebagian, maka isolator tidak boleh mengandung rongga udara. Tidak ada resiko meledak dan pecah.
Dimensi sirip dan jarak rambat diatur sedemikian sehingga isolator mudah dibersihkan. Pembersihan dimaksud adalah pembersihan secara alami oleh hujan atau pembersihan rutin. Kedua pembersihan tersebut adalah dalam rangka membuang bahan polutan yang menempel pada permukaan isolator. Jarak rambat isolator harus diperbesar, jika isolator dipasang pada kawasan yang dihuni banyak burung. Bahan perekat harus memiliki kekuatan adhesi yang tinggi.
8.3
PARAMETER ISOLATOR Parameter geometris suatu isolator adalah suatu besaran yang membedakan profll suatu
isolator dengan isolator lainnya. Parameter-parameter geometris suatu isolator dapat dijelaskan dengan bantuan Gambar 8.4. Parameter-parameter yang membedakan suatu isolator dengan isolator lainnl'a adalah sebagai berikut: pt
GAMBAR 8.4 Profil dan parameter suatu isolator
146
De'a aian Tegangan lrnggi
Jarak minimum antar sirip (shed) Jarak minimum antar sirip c perlu dipertimbangkan agar dua sirip berdekatan tidak dapat dijembatani air hujan. Berdasarkan pengalaman, nilai c minimal adalah 30 mm. Untuk isolator yang panjang totalnya lebih kecil atau sama dengan 550 mm atau isolator yang mempunyai rentangan sirip (shed overharg) p lebih kecil atau sama dengan 40 mm, maka nilai c hingga 20 mm masih dapat diterima.
Pertlandingan jarak antar sirip dengan rentangan sirip (s/p) Perbandingan ini menentukan sifat pencucian alami (self cleaning) isolator. Nilainya tidak kurang dari 0,8. Pengalaman menunjukkan bahwa untuk isolator jenis sirip mendatar (tanpa rusuk), nilai tersebut dapat direduksi menjadi 0,65. Perbandingan jarak rambat dengan jarak bebas ({d) Perbandingan ini dipertimbangkan untuk mencegah terjadinya hubung singkat lokal. Nilainya tidak lebih rendah daripada 5. Perbandingan diambil pada bagian isolator yang paling buruk, misalnya pada bagian bawah isolator jenis anti kabut.
Sirip Selang-seling (Alternating shed) Parameter ini dipertimbangkan jika ada dua ukuran diameter sirip yang letaknya berselang-seling. Pada isolator yang seperti ini, selisih diameternya (p, - p; ttdak boleh kurang daripada 15 mm supaya kedua sirip tidak terhubung oleh air hujan. Kemiringan sirip Kemiringan perlu dipertimbangkan karena hal ini menyangkut sifat pencucian sendiri isolator. Sudut permukaan atas isolator harus membentuk sudut lebih daripada 5' kecuali untuk sirip tanpa rusuk. Untuk isolator sirip tanpa rusuk, besar sudut itu dapat dikurangi menjadi 2'.
Faktor jarak rambat (creepage factor)
ini diperlukan jika isolator terdiri dari gabungan beberapa unit isolator, untuk menunjukkan karakteristik isolator secara keseluruhan. Parameter ini merupakan perbandingan antara total jarak rambat (/,) dengan jarak terpendek Parameter
antara bagian-bagian logam yang dikenakan tegangan normal pada isolator (s,). Nilainya dianjurkan tidak lebih daripada 3,5 di daerah yang bobot polusinya ringan dan sedang. dan tidak lebih daripada 4 untuk daerah yang bobot polusinya berat dan sangat berat.
Faktor profil (PF) Faktor profil adalah perbandingan jarak bocor yang disederhanakan (simplified leakage distance), i., dengan jarak rambat isolasi sebenarnya (ttctual insulating creepage distance), 1., yang diukur antara dua titik yang ditetapkan sebagai spasi (s). Nilai PF bergantung pada banyak ukuran sirip dan dapat dituliskan sebagai: Untuk isolator satu ukuran sirip:
,DD,
-
(2o + sl '
l,
8.1
Untuk isolator dengan sirip berselang-seling:
PF=
(2p,+2pr+s) 8.2
Dalam hubungannya dengan tingkat bobot polusi, nilai PI'dianjurkan sebagai berikut . PF lebih besar daripada 0,8 untuk tingkat polusi ringan dan sedang. . PF lebih besar daripada 0,7 untuk tingkat polusi berat dan sangat berat.
Bab
8.4
B
147
Isolator dan Bushing
JENIS ISOLATOR HANTARAN UDARA Dilihat dari lokasi pemasangan, isolator terdiri dari isolator pasangan dalam (indoor) dan isolator pasangan luar (outdoor). Isolator pasangan luar dibuat bersirip untuk mempetpanjang lintasan arus bocor dan mencegah terjadinya jembatan air yang terbentuk
jika isolator dibasahi air hujan. Dilihat dari fungsinya isolator terdiri dari isolator pendukung dan isolator gantung (suspensiorr). Isolator pendukung terbagi atas tiga jenis, yaitu: isolator pin, isolator post dan isolator pin-post yang diperlihatkan pada Gambar 8.5. Isolator jenis pin digunakan untuk jaringan distribusi hantaran udara tegangan menengah, dipasang pada palang tiang tanpa beban tekuk, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.6a. Isolator pin dapat juga digunakan untuk tiang yang mengalami beban tekuk, dalam hal ini isolator dipasang ganda pada palang ganda, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.6b. Jenis pin-post digunakan untuk jaringan distribusi hantaran udara tegangan menengah, dipasang pada tiang yang mengalami gaya tekuk.
7----\ 7------q
(a) Pin
(D) Post
(c) Pin-post
GAMBAR 8.5 Jenis-jenis isolator pendukung
traato
(a) Isolator Pin Pada Tiang tanpa Gaya
GAMBAR 8.6 Pemasangan isolator pin dan pin-post
(b) Isolator Pin pada Tiang Tarik
148
Peralatan Tegangan Tinggi
() n
;If:-\ :l 1v\ tlJ!..-}U _-k+*, , L_---l /#1 ,/ ,/ --P\ * ** "8" -- *' Sela Busur i fr-----
.,\
\
Il 11
/41
t
{l
jllt
._l -*"j-a r... -".--------,J
fs){1
l-------! F*""e-"""qa
ll -------"rr*-
1t
il ll
*"*:='"ru-,:,.4
@
(a)
Piring
(D) Isolator Batang
H
(c) Isolator Rantai
GAMBAR 8.7 Bentuk-bentuk isolator gantung
Isolatorjenis post digunakan untuk pasangan dalam, antara lain sebagai penyangga rel daya pada panel tegangan menengah. Isolator jenis post tidak bersirip seperti halnya jenis pin-post, karena isolator ini dirancang untuk pasangan dalam. Dilihat dari bentuknya, isolator gantung terdiri dari dua jenis, yaitu isolator piring (Gambar 8.la) dan isolator batang tonggak (Gambar 8.7b). Untuk transmisi tegangan tinggi, isolator piring dirangkai berbentuk rantai, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.1c. Tegangan lebih pada jaringan dapat menimbulkan peristiwa lewat denyar, yaitu terjadinya busur api yang merambat melalui permukaan isolator. Oleh karena itu, isolator rantai dilengkapi dengan tanduk busw (arcing horn) agar busur api akibat peristiwa lewat denyar tidak merambat melalui permukaan isolator.
Isolator piring digunakan juga untuk jaringan hantaran udara tegangan menengah. Pada jaringan tegangan menengah isolator piring digunakan pada tiang akhir dan tiang sambungan seperti diperlihatkan pada Gambar 8.8.
(a) Isolator Piring Pada Tiang Penyambung
GAMBAR 8.8 Rangkaian lengkap trafo tegangan kapasitil
(r) Isolator Piring Pada Tiang Akhir
Bab
8.5
B
lsolator dan Bushing
149
BAHAN DIELEKTRIK ISOLATOR Karakteristik elektrik dan mekanik suatu isolator bergantung pada konstruksi dan bahan yang digunakan. Telah dijelaskan sebelumnya bahwa salah satu bagian utama suatu isolator adalah bahan dielektrik. Bahan dielektrik isolator harus memiliki kekuatan dielektrik yang ting-ei dan tidak dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitarnya. Dewasa ini. ada tiga jenis bahan dielektrik yang digunakan untuk isolator, yaitu porselen, gelas. dan bahan komposit. Berikut ini akan dijelaskan tentang sifat-sifat umum dan pembuatan ketiga jenis bahan dielektrik tersebut.
Porselen Bahan dielektrik untuk isolator umumnya adalah porselen, karena kekuatan dielektriknya tinggi dan tidak dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitarnya. Pada Gambar 8.9 ditunjukkan isolator yang terbuat dari bahan porselen. Sampel uji porselen lang tebalnl'a 1.5 mm, dalam medan elektrik seragam, mempunyai kekuatan elektrik sebesar 22 - 28 kV,,,,,/mm. Jika tebal porselen bertambah maka kekuatan elektriknya berkurang. karena medan elektrik di dalam isolator semakin
tidak seragam. Bila tebal bertambah dari 10 mm hingga 30 mm, kekuatan elektrik berkurang dari 80 kV,.,,,./mm menjadi 55 kV,,,,./mm. Kekuatan dielektrik porselen pada tegangan impuls. 50 - 70% lebih tinggi daripada kekuatan dielektrik frekuensi daya. Kekuatan mekanik porselen bergantung kepada cara pembuatannya. Porselen sangat jika baik bekerja memikul beban tekan, tetapi sifat mekanisnya memburuk jika memikul beban tekuk dan semakin memburuk jika memikul beban tarik. Kekuatan mekanis porselen standar berdiameter 2 - 3 cm adalah 45.000 kg/cm2 untuk beban tekan; 700 kg/ cm2 untuk beban tekuk; dan 300 kg/cm2 untuk beban tarik. Kekuatan mekanik porselen suatu isolator bergantung pada: konstruksijepitan, cara menghubungkan porselen dengan jepitan, dan luas penampang porselen. Kekuatan mekanik porselen berkurang dengan penambahan luas penampang porselen dan pengurangan itu lebih besar pada kekuatan mekanik beban tarik dan beban tekuk.
Gelas Dewasa ini, gelas semakin banyak digunakan sebagai bahan dielektrik isolator. Pada Gambar 8.10 diperlihatkan isolator piring dan isolator pin yang terbuat dari gelas.
(rz) Isolator
GAMBAR 8.9 lsolator dari bahan porselen
Piring
(b) Isolator Pin
150
Peralatan Tegangan
T
rnggi
(a) Isolator pin bahan gelas
(D) Isolator Pidng bahan gelas
GAMBAR 8.10 lsolator gelas
Isolator gelas lebih murah daripada porselen, sedangkan karakteristik elektrik dan karakteristik mekanisnya tidak jauh berbeda dengan porselen. Karakteristik elektrik dan mekanik gelas bergantung pada komposisi kimiawi dari gelas, khususnya pada kandungan alkali yang terdapat dalam gelas. Adanya larutan alkali dalam komposisi gelas akan menambah sifat higroskopis permukaan isolator sehingga konduktivitas permukaan isolator semakin besar. Akibatnya, sifat elektrik isolator gelas alkali tinggi lebih buruk daripada gelas alkali rendah, juga lebih buruk daripada porselen. Kekuatan elektrik gelas alkali tinggi adalah 17,9 kY,,,,.lmm dan gelas alkali rendah adalah 48 kV,,,,/mm, yakni dua kali lebih tinggi daripada kekuatan elektrik porselen. Jika isolator gelas alkali tinggi memikul tegangan tinggi searah, arus bocor pada isolator tersebut dapat menimbulkan penguraian kimiawi pada gelas. Oleh karena itu, isolator gelas alkali tinggi tidak digunakan untuk instalasi tegangan searah. Pada tegangan bolak-balik, penguraian kimiawi karena arus bocor secara praktis tidak terjadi, sehingga penuaan isolator akibat arus bocor berlangsung lebih lambat. Dilihat dari proses pembuatannya, isolator gelas terdiri dari dua jenis, yaitu gelas yang dikuatkan (annealed g/rzss) dan gelas yang dikeraskan (hardened glass). Kekuatan mekanik sampel uji gelas yang dikuatkan lebih besar daripada porselen, karena regangan mekanik internal pada gelas mudah dihilangkan pada saat proses penguatan. Pada porselen, regangan internal secara praktis tetap ada. Hal ini akan mengurangi kekuatan mekanis porselen. Gelas alkali tinggi memiliki koefisien pemuaian yang tinggi, sehingga isolator gelas mudah pecah. Peristiwa ini sangat mungkin terjadi jika isolator gelas dioperasikan pada suatu lokasi yang temperaturnya berubah-ubah dengan tajam. Hal ini membuat gelas alkali tinggi dibatasi pemakaiannya hanya untuk instalasi pasangan dalam, tidak untuk instalasi yang mengalami perubahan temperatur yang tajam. Isolator untuk instalasi pasangan luar terbuat dari gelas alkali rendah yang dikuatkan. Gelas alkali tinggi digunakan hanya jika isolator akan dikeraskan. Pengerasan isolator gelas alkali tinggi bertujuan untuk memperoleh isolator yang memiliki kekuatan rnekanik yang tinggi. Pengerasan dilakukan dengan memanaskan isolator gelas alkali tinggi sampai mencapai temperatur 650 'C. Setelah itu, udara dingin ditiupkan ke dalam gelas. Selama peniupan udara berlangsung, gelas mengalami pendinginan, sehingga lapisan luar gelas menjadi keras, sedangkan bagian dalam gelas mengalami penyusutan. Proses ini bertujuan untuk membuat lapisan luar gelas memiliki kekuatan tarik dan bagian dalam gelas memiliki kekuatan tekan, sehingga jika suatu beban tarik dikenakan pada sebuah isolator gelas yang dikeraskan, maka kerusakan mulai terjadi jika gaya tarik pada lapisan luar melebihi kekuatan tarik gelas. Dengan demikian isolator gelas yang dikeraskan lebih baik daripada isolator gelas yang dikuatkan.
Bab
8
lsolator dan Busl-
ra.
-:
Isolator gelas alkali rendah yang dikeraskan dapat menahan beban dinan:.- -. - . baik, sehingga masih layak dipakai sekalipun pernah jatuh dari tempat tin-eg . . - ongkos pembuatannya tinggi, karena pemanasan harus berlangsung sampai ten'.:,--. gelas mencapai 780 'C. Isolator ini hanya digunakan jika dibutuhkan kekuatan n-.:. - ' yang tinggi dan stabil pada setiap perubahan temperatur.
Bahan Komposit Isolator porselen dan gelas memiliki karakteristik elektrik yang baik, tetapi menr.
.
kelemahan, yaitu: massanya berat; mudah pecah; dan kemampuannya menahan tegani.' berkurang karena polutan yang mudah menempel pada permukaannya. Untuk mengatr-. kelemahan tersebut dikembangkan jenis isolator komposit. Bahan komposit tertLr.
untuk isolator adalah kertas. Tetapi, akhir-akhir ini yang paling diminati dan teru. dikembangkan adalah karet silikon (silicon rubber). Isolator komposit kertas digunakan untuk isolator hantaran udara jenis post, marrtel peralatan uji tegangan tinggi dan bushing. Isolator komposit ini dibuat dari bahan kertas yang dikeringkan melalui pemanasan. Pada temperatur tinggi, kertas dilapisi dengan pernis, kemudian digulung membentuk tabung. Selanjutnya, tabung tersebut diarvetkan melalui proses pemanasan sehingga tabung menjadi kokoh, permukaannl'a berkilat, dan tidak menjadi lembut jika mengalami pemanasan ulang. Akhirnya permukaan isolator kertas dipernis lagi. Isolator kertas yang diproses seperti ini menghasilkan isolator yang kekuatan elektrik dan kekuatan mekanik yang cukup tinggi. Struktur suatu isolator komposit diperlihatkan pada Gambar 8.11. Bagian utama suatu isolator komposit adalah: inti berbentuk batang (rod) yang terbuat dari bahan komposit, sarung yang terbuat dari bahan komposit, fiting yang terbuat dari bahan logam dan bahan antar-muka (interface). Inti berfungsi memikul beban mekanis isolator; dan terbuat dari fber-reinfurced plastic (,ERP), yaitu komposit gelas dengan resin epoksi. Sarung merupakan komponen yang menentukan sifat elektrik isolator komposit. Ada beberapa bahan r ang dapat digunakan untuk sarung isolator, antara lain: ethylene propylene rubber (EPRt. erhtlene prop_,-lene diene methl-lene (EPDM, polytetroJluoro ethylene efFD dan karet silikon (silicone rtbber, SR). Bahan yang dapat digunakan untuk fltting, antara lain: baja tempaan, besi lunak (malleable c:ast iron'), aluminum, besi tuang grafit, dan lain-lain. Antar-muka berfungsi sebagai medium antara sarung dengan inti; dan seba-eai medium antara sarung dengan fitting. Antar-muka terbuat dari bahan polymer, resin hidrolisis atau metal stable silicon. Isolator komposit memiliki keunggulan dibandingkan dengan isolator porselen maupun isolator gelas, karena isolator komposit memiliki sifat sebagai berikut:
ffi Sarung
Fitting
%ffi
Inti berbentuk tabung (rod)
GAMBAR 8.11 lsolator komposit
Fitting
;ii.'
152
Peralatan Tegangan
l. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 8. 9.
T
rnggi
Ringan, karena rapat massanya lebih rendah daripada isolator porselen atau gelas. Pembuatannya lebih mudah. Tidak ada rongga udara, sehingga tidak terjadi peluahan sebagian di dalam bahan isolator komposit. Untuk memperoleh jarak rambat yang panjang, sarung dibuat berbentuk sederetan sirip tipis, sehingga bentuk isolator lebih sederhana. Tekanan karena angin terhadap isolator lebih rendah, karena sirip-siripnya tipis. Karena bentuknya yang sederhana dan bobotnya ringan, maka mudah membawa
dan memasangnya. Permukaan sarung memiliki sifat menolak air (hydrophobic), sehingga polutan yang terbawa air tidak menempel permukaan sarung. Karena polutan tidak menempel pada permukaan isolator, maka tegangan lewat denyarnya tidak menurun karena polusi. Dengan kata lain, isolator komposit cocok dipasang pada daerah yang bobot polusinya berat. Jika tingkat ketahanan tegangannya hendak dinaikkan, cukup mengganti sarungnya dengan sarung yang jarak rambatnya lebih panjang.
Kelemahan yang dimiliki isolator komposit antara lain adalah:
1. 2. 3. 4. 5.
Harga material dasar untuk pembuatan komposit mahal. Kekuatan mekanisnya lebih rendah. Kurang terpadu karena ditemukan beberapa antar-muka. Penuaan lebih cepat, karena timbulnya kerusakan pada permukaan isolator akibat: reaksi suatu unsur kimia pada permukaan isolator; karena radiasi sinar ultra violet; karena panas dan korona yang timbul pada fitting. Ketidakcocokan bahan antar muka yang digunakan dapat menimbulkan korosi atau keretakan.
Dari beberapa jenis sarung komposit yang sudah disebutkan terdahulu, sarung karet silikon lebih disukai, karena memiliki beberapa keunggulan sebagai berikut:
l. 2. 3. 4. 5. 6.
Sifat hydrophobicnya lebih baik daripada bahan komposit yang lainnya. Karena sifat hydrophobicnya yang baik, maka polutan tidak menempel pada permukaan isolator, sehingga isolator tidak membutuhkan pembersihan rutin. Karena polutan tidak menempel pada permukaan isolator, maka arus bocor yang melalui permukaan isolator karet silikon lebih rendah, sehingga tegangan lewat denyarnya lebih tinggi. Kekuatan mekanisnya lebih tinggi daripada bahan komposit lainnya. Sifatnya tidak berubah karena perubahan cuaca. Lebih tahan terhadap korona, radiasi ultraviolet dan panas.
Pada Tabel 8.1 diperlihatkan contoh spesifikasi suatu isolator komposit.
8.6
KARAKTERISTIK ELEKTRIK ISOLATOR Ditinjau dari segi kelistrikan, isolator dan udara membentuk suatu sistem isolasi yang berfungsi untuk mengisolir suatu konduktor bertegangan dengan kerangka penyangga yang dibumikan sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir dari konduktor tersebut ke tanah. Ada dua hal yang dapat menyebabkan sistem isolasi ini gagal melaksanakan fungsinya. y'aitu terjadinya tembus listrik pada udara di sekitar permukaan isolator
$
f r t:
153 TABEL 8.1
Spesifikasi Suatu lsolator Komposit Parameter Tegangan nominal
Satuan kV
Besaran
l:6
Panjang keseluruhan
mm
f -it,r-t
Paniang efektif (jarak busur)
mm
llut
Jumlah sirip Diameter sirip besar
mm
9l
Diameter sirip kecil
mm
l{}
Jarak antar sirip berdiameter sama
mm
51
Jarak rambat permukaan
mm
Bobot
kg
Tegangan lewat denyar frekuensi daya (kondisi basah) Tegangan lewat denyar impuls petir
Kekuatan lentur beban mekanis
KV
-l
l0()
r6 18_5
kVrun.uu
550
KN
l0
yang disebut peristiwa lewat-denyar (fiashover) dan tembus listrik pada isolator yang menyebabkan isolator pecah. Kegagalan suatu isolator dapat terjadi karena bahan dielektrik isolator tembus listrlk (breakdown) atas karena terjadinya lewat denyar udara pada permukaan isolator. Dalam kasus yang pertama, karakteristik listrik tidak dapat pulih seperti semula dan sebagian dari isolator mengalami kerusakan mekanis sehingga tidak dapat digunakan lagi dan harus diganti. Pada peristiwa lewat denyar, terjadr busur api yang menimbulkan pemanasan pada permukaan isolator dan menimbulkan hubung singkat fasa-ke-tanah. Jika relai proteksi bekerja, tegangan pada isolator menjadi nol, akibatnya busur api padam. Dengan demikian, isolator tidak sempat men-salami pemanasan yang lama sehingga terhindar dari kerusakan. Semua isolator dirancang sedemikian hingga tegangan tembusnya jauh lebth tinggi daripada tegangan lewat denyarnya. Dengan demikian, dasar pemilihan kekuatan dielektrik suatu isolator adalah tegangan lewat denyarnya. Kekuatan dielektrik sur::: isolator dan nilai tegangan tertinggi isoiator yang tidak menimbulkan leu'at denr ":. dapat diperkirakan dari tiga karakteristik dasar isolator, yaitu: tegangan leu'at den'..: bolak-balik pada keadaan kering; tegangan lewat denyar bolak-balik pada keuc:::-. basah; dan karakteristik tegangan-waktu impuls standar. Tegangan lewat denyar bolak-balik digunakan untuk memperkirakan kek-.:.:elektrik isolator jika memikul tegangan lebih internal, sedangkan karakteristik ii!;rl:rwaktu digunakan untuk memperkirakan kekuatan elektrik isolator jika memikul i.:..:'.j::
lebih impuls petir. Tegangan lewat denyar bolak-balik pada kondisi kering adalah karakter:.::. -:,:-." isolator yang dipasang pada ruangan tertutup. Tegangan lervat denyar ditent"i":. :,J. keadaan permukaan isolator kering dan bersih. Tegangan lewat denlar dinr:rs:: :.-: keadaan udara standar, yaitu ketika temperatur udara 20 'C dan tekanen ::,.:i -tsr' mmHg. Tegangan lewat denyar kering pada sembarang temperatur dan lei::.": *J-::. ditentukan dengan persamaan di bawah ini:
154
Peralatan Tegangan Tinggi
V=6V
8.3
Dalam hal ini, v adalah tegangan lewat denyar isolator pada sembarang keadaan udara; v adalah tegangan lewat denyar isolator pada keadaan standar; dan d adalah faktor koreksi udara. Jikar! adalah temperatur udara ("C) dan b adalah tekanan udara (mmHg), maka faktor koreksi udara adalah:
d*
0.386 273 + {t
'
8.4
Jika kelembaban udara makin tinggi, maka tegangan lewat denyar bolak-balik isolator makin tinggi. Jika V adalah tegangan lewat denyar isolator pada keadaan udara standar dan kelembaban 1l g/m3, maka tegangan lewat denyar isolator pada sembarang temperatur, tekanan dan kelembaban udara dapat ditentukan sebagai berikut:
v =0v' kut
8'5
Dalam hal ini, k,, adalah faktor koreksi yang bergantung kepada kelembaban udara. ko dengan kelembaban diperoleh secara empiris dan hasilnya adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 8.12. Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator sangat penting diketahui jika isolator itu akan dipasang di ruang terbuka. Tegangan ler,vat denyar bolak-balik basah suatu isolator merupakan gambaran kekuatan dielektrik isolator tersebut ketika basah karena air hujan. Sifat air hujan yang membasahi suatu isolator dicirikan atas tiga hal, yaitu intensitas, arah dan konduktivitas air yang membasahi isolator tersebut. Oleh karena itu, dalam pengujian tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator, air yang membasahi isolator perlu distandarisasi. Menurut IEC, persyaratan air yang membasahi isolator ketika pengujian adalah sebagai berikut:
Kurva yang menyatakan hubungan
. . .
Intensitas penyiraman 3 mm/menit Resistivitas air (p) = 10.000 ohm ' cm Arah penyiraman air membentuk sudut 45o dengan sumbu tegak isolator
Tegangan lewat denyar bolak-balik basah suatu isolator juga bergantung kepada kondisi udara, tetapi berdasarkan pengalaman, yang lebih berpengaruh adalah tekanan udara, sedangkan temperatur tidak begitu berpengaruh. Jika lewat denyar terjadi pada suatu isolator yang basah, maka peluahan melintasi air dan celah udara pada pada permukaan isolator. Oleh karena itu, kenaikan tegangan lewat denyar bolak-balik basah akibat kenaikan tekanan udara tidak sama pada setiap jenis konstruksi isolator. Jika celah udara yang dilalui peluahan lebih panjang, maka pengaruh tekanan udara terhadap tegangan lewat denyar basah semakin besar. Umumnya, setengah daripada lintasan
peluahan merupakan celah udara. Dengan anggapan ini, tegangan lervat denyar basah pada sembarang tekanan udara dapat ditentukan sebagai berikut;
v=0,5
f
b\ (r * 160 ) -l
8.6
Dalam hal ini, v adalah tegangan lewat denyar basah pada tekanan udara standar. Karakteristik tegangan-waktu ditentukan hanya pada keadaan kering dan permukaan bersih, karena penurunan kekuatan elektrik isolator akibat air dapat diabaikan, hanya sekitar 2 - 3ok. Karakteristik tegangan-waktu diperoleh melalui pengujian isolator dengan tegangan impuls standar baik polaritas positif maupun polaritas negatif. Menurut IEC,
Bab
B
1.22
Impuls Penuh
A
N
Jenis Peralatan
t.20
l,l8
\
\
B
\
\
r\
\\ \\\ \ \\ \
C 1,10
t,08 1,06 O
o
\
1,04
c
v
\
\
I,I2
+
+
C
1,5
1,5
40
40
.L 5
Sela Batang
B
C
D
F
Isolator Suspensi
B
C
D
F
Isolator Post
A
D
E
Isolator Peralatan
B
D
E
Bushing
B
C
D
\
is \
t,02
d
E
155
lsolator dan Bushing
1,00
0,98 0,96 0,94
nq,
\
\
\
N
\-
\N s \ s\ \
F E
\ \
0,90 0,88 B
0,86 A
0.84
810t2141618202224 Kelembaban Mutlak Udara (g/cm3)
GAMBAR 8,12 Faktor koreksi kelembaban udara
waktu muka dan waktu ekor tegangan impuls standar adalah 1,2 x 50 pr,s. Tegangan lewat denyar impuls pada sembarang temperatur dan tekanan udara dihitung dengan Persamaan 8.3. Perlu diperhatikan bahwa faktor koreksi kelembaban k,,pada Gambar 8.7 berlaku untuk tegangan impuls terpotong pada waktu lebih daripada l0 mikrosekon. Jika
tegangan impuls terpotong di bawah 10 mikrosekon, koreksi dapat dikurangi sebanding dengan waktu pemotongan tegangan impuls. Sebagai contoh, menurut Gambar 8.7. k,, = 1,06 jika tegangan impuls terpotong lebih daripada 10 mikrosekon. Dalam hal ini, penambahan faktor koreksi adalah sebesar 0,06. Seandainya tegangan impuls terpotong
155
Peralatan Tegangan Tinggi
8 mikrosekon, maka penambahan faktor koreksi adalah 0,06 x 8/10 = 0,048; dengan demikian faktor koreksi menjadi ft,, = 1,048. Pengujian impuls dilakukan dengan tegangan impuls standar penuh dan impuls terpotong 2 mikrosekon. Isolator harus mampu memikul tiga kali tegangan impuls standar penuh dan setelah itu harus mampu memikul tiga kali tegangan impuls standar terpotong.
8.7
KARAKTERISTIK MEKANIS ISOLATOR Karakteristik mekanis suatu isolator ditandai dengan kekuatan mekanisnya, yaitu beban mekanis terendah yang mengakibatkan isolator tersebut rusak. Kekuatan mekanis ditentukan dengan membebani isolator dengan beban yang bertambah secara bertahap hingga isolator rusak. Kekuatan mekanis suatu isolator dinyatakan dalam tiga jenis pembebanan, yaitu kekuatan mekanis tarik, kekuatan mekanis tekan dan kekuatan mekanis tekuk. Sebelum menetapkan kekuatan mekanis suatu isolator konstruksi tertentu, perlu diketahui lebih dahulu beban mekanis yang akan dipikulnya di lapangan. Jika isolator akan digunakan pada jaringan hantaran udara, maka isolator harus mampu memikul berat konduktor dan beban tarik. Berat konduktor bergantung kepada luas penampang konduktor, jenis bahannya, jarak gawang dan ada-tidaknya beban lain pada konduktor. Tegangan mekanis karena beban tarik bergantung pada luas penampang konduktor, jarak gawang, temperatur dan kecepatan angin. Bila jaringan hantaran udara menggunakan isolator jenis pin, maka semua beban di atas umumnya akan menimbulkan beban tekuk pada isolator. Bila jaringan hantaran udara menggunakan isolator gantung, maka semua beban di atas akan menimbulkan regangan. Isolator post biasanya digunakan untuk panel pembagi daya. Beban utama yang dipikulnya adalah berupa gaya tekuk akibat gaya mekanik antar konduktor, baik pada kondisi operasi nomal maupun ketika konduktor dialiri arus hubung singkat. Dalam pengujian kekuatan mekanis suatu isolator, kerusakan tidak selamanya terlihat, khusus pada pengujian isolator gantung, karena kerusakan dapat terjadi di dalam jepitan logam sehingga terlindung dari pandangan mata. Oleh karena itu, untuk isolator gantung, pengujian kekuatan mekanis dilakukan sambil memberi tegangan listrik pada isolator sebesar '70 - 807a tegangan lewat denyar bolak balik kering. Beban mekanis terendah yang menyebabkan isolator tembus listrik dinyatakan sebagai kekuatan mekanisnya. Tembus listrik ditandai dengan telputusnya hubungan listrik pada trafo uji yang digunakan untuk mencatu tegangan pada isolator. Karakteristik mekanis utama dari suatu isolator gantung adalah kekuatan mekanis satu jam, dan biasanya karakteristik ini dicantumkan pada permukaan setiap isolator gantung. Karakteristik ini ditentukan dengan membebani isolator secara bersamaan dengan beban mekanis sebesar 757c kekuatan mekanis dan beban elektrik sebesar 15 - 80Vo tegangan lervat denyar bolak-balik kering. Isolator harus mampu memikul beban tersebut selama satu jam tanpa menimbulkan kerusakan pada isolator. Dalam praktik, beban tertinggi yang dapat dipikul isoiator ditetapkan sebesar satu setengah kali kekuatan mekanis satu .jam.
Bab
8.8
B
lsolator dan
i
-
ISOLATOR TERPOLUSI Setelah melalui waktu yang lama, isolator-isolator pasangan luar akan dic: -polutan yang dibawa oleh udara. Berikut ini akan dijelaskan tentang pen-sarL: tersebut terhadap kinerja isolator; pengaruh bobot polutan pada suatu kana:rr:. ,- -. perancangan isolator pada kawasan tersebut; dan cara menentukan bobot polui.- : - suatu kawasan.
Pengaruh Polutan Terhadap Kinerja lsolator Polutan yang terkandung
di
udara dapat menempel pada permukaan isolator
;.
berangsur-angsur membentuk suatu lapisan tipis pada permukaan isolator. Unsur polui. yang paling berpengaruh terhadap unjuk kerja isolator adalah garam yang terbawa trle: angin laut. Lapisan garam ini bersifat konduktif terutama pada keadaan cuaca len'rbar,. berkabut atau ketika hujan gerimis. Jika cuaca seperti ini terjadi, maka akan mengalrr arus bocor dari kawat fasa jaringan ke tiang penyangga melalui lapisan konduktif 1 ang menempel di permukaan isolator.
Pada Gambar 8.13 diperlihatkan suatu isolator pendukung yang permukaann\a
dilapisi polutan konduktif dan rangkaian ekuivalennya. Lapisan polutan konduktii tersebut dapat dianggap sebagai suatu resistansi yang menghubungkan kedua jepitan Iogam isolator. Resistansi lapisan polutanjauh lebih rendah daripada resistansi dielektrik padat isolator. Jika jepitan (a) bertegangan dan jepitan (D) dibumikan, maka arus bocor (Qakanmengalirmelaluilapisankonduktif dari jepitan akeb, sedangkanarus)'ans melalui dielektrik padat isolator dapat diabaikan. Adanya arus bocor ini akan menimbulkan panas yang besarnya sebanding den-ean kuadrat arus bocor dikalikan dengan resistansi lapisan polutan dari a ke d. Panas i ang terjadi akan mengeringkan lapisan polutan dan pengeringan arval terjadi pada kau'asan permukaan isolator yang berdekatan dengan jepitan logam isolator, karena di kau,asan ini konsentrasi arus lebih tinggi. Pengeringan tersebut akan membuat resistansi lapisan polutan di kawasan jepitan isolator semakin besar. Misalkan lapisan polutan yan-e sudah kering adalah sepanjang a - b dan tahanannya adalah R,,0. Akibatnya, beda tegansan pada lapisan polutan yang kering (V,r) semakin besar dan menimbulkan kuat medan elektrik di antara titik a dan b semakin tinggi. Jika kuat medan elektrik ini melebihi kekuatan dielektrik udara di sekitar isolator, maka akan terjadi peluahan dari titik ,;
Logam
--..--->
V*= IoR*
Lapisan kering
A
Lapisan polutan
i
Lapisan
I
poluran
--> Lo-uam -------->
GAMBAR 8.13 lsolator terpolusi dan rangkaian ekuivalenny
frffLlK Brdtn Pcrpustlkcrn dan Kcrrsipatr propinsi !"T.?":19*
158
Peralatan Tegangan Tlnggi
ke titik b. Busur api akibat peluahan ini membuat lapisan polutan yang kering (.a - b) terhubung singkat, akibatnya arus bocor semakin besar. Arus bocor ini akan memanaskan lapisan polutan yang masih basah dan proses seperti di atas terulang lagi sehingga terjadi peluahan dari titik & ke titik c. Akibatnya panjang busur api akibat peluahan semakin bertambah, yaitu dari a ke c. Demikian seterusnya, secara berangsur-angsur busur api semakin panjang, dan ketika busur api telah menghubungkan kedua jepitan logam isolator (a - d), maka terjadilah peristiwa lewat-denyar pada isolator. Oleh karena itu, dalam perencanaan isolator suatu jaringan, perlu adanya informasi tentang tingkat bobot polusi di kawasan yang akan dilintasi jaringan tersebut. Informasi ini merupakan pedoman bagi perencana untuk menentukan parameter isolator yang layak digunakan pada kawasan tersebut. Sehubungan dengan hal ini, IEC telah menerbitkan standar IEC 815 sebagai pedoman dalam pemilihan isolator di kawasan terpolusi. Dengan standar ini, dapat dihitung jarak rambat isolator untuk suatu kawasan yang telah diketahui tingkat bobot polusinya.
Penentuan Jarak Rambat Isolator Jarak rambat nominal adalah jarak rambat total isolator atau lintasan terpendek menelusuri semua permukaan isolator yang menghubungkan bagian konduktif atas isolator dengan
bagian konduktif bawah isolator. Menurut standar IEC 815, jarak rambat nominal minimum suatu isolator, adalah sebagai berikut:
l,=JorxVxko Dalam hal ini:
8.7
l,
= Jarak rambat nominal minimum (mm) = Jarak rambat spesi{ik minimum (mm/kV) Tegangan fasa-ke-fasa tertinggi sistem (kV) kr= Faktor koreksi yang bergantung pada diameter isolator
/^,
V=
Jika isolator akan digunakan untuk mengisolir bagian yang bertegangan fasa-ke-fasa, maka jarak rambat harus dikalikan dengan /3. Jarak rambat spesifik suatu isolator bergantung pada tingkat bobot polusi di kawasan pemasangan isolator. Menurut standar IEC 815, tingkat bobot polusi isolator dibagi atas empat tingkatan. Besar jarak rambat spesifik isolator pada masing-masing tingkat bobot polusi diperlihatkan pada Tabel 8.2. Hasil pengujian laboratorium menunjukkan bahwa kinerja isolator menurun dengan betambahnya diameter rata-rata isolator. Oleh karena itu, perlu suatu faktor koreksi karena pertambahan diameter isolator. Faktor koreksi ini diperlukan untuk menaikkan jarak rambat isolator, sehingga kinerja isolator semakin baik. Faktor koreksi sehubungan dengan ukuran diameter isolator diperlihatkan pada Tabel 8.3. TABEL 8.2
Nilai Jarak Rambat Spesifik Untuk Berbagai Tingkat Bobot Polusi
Tingkat Bobot Polusi
,I", (mm/kV)
Ringan
l6
Sedang
20
Berat
25
Sansat Berat
31
Bab
B
lsolator dan Bushing
159
TABEL 8.3
Faktor Koreksi Diameter lsolator Menurut IEC 815 Diameter Rata-rata (mm)
Faktor Koreksi (ft,)
300
Penetapan Tingkat Bobot Polusi lsolator Menurut standar IEC 815, ayat 2, ada tiga metode untuk menentukan tingkat bobot polusi isolator di suatu kawasan, yaitu:
a. b. c.
Berdasarkan analisa kualitatif kondisi lingkungan seperti diberikan pada Lampiran .1. Berdasarkan evaluasi terhadap pengalaman lapangan tentang perilaku isolator yang sudah terpasang di kawasan tersebut. Berdasarkan pengukuran polutan isolator yang sudah terpasang/sudah beroperasi.
Menurut standar IEC 815, penentuan tingkat bobot polusi menurut metode (c) di atas dapat dilakukan dengan salah satu cara di bawah ini;
1.
Mengukur konduktivitas volume bahan polutan yang dikumpulkan dari lapangan dengan alat ukur direksional.
2. 3.
Mengukur deposit garam ekuivalen dari polutan yang menempel di permukaan isolator atau metode "Equivalent Salt Deposit Density" (ESDD). Mengevaluasi jumlah lewat denyar yang terjadi pada berbagai rentengan isolator yang berbeda ukuran panjangnya.
4. 5.
Mengukur konduktivitas permukaan isolator-isolator sampel. Mengukur arus bocor isolator pada tegangan operasi sistem (nilai arus tertinggi selama beberapa kurun waktu tertentu yang berurutan).
Berikut ini akan dijelaskan prosedur pengukuran ESDD. Untuk melarutkan polutan isolator, diambil air destilasi sebanyak 500 ml. Air pelarut ini ditempatkan dalam ruangan pendingin hingga temperatur air mencapai 20 'C. Air diaduk agar temperaturnya merata. Ketika temperatur air mencapai 20 "C, konduktivitas air diukur dengan alat pengukur konduktivitas (conductivitymeter). Konduktivitas air pelarut disetarakan dengan larutan garam NaCl dalam air murni. Kesetaraannya ditentukan dengan mencari konsentrasi garam dalam larutan air murni yang konduktivitasnya sama dengan konduktivitas air pelarut (D,). Konsentrasi garam dalam suatu larutan air murni pada temperatur 20 oC, dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini:
p = (5,7 x 0ro),.0,
g.g
Dalam hal ini, D adalah konsentrasi garam (kg/m3) dan 0ro adalah konduktivitas larutan pada temperatur 20 "C (S/m). Selanjutnya polutan yang menempel pada isolator dilarutkan
dalam air pelarut. Pekerjaan ini harus dilakukan dengan hati-hati, agar polutan dari luar isolator tidak ikut terlarut dalam air. Larutan ditempatkan dalam ruangan pendingin hingga temperaturnya mencapai 20 'C. Ketika temperatur larutan polutan mencapai 20 "C, konduktivitas larutan diukur dengan conductivitymeter. Kemudian dihitung
160
Tegangan finggi
konsentrasi ekuivalen garam larutan polutan dengan Persamaan 8.8, dan dimisalkan hasilnya adalah Dr. Jika luas permukaan isolator telah diketahui, maka ESDD dihitung dengan rumus di bawah ini:
(D _D)
K=G " -a
8.9
Dalam hal ini, K adalah ESDD (mg/cm'?); G adalah volume air destilasi dalam gelas ukur (cm3); dan A adalah luas permukaan isolator (cm2). Hubungan antara ESDD dengan bobot polusi diperlihatkan pada tabel di Lampiran 4. Luas permukaan isolator bergantung kepada bentuk isolator. Pada Tabel 8.4 diperlihatkan luas permukaan tiga jenis isolator. TABEL 8.4 Luas Permukaan lsolator Bentuk Isolator
Luas Permukaan (A)
A=ZIR.H, +
r
(R"+ nr) 1@, +
{n,_nl
* v (Ra+ nrt 1@;+ fR,_Rl
D.+D A=rriLL
A=3
(2rrRrH,)
+ 2tr (R,+ nr)
{r1,T
1n,
-
nl
8.9 DISTRIBUSI TEGANGAN PADA ISOLATOR RANTAI Dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu dielektrik atau susunan "konduktor-dielektrikkonduktor" merupakan suatu susunan kapasitor. Semua isolator merupakan dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu medium dielektrik. Oleh karena itu, suatu isolator merupakan suatu kapasitor. Kap isolator dengan menara, juga kap dengan konduktor transmisi membentuk susunan kapasitor. Kehadiran kedua kapasitansi terakhir ini mengakibatkan distribusi tegangan pada isolator rantai tidak merata.
Q^^
Logaml /E\ Diel e krri
k
_t_
ti
.---l;------=:
/--]--\
-ra I -opam -/ (a) Isolator
C
161
Kapasitor
J (b) Isolator Bersih
GAMBAR 8.14 Ekuivalen listrik suatu isolator piring
Berikut ini akan dijelaskan susunan kapasitansi dan pendekatan menghitun-e distribu\i tegangan pada isolator rantai; dan cara-cara meratakan distribusi tegangan tersebur.
Kapasitansi lsolator Pada Gambar 8.14a diperlihatkan suatu isolator piring. Isolator tersebut membenruk suatu susunan "konduktor-dielektrik-konduktor". Oleh karena itu, suatu isolator dapat
dianggap merupakan suatu kapasitor (Gambar 8.14b). Jika pada permukaan isolator ditemukan polutan yang membentuk suatu resistansi pada permukaan isolator, maka isolator dianggap merupakan kapasitor yang paralel dengan suatu resistor (Gambar 8.14c). Jika beberapa isolator piring dirangkai menjadi isolator rantai seperti diperlihatkan pada Gambar 8.15, maka akan dijumpai tiga kelompok susunan "konduktor-dielektrikkonduktor", masing-masing dibentuk oleh:
a. b. c.
Kap isolator-dielektrik isolator-fitting. Susunan ini membentuk kapasitansi sendiri isolator (C,). Kap isolator-udara-menara. Susunan ini membentuk kapasitansi kap isolator dengan menara yang dibumikan (Cr) yang disebut kapasitansi tegangan rendah. Kap isolator-udara-konduktor transmisi. Susunan ini membentuk kapasitansi kap isolator dengan konduktor tegangan tinggi. Kapasitansi ini disebut kapasitansi tegangan tinggi (C.).
Konduktor Transmisi
GAMBAR 8.15 Susunan "konduktor-dielektrik-konduktor" pada isolator rantai
162
Peralatan Tegangan
llnggi
Konduktor Transmisi
GAMBAR 8.16 Rangkaian ekuivalen isolator rantai empat piring pada kondisi bersih
Dengan demikian, pada kondisi isolator rantai bersih (pada permukaan isolator tidak ada polutan), rangkaian ekuivalennya adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 8.16. Pada umumnya, nilai kapasitansi-kapasitansi di atas adalah:
. . .
Kapasitansi isolator Cr = 50 - 70 pF Kapasitansi kap isolator dengan menara Cr. = 4 - 5 pF Kapasitansi kap dengan konduktor transmisi C, = 0,5 -
I
pF
Pendekatan Perhitungan Distribusi Tegangan Berikut ini diberikan dua metode untuk menghitung distribusi
tegangan pada isolator persamaan diferensial. metode dan rantai, yaitu dengan metode Hukum Kirchhoff
Metode Hukum Kirchhoff Rangkaian ekuivalen isolator rantai untuk menghitung distribusi tegangan dengan metode
Hukum Kirchhoff adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 8.17. Hukum Kirchhoff pada titik (l) adalah sebagai berikut:
l,,+i,,=irr*i,.
8.10
Jika tegangan pada suatu kapasitor C adalah V dan frekuensi tegangan tersebut adalah I maka arus pada suatu kapasitor adalah i, = 2nfCV. Dengan demikian, Persamaan 8.10 dapat dituliskan sebagai berikut:
vt ,v,,-v,_ vt 2rtfc, - 2rit , - z.np rv\ ct -+
lvh
-
- v) vl cr =-+c,
v2 c1
v2
2rrK,
8.1
I
8.12
Bab
B
soraio'ca. Busn
ng
Menara
c1
rq
| ,,,
v
.,
iC,
<__ c2
2
I
V,,
tq
t"
GAMBAR 8.17 Rangkaian ekuivalen isolator rantai untuk perhitungan distribusi tegangan dengan Metode
Hukum Kirchhoff
Hukum Kirchhoff pada titik (2) adalah:
i,r+irr=irr+i*
8. 13
_(V, + Vr), - q -q ----r, q-
V,, (V,,- Vt-
V2l
V,
- l) adalah sebagai berikut: il(n - l) +i {(, ll -i^t\.n ' tt +i.
8.1.1
Hukum Kirchhoff pada titik (n
815
tn
v rV -V -V--.....-V Cr Cr (r-l)
lD
I
(V, + V, + ..... +
,
/
{,,_,,)
tn-t)
.)
V.
Lr
Jika jumlah isolator piring adalah n, maka Hukum Kirchhoff akan memberikar. 1) persamaan. Di samping (" - l) persamaan itu masih ada satu persamaan tesii.:r: yang diperoleh, yaitu: v,,,
= v, + v2 + v,+
""""""""""'
+
y,,
\1
Sehingga ada n persamaan dengan n tegar,gan (If yang tidak diketahui Dengan ......., V,n_,y dan V, dapat dihitung. demikian, Vu V, V3, . .
164
Peraiatan Tegangan
1
rnggi
A
.l { ^1
V +dV
I
J dC.
Konduktor
O*
(rq
G
GAMBAR 8.18 Rangkaian ekuivalen elementer isolator rantai
Metode Persamaan Diferensial Dengan metode ini, perhitungan distribusi tegangan pada isolator rantai sama dengan perhitungan distribusi tegangan pada transmisi panjang. setiap kapasitansi yang dijumpai pada isolator rantai dianggap sebagai elemen kapasitansi seperti diperlihatkan pada Gambar 8.18.
Jika panjang seluruh isolator adalah L, maka kapasitansi setiap elemen adalah sebagai berikut:
dct = C,
h
8. 18
dCr=
Crf
8.19
dCr=
C.f
8.20
Tegangan pada satu elemen kapasitor adalah:
dv,=_,:,!_!,; jaC,'
*
8.21
Karena di, << i,, maka di, dapat diabaikan, sehingga Persamaan 8.21 menjadi:
,r, -u",-jrctd^ "
8.22
Jumlah arus pada titik X adalah:
di,=dir-di, dir=
V,
di, = (V
8.23
j, Cr*
-
Selanjutnya dV, didiferensiasikan terhadap
V,) jtt C.
r,
8.24
f
maka diperoleh:
8.2s
BaoS .:;::'::-:_=.
(FV I_
dx2
di
165
\ -^
- jaC,Ldx
'l?V' N=-jrDC,Ldx d(i2
i3)
Jika Persamaan 8.24 dan 8.25 disubstitusikan ke dalam Persamaan 8.27. didap.ii":
dV,
_V^,Cr+C,, VC, d-r- tit q '-Fc,
r l.
tr+c. ,=1?
Iika
5
lv
- unit isolator ke-n I - Jumlah isolator piring (AI)
X
maka tegangan pada isolator ke-n dihitung dari dirumuskan sebagai berikut: C^
V,=Afsinh(a.n\+A -l
A_
ft
,trn ta (n
v a2 sinh
titik yang dibumikan (menara)
-
I.fll +
B
dapar
8.10
8.-t
(a . N)
1
CV
D7
"- 6i*6'
8.32
Dalam hal ini: V adalah tegangan transmisi fasa ke netral n adalah nomor unit isolator: dan N adalah jumlah unit isolator piring yang digunakan.
Menurut Persamaan 8.30, kurva distribusi tegangan pada isolator rantai adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 8.19. Terlihat, jika tegangan yang dipikul isolator adalah tegangan bolak balik, maka distribusi tegangan pada setiap isolator tidak merata. VIV
C. dan C, =
G
GAMBAR 8.19 Distribusi tegangan pada isolator rantai
0.
166
Peralatan Tegangan
T
rnggi
Jumlah isolator piring yang digunakan, kapasitansi Cr C2, dan C., mempengaruhi tegangan yang dipikul setiap unit isolator. Makin banyak jumlah isolator yang digunakan, maka tegangan yang dipikul setiap unit isolator makin kecil. Penambahan jumlah unit isolator perlu dilakukan jika tegangan isolator yang terdekat ke kawat fasa lebih besar daripada kekuatan dielektrik isolator tersebut.
Dalam pemilihan jenis isolator suatu transmisi perlu diketahui eflsiensi isolator yang akan dipilih. Efisiensi suatu isolator dideflnisikan sebagai berikut:
q-
Tegangan yang dipikul isolator rantai N x Tegangan unit isolator yang terdekat dengan kawat
fasa
8.33
Jika efisiensi suatu isolator semakin rendah, maka tegangan pada unit isolator yang paling dekat dengan karvat fasa semakin besar. Kenaikan tegangan ini perlu diwaspadai supaya jangan sampai lebih besar daripada kekuatan dielektrik isolator. Jika kekuatan dielektrik isolator yang dipakai rendah, maka tegangan unit isolator yang paling dekat ke kawat fasa harus diperkecil. Hal ini dapat dilakukan dengan menambah jumlah isolator. Penambahan ini akan memperkecil efisiensi isolator. Dengan kata lain, jika kekuatan dielektrik isolator piring yang dipakai rendah, maka efisiensi isolator makin kecil.
Pemerataan Distribusi Tegangan pada lsolator Rantai Pada Gambar 8.19 telah diperlihatkan pengaruh kapasitansi Crdan C, terhadap distribusi tegangan pada isolator rantai. Tegangan pada setiap piring isolator tidak sama meskipun kapasitansi masing-masing isolator piring sama. Keadaan ini membuat ada unit isolator
yang mengalami tekanan elektrik yang tinggi, sehingga pada kap atau fitting isolator tersebut teriadi korona; sementara unit isolator lain mengalami tekanan elektrik yang rendah. Oleh karena itu, perlu suatu usaha untuk meratakan distribusi tegangan pada isolator rantai, supaya nilai tegangan pada setiap piring isolator mendekati sama. Ada empat cara untuk meratakan distribusi tegangan pada isolator rantai, yaitu:
1. 2.
3. 4.
Memperkecil C, dengan menambah panjang lengan menara. Tetapi cara ini sangat mahal, karena berdampak kepada peningkatan kekuatan konstruksi menara. Melapisi permukaan isolator dengan bahan semikonduktor resistansi tinggi. Pada keadaan basah, bahan pelapis ini akan dialiri arus bocor yang tinggi, sehingga arus kapasitansi dapat diabaikan. Dengan demikian, arus bocor hanya melalui resistansi permukaan isolator dan besarnya sama pada setiap piring isolator. Jika resistansi permukaan isolator sama, maka tegangan pada setiap unit isolator adalah sama. Kapasitansi setiap isolator piring dibuat bervariasi. Piring isolator yang memiliki kapasitansi terbesar dipasang mengikat konduktor transmisi, sedangkan piring isolator yang memiliki kapasitansi terkecil dipasang pada lengan menara. Memperbesar C., seperti yang akan dijelaskan berikut ini.
Kurva distribusi tegangan yang ideal adalah linier (kurva l), yaitu jika kapasitansi ke menara Crdan kapasitansi tegangan tinggi C, tidak ada. Jika hanya ada kapasitansi ke menara, maka kurvanya menurun (kurva 2); dan jika hanya ada kapasitansi tegangan tinggi, maka kurvanya naik (kurva 3). Jika kedua kapasitansi ini (C, dan C,) diperhitungkan, maka kurva distribusi tegangan merupakan resultan kurva 2 dan kurva 3 yang diperoleh dengan superposisi kedua kurva tersebut (kurva 4). Untuk mendapatkannya, kurva 3 dikurangi sebesar AV, yaitu besar penyimpangan kurva 2 dari kurva distribusi linier (kurva 1). Hal ini memperjelas bahwa distribusi tegangan semakin
Bab
8
lsolator dan Bushing
167
og
A
/\ ---==I
Elektroda i
Perata
Konduktor
GAMBAR 8.20 Contoh bentuk-bentuk elektroda perata dan pemasangannya
linier akibat adanya kapasitansi tegangan tinggi. Dengan kata lain, efek kapasitansi ke menara dapat dikompensasi dengan memperbesar nilai kapasitansi tegangan tinggi. Hal ini dilakukan dengan membuat elektroda perata pada jepitan konduktor. Bentuk-bentuk elektroda perata dan pemasangannya diperlihatkan pada Gambar 8.20. Misalkan titik (1) pada Gambar 8.17 adalah unit ke-l dari N unit piring rang membentuk suatu isolator rantai. Untuk nilai C, tertentu dan C, yang konstan, C,. harus dibuat sedemikian besarnya sehingga tegangan pada tiap piring isolator sama. Tegan-ean pada setiap isolator piring adalah Vr,= V,nlN. Jika syarat ini dipenuhi, maka seharusnya 1,,
= i,, = /,:
= = 1rr,- rr = ir, dipenuhi. Persamaan arus pada titik sambung tersebut adalah: (Vt,,' V)
@
Cr= V, ot C,
8.3.1
Cr=
8.3s
atau
(Vk
-
Vp)
Akhirnya diperoleh:
C.=
C,
Vr, C,
vpt
V -V
8.36
Jika kapasitansi ke menara C, diketahui baik melalui pengukuran atau pen-uhitun-ean. maka dapat dicari nilai kapasitansi tegangan tinggi C. agar diperoleh distribusi tegangan yang merata.
8.10
BUSH I NG Pada peralatan-peralatan listrik, ditemukan konduktor bertegangan tinggi yang dilervatkan menerobos badan suatu peralatan yang dibumikan, melalui suatu lubang terbuka yang
dibuat sekecil mungkin. Untuk itu, dibutuhkan suatu pengikat padu yang berfungsi mengikat konduktor tersebut ke badan peralatan, dan mengisolir konduktor tersebut dengan badan peralatan yang dibumikan. Pengikat padu ini disebut bushing.
168
Peralatan Tegangan
linggi
Berikut ini akan dijelaskan tentang konstruksi suatu bushing, distribusi tegangan pada isolator bushing dan cara-cara meratakan distribusi tegangan tersebut.
Konstruksi Bushing Konstruksi suatu bushing sederhana diperlihatkan pada Gambar 8.21. Bagian utama suatu bushing adalah inti atau konduktor, bahan dielektrik dan flens yang terbuat dari logam. Fungsi inti adalah menyalurkan arus dari bagian dalam peralatan ke terminal luar dan bekerja pada tegangan tinggi. Dengan bantuan flens isolator bushing diikatkan pada badan peralatan yang dibumikan. Bushing untuk tegangan AC sampai 30 kV dibuat dari bahan porselen atau damar tuang. Untuk tegangan yang lebih tinggi, dielektrik yang lebih disukai adalah minyak trafo; gulunganhardboard atau softpaper; dan kombinasi dielektrik cair dengan dielektrik padat. Kemudian, bahan dielektrik tersebut dimasukkan ke dalam tabung porselen. Gambar 8.21 memperlihatkan tekanan elektrik aksial E yang dapat menimbulkan peluahan luncur pada permukaan dielektrik. Tekanan elektrik radial E,dapat menimbulkan
peluahan parsial pada rongga-rongga yang terdapat di antara flens dengan dielektrik paling luar dan di antara inti dengan dielektrik bagian dalam. Untuk mencegah peluahan ini, maka di antara dielektrik dengan flens diberi lapisan konduktif dengan teknik penyemprotan; dan ujung lapisan yang terbentuk ditekuk untuk mengurangi efek medan pinggir. Untuk mencegah peluahan parsial pada ruang-ruang udara terbuka yang terdapat
di antara inti dengan dielektrik, maka di antara inti dengan dielektrik dibuatjuga lapisan konduktif atau diusahakan agar inti berpadu dengan dielektrik. Misalnya dengan memilih dielektrik dari bahan damar tuang, sehingga inti melekat langsung dengan dielektriknya, dengan demikian peluahan parsial pada ruang di antara inti dengan dielektrik dapat dicegah. Masalah peluahan luncur dapat juga diatasi dengan mengurangi efek medan pinggir, yaitu dengan menekuk ujung elektroda dan membuat elektroda melekat ke bahan dielektrik. Kemudian dengan pemilihan profil dielektrik yang tepat, maka kuat medan pada bidang miring yang berbatasan dengan udara dapat dikurangi di barvah nilai yang diizinkan. Jika tegangan suatu bushing porselen ditinggikan, maka pada suatu tegangan tertentu akan terjadi peluahan parsial pada rongga-rongga udara yang terdapat di antara inti dengan dielektrik; dan jika tegangan terus dinaikkan maka akhirnya akan terjadi peristiwa lewat-denyar. Dengan perkataan lain, peristiwa lewat denyar pada bushing porselen lebih dahulu diawali dengan peristiwa peluahan parsial. Pada bushing damar
Flens
Flens
GAMBAR 8,21 Konstruksi suatu bushing sederhana
Bab
B
so
a:c'
la- B-sr
no
169
tuang, peristiwa lewat denyar tidak diarvali dengan peristi\\'a peluahan parsial. karena pada bushing ini tidak ditemukan rongga-rongga udara di antara inti dengan dielektrik. Karena damar mudah dilekatkan ke metal dan dapat dicetak dalant berbagai bentuk. maka jenis isolasi damar menawarkan berbagai kemungkinan bentuk konstruksi.
Pemerataan Distribusi Tegangan pada Bushing
i
Prinsip pemerataan distribusi tegangan pada awalnya tidak mempertimbangkan jenis bahan dielektrik, tetapi akhirnya hal itu harus diperhatikan karena adanra huL,uncan tegangan awal peluahan pada pinggir elektroda yang runcing dengan ketebalan bahan dielektrik yang menyelubungi elektroda tersebut. Jika tidak memakai tabir elekrrtrda sebagai pengendali medan pinggir, maka harus dipilih bahan dielektrik 1'ane tipis. Telah diperlihatkan pada Gambar 8.20, bahwa tekanan elektrik yang dialami trleh suatu bushing terdiri dari medan elektrik radial (E ) dan aksial ({). Tekanan elekrrik kritis terdapat pada bidang batas permukaan dielektrik dengan media sekitar. Komponen radial kuat medan listrik E dapat menyebabkan tembus listrik pada bahan dielektrik. sementara komponen aksial
E
pada keadaan tertentu dapat menyebabkan peluahan luncur
di sepanjang bidang batas. Kekuatan elektrik bahan dielektrik ditentukan oleh tesangan yang menimbulkan terjadinya lewat denyar pada bidang batas, karena nilainra lebih rendah daripada tegangan yang menimbulkan terjadinya tembus listrik pada dielektrik. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa tekanan elektrik arah aksial jauh lebih kriti. daripada tekanan elektrik arah radial. Bushing untuk tegangan di atas 60 kV biasanya dilengkapi dengan elektroda perara distribusi tegangan, yaitu elektroda tipis yang dipasang di antara flens dengan inti seperti diperlihatkan pada Gambar 8.22a. Elektroda ini disebut elektroda perata atau seringjuga disebut elektroda pengantara (intermediate electrode). Penambahan elektroda perata membuat diameter flens semakin besar. Untuk mengurangi penambahan diameter bushing, maka bahan elektroda perata dibuat dari logam tipis (foil). Dengan adanra beberapa elektroda perata di antara inti dengan flens, maka ada beberapa kapasitor vang terhubung seri di antara inti dengan flens seperti diperlihatkan pada Gambar 8.22b.
Flens
Flens
-I
r:'l C. Elektroda perata
,-T-"'
* Konduktor
(inti)
(a) Bushing dengan elektroda perata
GAMBAR 8.22 Konstruksi suatu bushing dengan elektroda perata
(D) Kapasitansi bu.hing
170
Peralatan Tegangan Tinggi
Elektroda perata
<--
Tanpa elektroda perata
Dengan elektroda perata
f,
(a) Bushing dengan dua elektroda perata
f,
(D) Distribusi medan
fl
listrik
GAMBAR 8.23 Efek elektroda perata terhadap distribusi medan elektrik
Dengan mengatur diameter dan panjang elektroda perata, nilai kapasitansi setiap kapasitor dapat dibuat sama (Cr = Cz) sehingga beda potensial antara suatu bidang batas dengan bidang batas lainnya menjadi sama rata. Hal ini mendorong perlunya dibuat pembagian kapasitansi yang merata, yang dalam praktiknya hanya dapat direalisasi jika bahan isolasi terbuat dari gulungan pita tipis. OIeh karena itu, prinsip perata tegangan hanya dapat digunakan jika bahan dielektrik bushing terbuat dari hardboard atau soft paper dan fllm plastik. Pada Gambar 8.23, diperlihatkan efek elektroda perata terhadap distribusi medan elektrik pada suatu bushing silindris.
Perhitungan Tegangan Awal Peluahan (Inception Voltage) Tebal lapisan dielektrik di antara dua elektroda perata sangat kecil dibandingkan dengan diameternya. Sehingga perhitungan tegangan awal peluahan dapat dilakukan seperti halnya pada model kapasitor plat sejajar, di mana tegangan awal peluahan parsial bolak-balik pada pinggir elektroda dapat dihitung secara pendekatan, yaitu:
v,
= ko(;-)'''
,,.u,
8.37
Dalam hal ini, s adalah tebal lapisan dielektrik dalam cm dan k* adalah faktor konfigurasi yang bergantung pada jenis elektroda dan dielektrik. Nilai k* dapat diasumsikan seperti diperlihatkan pada Tabel 8.5. TABEL 8.5
Faktor Konfigurasi Elektroda Konfigurasi Pinggir/ujung logam:
kk
di udara dalam SFu
tt
21
Pinggir metal atau grafit dalam minyak
30
Pinggir grafit di udara
12
Bab
8
lso ato' ca"
E-s: .o
171
Kapasitansi Satu Lapisan
Agar pemakaian dielektrik optimal maka ukuran elektroda perata diatur sedemikian sehingga beda tegangan pada setiap lapisan merata. Jika beda tegangan inti dengan bumi adalah V dan jumlah lapisan dielektrik adalah N, maka beda tegangan pada setiap lapisan adalah:
!
8.lS
L,v = N
Untuk memperoleh keadaan di atas, kapasitansi setiap kapasitor ) ang dibentui: oleh dua elektroda berdekatan harus sama (C, = C,
= ......' = C,-t = C,). Ada
du;.
kemungkinan yang dapat dilakukan untuk memperoleh keadaan tersebut. yaitu: mensatur tebal lapisan dielektrik atau diameter elektroda, atau mengatur panjang elektroda perala. Ukuran elektroda perata suatu bushing dapat dihitung dengan bantuan Gambar 8.24.Pada gambar diperlihatkan suatu lapisan dielektrik yang berada di antara elektroda perata ke n dengan elektroda perata (n - l). Lapisan dinomori mulai dari titik pusat inti (n = 0) sampai ke pinggir flens (n = Af. Misalkan tebal lapisan dielektrik adalah:
S =r -r
n-
8.39 |
Jika setisih pinggir dua elektroda berdekatan di sisi kiri b,,, sama dengan di sisi kanan b,n, maka diperoleh bushing yang simetris. Selisih pinggir elektroda kiri dan kanan akan berbeda jika dielektrik yang berbatasan dengan isolator bushing berbeda. misalnya pada trafo daya, sebagian isolator bushing berbatasan dengan udara dan sebagian lagi berbatasan dengan minyak trafo. Dalam hal ini, bagian isolator bushing yang berbatasan dengan udara lebih panjang daripada bagian isolator bushing yang berbatasan dalam minyak trafo. Dengan mengabaikan efek medan pinggir, maka kapasitansi yang dibentuk dua elektroda berdekatan adalah sebagai berikut: un -
2re..e urn ln
a
r
8.40
=a In-t
di mana e. adalah permeabilitas relatif bahan dielektrik isolator bushing. Karena semua kapasitor C, terhubung seri satu dengan lainnya, dan tegangan pada setiap satu kapasitor sama sebesar A% maka kapasitansi C, = konstan - C.
{ s
t Elektroda perata
ke(n-l) +
r;
t GAMBAR 8,24 Ukuran elektroda perata
I $
172
)a'z e:a^
i
-,egangan Trnggi
I
i ,i,
Ada dua kemungkinan pemerataan tegangan yang dilakukan, yaitu pemerataan arah radial dan pemerataan arah aksial. Berikut ini akan dijelaskan perhitungan dimensi elektroda perata untuk masing-masing jenis pemerataan tersebut.
Pemerataan Tegangan dalam Arah Radial Untuk pemerataan tegangan pada arah radial, maka kuat medan radial E,= AVIS,, harus konstan. Hal ini dapat dipenuhi apabila tebal lapisan dielektrik S, konstan. D.rgun Persamaan 8.40 dapat diturunkan kapasitansi C,,*,:
2re^e U t
(-
il+ I
a n+
I
8.41
f
ln, il
Agar tegangan pada setiap lapisan sama, maka harus dipenuhi persyaratafl C,*t= c,. Dengan mempersamakan Persamaan 8.40 dengan persamaan 8.41, maka diperoleh: r' * r
1n
u
,+
ll
I -
r
r
8.42
f
ln=a I -
Bila lapisan dielektrik sangat tipis dibandingkan terhadap radius elektroda,
S,,
= /n * rn_ r11 r,,, maka dapat dituliskan:
atau
r
a,,*1ao,,+
8.43
Dengan Persamaan 8.43 dapat ditentukan tebal lapisan berikutnya dengan menggunakan data tebal lapisan sebelumnya. Biasanya, radius lapisan paling dalam diketahui
lebih dahulu, yaitu sama dengan radius inti bushing. Radius inti ditentukan dengan mempertimbangkan arus yang akan dialirkannya. Tebal dielektrik s,, dapat dihitung dengan mengetahui AV yang dirancang pada satu lapisan dielektrik dan nilai maksimal medan radial E, yang diizinkan terjadi pada bahan dielektrik:
',,"-
Av
8.44
E, ^,,r,
Jika panjang
ao
ditetapkan. maka ukuran elektroda-elektroda yang lain dapat ditentukan.
Pemerataan Tegangan dalam Arah Aksial Untuk pemerataan tegangan arah aksial, kuat medan aksialnya harus konstan:
-LV ab
= konstqn
Kemudian selisih pinggir elektroda berdekatan pada setiap sisi harus sama panjang dan konstan: bt,,
b
8.45
(kiri dan
kanan)
-
konstan = br konstan = =b
Dengan demikian panjang satu elektroda dapat dituliskan:
ar*l= Agar
C,,_,
=
C,,, maka syaratnya adalah:
a,,
-
b,
-
b,
8.46
il t,
173
i
t
h+=\f h+,
t 1L
I 'l
i
8.-17
Dengan pendekatan bahwa lapisan dielektrik dianggap san-eat tipis dit'andingkan terhadap radius elektroda, atau S, = r,, - r,,_r11 r,,, maka dapat dituliskan:
S
=t
ar or.
s+5
Dimensi lapisan berikutnya diperoleh dengan menggunakan data dimensi lapiran sebelumnya. Panjang lintasan lelvat denyar L dihitung dengan pendekatan seL'acrt berikut (lihat Gambar 8.22a):
L=Nb Urutan perhitungan dimensi bushing menurut prinsip perata aksial adalah seba-sai berikut I
.
2.
3. 4.
Tentukan terlebih dahulu tumlah lapisan N dengan berpedoman kepada pen-salantan. bahrva tegangan pengujian tegangan AC (yr) di antara dua lapisan adalah :ekitir 12 kV. Sebagai contoh, untuk bushing 110 kV dengan V, sebesar 260 k\'. ntakr jumlah lapisannya adalah sekitar N = 260112 = 22. Pilih panjang lewat denyar L dengan pertimbangan bahwa pada tegangan L'. kuat medan rata-rata pada permukaan bidang batas harus lebih rendah daripada bata. yang ditentukan. Untuk udara batas kuat medan dapat dimisalkan sekitar 3 - -: kV/cm; dan di dalam minyak bergantung kepada konstruksi dan komponen minr ak yang digunakan. Tetapi secara umum dapat diambil nilainya sekitar 2 sampai l kali lebih tinggi daripada yang diizinkan untuk udara. Dengan diketahuinla L. maka panjang b, dan b,dapat dihitung dengan Persamaan 8.49. Biasanya, radius inti l dan panjang total an sudah diketahui sebelumnya. Kemudian ditetapkan nilai awal r,, dengan demikian nilai r yang lain dapat dihitung dengan Persamaan 8.48. Akhirnya, dilakukan pemeriksaan terhadap hasil perhitungan. Harus dipenuhi s1 arat bahwa kuat medan radtal E, tertinggi ketika tegangan sama dengan tegangan u.ji (Vr), tiaat boleh melebihi kekuatan dielektrik bahan dielektrik, dan tegangan kerja tefiinggi yang diizinkan harus jauh lebih kecil daripada V" (lihat Persamaan 8.i-r.
I
Bab
Kapasitor Tegangan Tinggi
l1/aOasitor tegangan tinggi adalah peralatan yang digunakan pada instalasi tegangan tinggi, terutama untuk memperbaiki faktor daya (cos 9) sistem tenaga listrik. J\ I \Dewasa ini, pemakaian kapasitor untuk perbaikan faktor daya semakin ekstensif, karena kapasitor sudah dapat dikendalikan dengan alat-alat elektronik, sehingga nilai kapasitansi kapasitor dapat diperoleh sesuai dengan yang dibutuhkan. Dalam bab ini akan dijelaskan tentang klasifikasi, jenis, faktor-faktor yang dipertimbangkan dalam perancangan suatu kapasitor tegangan tinggi; karakteristik operasi suatu kapasitor; spesiflkasi kapasitor dan pengujian tegangan tinggi yang perlu
dilakukan pada suatu kapasitor.
9.1
JENIS-JENIS KAPASITOR Kapasitor tegangan tinggi dapat diklasifikasikan menurut penggunaannya, yaitu kapasitor sistem tenaga listrik, kapasitor laboratorium tegangan tinggi dan kapasitor pembangkit
frekuensi tinggi
(o
silator).
Jenis kapasitor tegangan tinggi yang digunakan pada sistem tenaga listrik adalah:
1'
Kapasitor daya frekuensi 50 atau 60 Hz. Kapasitor ini ada tiga jenis, yaitu: kapasitor shunt, kapasitor seri dan kapasitor penyadap. a. Kapasitor shunt digunakan untuk kompensasi beban induktif, perbaikan faktor daya dan untuk pengaturan tegangan ujung transmisi. b. Kapasitor seri digunakan pada transmisi daya yang sangat panjang, bertujuan untuk mengkompensasi reaktansi induktif transmisi. Dengan demikian, jatuh tegangan dan komsumsi daya reaktif pada reaktansi transmisi dapat dikurangi. c. Kapasitor penyadap digunakan untuk untuk menyadap daya dari jaringan tegangan tinggi. Cara ini dilakukan untuk elektriflkasi suatu daerah yang membutuhkan daya tidak begitu besar, misalnya elektrifikasi desa yang tidak jauh dari jaringan transmisi.
2.
Kapasitor gandeng, yaitu kapasitor yang digunakan untuk pembawa sinyal
3.
komunikasi antar gardu induk atau antar pusat pembangkit (Power Line Carrier). Kapasitor pembagi tegangan, yaitu kapasitor yang digunakan untuk pengukuran tegangan transmisi dan rel daya.
Bab
4.
9 Kaoas::'-
175
Kapasitor filter, kapasitor yang digunakan untuk men-shilangkan [3s,.r11r:: p;c.a konverter, terutama pada sistem transmisi arus searah.
5.
Kapasitor perata, yaitu kapasitor yang digunakan untuk meratakan ;i.::l.ousi tegangan pada peralatan tegangan tinggi seperti pada pemutus dar
il
ir trt
a.
Untuk mencapai nilai kapasitansi dan tegangan kerja yang diin-einkan. ada kaianr a beberapa kapasitor dihubung paralel, atau dihubung seri, atau kombinari huL'ungan paralel-seri. Umumnya kapasitor tegangan tinggi dipasang pada gardu induk pasansan luar, pada jaringan tegangan menengah. Kapasitansinya dapat dibuat mencapai ratu.an mikrofarad dengan tegangan kerja antara l0 - 20 kV. Pada Gambar 9.1 diperlihatkan tiga contoh kapasitor yang sering ditemukan pada sistem tenaga listrik. Jenis kapasitor yang digunakan di laboratorium tegangan tinggi adalah: Kapasitor perata, yaitu kapasitor yang digunakan untuk meratakan gelombang
t.
tegangan keluaran pembangkit tegangan tinggi searah. 2.
Kapasitor impuls, yaitu kapasitor yang digunakan untuk pembangkit arus dan
3.
tegangan tinggi impuls. Kapasitor standar, yaitu kapasitor yang digunakan untuk pengukuran faktor rugirugi dielektrik (tg 5).
4.
Kapasitor pembagi tegangan, yaitu kapasitor yang digunakan untuk pen-eukuran tegangan tinggi.
Kapasitor frekuensi tinggi digunakan pada rangkaian osilator pemancar radio komunikasi, tungku induksi, fllter harmonisa, konverter frekuensi, dan lain-lain. Jika frekuensi tegangan naik, maka rugi-rugi dielektrik pada suatu kapasitor semakin besar. Maka, kapasitor frekuensi tinggi harus mampu memikul panas yang diakibatkan rugi-
rugi dielektrik. Meski pada tegangan yang sangat tinggi, kapasitor dapat dibuat mendekati ideal. yakni: rugi-rugi rendah dan tanpa induktansi sendiri. Satu unit kapasitor seperti yang diperlihatkan pada Gambar 9.1a, dibentuk dari beberapa sel kapasitor. Selanjutnya, beberapa unit kapasitor dapat dirangkaikan membentuk kapasitor bank seperti diperlihatkan pada Gambar 9.2 di halaman 176.
(a) Satu unit kapasitor daya
GAMBAR 9.1 Kapasitor sistem tenaga listrik
(D) Kapasitor pada pemutus daya
(c) Pembagi tegangan
176
Peralatan Tegangan Tinggi
GAMBAR 9.2 Kapasitor bank
9.2
KONSTRUKSI SEL KAPASITOR Elektroda suatu sel kapasitor terbuat dari foil aluminium panjang, yang tebalnya +7 mikron, dan dipisahkan oleh dielektrik tipis, seperti diperlihatkan pada Gambar 9.3. Bahan dielektrik adalah kertas khusus yang tebalnya 6 - 24 prm dikombinasikan dengan bahan impregnasi. film plastik (polypropylene, polyeth.v-lene, styroflex) atau gabungan keduanya. Partikel konduktif yang ada pada kertas, dapat menimbulkan hubung singkat antara kedua elektroda foil aluminium. Untuk mencegah hubung singkat tersebut, dielektrik dibuat beberapa lapis, sekurang-kurangnya dua lapis. Masing-masing lapisan
tidak boleh mempunyai titik-titik lemah, karena pada titik-titik lemah mudah terjadi tembus listrik. Untuk mencegah hal ini, dielektrik disusun bertindih satu sama lain. Jika p, adalah peluang adanya titik lemah pada satu lapisan dielektrik, maka peluang pada setiap satu lapisan dari n lapisan terjadi titik lemah pada tempat yang sama adalah pr'. Jika memungkinkan, untuk film plastik dipilih 2lapisan; sedangkan untuk kertas yang diperkirakan mempunyai peluang titik lemah lebih besar, dibuat 3 - 6 lapisan. Pemilihan tebal dielektrik bergantung kepada tegangan kerja kapasitor. Tegangan yang dapat diterapkan di antara dua foil adalah 2 kV. Tegangan ini menimbulkan kuat
Foil Aiuminium
GAMBAR 9.3 Bahan dasar suatu sel kapasitor
Kertas-impregnasi
Bab
9
Kapasitor Tegangan lrnggi
177
medan elektrik sebesar 13 - 18 v/pcm pada dielektrik jenis kertas,40 v/p,m pada dielektrik komposit dan lebih daripada 50 V/,um pada dielektrik film. Susunan bahan seperti diperlihatkan pada Gambar 9.3 digulung berbentuk plat dan di-press, supaya hasil gulungannya tipis. Bahan tersebut digulung dengan hati-hati agar tidak ada pertikel yang menyelusup di antara foil dengan dielektrik. Rongga udara harus ditiadakan, agar tidak terjadi peluahan sebagian ketika kapasitor beroperasi. Sel kapasitor yang sudah terbentuk plat, dibungkus dengan beberapa lapis kertas isolasi keras, lalu dicelupkan ke dalam isolasi cair alami atau sintetis, kemudian dikeringkan di dalam ruang vakum tinggi. Hal ini dilakukan agar tidak ditemukan rongga udara pada sel kapasitor dan permukaan dielektrik tidak bergelombang. Untuk mencegah adanya rongga, maka dielektrik dipilih dari bahan fllm. Dewasa ini, telah digunakan alat ultrasonik untuk memeriksa acla-tidaknya rongga udara di dalam kapasitor.
untuk memperoleh tegangan kerja dan daya yang lebih tinggi, beberapa sel kapasitor dihubungkan dalam kombinasi seri dan paralel. Untuk memenuhi kapasitas daya yang diinginkan, maka beberapa sel kapasitor dihubungkan pararer, sedangkan untuk memenuhi tegangan yang diinginkan, maka beberapa sel kapasitor dihubungkan seri. Sel-sel kapasitor ini disusun berdampingan dan diikat, kemudian dimasukkan dalam suatu bejana atau tangki seperti diperlihatkan pada Gambar 9.4. Sel kapasitor (4) disusun berdampingan dengan sel kapasitor lain. Antara satu sel kapasitor dengan sel kapasitor lain diberi isolasi pembatas (7) untuk mencegah kerusakan pada sel kapasitor lain jika sel kapasitor di sebelahnya mengalami kerusakan. Jika satu sel kapasitor mengalami tembus listrik. maka terminal sel kapasitor seakan-akan terhubung singkat, sehingga pada sel kapasitor mengalir arus hubung singkat. oleh karena itu, tiap sel kapasitor ada kalanya dilengkapi dengan sekering untuk memutuskan arus hubung singkat tersebut. Untuk mengisolir susunan sel kapasitor dengan tangki digunakan isolasi kertas (5). Kemudian isolasi kertas dan semua sel kapasitor diikat dengan plat pengikat (3). Akhirnya rakitan kapasitor dimasukkan dalam tangki baja atau bejana isolasi (1). Untuk menghantarkan panas yang terjadi pada kapasitor ke medium sekitar, maka tangki diisi dengan minyak isolasi yang tidak mengandung gelembung udara (8).
Keterangan: 1. Tangki 2. Terminal 3. Plat pengikat 4. Kapasitor sel (4 unit) 5. Isolasi kertas 6. Papan logam pelindung 7. Isolasi pembatas sel 8. Minyak isolasi
GAMBAR 9.4 Konstruksi suatu unil kapasitor tegangan tinggi
Y
178
Peralatan Tegangan linggi
9.3
DAYA DAN ENERGI SUATU KAPASITOR Pada Gambar 9.5 diperlihatkan suatu kapasitor yang terbuat dari plat sejajar. Jika suatu kapasitor yang tebal dielektriknya s, diberi tegangan bolak-balik V berfrekuensi / sedangkan efek medan pinggir pada kapasitor diabaikan, maka dielektrik kapasitor akan memikul medan elektrik sebesar:
E=
{
e.l
Elektroda dan dielektrik suatu kapasitor selalu dirancang sedemikian, sehingga kuat medan elektrik pada dielektriknya merata. Suatu kapasitor plat sejajar mempunyai kapasitansi sebesar:
^= C
eoey'
-?
(farad)
9.2
Dalam hal ini: eo adalah permeabilitas udara (farad/m); e. adalah permeabilitas relatif dielektrik; A adalah luas plat 1m2;; dan s adalah tebal dielektrik (m). Kapasitor akan menyimpan daya sebesar:
,/ P
=
v2
2r
f
C=
\:
(+)
2r
f
eo
e,A
s
9.3
I
Kerapatan daya, yaitu daya persatuan volume kapasitor adalah:
I
p=E2rrJxoe,
9.4
Dengan cara yang sama, diperoleh energi yang tersimpan pada kapasitor tesansan searah
v:
o, w = vzc = 0,5(#)' + "o ".
jika diberi 9.s
t
Kerapatan energi, yaitu energi persatuan volume kapasitor adalah:
wl = 0,5 rt r, "o dan energi yang tinggi diperoleh jika
Kerapatan daya dan beroperasi pada kuat medan elektrik yang tinggi.
9.6
konstanta dielektrik e, tinggi,
*
t
I
*
J'
t *
i GAMBAR 9.5 Kapasitor plat sejajar
Bab
9
Kapasitor Tegangan lrnggi
179
Tegangan mula dan kuat medan kapasitor plat sejajar tanpa perata kapasitansi
Pada kapasitor plat sejajar sederhana seperri diperlihatkan pada Gambar 9.5, cenderung terjadi peluahan luncur pada pinggir elektrodanya, meskipun tegangan masih relatif rendah. Jika peluahan ini berlangsung lama, maka dielektrik berangsur-angsur rusak. oleh karena itu, tegangan operasional kapasitor harus lebih rendah daripada tegangan awal terjadinya peluahan. Jika kapasitor diberi tegangan bolak-balik, maka tegangan awal peluahan V" dapat diperoleh dengan pendekatan, yaitu; V"
='tls
9.'7
Dengan demikian kuat medan yang menyebabkan peluahan pada dielektrik adalah:
-V"Ir!3
I f;
;
I
I
i I
I
9.8
Hubungan ketebalan dielektrik (s) dengan pengurangan tegangan awal peluahan (%) diperlihatkan pada Gambar 9.6. Agar peluahan sebagian tidak rerjadi, kuat medan operasional E harus lebih rendah daripada kuat medan awal E". Kuat medan operasional yang tinggi dapat dicapai jika medan pinggir dikendalikan. Medan pinggir dapat dikendalikan dengan memperbesar jari-jari kelengkungan pinggir elektroda atau dengan mempertipis lapisan dielektrik. Tetapi, perlu diingat bahwa penggunaan lapisan dielektrik yang tipis membuat tegangan kerja kapasitor semakin rendah. contoh kapasitor plat sejajar yang menggunakan perata kuat medan elektrik pada pinggir elektrodanya adalah kapasitor keramik seperti diperlihatkan pada Gambar 9.7.
Elektroda
I I
I
Penampang kapasitor keramik
180
Peralatan Tegangan linggi
Pinggir elektroda dibuat berbentuk lekukan dan menonjol. Kapasitor seperti ini dapat digunakan untuk rangkaian frekuensi tinggi bertegangan sampai dengan l0 kV. Dielektrik yang digunakan adalah campuran khusus titanium dioksida, permitivitas relatifnya s, = 30 - 80. Faktor disipasi titanium dioksida menurun dengan naiknya frekuensi. Pada frekuensi di atas 1,0 MHz, tg 6 < 10-3 dan kekuatan dielektriknya Ea = 100 - 200 kVicm. Lapisan elektroda dibuat dengan menyemprotkan logam ke permukaan dielektrik. Sambungan-sambungan disolder dengan halus. Pada kapasitor jenis ini, medan pinggir mempengaruhi nilai kapasitansi efektif kapasitor.
s.4
ii
I
KAPASITilfi GUTUNG Untuk memperoleh suatu kapasitor yang mampu memikul tegangan tinggi dan memiliki kapasitansi yang besar, digunakan lembaran dielektrik tipis dan luas permukaannya besar. Tetapi, jika tebal dielektrik semakin tipis, tekanan medan elektrik pada dielektrik semakin tinggi, sehingga kapasitor membutuhkan bahan dielektrik yang kekuatan dielektriknya tinggi. Jika luas permukaan dielektrik besar dan digelar mendatar, kapasitor akan membutuhkan ruang yang besar. Agar dimensi kapasitor kecil atau tidak membutuhkan ruang yang besar, maka lembaran elektroda dan dielektriknya digulung dengan ketat. Hal ini dapat dilakukan jika elektroda dan dielektrik terbuat dari bahan yang sangat tipis dan mudah digulung. Umumnya, bahan elektroda dibuat dari foil aluminium, dan dielektrik dibuat dari beberapa lapis bahan dielektrik yang sangat tipis.
Pada Gambar 9.8 diperlihatkan suatu gulungan sel kapasitor berbentuk plat. Elektroda kapasitor jenis ini biasanya terbuat dari foil aluminium yang tebalnya kurang lebih 10 g,m. Karena akan digulung, maka dibutuhkan minimal dua lembar dielektrik. Letak foil dan dielektrik disusun berselang-seling seperti diperlihatkan pada Gambar 9.8. Dengan cara seperti ini, luas efektif elektroda dapat mencapai beberapa meter kuadrat. Terminal dibuat dengan cara menyusun foil elektroda sedemikian, sehingga tepi elektroda yang satu tidak tumpang-tindih dengan tepi elektroda yang lain. Cara lain adalah menyisipkan terminal di antara foil elektroda dengan dielektrik. Letak kedua terminal itu dibuat berseberangan dan jarak kedua terminal dibuat sejauh mungkin. Tegangan operasi satu ssl kapasitor gulung terbatas karena dielektriknya tipis. Maka, untuk memperoleh kapasitor yang tegangan kerjanya lebih tinggi, beberapa sel kapasitor gulung disusun bertindih kemudian sel-sel kapasitor dihubungkan seri. Susunan seperti diperlihatkan pada Gambar 9.94, dilakukan pada sel kapasitor gulung berbentuk datar, sedangkan susunan seperti diperlihatkan pada Gambar 9.9b, dilakukan pada sel kapasitor gulung berbentuk silinder.
I
t .i
{6 f;
Keterangan:
1dan2= Foil aluminium 3 dan 4 = Foil kertas isolasi
Kapasitor gulung berbentuk plat
Bab
9
Kapasitor Tegangan Tinggi
181
I 2 3
Keterangan: l. Sel kapasitor 2. Isolasi
3. 4.
(a) Kapasitor gulung plat
Konektor Terminal
(b) Kapasitor gulung silinder
Sambungan seri eksternal kapasitor gulung
Sambungan seri internal kapasitor gulung
Agar tinggi tumpukan kapasitor gulung silinder tidak terlalu besar, maka dilakukan hubungan seri internal di samping hubungan eksternal. Untuk tujuan ini, beberapa foil elektroda disisipkan sekaligus menjadi penghubung ke elektroda yang lain seperti diperlihatkan pada Gambar 9. 10. Hanya foil elektroda yang pertama dan yang terakhir yang nampak dan berperan sebagai terminal.
qfi
ffiAr,JtAtu$Ahi SUATLJ KAPASITilffi GiJLUhi$
Kapasitansi ffiu$ungan Parameter elektroda dan dielektrik suatu kapasitor gulung diperlihatkan pada Gambar 9.1 1.
Misalkan tebal dielektrik adalah s dan lebar foil logam yang tumpang-tindih adalah B. Karena digulung, maka kapasitansi yang diperoleh menjadi dua kali lipat. Jika panjang seluruh foil logam adalah L, maka besarnya kapasitansi yang diperoleh adalah:
C=2eoe,
BL .s
9.9
Jarak tepi b dibutuhkan untuk mencegah terjadinya lewat denyar (flashover), biasanya
dibuat5-10mm.
182
Peralatan Tegangan llnggi
Sambungan seri internal kapasitor gulung
Media !rnpregnasi Dielektrik Jenis dielektrik kertas yang digunakan untuk suatu sel kapasitor, umumnya adalah isolasi kertas-impregnasi. Bahan impregnasi dapat berupa minyak mineral atau cairan sintetis. Kekuatan dielektrik minyak mineral lebih tinggi, tetapi memiliki kelemahan seperti disebutkan di bawah ini:
l. 2. 3. 4. 5.
Konstanta dielektriknya rendah.
Distribusi tegangan tidak seragam.
Minyak mineral mudah teroksidasi, dan hasil oksidasinya berupa asam, air
dan
lumpur halus. Mudah disusupi rongga udara. Pada tegangan tertentu, pada rongga udara akan terjadi peluahan listrik yang menghasilkan hidrogen dan molekul hidrokarbon berbobot rendah. Mudah terbakar, sehingga membutuhkan alat pencegah kebakaran. Penambahan
alat ini menambah biaya pembuatan kapasitor. Dengan menggunakan bahan cairan sintetis, dimensi kapasitor semakin kecil karena:
1. 2.
Konstanta dielektrik cairan sintetis relatif lebih tinggi. Cairan sintetis sulit disusupi rongga udara sehingga peristiwa peluahan pada rongga udara tidak membatasi tegangan operasinya. Dengan demikian, kapasitor dapat dioperasikan pada tegangan yang lebih tinggi.
Jenis bahan impregnasi yang digunakan pada suatu kapasitor bergantung kepada penggunaan kapasitor. Berikut ini akan dibahas jenis-jenis bahan impreganasi yang digunakan pada berbagai jenis kapasitor. Kapasitor pembagi tegangan dan kapasitor gandeng selalu diusahakan beroperasi pada temperatur yang rendah. Temperatur kerja kapasitor tergantung pada kapasitansi, sedangkan kapasitansi tergantung pada jenis dielektrik. Dielektrik yang lebih disukai untuk kapasitor temperatur rendah adalah kertas yang diimpregnasi dengan minyak mineral. Dengan cara ini dapat diperoleh e, = 4,2 dan tg 6 < 0,27o. Jika tegangan awal peluahan terlewati dan berlangsung dalam waktu yang lama, maka bahan ini akan melembut (terbentuk X-wax) dan tembus listrik akan terjadi pada tepi elektroda. Untuk kapasitor daya digunakan dielektrik kertas atau kertas-foil yang diimpregnasi dengan askarel (chlorinated diphenyl). Kertas yang diimpregnasi dengan askarel, menghasilkan dielektrik yang permitivitas relatifnyd €, = 5,5. Dengan demikian, kapasitor yang menggunakan jenis dielektrik ini, memiliki kerapatan daya yang besar. Bahan
Bab
9
Kapasitor Tegangan I rnggi
183
impregnasi askarel dapat dioperasikan pada kuat medan yang sedikit lebih tinggi, sehingga tegangan kapasitor dapat ditinggikan. Hal ini akan meningkatkan kerapatan daya kapasitor. Peningkatan permitivitas dan tegangan operasi kapasitor memberi kesimpulan: kerapatan daya pada dielektrik kertas-askarel jauh lebih besar daripada kerapatan daya pada dielektrik kertas-minyak, sedangkan faktor disipasinya hampir sama. Walaupun demikian, pemakaian askarel dapat menimbulkan asam hidroklorik yang berbahaya pada pinggir logam, sehingga kapasitor harus beroperasi pada tegangan di bawah tegangan awal peluahan. Selain askarel, masih ada media impregnasi lain (misalnya, isoprop,-lbiphery;l), yang lebih baik ditinjau dari sudut pandang lingkungan. Dengan menggunakan bahan ini, diperoleh dielektrik yang permitivitas relatifnya lebih rendah (e, = 2,1). tetapi dapat beroperasi pada kuat medan elektrik yang lebih tinggi. Kapasitor impuls membutuhkan kerapatan energi yang tinggi dan ditolerir bekerja pada tegangan di atas tegangan aival peluahan. asalkan tegangan itu berlangsung dalam waktu yang singkat. Bahan impregnasi pada kapasitor ini dapat berupa minyak mineral. Selain daripada minyak mineral, kastroli dapat juga digunakan sebagai bahan impregnasi. Bahan impregnasi kastroli membuat permeabilitas relatif kertas mencapai e, = 5. Meskipun faktor disipasinya tinggi, hampir 17o,hal ini tidak begitu mengganggu. Dalam hal khusus, gas secara teknis dapat dipakai sebagai media impregnasi, yakni
jika digunakan fllm plastik. Sebagai contoh, dengan film polyetilen dapat diperoleh rugi-rugi dieletrik yang rendah tg 6 < l0-a dan e. = 10.
Kuat Medan pada Kapasitor Besaran elekrik yang paling penting pada suatu kapasitor tegangan tinggi adalah kuat medan elektrik ketika kapasitor beroperasi, sebab kerapatan daya dan energi sebanding dengan kuadrat kuat medan elektrik tersebut. Kuat medan elektrik pada suatu kapasitor ada batasnya, karena medan elektrik yang beriangsung lama akan menimbulkan penuaan pada bahan dielektrik. Di samping itu, medan elektrik dapat juga menimbulkan peluahan sebagian pada dielektrik. Untuk tegangan bolak-balik, kuat medan elektrik dibatasi oleh tegangan awal peluahan. Tegangan awal peluahan susunan dielektrik kertas-minyak mineral pada tekanan p = I bar, adalah:
u
vr=
\0.5
,, (+)
(dalam kV untuk s dalam cm)
9.10
Jika suatu kapasitor menggunakan 5 lapis dielektrik kertas-minyak, tebal masingmasing lapisan adalah l0 pcm dan e, = 4,2,maka menurut Persamaan 9.10, tegangan awal peluahan kapasitor adalah V" = 1 kV. Oleh karena itu, batas operasi kuat medan yang aman berada di bawah 20 Y lp,m. Pengalaman menunjukkan bahwa tegangan awal peluahan dielektrik kertas-askarel sedikit lebih tinggi daripada tegangan awal peluahan dielektrik kertas-minyak. Pada kapasitor yang bekerja pada tegangan tinggi searah, unjuk-kerja kapasitor hampir tidak dipengaruhi efek medan pinggir. Dalam pengujian tegangan tinggi searah, perhatian terfokus pada tegangan tembus kritis gulungan, bukan terhadap tegangan awal peluahan. Pengamatan menunjukkan bahwa untuk ketebalan dielektrik s tertentu, kekuatan dielektrik (E ) meningkat tajam jika dielektrik menggunakan lapisan kertas yang lebih tipis. Peningkatan kekuatan dielektrik ini adalah akibat berkurangnya peluang titik lemah, karena semakin tipis kertasnya semakin banyak jumlah lapisan yang dibutuhkan. Pada Tabel 9.1 pada halaman 184 diperlihatkan pengaruh jumlah lapisan terhadap kekuatan dielektrik kertas-askarel, jika diuji dengan tegangan searah. Kerapatan kertas yang diuji adalah 1,2 glcm3, sedangkan tebalnya 10 - 60 p,m.
184
Peralatan Tegangan Tinggi
Pengaruh Jumlah Lapisan Terhadap Kekuatan Dielektrik
Jumlah Lapisan
a
3
4
Er(Ylp.m)
100
170
230
Kertas dielektrik diusahakan setipis mungkin. Pada saat ini kertas dielektrik untuk kapasitor sudah dapat dibuat setebal 6 pm. Tetapi, jika kertas semakin tipis, biaya pembuatan kertas semakin mahal. Oleh karena itu, perlu dilakukan kompromi antara pemilihan ketebalan kerlas dengan biaya pembuatan kertas, agar diperoleh biaya pengadaan kertas yang optimum. Kuat medan efektif yang dapat diterima pada suatu kapasitor bergantung kepada keperluan kapasitor dan jenis dielektrik yang digunakan pada kapasitor tersebut. Pada Tabel 9.2 diperlihatkan kuat medan efektif yang dapat diterima untuk berbagai jenis
kapasitor dan dielektrik.
Kuat Medan Efektif Berbagai Jenis Kapasitor dan Dielektrik Jenis Kapasitor
Dielektrik
E (Ylp.m)
Kertas diimpregnasi askarel
15-20
Kertas foil diimpregnasi askarel
35-40
Kapasitor Gandeng dan Pengukuran AC
Kertas diimpregnasi minyak mineral
10
Kapasitor Perata (DC)
Kertas diimpregnasi minyak mineral
Kapasitor Daya AC
80
t5
-
100
ffiancangan Kapasltor Impuls Pelepasan muatan yang tiba-tiba pada suatu kapasitor tegangan tinggi, menimbulkan tekanan mekanik yang tinggi pada gulungan dan sambungannya. Hal ini harus diperhitungkan khususnya pada kapasitor impuls, tetapi juga untuk kapasitor tegangan searah dan bolak-balik yang dalam praktik dapat mengalami lewat denyar eksternal. Pada Gambar 9.12 diperlihatkan gaya elektrostatik dan gaya elektromagnet yang terjadi pada suatu kapasitor. Gaya elektrostatik pada permukaan kapasitor (F1) dapat dihitung dengan persamaan energi:
F
<--
F<_
(a)
Gaya mekanik listrik dalam kapasitor gulung
Bab
9
Kapasitor Tegangan lrnggi
185
Nilai sesaat tegangan dan arus kapasitor
r, =*@ot,Ey
9.11
, maka diperoleh F1 = 10s N/m2 = I Fr mula-mula akan dipikul gulungan, tekanan tiba-tiba, peluahan bar. Seandainya terjadi berosilasi, maka tekanan yang peluahan Bila tiba-tiba. dengan kemudian menghilang frekuensi peluahan, akibatnya kali dua frekuensi juga dengan akan berosilasi terjadi logam dan lembaranpada elektroda yang kuat bolak-balik timbul tekanan mekanik Jika dimisalkan E =T5Ylptmdan e, = 4,2
lembaran isolasi. Gaya elektromagnetik yang diperlihatkan dalam Gambar 9.12b adalah hal yang sangat penting diperhitungkan. Konstruksi penghubung antar gulungan harus memiliki kualitas dan kekuatan mekanis yang tinggi agar mampu memikul gaya elektromagnetik tersebut. Arus peluahan i akan menimbulkan medan magnet. Kuat medan magnet ini harus diusahakan seminimum mungkin, yaitu dengan membuat arah arus pada setiap gulungan foil sama dengan arah aksial. Nilai sesaat tegangan (v) dan arus (l) pada suatu kapasitor impuls yang sedang bekerja melepaskan muatannya diperlihatkan pada Gambar 9.13. Tekanan elektrik yang ditrasilkannya dinyatakan oleh faktor osilasi ft. Umur suatu kapasitor impuls dinyatakan dalam frekuensi pengoperasian kapasitor membuang muatan. Kapasitor impuls untuk eksperimen fisika, biasanya dirancang memiliki umur sekitar N = 10.000 peluahan pada faktor k = 0,8. Jika kuat medan operasional sebuah kapasitor semakin tinggi (k semakin besar), maka umur kapasitor akan semakin pendek' Penurunan kuat medan operasional dari k -- 0,8 menjadi k = 0,5, dapat menaikkan umur kapasitor menjadi empat kali lebih lama. Nilai umum kuat medan operasional kapasitor impuls sama dengan kapasitor tegangan searah, yaitu E = 80 - 100 V/mm.
9.6
JEI\lIS KUNSTRUKSI UNIT KAPASITfiffi Kapasitor daya umumnya terbuat dari kumparan gulungan plat yang dipress dalam bentut paket-paket kubus, dan ditutup rapat oleh pembungkus logam. Cara ini menjamin perpindahan panas yang baik pada kapasitor. Dinding pembungkus logam memiliki efek membran, sehingga pemuaian bahan pengisi kapasitor tidak menimbulkan tekanan pada dielektrik. Karena kapasitor daya umumnya bertegangan menengah dan berkutub
t 186
Peralatan Tegangan I rnggi
Keterangan: 1. Bushing porselen 2. Tangki baja 3. Kapasitor gulung plat 4. Isolasi kertas atau papan tekan 5. Konduktor pipih
Konstruksi kapasitor daya
y*g terletak di antara gulungan dengan badan, semuanya dapat ditata dengan baik. Gambar 9. 14 memperlihatkan contoh
dua, maka penghubung antar terminal, dan isolasi
konstruksi kapasitor daya. Kapasitor gandeng dan juga kapasitor pembagi tegangan kapasitif, dirancang untuk tegangan 110 kV ke atas, tetapi karena kapasitas dayanya rendah maka persoalan panas tidak menjadi masalah, sehingga gulungan dapat ditempatkan dalam bejana porselen. Pada Gambar 9.15 diperlihatkan contoh konstruksi sebuah kapasitor gandeng. Gulungan plat yang diperlihatkan pada gambar dapat juga diganti dengan gulungan silindris yang dihubungkan seri secara internal. Dielektrik tidak boleh berhubungan dengan udara luar, oleh karena itu bejana kapasitor harus tertutup rapat. Untuk mengantisipasi timbulnya pengembangan dielektrik ketika kapasitor beroperasi, maka pada bagian atas bejana kapasitor dipasang bantalan gas atau puputan. Kapasitor impuls harus memiliki induktansi yang rendah, baik induktansi yang terjadi dalam gulungan maupun yang terdapat pada ujung terminalnya. Agar induktansi kapasitor rendah, maka terminal dibuat dari konduktor pita atau konduktor koaksial dan panjang konduktor dibuat seminimum mungkin. Kapasitor untuk generator tegangan impuls di atas 200 kV konstruksinya dibungkus dengan bahan isolasi. Sebagai contoh, pada Gambar 9.16 diperlihatkan konstruksi sebuah kapasitor impuls. Perbedaannya dengan kapasitor daya adalah dalam hal pemakaian konduktor penghubung. Pada kapasitor ini,
terminal tegangan tinggi dibuat berupa konduktor pita sedangkan terminal tegangan rendahnya adalah tangki kapasitor itu sendiri.
9"7
STKERINfi KAPASITOR BANK Telah dijelaskan sebelumnya, bahwa kapasitor bank dibentuk dari beberapa unit kapasitor
satu fasa. Mula-mula beberapa unit kapasitor dihubungkan paralel membentuk satu kelompok kapasitor. Kemudian beberapa kelompok kapasitor dihubungkan seri membentuk kapasitor bank satu fasa. Selanjutnya, tiga kapasitor bank satu fasa dihubungkan bintang atau delta, untuk memperoleh kapasitor bank tiga fasa. Untuk lebih jelasnya, contoh susunan kapasitor bank diperlihatkan pada Gambar 9.17.
:t,
I
Bab
9
Kapasitor Tegangan lrnggi
Keterangan: 1. Terminal 2. Bejana porselen 3. Kapasitor gulung plat 4. Gips penekan 5. Bushing terminal
187
Keterangan: 1. Terminal berbentuk pita 2. Bushing 3. Tangki baja 4. Kapasitor gulun_e plat 5. Isolasi kenas atau papan-tekan
tegangan rendah
Konstruksi kapasitor gandeng
Konstruksi kapasitor impuls
Kapasitor bank dilengkapi dengan sekering untuk memutuskan arus jika terjadi hubung singkat atau kerusakan pada satu unit kapasitor. Sekering dapat dipasang pada rangkaian eksternal seperti diperlihatkan pada Gambar 9.lla. Dengan cara ini, sekering akan memisahkan unit kapasitor yang rusak dari kapasitor bank, sehingga tidak menimbulkan kerusakan pada unit kapasitor yang lain, dan unit-unit kapasitor yang tidak rusak tetap bekerja. Tetapi, ada dua masalah yang dihadapi dengan cara s
I
?
I t
! -.2 i "'-"'1"...l";
r-f-,vSekering E+t+t 44il _L_L-t iii AA,A ,}_C_O r--r-' AAA # a
Bank
i
Kapasitor; per
Fasa
t
i i
\i
I
i
hhB _Llt hhh tEEEI _Lii i_L _L l: AAA AAA .'f
{
KelomRok l(np2sit61
Sekering
'--t i
!ru iia )+ )+
_t+
Unit Kapasitor (a) Sekering eksternal
Sekering pada kapasitor bank
(b) Sekering intemal
188
Peralatan Tegangan Tinggi
ini: Pertama, meskipun yang rusak hanya satu sel kapasitor, yang dipisahkan dari kapasitor bank adalah satu unit kapasitor. Pemisahan satu unit kapasitor menyebabkan perubahan kapasitansi kapasitor bank yang signifikan, sehingga tegangan kapasitor bank tidak setimbang. Kedua, jika kapasitor dipasang di ruangan terbuka, maka polusi dapat menimbulkan deteriorasi pada sekering. Untuk mengatasi kedua masalah ini, sekering dipasang pada rangkaian internal unit kapasitor seperti diperlihatkan pada Gambar 9. 17b. Dalam hal ini, jika terjadi kerusakan pada satu sel kapasitor, maka hanya sel kapasitor tersebut yang dipisahkan dari kapasitor bank, sehingga perubahan nilai kapasitansi kapasitor bank tidak sebesar caru yar,g pertama. Kelemahannya adalah bahwa cara ini membutuhkan lebih banyak sekering. Adakalanya kapasitor bank tidak dilengkapi dengan sekering. Dalam hal ini beberapa unit kapasitor dihubungkan seri membentuk satu rantai kapasitor. Kemudian, beberapa rantai kapasitor dihubungkan paralel membentuk kapasitor bank satu fasa seperti diperlihatkan pada Gambar 9.18. Jika satu unit kapasitor rusak atau terhubung singkat, kenaikan arus pada rangkaian luar kapasitor bank tidak signifikan, sehingga kapasitor bank tetap dapat beroperasi. Keuntungan lain yang dimiliki kapasitor tanpa sekering dibandingkan dengan kapasitor bank yang dilengkapi sekering eksternal, adalah:
. . . .
Dilihat dari luar instalasinya lebih sederhana dan kompak. Biaya instalasinya lebih murah. Peluang bagi binatang atau material eksternal untuk menghubung-singkatkan konduktor penghubung unit-unit kapasitor sangat kecil. Tidak membutuhkan ruang untuk sekering.
Kelemahan kapasitor tanpa sekering adalah:
.
Unit kapasitor yang rusak harus diganti dengan unit kapasitor yang spesifikasi dan dimensinya sama, sehingga harus selalu ada cadangan unit kapasitor yang persis
. .
sama dengan aslinya.
Menemukan unit kapasitor yang rusak dan menggantinya dengan kapasitor baru, memerlukan waktu yang lebih lama. Jika terjadi arus ke tanah akibat ketidaksetimbangan kapasitansi masing-masing fasa, relai arus tanah bekerja memisahkan kapasitor bank dari sistem, dan hubung
m ,^,A,A
ffi r-ru ffi ffi
,A,A,A
A,A,A,A,A,A,A,^,A
Kapasitor bank per-fasa tanpa sekering
,^AA
Bab
9
Kapasitor Tegangan
Tinggi
189
singkat antara bushing atau bagian internal kapasitor bank dengan tangki membuat sistem mengalami gangguan hubung singkat fasa-ke-tanah, dan mengakibatkan pemutus daya membuka.
S"S
KilNM}5I ilPIRASI KAPASITilH Umumnya, kapasitor dapat beroperasi kontinu melebihi spesifikasi nominal kapasitor, tetapi dengan batas seperti diperlihatkan pada Tabel 9.3.
Batas Tertinggi Operasi Kapasitor
Batas Tertinggi (7o) Jenis Operasi
Nominal
Tegangan puncak
t20
Efektif
110
Tegangan
Daya Reaktif
135
Arus
180
Jika kapasitor bank ditempatkan pada lokasi terbuka, maka temperatur di sekitar kapasitor sama dengan temperatur udara dan temperatur itu tidak dapat dikendalikan. Di samping itu, kapasitor akan diterpa angin dan sinar matahari. Ada beberapa hal yang berpengaruh terhadap temperatur sekitar dan temperatur operasi suatu kapasitor, yaitu:
. . .
Radiasi matahari dan sumber panas lain di sekitar kapasitor. Keluaran daya reaktif, karena keluaran daya reaktif sebanding dengan rugi-rugi pada kapasitor. Jarak antar kapasitor, karena pendinginan bergantung kepada luas ruang di antara suatu kapasitor dengan kapasitor yang lain.
Dalam pengoperasian suatu kapasitor, faktor-faktor berikut ini perlu diperhatikan, yaitu:
. . . o . .
Temperatur udara di sekitar kapasitor harus di bawah ambang batas. Ketinggian lokasi kapasitor tidak lebih daripada 1800 m di atas permukaan laut. Tegangan antara terminai dengan dinding bejana atau tangki kapasitor tidak melebihi tegangan yang ditetapkan untuk kelas isolasinya. Tegangan operasi tidak mengandung harmonisa; frekuensi tegangan operasi sama dengan frekuensi nominal. Temperatur sekitar tidak melebihi ambang batas maksimum, dan ada-tidaknya tekanan pada kapasitor akibat radiasi panas yang bersumber dari benda-benda di sekitarnya.
Asap, debu dan getaran mekanis yang mungkin menerpa unit-unit kapasitor.
Untuk memperpanjang umur suatu kapasitor bank, dilakukan cara sebagai berikut:
. . .
Susunan unit-unit kapasitor harus memiliki jalan bagi sirkulasi udara. Menempatkan kapasitor di kawasan temperatur rendah. Mendinginkan kapasitor dengan udara paksa.
190
Peralatan Tegangan Tinggi
9.9
SPESIFIKASI KAPASITOR Spesifikasi utama suatu kapasitor yang perlu diketahui adalah:
. .
Tegangan nominal adalah tegangan pengenal unit kapasitor. Umumnya 230; 460; 575;2400; 4160; 6900;7200;7910; 12.000; dan 13.800 volt.
Daya nominal Daya reaktif pengenal unit kapasitor atau kapasitor bank dinyatakan dalam kVAR. Umumnya 50, 100, 150, 200, 300, dan 400kVAR per unit. Jika bekerja di bawah atau di atas tegangan nominal, maka daya reaktif yang dihasilkan kapasitor menjadi: Daya reaktif = Daya no*in^t
Tegangan kerja \' , ( '"g"rs"^ Tegangan ,a**"li
Frekuensi Frekuensi kapasitor untuk perbaikan faktor daya adalah 50 atau 60 Hz. Daya reaktif kapasitor berbanding lurus dengan frekuensi sistem. Jika kapasitor bekerja di luar frekuensi nominal, maka daya reaktifnya adalah: Daya reaktif = Daya nominal
/ Frekuensi keria \ (ffi, "
Temperatur sekitar maksimum Temperatur rata-rata udara di luar kapasitor yang tertinggi dalam satu hari. Biasanya antara (40 - 46) 'C, bergantung kepada cara pemasangannya.
Level tegangan impuls Adalah ketahanan suatu kapasitor memikul tegangan lebih impuls. Besarnya level tegangan impuls ditetapkan menurut standar yang dianut.
Resistor peluahan Terminal unit kapasitor dihubungkan dengan suatu resistor untuk membuang muatan kapasitor jika kapasitor tidak bekerja. Besar tahanan resistor harus sedemikian, sehingga ketika kapasitor dilepaskan dari jaringan, tidak lebih daripada 5 menit kemudian, tegangan pada terminal turun menjadi 50 V. Untuk kapasitor hingga 600 V waktu peluahan tidak lebih satu menit.
Ketahanan tegangan lebih frekuensi daya Adalah tegangan lebih frekuensi daya yang dapat dipikul kapasitor dalam waktu singkat. Suatu kapasitor diharapkan mampu memikul tegangan lebih 1,3 pu selama satu menit dan kapasitor tidak rusak jika mengalami tegangan seperti itu sebanyak
300 kali.
Arus lebih transien Ketika suatu kapasitor dienergisasi atau dire-energisasi, pada kapasitor mengalir arus lebih transien. Kemampuan suatu kapasitor memikul arus lebih transien, bergantung kepada probabilitas peristiwa arus lebih transien tersebut dalam setahun. Jika peristiwa arus lebih transien diperkirakan 4000 kali dalam setahun, maka arus lebih transien yang diizinkan adalah 400 pu.
Arus bocor Adalah arus yang mengalir dari gulungan kapasitor ke badan bejana kapasitor.
Faktor rugi-rugi adalah faktor yang menyatakan besarnya rugi-rugi dielektrik pada sistem isolasi kapasitor.
ttr
Bab
9.10
9
Kapasitor Tegangan
Trnggi
191
PENGUJIAN KAPASITOR Sama halnya dengan peralatan tegangan tinggi sebelumnya, kapasitor juga mengalami pengujian tegangan tinggi. Pengujian tegangan tinggi dilakukan sesuai dengan standar yang dianut. Jenis pengujian yang dilakukan terhadap suatu kapasitor adalah: uji jenis, uji rutin dan uji lapangan.
Uji Jenis Pengujian dilakukan terhadap sejumlah sampel dari satu jenis kapasitor untuk melihat kesesuaiannya dengan standar. Item yang sudah diujikan terhadap satu jenis kapasitor,
tidak diulang kembali. Pengujian yang dilakukan pada uji jenis adalah:
.
Pengujian ketahanan tegangan impuls Dalam hal ini, tegangan pengujian diaplikasikan antara terminal dengan badan kapasitor.
.
.
Pengujian bushing Jika tegangan impuls standar diterapkan tiga kali, dan pada bushing tidak terjadi lewat denyar, maka bushing dinyatakan lulus uji. Jika terjadi peristiwa lewat denyar, maka pengujian dilakukan lagi seperti sebelumnya. Jika pada pengujian tahap kedua ini tidak terjadi lervat denyar pada bushing, maka bushing dinyatakan lulus uji. Pengujian stabilitas termal Suatu kapasitor dinyatakan stabil, jika temperatur badan tangki kapasitor hampir konstan, bervariasi hanya +3 oC, selama kapasitor bekerja 24 jam.
.
Pengujian radio influence voltage (RIV) Pengujian dilakukan pada tegangan ll5Vo tegangan nominal pada temperatur kamar. Ketika pengujian dilakukan, bushing harus bersih dan kering. Jika frekuensi tegangan pengujian dibuat I MHz, RIV tidak melebihi 250 mV.
.
Pengujian peluruhan tegangan Dalam pengujian ini, kapasitor dimuati dengan tegangan searah sebesar puncak tegangan nominal. Ketika kapasitor dire-energisasi, waktu yang dibutuhkan hingga tegangan sisa turun menjadi 50 V tidak lebih I menit untuk kapasitor < 600 V
dan tidak lebih daripada 5 menit untuk kapasitor
.
>
600 V.
Pengujian peluahan hubung singkat Pengujian ini dilakukan untuk memverifikasi integritas konduktor-konduktor penghubung yang terdapat di dalam kapasitor.
Uji Rutin Uji rutin dilakukan pabrikan terhadap setiap kapasitor yang baru diproduksi. Sebelum pengujian dilakukan, kapasitor dibersihkan terlebih dahulu. Uji rutin dilakukan pada temperatur (25 t 5) 'C. Pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
.
Pengujian tegangan lebih waktu singkat Tiap kapasitor harus mampu memikul tegangan lebih frekuensi daya sebesar dua kali tegangan nominal selama 10 sekon atau tegangan searah sebesar 4,3 kali tegangan nominal.
192
Peralatan Tegangan llnggi
Pengujian terminal-ke-badan bejana Pengujian ini dilakukan pada kapasitor dengan dua terminal. Tidak dilakukan pada kapasitor yang memanfaatkan badan bejananya menjadi salah satu terminal.
Pengujian kapasitansi Pengujian ini dilakukan pada setiap unit kapasitor untuk menunjukkan bahwa keluaran daya reaktif kapasitor tidak lebih dari 1107o daya reaktif nominal ketika kapasitor diberi tegangan dan frekuensi nominal. Pengujian kebocoran Pengujian ini dilakukan untuk meyakinkan kapasitor telah bebas dari kebocoran. Artinya, lipatan-lipatan elemen dielektrik dan rongga-rongga yang sudah diisi, semuanya sudah tertutup dengan rapat.
Pengujian resistor peluahan Pengujian ini dilakukan dengan mengenergisasi kapasitor hingga tegangannya sama dengan t/2 t"gungun efektif nominal. Kemudian kapasitor dire-energisasi, sedemikian hingga tegangan kapasitor harus turun dari menjadi 50 V dalam batas waktu yang telah ditetapkan. Pengukuran rugi-rugi dielektrik Dilakukan untuk menunjukkan bahwa rugi-rugi dielektrik kapasitor tidak melebihi rugi-rugi yang ditetapkan pada spesifikasi kapasitor.
Pengujian sekering Pengujian dilakukan pada kapasitor yang dilengkapi sekering internal. Kapasitor dienergisasi dengan tegangan searah hingga tegangannya sama dengan 1,7 tegangan efektif nominal. Kemudian kapasitor dire-energisasi, dengan menghubung-singkatkan terminal tanpa melalui impedansi. Selisih kapasitansi kapasitor setelah pengujian dengan kapasitansi sebelum pengujian, harus lebih rendah daripada nilai kapasitansi
kapasitor yang terpisah
jika
satu sekering internal beroperasi.
LJji E-apamgmn Setelah pemasangan suatu kapasitor selesai, dan sebelum kapasitor dienergisasi, diadakan
lagi pengujian di lapangan. Tujuan pengujian ini adalah untuk meyakinkan bahwa spesifikasi kapasitor tidak berubah walaupun kapasitor telah mengalami goncangan selama dalam pengangkutan dan pemasangan. Pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
.
Pengukuran kapasitansi Pengukuran dilakukan dengan kapasitansi-meter, pada tegangan beberapa persen daripada tegangan nominal. Jika kapasitansi kapasitor nalk l0Vo, itu adalah pertanda adanya sel atau unit kapasitor yang rusak.
.
Pengujian energisasi tegangan rendah Dilakukan untuk mengukur reaktansi kapasitif kapasitor pada tegangan rendah. Kapasitor diberi tegangan +120 Y dan pada saat yang bersamaan diukur arus yang mengalir pada kapasitor. Dengan menggunakan data arus dan tegangan tersebut, reaktansi kapasitif dapat dihitung.
.
Pengujian kekuatan isolasi Pengujian dilakukan dengan tegangan tinggi sesuai dengan standar yang dianut.
ffimtu
ruffi
Yrmfrm Dayffi
rafo daya memiliki peranan sangat penting dalam sistem tenaga listrik. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, bahwa transmisi sistem tenaga listrik harus bertegangan tinggi agar rugi-rugi daya tidak melebihi rugi-rugi yang diinginkan. Maka, dibutuhkan trafo daya untuk menyalurkan daya dari generator bertegangan menengah ke transmisi bertegangan tinggi; dan untuk menyalurkan daya dari transmisi bertegangan tinggi ke jaringan distribusi. Kebutuhan trafo daya bertegangan tinggi dan berkapasitas besar, menimbulkan persoalan dalam perencanaan isolasi, ukuran dan bobotnya.
Dalam bab ini, dibahas hal-hal terkait isolasi trafo daya, seperti: bahan dan susunan isolasi; perataan distribusi tegangan pada kumparan trafo; metode pendinginan;
dan pengujian isolasi trafo. Untuk melihat peran isolasi pada suatu trafo daya, perlu dipahami lebih dahulu prinsip kerja dari suatu trafo daya.
1fi"
1
rffiIruS
$THJA TffiAFil ilAYA
Pada Gambar 10. 1 diperlihatkan konstruksi umum suatu trafo daya.
Keterangan: 1. Kumparan tegangan
tinggi 2. Kumparan tegangan
rendah 3.
Intl
4. Minyak isolasi 5. Tangki baja 6. Bushing tegangan rendah 7
. Bushing tegangan
tinggi
123 (a) Kumparan piring
Konstruksi trafo
(b) Kumparan silinder
rF 194
Peralatan Tegangan
T
rnggi
Terlihat bahwa bagian utama suatu trafo adalah inti, dua set atau lebih kumparan, dan isolasi. Inti trafo terbuat dari lembaran-lembaran baja silikon yang satu dengan lainnya diisolasi dengan pernis. Kumparan terbuat dari bahan tembaga. Kumparan yang dihubungkan ke sumber energi disebut kumparan primer, sedangkan kumparan yang dihubungkan ke beban disebut kumparan sekunder. Bahan isolasi trafo tersusun dari kombinasi bahan dielektrik cair dengan dielektrik padat. Jika kumparan primer dihubungkan ke sumber tegangan bolak balik, sementara kumparan sekunder dalam keadaan tidak dibebani, maka di kumparan primer mengalir arus yang disebut dengan arus beban nol (1n). Arus ini akan membangkitkan fluks bolakbalik pada inti. Fluks bolak-balik ini dilingkupi oleh kumparan primer dan kumparan sekunder, sehingga pada kedua kumparan timbul gaya gerak listrik yang besarnya:
E, = 4,44
/N,
(volt)
10.1
Ez=4,44fNr$(volt)
t0.2
@
Pada persamaan di atas: E, adalah gaya gerak listrik pada kumparan primer; { adalah gaya gerak listrik pada kumparan sekunder; N, adalah jumlah belitan kumparan primer; N, adalah jumlah belitan kumparan sekunder; f adalah frekuensi tegangan sumber dalam Hz; dan @ adalah fluks magnetik pada inti dalam weber.
Jika kumparan sekunder dibebani, maka pada kumparan tersebut mengalir
arus
sekunder (1r). Arus sekunder akan menimbulkan fluks pada inti trafo yang berlawanan dengan fluks yang ditimbulkan arus 1r. Dengan kata lain, arus sekunder menimbulkan demagnetisasi pada inti trafo. Untuk mengimbanginya, maka arus di kumparan primer harus bertambah menjadi 1,, hingga dipenuhi:
N,
1o=Ntlt-N2
12
10.3
Gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada kumparan menimbulkan medan elektrik yang kuat pada isolasi kumparan, teristimewa pada isolasi di sekitar belitan kumparan tegangan tinggi. Arus yang mengalir pada pada kumparan akan menimbulkan rugi-rugi tembaga (i2r). Fluks pada inti akan menimbulkan rugi-rugi arus eddy dan rugi-rugi histeresis, dan jumlah kedua rugi-rugi ini disebut rugi-rugi inti. Pemanasan karena rugirugi tembaga dan rugi-rugi inti akan menaikkan temperatur isolasi trafo. Di samping itu, arus pada kumparan juga menimbulkan gaya mekanik, dan ketika dialin arus hubung singkat, gaya ini menimbulkan tekanan yang berat pada isolasi. Oleh karena itu, sistem isolasi harus memiliki syarat sebagai berikut: kekuatan dielektrik harus melebihi kuat medan elektrik tertinggi yang ditemukan pada komponen trafo; sanggup memikul gaya mekanis yang ditimbulkan arus hubung singkat; dan dapat mendisipasikan panas yang terjadi pada trafo ke medium sekitar dengan baik.
10.2
SUSUNAN DAN PENYAMBUNGAN KUMPAHAN Ketika terjadi hubung singkat pada transmisi, kumparan trafo daya yang menyalurkan energi listrik ke transmisi tersebut akan dialiri arus yang tinggi. Arus tinggi ini menimbulkan gaya elektromekanik pada kumparan-kumparan trafo daya, sehingga isolasi kumparan-kumparan mengalami tekanan mekanik. Kumparan tegangan tinggi trafo daya juga membangkitkan kuat medan elektrik yang menimbulkan tekanan elektrik pada bahan isolasi. Di samping tekanan elektrik dan tekanan mekanik, isolasi juga mengalami tekanan termal, karena adanya rugi-rugi panas pada inti dan kumparan
Bab
10
195
Trafo Daya
trafo. Oleh karena itu, isolasi trafo daya harus disusun dan dihubungkan sedemikian rupa, sehingga mampu memikul tekanan mekanik, tekanan elektrik dan tekanan termal.
Jenis Susunan Kumparan Kumparan primer dengan kumparan sekunder suatu trafo daya harus bergandengan erat secara magnetik. Kumparan dapat dibuat berbentuk piringan (disc winding) dan dibelitkan satu poros pada suatu inti (Gambar 10. la) atau berbentuk silindris (cylindrical winding) dan dibelitkan pada semua kaki inti (Gambar 10.10). Kumparan-kumparan disusun simetris, agar ketika mengalirkan arus hubung singkat, gaya elektromagnetik yang terjadi merata pada setiap belitan. Trafo tegangan tinggi umumnya menggunakan kumparan silindris, karena biaya isolasinya lebih murah. Belitan tegangan tinggi dapat dibuat dari beberapa elemen kumparan yang semuanya terhubung seri. Elemen-elemen kumparan tersebut dapat disusun bertindih (Gambar 10.2a), atau berlapis (Gambar 10.2b). Kumparan tegangan tinggi membutuhkan jarak bebas yang lebih besar, baik untuk pengisolasian kumparan ke gandar, maupun untuk pengisolasian satu kumparan dengan kumparan lainnya.
Penyambungan Kumparan Bertindih Pada susunan kumparan bertindih, ukuran setiap elemen kumparan dibuat sama. Elemen-
elemen kumparan dihubungkan secara seri oleh konduktor penghubung. Setiap elemen kumparan dihubungkan dengan elemen kumparan lainnya, dengan hubungan bersilang atau hubungan berurut. Kedua cara itu diperlihatkan pada Gambar 10.3. Pada hubungan silang (Gambar 10.3a), konduktor penghubung melintasi ruang yang terdapat di antara satu elemen kumparan dengan elemen kumparan berikutnya sehingga menimbulkan masalah khusus bagi isolasi; tetapi beda tegangan antara dua elemen kumparan yang berjarak sama dari sumbu inti adalah sama (AV, = LV,). Pada hubungan berurut (Gambar 10.3b), tidak ada masalah isolasi karena kehadiran konduktor penghubung, karena penghubung elemen-elemen kumparan tidak melalui ruang di antara elemen-elemen kumparan. Tetapi, yang menjadi masalah adalah perbedaan tegangan antara dua titik pada kumparan berdekatan yang berjarak sama dari sumbu inti. Jika jumlah unit kumparan dimisalkan 5 unit dan tegangan kerja semua kumparan adalah 1,0 pu, maka tegangan satu elemen kumparan adalah 0,2 pu. Beda potensial antara titik a pada elemen kumparan paling atas dengan titik b pada elemen kumparan di bawahnya (kedua titik berjarak r, dari sumbu inti) adalah LVou= g. Beda potensial
I
BXffiflH BXSXSSH
-l MI
Kumparan
<.-|
'
Kumparan
silinder
ffi
Btrffi
ffiffi
ffiffiffi Bffi ffi
ffiffi ffiffi
mi -t
E#6}XH
rdrir ws,ffi[x]fls
rffi
I
Inti <----------------J (a) Kumparan bertindih
Susunan kumparan tegangan tinggi
H*fl
HffiJI
ffiBA *I*ffi kffi []sfl Eig#q
piring
tffii
ffiffiffi
Ew
r
<(b) Kumparan berlapis
HSH
lffi$
196
Peralatan Tegangan llnggi
1,0 pu
l0 ,8 pu
AV
K
0,8 pu
'f fj
0,8 pu
AY
I
,6 pu
0,8 pu
Y
0,4 pu
0,6 pu
0,4 pu !
0,2 pu
0,4 pu 0,2 pu
0,4 pu
a
Konduktor
Konduktor
penghubung
f"
,i-r__)i
penghubung
o,o pu
-1-+
I
(b) Hubungan berurut
(a) Hubungan siiang
Cara penyambungan elemen kumparan
antara titik c pada elemen kumparan paling atas dengan titik d pada elemen kumparan di bawahnya (kedua titik berjarak rrdat', sumbu inti) adalah LV"r=0,4 pu. Jadi, beda potensial di antara satu titik pada suatu kumparan yang berjarak r dari sumbu inti dengan satu titik pada kumparan berdekatan yang juga berjarak r dari sumbu inti, bervariasi dari nol sampai dua kali tegangan satu elemen kumparan.
Berbeda dengan hubungan silang, satu elemen kumparan pada hubungan berurut
tidak dapat dibelitkan berkesinambungan, tetapi harus dihubungkan satu persatu. Jika luas penampang konduktor cukup besar, maka satu elemen kumparan dibuat dari satu konduktor tunggal. Elemen kumparan yang seperti ini disebut elemen kumparan belitan tunggal. Jarak elemen kumparan dari inti (radius penampang kumparan) dibuat bervariasi, sedemikian besarnya, sehingga satu elemen kumparan melingkupi elemen kumparan yang lain. Penyambungan antar elemen kumparan untuk kasus ini dapat dilakukan seperti diperlihatkan pada Gambar 10.4. Ketiga cara penyambungan pada Gambar 10.4 memungkinkan elemen-elemen kumparan berkesinambungan tanpa solderan.
Kumparan Primer
Kumparan Sekunder
Kumparan
Kumparan
Kumparan Sekunder
Primer
Primer
Kumparan Sekunder
+ I
'7
2
3
4l
.5
8
9
10t
11
I
6
15 14 t3 12
6
7
t8
--/---9 20 21
Inti (a)
(.b)
Penyambungan elemen kumparan belitan tunggal
(c)
Bab
10
Trafo Daya
197
Fenyambungan Elerfieru Kurnparan *erlapis Pada Gambar 10.5 diperlihatkan tiga cara penyambungan elemen-elemen kumparan tegangan tinggi. Dilihat dari arah belitan, susunan elemen-elemen kumparan tegangan tinggi suatu trafo daya dibagi atas dua jenis, yaitu:
1. 2.
Arah belitan berlawanan (Gambar 10.5a). Dalam hal ini, arah belitan dua elemen kumparan yang berdampingan dibuat berlawanan, sehingga arah gaya gerak listrik pada kedua elemen kumparan tersebut menjadi berlawanan. Arah belitan sama (Gambar 10.5b dan 10.5c). Dalam hal ini, arah belitan semua elemen kumparan dibuat sama, sehingga arah gaya gerak listrik pada setiap elemen kumparan sama. Untuk jenis arah belitan sama, ada dua cara penyambungan, yaitu hubungan internal dan hubungan eksternal.
Perbedaan ketiga cara penyambungan di atas terletak pada panjang konduktor penyambung. Konduktor penyambung terpendek dijumpai pada jenis arah belitan berlawanan (Gambar 10.5a) dan kemudian konduktor penyambung pada kumparan arah belitan sama-hubungan intemal. Pada kumparan arah belitan sama-sambungan internal
(Gambar 10.5b), konduktor penyambung melewati ruang di antara elemen-elemen kumparan. Hal seperti ini kurang baik. Maka, konduktor penyambung dilewatkan dari luar elemen kumparan (hubungan eksternal) seperti diperlihatkan pada Gambar 10.5c. Satu hal yang perlu diperhatikan adalah beda tegangan di antara dua elemen kumparan yang berdampingan. Untuk jenis arah belitan berlawanan, beda tegangan antara elemen kumparan berdampingan menjadi berlipat ganda, yaitu pada titik sambungan yang arah gaya gerak listriknya berlawanan arah, misalnya V.u dan V,rpada Gambar 10.5a.
ISfi LASI KiJ|\fl PAHAI\I
1CI.3
T[fiANfiAf\ TI[\lGGi
Konstruksi isolasi trafo daya, khususnya trafo daya bertegangan tinggi, adalah sangat rumit. Masing-masing komponen transformer, yaitu belitan, elemen kumparan tegangan
---*
= Arah GGL
-*
=Arah GGL
-*-* (a)
Arah belitan berlawanan
(D) Arah belitan samasambungan intemal
Penyambungan elemen kumparan berlapis
(c)
=Arah GGL Arah belitan samasambungan extemal
198
Peralatan Tegangan linggi
tinggi dan kumparan tegangan rendah harus diisolasi satu sama lain; elemen kumparan diisolasi juga terhadap inti dan gandar dibumikan. Dengan demikian isolasi trafo daya dapat dibagi atas tiga jenis, yaitu:
l. 2.
3.
Isolasi minor, yaitu isolasi yang memisahkan satu belitan dengan belitan lain dalam satu elemen kumparan. Isolasi mayor, yaitu isolasi yang memisahkan kumparan tegangan tinggi dengan bagian yang bertegangan rendah. Isolasi ini terbagi lagi atas isolasi utama. yang memisahkan kumparan tegangan tinggi dengan kumparan tegangan rendah; dan isolasi gandar, yang memisahkan belitan tegangan tinggi dengan gandar. Isolasi fasa, yaitu isolasi antara kumparan tegangan tinggi dengan kumparan tegangan tinggi yang lain pada trafo tiga fasa.
Isolasi mayor, isolasi minor dan isolasi fasa, ketiganya disebut isolasi kumparan tegangan tinggi. Penamaan ini diberikan karena kumparan tegangan tinggi merupakan elektroda yang harus diisolasi terhadap bagian-bagian trafo yang bertegangan rendah. Bahan isolasi yang utama digunakan, baik untuk isolasi mayor maupun isolasi minor, adalah minyak trafo dikombinasikan dengan dielektrik padat.
Dielektrik Padat lsolasi Kumparan Tegangan Tinggi Dielektrik padat yang biasa digunakan pada trafo daya adalah papan-tekan, bakelit, kertas, kain pita dan minyak-kertas. Sifat isolasi minyak-kertas lebih baik daripada jenis isolasi yang lain, khususnya untuk trafo daya pengenal besar dan bertegangan tinggi. Untuk instalasi tegangan menengah dan pasangan dalam, biasanya digunakan trafo isolasi epoksi resin, dengan demikian resiko terbakar karena kerusakan pada trafo semakin kecil. Dilihat dari fungsinya, dielektrik padat pada trafo daya dibedakan atas tiga jenis. yaitu sebagai: pembungkus, lapisan isolasi dan partisi. Pembungkus adalah dielektrik yang membungkus suatu lilitan dalam satu elemen kumparan. Pembungkus terbuat dari dielektrik padat tipis, tebal keseluruhannya tidak lebih daripada I - 2 mm, biasanya terbuat dari bahan kertas atau isolasi pernis. Pembungkus melekat sangat rapat pada permukaan konduktor kumparan dan tidak merubah intensitas medan elektrik pada sekeliling konduktor kumparan. Penggunaan pembungkus efektif jika medan agak uniform. Pembungkus akan merintangi partikel menempel pada konduktor, hal ini mencegah pembentukan jembatan konduktif pada frekuensi daya terutama pada kasus minyak dikotori oleh serat dan kelembaban. Jika elemen kumparan dibentuk dari konduktor berpenampang kecil (hanya beberapa mm2), maka digunakan kawat atau batang tembaga yang dibungkus dengan pemis. Jika kumparan membutuhkan konduktor yang luas penampangnya lebih besar, maka dipilih konduktor segi empat yang dibungkus dengan kertas. Kumparan yang akan dialiri arus yang besar, dibentuk dari konduktor yang sudah dipernis; dan dibungkus dengan dielektrik kertas berbentuk pita yang tebalnya 0,02 - 0,2 mm, dan dibelitkan semi-bertindih. Lapisan isolasi lebih tebal daripada pembungkus (dapat mencapai 10 mm) untuk mereduksi intensitas medan elektrik di sekitar elektroda yang dilapisi isolasi tersebut. Berlawanan dengan pembungkus, lapisan isolasi digunakan pada medan elektrik yang sangat tidak seragam, sehingga keberadaannya akan meratakan distribusi tegangan elektrik. Bahan lapisan isolasi adalah kertas-tekan atau kertas-lembut yang disusun sedemikian, hingga memiliki alur untuk aliran minyak penukar panas. Tekanan elektrik bolak-balik 50 Hz pada minyak dalam alur diizinkan antara 50 - 100 kV/cm. Pemakaian
Bab
10
Trafo Daya
199
kertas-keras untuk tegangan tinggi harus dihindarkan. Jika memungkinkan, dipergunakan
kertas-tekan yang memiliki kekuatan mekanis dan kekuatan dielektrik yang tinggi. Dimensi dielektrik ketas diperhitungkan sehingga tembus listrik sementara pada minyak. tidak mengurangi kekuatan dielektrik minyak hingga di bawah batas yang ditentukan. Partisi pada trafo daya dibuat dari papan-tekan-elektrik, diolah dari kertas bakelit dan dibentuk menjadi plat, silinder, dan bentuk lain yang lebih rumit. partisi dipasang pada kawasan medan tidak seragam, tetapi dampak keberadaannya berbeda. Pada medan elekrrik yang sangat tidak seragam, partisi dari dielektrik padat memainkan peranan yang sama dengan partisi yang berada dalam suatu sela susunan elektroda jarum-piring. oeh karena itu, partisi harus ditempatkan di daerah di mana medan elektrik maksimum. Adanya partisi tipis dalam minyak dapat menambah tegangan tembus minyak pada 50 Hz menjadi dua kali lipat. Tetapi keberadaan partisi, akan menimbulkan ionisasi pada daerah dengan medan elektrik tertinggi, ketika tegangan masih di bawah tegangan tembus minyak. Ionisasi yang berlangrrrg L-u tidak diizinkan karena hal itu tidak hanya menguraikan minyak tupi ;rgu b".urigrr.-ungsur merusak parlisi. oleh karena itu metoda ini hanya dapat digunaku, ,rtrk tenaiklan tegangan tembus minyak pada kasus tegangan yang berlangsung dalam waktu singkat. paaa Gambar 10.6 diperlihatkan efek partisi terhadup t"gurgun tembus minyak di antara elektroda jarum-piring. Dimensi partisi harus besar agar tidak terjadi peluahan pada pinggir parlisi. Dalam
praktiknya, dimensi partisi yang digunakan pada trafo rrarus set
dapat
diterima. Pada medan yang seragam, fungsi utama partisi adalah mencegah terbentuknya jembatan konduktif dalam minyak. oleh karena iiu, efek partisi dalam minyak murni tidak banyak, tapi berguna jika minyak bercampur dengan serat. Dalam hal ini, partisi akan beraktivitas sebagai pencegah terbentuknya jembatan konduktif dalam minyak. Semua efek partisi yang diutarakan di atas berlaku jika tebal panisi jauh lebih kecil daripada panjang sela elektroda. Jika partisi terlalu tebal, maka kuat medan elektrik dalam minyak akan bertambah besar, karena permitivitas minyak lebih rendah daripada permitivitas dielektrik padat. Meski demikian, partisi tidak dapat dibuat terlalu tipis agar
V.
f
r,e"t
2007o
S=100mm
Keterangan:
Vn =tegangan tembus tanpa partisi
X
=jarak elektrodajarum dengan panisi
Efek partisi terhadap tegangan tembus
V.s
= tegangan tembus dengan partisi = panjang sela elektroda utama
200
Peralatan Tegangan
1
rnggi
kekuatan mekanisnya tetap memadai. Di samping itu, pembentukan jembatan konduktif, meski dalam waktu singkat, akan membuat sebagian besar tegangan dikenakan pada partisi. Maka, kekuatan dielektrik partisi harus cukup tinggi. Kekuatan dielektrik partisi dapat diperbesar dengan menambah tebal partisi, biasanya dibuat 4 - 9 mm. Dielektrik padat pada trafo sering hanya berfungsi sebagai pemikul beban mekanis.
Peluahan permukaan dapat terjadi pada minyak di sepanjang permukaan dielektrik padat. Tegangan lewat denyar pada permukaan dielektrik padat yang berada dalam minyak tergantung kepada bentuk medan elektrik, karena bentuk medan elektrik akan menentukan komponen tangensial dan komponen normal medan elektrik. Jika komponen tangensial rendah, maka kemungkinan terjadinya peluahan permukaan semakin kecil.
Mlinyak Trafo Minyak isolasi pada sutau trafo daya harus memiliki daya hantar panas yang baik agar dapat membawa panas yang terjadi pada inti dan kumparan ke medium sekitamya. Kekuatan dielektrik sistem isolasi dan umur suatu trafo bergantung sepenuhnya pada kualitas minyak isolasi. Oleh karena itu, minyak isolasi yang digunakan pada suatu trafo harus memenuhi syarat-syarat di bawah ini:
. . . . . .
. .
Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi. Mempunyai daya hantar panas yang baik. Mempunyai berat jenis yang rendah. Jika berat jenis minyak rendah, maka partikelpartikel yang melayang di dalam minyak akan segera mengendap pada dasar tangki. Ha1 ini sangat membantu dalam mempertahankan homogenitas minyak. Memiliki kekentalan yang rendah. Minyak yang encer lebih mudah dialirkan atau bersirkulasi, sehingga mendinginkan trafo lebih baik. Memiliki titik tuang rendah. Minyak dengan titik tuang yang rendah akan berhenti mengalir pada temperatur yang rendah. Mempunyai titik nyala yang tinggi. Karakteristik titik nyala mempengaruhi penguapan minyak. Jika titik nyala minyak rendah, maka minyak mudah menguap. Ketika minyak menguap, volumenya berkurang, minyak semakin kental dan reaksi dengan udara di atas permukaan minyak membentuk bahan yang dapat meledak.
Tidak merusak material isolasi dan material lain trafo. Unsur kimianya harus stabil agar usia pemakaiannya panjang.
Menurut SPLN 49-1-1982, spesiflkasi minyak isolasi baru adalah seperti diberikan pada Lampiran 5, sedangkan spesifikasi minyak isolasi yang sudah pernah dipakai diberikan pada Lampiran 6. Biasanya, setelah suatu trafo beroperasi dalam waktu lama, akan terjadi pengasaman pada minyak isolasinya. Asam yang terjadi pada minyak cenderung mengakibatkan isolasi kumparan rapuh dan mudah retak, terutama ketika dikenai tekanan mekanik yang terjadi ketika kumparan dialiri arus hubung singkat. Tingkat keasaman yang tinggi sering ditandai dari bau yang menyengat. Pengasaman dalam minyak diikuti dengan pembentukan lumpur yang dapat menyumbat lorong-lorong pendingin, sehingga pembuangan panas terhambat dan temperatur minyak meninggi. Hal ini dapat mengakibatkan tembus listrik termal. Oleh karena itu, tingkat keasaman minyak trafo perlu diperiksa secara teratur, minimal sekali dalam setahun. Tingkat keasaman dinyatakan dari hasil pengujian beberapa sampel. Ukuran yang digunakan adalah banyaknya potasium hidroksida yang dibutuhkan untuk menetralkan keasaman 1 gram sampel. Jika tingkat keasaman mencapai 0,5, minyak harus dikondisikan
200
Peralatan Tegangan Tinggi
kekuatan mekanisnya tetap memadai. Di samping itu, pembentukan jembatan konduktif, meski dalam waktu singkat, akan membuat sebagian besar tegangan dikenakan pada partisi. Maka, kekuatan dielektrik partisi harus cukup tinggi. Kekuatan dielektrik partisi dapat diperbesar dengan menambah tebal partisi, biasanya dibuat 4 - 9 mm. Dielektrik padat pada trafo sering hanya berfungsi sebagai pemikul beban mekanis.
Peluahan permukaan dapat terjadi pada minyak di sepanjang permukaan dielektrik padat. Tegangan lewat denyar pada permukaan dielektrik padat yang berada dalam minyak tergantung kepada bentuk medan elektrik, karena bentuk medan elektrik akan menentukan komponen tangensial dan komponen normal medan elektrik. Jika komponen tangensial rendah, maka kemungkinan terjadinya peluahan permukaan semakin kecil.
MIf;*yak T'rmfo Minyak isolasi pada sutau trafo daya harus memiliki daya hantar panas yang baik agar dapat membawa panas yang terjadi pada inti dan kumparan ke medium sekitarnya. Kekuatan dielektrik sistem isolasi dan umur suatu trafo bergantung sepenuhnya pada kualitas minyak isolasi. Oleh karena itu, minyak isolasi yang digunakan pada suatu trafo harus memenuhi syarat-syarat di bawah ini:
. . . . . .
. .
Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi. Mempunyai daya hantar panas yang baik. Mempunyai berat jenis yang rendah. Jika berat jenis minyak rendah, maka partikelpartikel yang melayang di dalam minyak akan segera mengendap pada dasar tangki. Hal ini sangat membantu dalam mempertahankan homogenitas minyak. Memiliki kekentalan yang rendah. Minyak yang encer lebih mudah dialirkan atau bersirkulasi, sehingga mendinginkan trafo lebih baik. Memiliki titik tuang rendah. Minyak dengan titik tuang yang rendah akan berhenti mengalir pada temperatur yang rendah. Mempunyai titik nyala yang tinggi. Karakteristik titik nyala mempengaruhi penguapan minyak. Jika titik nyala minyak rendah, maka minyak mudah menguap. Ketika minyak menguap, volumenya berkurang, minyak semakin kental dan reaksi dengan udara di atas permukaan minyak membentuk bahan yang dapat meledak.
Tidak merusak material isolasi dan material lain trafo. Unsur kimianya harus stabil agar usia pemakaiannya panjang.
Menurut SPLN 49-1-1982, spesifikasi minyak isolasi baru adalah seperti diberikan pada Lampiran 5, sedangkan spesifikasi minyak isolasi yang sudah pernah dipakai diberikan pada Lampiran 6. Biasanya, setelah suatu trafo beroperasi dalam waktu lama, akan terjadi pengasaman pada minyak isolasinya. Asam yang terjadi pada minyak cenderung mengakibatkan isolasi kumparan rapuh dan mudah retak, terutama ketika dikenai tekanan mekanik yang terjadi ketika kumparan dialiri arus hubung singkat. Tingkat keasaman yang tinggi sering ditandai dari bau yang menyengat. Pengasaman dalam minyak diikuti dengan pembentukan lumpur yang dapat menyumbat lorong-lorong pendingin, sehingga pembuangan panas terhambat dan temperatur minyak meninggi. Hal ini dapat mengakibatkan tembus listrik termal. Oleh karena itu, tingkat keasaman minyak trafo perlu diperiksa secara teratur, minimal sekali dalam setahun. Tingkat keasaman dinyatakan dari hasil pengujian beberapa sampel. Ukuran yang digunakan adalah banyaknya potasium hidroksida yang dibutuhkan untuk menetralkan keasaman 1 gram sampel. Jika tingkat keasaman mencapai 0,5, minyak harus dikondisikan
Bab
10
201
Trafo Daya
seperti semula atau diganti. Sementara itu, trafo daya tidak dibolehkan memikul beban Iebih; tingkat keasaman minyak isolasi trafo diperiksa setiap bulan; dan jika perlu, inti serta kumparan diangkat untuk melihat ada-tidaknya endapan lumpur pada inti dan kumparan. Jika ada endapan lumpur, maka bagian-bagian trafo yang berlumpur harus dibersihkan dengan minyak bersih yang disemprotkan. Jika tingkat keasaman mencapai 1,5, trafo daya tidak boleh dioperasikan lagi, dan minyaknya harus diganti. Inti dan kumparan harus diangkat dan dibersihkan dengan minyak baru, dan jika perlu dilakukan pembongkaran kumparan. Jika tingkat keasaman > 4, maka bekas-bekas endapan lumpur pada inti dan kumparan tidak mungkin dibuang, lebih praktis menggantinya secara keseluruhan.
I*,4
SUSLJhJAN
iS*LASI AfiAY*ffi TffiAFil
MAYA
Isolasi mayor adalah bahan dielektrik yang memisahkan kumparan tegangan tinggi dengan kumparan tegangan rendah dan gandar. Susunan isolasi mayor trafo daya sampai tegangan 35 kV diperlihatkan pada Gambar 10.7. Isolasi di antara kumparan tegangan tinggi dengan kumparan tegangan rendah
merupakan sela minyak yang terbagi-bagi oleh partisi. Kuat medan elektrik tertinggi terdapat di sudut pinggir atas kumparan tegangan tinggi. Oleh karena itu, dimensi tabung isolasi (2) dan isolasi gandar (6) harus memadai agar tidak terjadi peluahan pada sudut pinggir tersebut. Dimensi isolasi mayor trafo daya dapat dilihat pada Tabel 10.1. Pada tegangan yang lebih tinggi medan elektrik pada sudut pinggir atas kumparan tegangan tinggi semakin besar, sehingga konstruksi isolasi pada sudut pinggir atas kumparan semakin rumit. Pada Gambar 10.8 diperlihatkan susunan isolasi trafo daya tegangan di atas 35 kV. Di antara kumparan tegangan tinggi (3) dan tegangan rendah (4) terdapat tabung isolasi kertas-tekan (2), yang membagi minyak menjadi beberapa
bagian, sehingga dalam minyak tidak terbentuk jembatan konduktif, yang dapat menghubung-singkatkan kumparan tegangan tinggi dengan kumparan tegangan rendah. Untuk mencegah terjadinya peluahan dari sudut ujung kumparan trafo menerobos minyak, maka digunakan cincin bersudut (7). Semakin tinggi tegangan nominal trafo semakin banyak tabung isolasi dan cincin bersudut yang digunakan, sehingga konstruksi isolasi trafo menjadi lebih rumit. Sebuah elektroda cincin (8) ditempatkan di tiap kumparan untuk menyeragamkan medan elektrik di kawasan ujung kumparan. Elektroda ini disebut cincin perata. Tegangan
Dimensi lsolasi Mayor Trafo Daya Jarak ke inti (4, mm)
Jarak ke gandar (8, mm)
Jumlah silinder dan tebal (mm)
Uji tegangan
Kumparan
3-6
8-10
I x2,5
25
l0
to-t2
20-25 25-30 70-80
1x3 1x5
35
Kelas Tegangan
KVms
35
2'1-30
110
5'7
6',7
110
2x6
200
150
95-10
180
275
220
130
260
3x6 4x6
-
85
400
202
r5 6
6
7 8
B
I
Keterangan:
Keterangan:
l. 2. 3. 4. 5. 6.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Inti Tabung isolasi Kumparan tegangan tinggi Kumparan tegangan rendah
Gandar Isolasi gandar
Susunan isolasi trafo daya 35 kV
Inti Tabung isolasi Kumparan tegangan tinggi Kumparan tegangan rendah
Gandar Isolasi gandar Cincin bersudut
Cincin perata tegangan
Susunan isolasi trafo daya di atas 35 kV
pada satu cincin perata sama dengan tegangan lilitan terakhir kumparan yang dinaungi cincin tersebut. Satu cincin perata harus terisolasi dari cincin perata yang lain, agar tidak terjadi hubung singkat antar kumparan. Cincin perata dibalut dengan kertas-lembut. Kumparan dan tabung isolasi diikat secara mekanis oleh cincin bersudut (7) dan balok pengantara (6). Bahan cincin bersudut adalah kertas-tekan. Agar sirkulasi minyak tetap terjamin, maka bahan-bahan ini disusun dengan jarak yang tepat.
10.5
DISTRIBUSI TEGANGAN PADA BELITAN Panjang konduktor pembentuk kumparan tegangan tinggi trafo daya dapat mencapai ribuan meter. Karena kumparan dibelitkan pada inti besi yang dibumikan, maka terdapat kapasitansi antara kumparan dengan tanah (C"), induktansi sendiri (L) dan induktansi bersama antara dua belitan yang berdampingan (M.Di samping itu, terdapat kapasitansi yang dibentuk satu belitan dengan belitan lain (C). Jika terminal trafo dihubungkan secara tiba-tiba ke suatu sumber tegangan, maka pada kumparan tegangan tinggi akan timbul gelombang berjalan seperti halnya pada transmisi panjang. Jika suatu tegangan impuls diberikan pada terminal-terminal trafo, maka akan terjadi osilasi tegangan yang dapat menimbulkan tekanan elektrik yang tinggi pada lokasi tertentu dalam kumparan. Tekanan elektrik yang tinggi tidak diizinkan terjadi pada isolasi suatu kumparan. Oleh karena itu, perlu diadakan penelitian yang intensif untuk menentukan distribusi tegangan di sepanjang konduktor yang membentuk suatu kumparan trafo. Berikut ini akan diberikan perkiraan distribusi tegangan awal dan metode meratakan distribusi tegangan pada kumparan tegangan tinggi trafo daya.
Bab
10
Trafo Daya
203
Perkiraan Distribusi Tegangan Awatr Rangkaian ekuivalen satu elemen pendek kumparan adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 10.9. Analisa gelombang berjalan pada rangkaian seperti Gambar 10.9 sangat rumit. Oleh karena itu, untuk menghitung distribusi tegangan pada suatu kumparan, rangkaian ekuivalen pada Gambar 10.9 disederhanakan dengan mengabaikan induktansi sendiri dan induktansi bersama. Dengan demikian, rangkaian ekuivalen kumparan tegangan tinggi trafo daya menjadi seperti diperlihatkan pada Gambar 10.10. Rangkaian ini sangat sederhana namun asumsi ini masih dapat digunakan. Jika pada terminal kumparan tegangan tinggi diberikan suatu tegangan langkah impuls (Vo), maka hanya kapasitansi jaringan yang diasumsikan berperan. Jika titik netral dibumikan (V,= 0), maka distribusi tegangan sepanjang kumparan dapat diturunkan dengan prinsip perhitungan distribusi tegangan pada isolator rantai yang telah dijelaskan pada sub-bab 8.9 terdahulu, dan hasilnya adalah sebagai berikut: sinh (n - x) a sinh no
V,=Vo
r0.4
Jika titik netral terisolasi (tidak dibumikan, 1, = 0), maka distribusi tegangan sepanjang kumparan adalah:
V =Vo
cosh (r - x) d cosh na
*
dalam hal ini
10.5
=\E
10.6
Rangkaian ekuivalen satu elemen pendek kumparan
1_
HH ttl tt L,C
vl
'o
I
I
,-T\
C,
I
/-T\
C.
T
I
o
Rangkaian ekuivalen kumparan trafo
"{ ---------->
t/ V
I
-5
-t--f-_l_r. I.]-r .l-r ", tl
+
204
Peralatan Tegangan Tinggi
C
Misalkan resultan kapasitansi ke tanah C ,", = nC dan resultan kapasitansi bersama " " = Cln . Dengan pemisalan ini diperoleh: d
=nd
=
tr-
\i:
10.7
Umumnya nilai 4,", = 0,5 - 10. Secara teori, distribusi tegangan pada kumparan tegangan tinggi ketika r = 0, sering disebut distribusi tegangan awal. Distribusi tegangan awal untuk berbagai nilai d.", sementara titik netral dibumikan adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 10.11. Menurut gambar ini, ketika / = 0, distribusi tegangan sepanjang belitan kumparan tidak merata, sebagian besar tegangan dipikul oleh beberapa elemen kumparan. Tekanan elektrik maksimum terdapat pada seksi pertama belitan dan dapat dihitung dengan pendekatan (sinh a,". = cosh a.",). Dengan pendekatan ini, besarnya tekanan elektrik maksimum untuk titik netral dibumikan maupun tidak dibumikan adalah:
(!Lr,
).,u,
=
(%*)* o = -
Seandainya distribusi tegangan merata tegangan di setiap seksi adalah:
di
r/-vo v,---ll
*
*
o,",
10.8
sepanjang seksi kumparan, maka
10.9
Jika persamaan 10.9 dibandingkan dengan persamaan 10.8, maka dapat disimpulkan bahwa ketika r = 0, tekanan elektrik pada seksi peftama kumparan naik a,", kali dari nilai tekanan elektrik setelah mekanisme transien hilang. Jadi, nilai d,"" sangat menentukan kenaikan tekanan elektrik pada seksi pertama kumparan. Maka, kumparan trafo harus dirancang sedemikian hingga rasio kapasitansi ke tanah (C") dengan kapasitansi bersama
(C) sekecil mungkin. Selama berlangsungnya mekanisme transient, penyimpangan distribusi tegangan awal terhadap distribusi tegangan akhir sangat berpengaruh terhadap tekanan tegangan
t I
I
ou
V,
v,
o'q
Distribusi awal dengan titik netral ditanahkan
Bab
'1
0
Trafo Daya
205
impuls pada kumparan. Meredam osilasi dengan memperbesar resistansi kumparan tidak dilakukan, karena hal itu akan memperbesar rugi-rugi tembaga trafo. Suatu trafo daya harus memiliki rugi-rugi yang kecil selama operasi normal. Satu-satunya cara adalah menghindarkan terjadinya osilasi yang berbahaya. Jika perbedaan distribusi tegangan awal dengan distribusi tegangan akhir semakin kecil, maka kemungkinan terjadinya osilasi juga akan semakin kecil.
P*merataail Sistribusl Tegangan Telah diperlihatkan pada perhitungan di atas bahwa seksi pertama kumparan tegangan tinggi (terhitung dari terminal input) mengalami tekanan elektrik yang tinggi, melebihi daripada normalnya. Oleh karena itu, isolasi seksi pertama kumparan dibuat lebih kuat. Tetapi cara seperti ini harus dilakukan dengan hati-hati, jangan sampai mengakibatkan kapasitansi antar lilitan berkurang. Jika hal ini terjadi, maka d,", akan semakin besar sehingga distribusi tegangan menjadi semakin tidak merata. Kelebihan tekanan elektrik dapat juga dikurangi dengan meratakan distribusi tegangan awal. Konsep pemerataan distribusi tegangan pada kumparan trafo daya analog dengan pemerataan distribusi tegangan pada isolator rantai, seperti yang dibahas pada sub-bab 8.9. Pada isolator rantai. pemerataan distribusi tegangan dilakukan dengan menambah kapasitansi antara terminal tegangan tinggi dengan persambungan dua unit isolator. Hal seperti itu dapat dilakukan untuk pemerataan distribusi tegangan pada kumparan tegangan tinggi, yaitu menambah kapasitansi antara seksi kumparan dengan terminal tegangan tinggi. Konsep penambahan kapasitansi ini diperlihatkan pada Gambar 10.12a. Dalam praktiknya, penambahan kapasitansi ini dilakukan dengan memberi cincin perata tegangan dan memasang tabir konduktif mengelilingi seksi kumparan, yang dihubungkan dengan terminal tegangan tinggi, seperti diperlihatkan pada Gambar 10.12b.
Cara kedua untuk meratakan distribusi tegangan awal adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 10.13. Dengan memparalelkan suatu kapasitor dengan kapasitansi antar belitan, maka kapasitansi total antar belitan (C) semakin besar, sehingga C_. makin kecil, dan mengakibatkan distribusi tegangan pada kumparan semakin merata. Dalam hal ini, keberadaan kapasitor tambahan membuat sirkulasi minyak di antara belitan terhalang. Oleh karena itu, konstruksi isolasi seperti ini digunakan untuk trafo bertegangan nominal sampai 35 kV saja.
\\
Tabir
konduktif
(a)
Penambahan kapasitansi antara seksi kumparan dengan terminal tegangan tinggi
206
Peralatan Tegangan
1
rnggi
c.. Kapasitor
c..
(a)
\b)
Pemerataan distribusi tegangan dengan memperbesar kapasitansi antar belitan
Cara yang paling efektif untuk menambah kapasitansi antar belitan adalah dengan membuat kumparan tegangan tinggi terdiri dari beberapa lapis kumparan silinder
konsentris, di mana kumparan dihubungkan seperti diperlihatkan pada Gambar 10. 14. Susunan kumparan yang biasa digunakan pada trafo daya bertegangan tinggi adalah susunan kumparan interleaved yang skemanya diperlihatkan pada Gambar l0.l5a. Aliran arus pada susunan kumparan ini diperlihatkan pada Gambar 10.150. Susunan ini bertujuan untuk memperbesar kapasitansi antar belitan. Suatu kumparan belitan tunggal yang dihubungkan seperti diperlihatkan pada Gambar 10.14, memiliki a.,, = 12; sedangkan dengan susunan interleaved seperti diperlihatkan pada Gambar 10.15, didapat nilai a,", = 4, bahkan dengan rancangan khusus didapat d,"" = 2' Semua metode pemerataan distribusi tegangan di atas tidak membuat distribusi tegangan benar-benar rata, tetapi dapat menurunkan tegangan lebih pada seksi kumparan dan membatasi amplitudo osilasi natural yang terjadi pada belitan trafo. Dalam pemilihan susunan kumparan, perlu diingat bahwa semakin banyak penghubung antar kumparan yang bersilang, semakin bertambah pekerjaan konstruksi, sehingga biaya pembuatan trafo semakin mahal.
Keterangan: 1. Belitan tegangan tinggi 2. Belitan tegangan rendah 3. Sumbu belitan
Skema kumparan berlapis konsentris
Bab
1
Kumparan
-
v
Tesansan Tinssi Sumbu
"1
Inti
i2
i- -j- --r
l:'ll ry1 Ewi#$;i;l lri>
he*s#d
--*T I
z' l+'
I
l i
l
L-_.J-----W1
l
Y}
i
rli \
Ei-yffiffi$ ;
--.i*-'[#**-r I.oI
!
l
'"--#ltH--r
I
---.1:ft:l*,r i laldl
1_
i
207
iti
,-l,T
i i* 1*E*-, ,1i=I '-*lz'l-lti_l
iir
'
''-*14', l--I
rEl*r
.-.jllftl--. I --t--] z'kiil ilil i '-'Hftr--' I i L-'lo'l---r !-_ "FFl__:-_ --'_-lrJ-i
i_ _r
Trafo Daya
i----_-l
l* -*l#61-r I I
rcl
17',ls'[rq]*ffi3
i
ru --[*i3*-j
10
M
(a)
'
(e)
Susunan kumparan i nterleaved
10.0
MTTODE PENDINGINAN TRAFO DAYA Jika suatu trafo sedang beroperasi, maka timbul rugi-rugi inti dan tembaga pada trafo, yang berubah menjadi panas. Minyak pendingin berperan menghantarkan panas yang
terjadi pada inti dan kumparan trafo ke udara bebas. Ada dua bahan pendingin yang digunakan pada trafo daya, yaitu minyak mineral dan minyak sintetis. Dilihat dari sirkulasi minyak dalam trafo, metode pendinginan dibagi atas dua jenis:
l.
Minyak bersirkulasi sendiri. Dalam hal ini, minyak digunakan sebagai media yang
2.
trafo akan menaikkan temperatur minyak, dan akibatnya minyak akan bersirkulasi secara alami. Ketika minyak bersirkulasi, panas yang timbul pada inti dan kumparan dibawa ke permukaan tangki trafo. Minyak bersirkulasi paksa (forced oil). Dalam hal ini, minyak di dalam trafo bersirkulasi atas bantuan sebuah pompa. Dengan cara ini diperoleh sirkulasi minyak yang lebih baik dibandingkan dengan cara di atas.
merendam
inti dan kumparan trafo (oil immerseQ.
Panas pada
inti dan belitan
Dilihat dari metode penghantaran panas dari minyak ke udara bebas, pendinginan trafo dibagi atas tiga jenis, yaitu:
.
Pendinginan dengan udara alami (air natural cooled) Dalam hal ini, panas dari permukaan tangki trafo disebarkan ke udara bebas secara alami. Pada trafo daya yang besar, luas permukaan tangki tidak cukup untuk menyebarkan panas yang dihasilkan oleh rugi-rugi inti dan tembaga. Oleh karena itu, permukaan tangki diperbesar dengan menambah radiator.
.
Pendinginan dengan hembusan udara (air blast cooled) Dalam hal ini panas pada permukaan radiator disebarkan ke udara terbuka dengan meniupkan udara ke permukaan radiator. Tiupan udara tersebut diperoleh dari kipas. Dengan cara ini, untuk daya yang sama, ukuran trafo dapat dikurangi, sehingga biaya pembuatannya lebih murah. Trafo ini tidak boleh dibebani jika kipas udara tidak berfungsi.
208
Peralatan Tegangan Tinggi
.
Pendinginan dengan air (water coolefi Trafo dilengkapi dengan alat penukar panas berupa pipa-pipa yang di dalamnya mengalir air pendingin. Keuntungan yang diperoleh dengan metode ini akan lebih nyata jika air dapat diperoleh tanpa biaya. Kecuali pada pembangkit listrik tenaga air, metode ini tidak akan menghemat biaya jika masih diperlukan peralatan khusus untuk penyediaan air dan tempat pembuangan limbah. Trafo jenis ini tidak boleh dibebani jika pompa aimya tidak berfungsi.
Skema ketiga jenis pendingin di atas diperlihatkan pada Gambar demikian diperoleh enam jenis pendinginan pada trafo daya, yaitu:
-
10.
16 Dengan
1.
Minyak bersirkulasi sendiri
2.
Minyak bersirkulasi sendiri - pendingin udara yang dihembuskan (Oil Immersed
3. 4.
Air Blast/OB) Minyak bersirkulasi sendiri - pendingin air (Oil Immersed Water Cooled/OW). Minyak bersirkulasi paksa - pendingin udara alami (Forced Oil Natural Air
pendingin udara alami
(Oil
Immersed Natural
Cooled/Olg
5.
6.
CooledlOFM Minyak bersirkulasi paksa - pendingin udara yang dihembuskan (Forced Oil Air Blast Cooled/OFB) Minyak bersirkulasi paksa - pendingin air (Forced Oil Water CooledlOFW)
Jenis pendinginan menentukan biaya dari suatu trafo. Ada kalanya trafo memiliki dua metode pendinginan seperti ON/OFN atau ON/OB atau ONIOFB atau kadangkadang dengan tiga sistem sepefii ONIOB/OFB. Pemilihan jenis pendinginan yang
digunakan tergantung kepada pembebanan. Ketika trafo berbeban rendah, digunakan metode pendinginan ON. Bila beban melampaui nilai yang ditentukan, maka kipas atau pompa dihidupkan. Jika suatu trafo mempunyai lebih daripada satu metode pendinginan, maka daya pengenal untuk setiap metode pendinginan biasanya dicantumkan pada papan nama trafo. Contohnya, suatu trafo dengan pendinginan ON/OB,45160 MVA. Hal ini berarti selama beban dibawah 45 MVA kipas tidak akan bekerja. Kipas akan bekerja seca-ra automatis ketika beban pada trafo melampaui 45 MVA. Trafo dengan pendinginan jenis ON sangat menguntungkan, karena lebih sederhana, tidak menggunakan kipas atau pompa sehingga tidak membutuhkan bantuan motor listrik. Pada unit yang kecil sampai 10 MVA, penghematan biaya karena perubahan metode
Y
Radiator
Radiator (a) Pendingin udara alami
Jenis pendinginan trafo
(D) Pendingin udara ditiupkan
(c) Pendingin air
Bab
10
Trafo Daya
209
pendinginan dari jenis ON ke jenis pendinginan lainnya tidak begitu nyata. Tetapi pada unit yang lebih besar, perubahan jenis pendinginan dari O1l ke jenis pendinginan yang lain akan menghemat biaya pembuatan dan mengurangi berat dan dimensi trafo, sehingga pengangkutannya lebih mudah dan biaya pembuatan fondasinya lebih murah.
,Ifl,7
P[&J6UJIAi{ THAFO DAYA Harga suatu trafo daya tegangan tinggi relatif mahal dibanding dengan harga komponen lain dalam sistem tenaga listrik. Di samping itu, trafo daya harus memiliki keandalan yang tinggi agar kesinambungan pelayanan sistem tenaga listrik tetap terjamin. Oleh karena itu, pengujian trafo daya sebelum terpasang dan sesudah beroperasi mutlak dilakukan. Pen_eujian trafo daya dibagi atas jenis, yaitu:
. . .
Uji rutin Uji jenis Uji tambahan
IEC telah mengeluarkan standar pengujian suatu trafo. Dalam standar ini dapat ditemukan tentang kondisi pengujian, hal-hal yang perlu diuji dan prosedur pelaksanaan. Secara umum. pengujian rutin trafo meliputi hal-hal sebagai berikut:
. . . . . . . .
Pengukuran resistansi belitan Pengukuran rasio, polaritas dan hubungan fasa Impedansi hubung singkat
Rugi-rugi berbeban Rugi beban nol dan arus beban nol Resistansi isolasi Pengujian ketahanan tegangan lebih dengan induksi Pengujian ketahanan tegangan lebih dengan sumber terpisah
Pengujian jenis dilakukan untuk rancangan baru suatu trafo atau jika dibutuhkan oleh pembeli. Pengujian jenis terdiri atas:
. .
Pengujian ketahanan tegangan impuls Pengujian kenaikan temperatur
Trafo harus dirancang sedemikian rupa sehingga lulus dari pengujian jenis ketahanan tegangan impuls. Kelulusan ini menunjukkan bahwa jumlah dan distribusi isolasi telah tersusun dengan baik, sehingga mampu memikul tekanan elektrik karena tegangan transien, khususnya isolasi antar belitan. Hal ini sangat penting untuk trafo yang kelas tegangannya lebih tinggi dan trafo yang kumparannya dilengkapi dengan sadapan. Adanya keharusan untuk mengadakan pengujian tegangan impuls tidak berpengaruh kepada penambahan bahan isolasi, tetapi mengharuskan penataan susunan isolasi kumparan yang mampu memikul tekanan elektrik transien. Ada kalanya diadakan juga pengujian impuls terpotong, karena setelah trafo beroperasi ada kemungkinan trafo tersebut dikenai tegangan impuls terpotong. Pengujian tambahan adalah pengukuran impedansi fasa urutan nol dan hal lain yang dibutuhkan oleh pembeli. Hasil pengujian dibandingkan dengan gambaran yang telah dikemukakan pabrik. Jika perbedaan antara hasil pengukuran dengan ketetapan yang dibuat pabrik tidak lebih besar daripada toleransi yang diizinkan, maka trafo dinyatakan lulus uji.
Lampiran
Lampiran
211
1
Karakteristik Konduktor Tembaga dan Aluminium Tabel
1.1
Ukuran Konduktor (circular mil) r 000 000 900 000 800 000 750 000
Karakteristik Konduktor Tembaga (Menurut British Standard (BS))
g7,3o/o
Diameter
Kekuatan
Berat
Luar
Patah
(lb/mil)
(in)
0b)
I
1.151
43 830
16 300
1 300
0.0368
0.06"t2
37
t.092
39 510
14 670
1 220
37
1.092
35 120
13 040
1 130
0.0349 0.0329
JI
0.997
33 400
t2 230
1
31 1'70 27 020 22 510 21 590
tt4 0
1
0.0308
978
090 040 940
0.03
0.963
815
840
0,074 0,0826 0.0878 0.0937 0.1086 0.1296
815
840
Jumlah
Pilinan .1
700 000
1
Daya Hantar Arus
GMR
(f0
(A)
Resistansi pada 50"C/50 Hz
(ohm/mil)
r
I
600 000
7
0.891
500 000
7
0.8 14
500 000
9
0.81
450 000 400 000 350 000 350 000 300 000
9
0.17
9 750
7336
780
9
o.726
7 560
6521
9
o.679
5 590
s706
730 670
0,0260 0.0256 0.0243 0,0229 0.0214
2
0.71
5 140
5706
6"to
0.0225
0,1 84
9
0.629
3 510
4891
6t0
0.0199
0,214
300 000
2
0.657
3 170
610
0.0208
0,2t4
250 000
9
0.574
1 360
489r 4076
540
0.0181
250 000
2
0.6
4076
540
9
0.528
3450
480
0.0190 0.0167
0,2s7 0,257
211 600
1 130 9617
211 600
2
o 55?
9483
3450
1
0-028-5
0.t296 0.t437 0.1613 0.1 84
0,303
211 600
7
0,522
9t54
3450
167 800
t2
o-492
7556
2'736
167 800
'7
7366
2736
133 100 105 000
7
0,464 0.414
490 480 420 420
5926
21'10
360
0.t252
0.481
7
0.368
4752
1720
310
0,0111
0,607
83 690
7
0.328
3804
1364
270
0.0099
0,765
83 690
-')
270
0.0i02
0,757
7
082
.,
0.32
107
230 240
0.0088
66 370 66 370 s2 630 52 630 52 630 41'740 41 740
3620 3045 2913
I 3.51
66 3'tO
0.36 o )q)
I
0,258
3003
1061
220
0,0084
0.964 0,95s 0.945
7
0,26
2433
858
0,0079
t.216
-)
0,285
2359 2439
850
200 200
0.0081
841
190
0.0075
1,204 1,192
1879
674
180
0.001L
1,518
1970
667
t70
1,503
1505
534
150
0.0066 0.0064
JJ 100
1
J
-)
0,229 0.254 0.204 o.226
I
1
0.0175
0,303
0,0158
0,303
0.0116
0,0140
0.382 0.382
0.0090
1,914
(berlanjut)
212
Peralatan Tegangan Tinggi
lJkuran Konduktor (circular mil)
Jumlah Pilinan
Diameter
Kekuatan
Berat
Resistansi pada
Patah
0b/mil)
(f0
(in)
0b)
Daya Hantar Arus (A)
GMR
Luar
50'C/50 Hz (ohm/mil)
1591
529
40
424 420
30
90
0.0059 0.0057 0.0053 o.0047 0.0042
1,895
1205
Daya
GMR
Hantar Arus
(cm)
Resistansi pada 50"C/50 Hz
100
t
26 250 26 250 20 820
3
0.1819 0,20r
I
0,162
1
280
I
0,1443
1
030
) f -l
826
264
-) -.,
16 510
Tabel
1.2
Ukuran Konduktor (circular mil)
0, I 285
Karakteristik Konduktor Tembaga (Dalam Satuan MSI) Jumlah Pilinan
Diameter
Luar (cm)
Kekuatan Patah (ke)
20
l0
2.4t
)1() 3.0
r
3.8
97 ,3Vo
Berat (ke/km)
(A)
(ohm/km)
3',7
) q)1\
9 881
4594
300
1.1216
0,0419
900 000
3'7
2,7'737
7 921
4t34
220
1,0637
0.0461
1 000
000
800 000
37
2.7'737
5 930
3675
130
t.0021
0.0515
750 000
37
2.5324
5 150
3441
090
0.9'723
o.0547
700 000
37
2.4460
4 138
3216
040
0,9387
0.0584
600 000
3't
2 256
2756
940
0,8686
0.067'7
500 000
37
2.2631 2.0676
2297
840
9
2.0599
2297
840
0.7924 0,7802
0,0808
500 000
0 210 9793
450 000
9
9558
8958
2067
780
0.7406
0,0895
400 000
9
.8440
7965
838
730
0.6980
0, 005
350 000
9
724'7
7071
608
670
0
350 000
2
,8034
6867
608
670
0.6522 0,6858
300 000
9
.5977
6128
378
610
0.6056
0, JJJ
300 000
2
.6688
5974
378
610
0.6340
0, JJJ
250 000
9
,4580
5153
149
540
0.5526
0 601
2s0 000
2
,5240
5048
540
0,579'l
0 601
21t 600
9
,34tl
4362
972
480
0.5084
0, 888
211 600
2
4021
430t
972
490
0,5334
0, 888
7
1r5q
4152
972
480
0,4813
0 888
67 800
t2
,249'7
3427
771
420
0,3532
67 800
'7
1786
3341
711
420
0.4279
0,2380 0,2380
211 600
149
0,0808
0
t47 t47
33 100
1
,0516
2688
612
360
3,8159
0.2997
05 000
'7
0,9347
2155
485
310
0,3392
0.3782
83 690
'7
0.8331
725
384
210
0.3023
0,4767
83 690
3
0.9144
642
381
270
0.3097
0,47
66 310
7
0,74t7
381
305
230
0.269t
0.6007
66 370
3
362
302 299
240 220
0,2752 0,2548
0.5951
I
0,8128 0.6553
32t
66 370 52 630
7
0.6604
I04
242
200
0.2399
0,7577
52 630
J
0.7239
070
240
200
0.2454
0;t502
52 630
1
0.5817
106
237
190
0,2271
0;7427
4t
3
0.6452
852
190
180
0,2185
0.94s9
740
r7
0,5888
(berlanjut)
Lampiran Ukuran Konduktor (circular mil)
4t
Jumlah Pilinan
Diameter (cm)
Kekuatan Patah (kg)
Luar
(kdkm)
Daya
GMR
Hantar Arus (A)
(cm)
Resistansi pada 50"C/50 Hz
(ohm/km)
740
I
0.5 182
894
88
70
0.2021
33 100
-')
0,5740
683
50
50
0
94s
t,1926
11 100
I
0.4620
722
49
40
0, 798
1.1808
26 250
3
0.5105
547
t9
30
0
731
1,5017
26 250
I
0,4115
581
t8
20
0 603
1,4892
20 820
I
0.3665
467
94
10
0, 426
1.87s5
0.3264
375
74
0 271
2.3678
l6 -5 t0
Tabel
1.3
90
0.9365
Karakteristik Konduktor ACSR (Menurut British Standard (BS))
Ukuran Konduktor
.Iumlah
Diameter
Kekuatan
Pilinan
Luar
Tertinggi
CNI/AWG
AI/St
(in)
(rb)
I
Berat
590 000
54t19
.5450
510 500
54t19
431 000
54t19
351 000
54/19
272000
Berat (lb/mil)
Daya
GMR
Hantar Arus (A)
(f0 0,0520
0.067s
56 000
10 777
389
,5060
53 200
Resistansi pada 50"C/50 Hz
(ohm/mil)
10 237
340
0,0507
0.071
,4650
.50
400
9699
300
0.0493
0.0749
.4240
47 600
9160
1250
o.04'79
0,0792
54119
3820
44 800
8621
200
0,0465
0,084
1 192 -500
54119
,3380
41 100
8082
160
0,0450
0,0894
1 113 000
54t19
2930
40 200
7544
110
0.0435
0.0957
I 033 000
54t'7
2460
37 100
7019
060
0,0420
0,i025
954 000
54t7
I
960
34 200
64'.79
010
0,0403
0,118
900 000
54t"1
1620
32 300
61t2
970
0,0391
0 175
1
213
874 000
54t't
1460
31 400
5940
950
0,0386
0, 218
795 000
54/7
.0930
28 500
5399
900
0.0368
0
795 000
26t'.7
080
31 200
5770
900
0,0375
0 288
795 000
30119
1400
38 400
6517
910
0.0393
0, 288
7t5 500
54t7
,0360
26 300
4859
830
0,0349
0, 4'72
715 500
26/7
,0510
28 100
5 193
840
0.0355
0, 442
715 s00
30t19
,0810
34 600
5865
840
0.0372
0.1442
666 600
54t7
.0000
24 500
4527
800
0,0337
0.1 59
636 000
J4/ /
0,9770
23 600
4319
770
0,0329
0.1678
636 000
26/'l
0.9900
2-5
000
4616
780
0,0335
0,1618
636 000
30fi9
l .01 90
31 500
5213
780
0,0351
0,1618
605 000
54t7
0.9530
22 500
4109
0.1755
26t7
0.9660
24 100
4391
750 '/60
0,032t
605 000
0,0327
0,t72
556 500
2617
0.9270
22 400
4039
730
0,0313
0,1859
556 500
30t7
0,9530
27 200
4588
730
0.0328
0,18s9
500 000
30t7
0.9040
24 400
4122
690
0.0311
0.206
1
358
1
(berlanjut)
2'14
Peralatan Tegangan Tinggi
Kekuatan Tertinggi 0b)
Berat
Daya
GMR
Resistansi pada
0b/mil)
Hantar
(f0
50'C/50 Hz (ohm/mil)
0,0290
0.2t6
Ukuran Konduktor CI\{/AWG
Jumlah Pilinan
Diameter
AI/St
(in)
477 000
26t7
0.8580
t9
477 000
30t7
0.8830
23 300
3933
6'70
0.0304
0,216
397 500
26t7
0,7830
6 190
2885
590
0,0265
0.259
397 500
30t7
0,8060
9 980
3277
600
0.0278
0.259
336 400
2611
0,72t0
4 050
2442
s30
0.0244
0,306
336 400
30t7
0.7410
"l 040
27"t4
530
0.0255
0,306
490
0.0230
0,342
Luar
430
Arus (A) 670
3462
300 000
26t7
0.6800
2 650
2178
300 000
3017
0.7000
s 430
2473
500
0,0241
0.342
2617
fi 64)
t
I
936
460
0.02t'7
0,385
266 800
Tabel
1.4
250
Karakteristik Konduktor ACSR (Dalam Satuan MSI) Berat (kg/km)
Daya
GMR
Hantar Arus (A)
(cm)
Resistansi pada 50"C/50 Hz
Jumlah
Diameter
Kekuatan
Pilinan
Luar
Tertinggi
AVSt
(cm;
(kg)
590 000
54/t9
3,9243
25 40t.15
3031
.t4
1389
5849
0.0419
1 510 500
54119
3.8252
24131,09
2884.96
t340
5453
0.0441
I
431 000
s4t19
3.7211
22 861.04
2733.34
I
300
5026
0,0465
000
s4n9
3.6170
21 590.98
2581.44
1250
,4599
0,0492
t 272 000
54n9
3,5103
20 320.92
2429,54
I
200
,4173
0,0522
1 192 500 1 113 000
Ukuran Konduktor CM/AWG
l
1 351
(ohm/km)
54n9
r
1qR5
8 642.63
2277.64
1
160
.3715
0.0555
54t19
3.2842
I234.40
2t26.03
l1l0
,3258
0,0595
54t7
3.1648
6 828,26
978,07
r060
,280r
0,0637
954 000
54t7
3.0378
5 512.85
825,89
1010
.2283
0.0733
900 000
54t7
2,9515
4 65r.02
722,46
970
191'7
0.0730
87 4000
54/'7
2,9108
4 242,79
673,99
950
t765
0.0'757
79 5000
54t'7
2,7762
2927.37
52t,53
900
t2t6
0.0844
79 5000
26t7
2.8t43
4152.0'7
626,08
900
1429
0.0800
79 5000
30t19
2.8956
7 41't.93
836,60
910
19'78
0.0800
369.35
830
,0637
0,0915
1 033
000
71 5500
54/7
2,6314
t
71 5500
26t1
2,6695
2745.94
463,47
840
.0820
0,0896
71 5500
30fi9
2.7457
5 694.28
652,86
840
,1338
0.0896
66 6600
54t7
2.5400
I
275.78
800
,027t
0,0988
704;t't
217.17
'770
,0027
0,1043
r 339.80
1300,87
780
,0210
0.1005
929.47
113,00
63 6000
5417
2,4816
63 6000
26t7
2,5t46
63 6000
30fi9
2.5883
4 288.15
469,t1
780
.0698
0,100s
60 5000
5417
2.4206
0 205.82
157.98
750
0.9784
0.1090
60 5000
26t7
2.4536
0 93]l.57
237.46
760
0.9966
0.1069
55 6500
26t7
2,3546
0 160,46
t38.26
730
0.9540
0.1155
L0
(berlanjut)
Lampiran Ukuran Konduktor
Jumlah
Diameter
Kekuatan
Pilinan
Luar
Tertinggi
CIWAWG
AYSt
(cm)
(ke)
556 500
30/-7
2.4206
t2 337,70
n
Berat (kg/km)
Daya
GMR
Resistansi pada
Hantar Arus (A)
(cm)
50'C/50 Hz (ohmikm)
t292.98
730
0.9997
0, 155
500 000
30t7
2.2962
I 161 .65
690
0,9479
0
477 000
2617
2,1793
8813"29
9'75.65
670
0.8839
0.1342
477 000
30t1
2.2428
10 568.69
1108.39
670
0.9265
0. 342
397 500
2611
1.9888
'7343.65
813,04
590
0,8077
0, 609
397 500
30t-7
2.0472
9062;7'7
923.51
600
0,8473
0 609
336 4oO
26t7
1,83 13
6372.9'7
688.20
530
0.7437
0 901
336 400
30t7
,8821
7'729,21
781;t6
530
0,7772
0, 901
300 000
26t7
1)T)
5737.94
613.80
490
0,7010
0,2t25
300 000
30t7
.7'780
6998.92
696,93
500
0.7345
0,2125
266 800
26t'7
1,6307
5102,91
545.60
460
0.6614
0.2392
Tabel
1.5
067,64
280
Karakteristik Konduktor Tembaga Telanjang dengan Penampang Segi Empat
Ukuran Lebar x Tebal
Ukuran
(mm x mm)
Penampang (mm2)
Daya Hantar Arus ac 50-60 Hz
Ill llll
Berat (kg/m)
E-Cu F
I
TI
0.529
37
t77
312
398
Jenis
12x5
59,5
12x10
119,5
r.063
37
285
553
811
20x5
99,1
0,882
37
2'14
500
690
20x10
t99
l,'77
30
42'7
825
1180
30x5
149
l.33
37
379
672
896
30x10
299
2,66
30
5'.73
r060
1480
40x5 40x10
t99
t,77
37
482
836
1090
399
30
7t5
1290
1770
2280
50x5
249
I 55 ) )')
37
583
994
1240
1920
50x10
499
4.44
30
852
1510
2040
2600
60x5
299
2.66
30
688
t 150
t440
22lO
60x10
599
5,33
30
985
1120
2300
2900
80x5
399
I
s5
30
885
1450
17-50
2720
80x10
799
7.11
30
1240
21tO
2790
3450
100x5
499
4,44
30
1080
t730
2050
3190
100
x
10
988
8,89
30
1490
2480
3260
3980
120
x
10
1200
t0,7
30
t740
2860
3740
4500
160
x
10
600
14,2
30
2220
3590
4680
5530
2000
t7,8
30
2690
4310
5610
6540
200 x 10
I
Jarak antar konduktor minimal 50 mm.
2'15
216
Peralatan Tegangan Tinggi
Tabe!
1.6
Karakteristik Konduktor Aluminium Telanjang dengan Penampang SegiEmpat
Ukuran
Ukuran
Lebar x Tebal
Berat
Jenis
(mmxmm)
Penampang (mm2)
(kg/m)
E-AI F
12x
5qs
0,r60
5
72x10
19.5
1
Daya Hantar Arus ac 50-60 Hz
E
EI
TII
10
t39
263
375
0.322
10
"t1
440
652
214
A
20x5
99,1
0.268
l0
392
537
20x10
199
0,538
10
331
643
942
30x5
t49
0,403
10
295
526
699
30x10
299
0.808
t0
445
832
l
TTIT
200
40x5
t99
0,538
10
376
658
851
40x10
399
1.08
10
557
1030
t460
1900
50x5
249
0,673
10
445
786
995
1520
x
499
1.35
10
667
t210
t7 t0
22t0
50
10
60x5
299
0.808
l0
533
910
I 130
1750
x
599
1,62
10
774
r
390
1940
2480
80x5
399
1.08
10
688
1150
1400
2180
80x10
799
2,16
10
983
1720
6,5
846
l
60
10
2380
2990
390
100x5
499
1,35
1660
2580
100
x
10
999
)70
6,5
1
190
2050
2790
3470
100
x
15
r
500
4,04
6,5
I
450
2500
3220
3380
120
x
10
r200
3,24
6,5
1390
2360
3200
3930
120
x
15
r
800
4.86
6,5
1680
2850
3650
4350
160
x
10
r
600
4,32
6,5
I
780
2960
4000
4820
160
x
15
2400
6,47
6.5
2130
3540
45 10
5210
200 x 10
2000
5.40
6,5
2160
3560
4'790
5710
200 x 15
3000
8,09
6,5
2580
4230
-5370
6t 90
.Tarak antar
konduktor minimal 50 mm
Lampiran
217
Lampiran 2
Karakteristik Mekanis Tembaga dan Aluminium
Kekuatan
Modulus
Kekuatan
Kekuatan
Material
Regang o" 1N/mm2)'
Young E (N/mm2)
MulurMin.
Mulur Max.
E-Cu-F20
200
11
x
104
E-Cu-F2-5
250
1t
x
101
E-Cu-F30
300
11
x
E-Cu-F37
370
t1 X
E-Al-F 6.5/7
65t70
Material
Kode
Dasar
o-,.
(N/mm2)
a-,*
(N/mm2)
Konduktivitas pada 20'C (m,/W.mm2)
120
57
200
290
56
101
250
360
56
to*
330
400
55
6,5 x 104
25
80
35.4
80
6,5 x
104
50
100
35.2
E-AI-F i0
100
6,5 x
104
70
t20
34,8
E-AI-F
r30
6,5 x 104
90
160
34,5
100
65 x
70
Tembaga
E-AI-F Aluminium
Al-F
Paduan
Aluminium
8
13
10
E-Al Mg Si 0.5 F 17 E-Al Mg Si
0.5F 22 Copper-clad
Cu (15Vo)
Aluminium
Clad-Al
x
104
34
170
'7
104
t20
180
32
220
7x104
160
240
30
130
8x104
100
130
42,3
218
Peralatan Tegangan Tinggi
Lampiran 3
BIL Menurut Standar IEC 71-1972
Tabel3.1
BIL Peralatan Untuk Tegangan 1kV < V."k"
Tegangan Maksimum Kontinu, Y-uur, Fasa-Fasa, rms
(kv)
Tabel
3.2
Tegangan
Maksimum Sistem, V-ru"
(kv"_.) 300
362
52 kV
Tegangan Nominal Ketahanan
Tegangan Nominal Ketahanan
Impuls Petir (Nilai Puncak)
Frekuensi Daya (rms)
List I
(kv)
List 2 (kY)
(kV)
3,6
20
40
l0
1a
40
60
20
t2
60
'75
28
r7,5
'/5
95
38
24
9-5
125
50
36
t45
170
70
BIL Sistem Untuk Tegangan > 300 kV
Dasar 1pr, =
V-"u"f
245
Tegangan Impuls
Pertlandingan
Tegangan
Hubung-Buka Nominal
Tegangan Ketahanan
Ketahanan
Impuls Petir
lmpuls Petir
dengan
Nominal
Impuls Hubung-Buka
(kVprn"ur)
Per unit
kYp.n""k
3,06
7s0
t3
850
3,45
850
21
950
2,86
850
3,2
950
2.96
2;76 420
(
950
14J 3,06
1050
T2
950
24
1050
t2
1050
24
117 5
12
1050
24
n'75
t2
tl'7
24
I
36
1425
5
300
(berlanjttt)
Lampiran Tegangan
Maksimum Sistem, V-u1"
(kv"_,)
525
Dasar
t p,, = V-"urf,
Tegangan Impuls
Pertrandingan
Tegangan
Hubung-Buka Nominal
Tegangan Ketahanan
Ketahanan
Impuls Petir
Impuls Petir
Per unit
kvprn."k
2,45
1050
429
t175
2.74
2.08
'765
625
219
1300
t425
2.28
dengan
Nominal
Impuls Hubung-Buka
(kVpun"ur)
1.12
1175
1.24
1300
1.36
r425
1.12
l
r.32
550
l.l0
425
1.19
550
r.38
800
1.09
550
1.28
800
1.4'l
2100
t
2.48
1550
300 425
1.21
.l6
r
800
1.26
1950
1.55
2400
Tabel 3.3 BIL Peralatan Tegangan f inggi > 300 kV Tegangan
Ketahanan Tegangan lmpuls Standar
Maksimum
(kVpon""r)
Sistem
(k\-,)
145
Isolasi Penuh
Isolasi Direduksi
Isolasi Penuh
lsolasi Direduksi
650
550
275
230
450 900
39-5
362
420
525
825
360
750
325
300
5'70
t75
510
050
461
6'75
'740
550
680
425
630
300
570
800
790
675
'740
-550
680
425
765
185
460
1050
245
Ketahanan Tegangan Frekuensi Daya Fasa-Netral (kv"-r)
630
2400
1
2100
980
1950
920
800
870
I
100
220
Peralatan Tegangan Tinggi
Lampiran 4
Tingkat Bobot Polusi lsolator Berdasarkan Analisis Kualitatif dan Metode ESDD
No.
Tingkat Bobot
Ciri Lingkungan Berdasarkan Analisis Kualitatif
Polusi
I
Ringan
-
Karvasan tanpa industri dan pemukiman yang dilengkapi sarana pembakaran dengan kepadatan rumah rendah Kawasan dengan kepadatan industri rendah atau pemukiman, tetapi sering terkena angin dan/atau hujan Kawasan pertanian
ESDD (mg/cm2)
0,06
Kawasan pegunungan
Semua kawasan ini harus terletak paling sedikit 10 - 20 km dari laut dan bukan kawasan terbuka bagi hembusan angin langsung dari laut.
2.
Sedang
Kawasan industri, khususnya yang tidak menghasilkan asap polusi dan/atau pemukiman yang dilengkapi sarana
0,20
pembakaran dengan kepadatan rumah sedang. Kawasan dengan kepadatan rumah tinggi dan/atau kawasan industri kepadatan tinggi, tetapi sering terkena angin dan/ atau hujan.
Kawasan terbuka bagi angin laut tetapi tidak terlalu dekat dengan pantai (paling sedikit berjarak beberapa kilometer dari pantai). Kawasan dengan kepadatan industri tinggi dan pinggiran J.
Berat
4.
Sangat Berat
kota besar dengan kepadatan sarana pembakaran yang tinggi dan menghasilkan polusi. Karvasan dekat laut atau kawasan yang senantiasa terbuka bagi hembusan angin laut yang relatif kencang. Kawasan yang umumnya cukup luas, terkena debu konduktif dan asap industri yang khususnya menghasilkan endapan konduktif tebal.
Kawasan yang umumnya cukup luas sangat dekat dengan pantai dan terbuka bagi semburan air laut atau hembusan angin laut yang sangat kencang dan mengandung polutan. Kawasan padang pasir yang ditandai dengan tidak adanya hujan untuk jangka waktu lama, terbuka bagi angin kencang yang membawa pasir dan garam, serta terkena kondensasi yang tetap.
0,60
>0,60
Lampiran
221
Lampiran 5
Spesifikasi Minyak lsolasi dalam Kondisi Baru
Sifat
No. I
Kejernihan
2
Massa jenis
4
(20'C)
Satuan
g/cm3
Viskositas 20'C
cSt
<40
Kinematika -15"C
cSt
< 800
-30'c nyala
6
Titik tuang
OC
7
Angka kenetralan
8
Korosi beleranp
9
Iegangan tembus
Iitik
Kelas 2
1
tEC296
< 0.895
tEC296 <25
mg KOH/s
>
140
-30
angka kenetralan - kotoran
-40
tEC296
tEC296
kV/2.5 mm
>50
Ketahanan oksidasi
IEC296 A
Tidak korosif
b. sesudah diolah
ll
130
tRC296
>30
Faktor kebocoran dielektrik
tEC296
< 0,03
a. sebelum diolah
l0
tEC296 tEC296
< 800
>
Metode Uji
Jernih
cSt OC
5
Kelas
< 0.05
mg KOH/g
< 0,40
Vo
< 0.10
tEC296 IEC 250 IEC 474 74
&IEC
222
Peralatan Tegangan Tinggi
Lampiran 6
Spesifikasi Minyak lsolasi Setelah Dipergunakan No.
Sifat Minyak
Tegangan tembus
2
3
Tegangan
Batas Yang
Peralatan (kY)
Diizinkan
> 170
> 50 kV/2.5 mm
70 - 110
> 40 kV/2.5 mm
<70
> 30 kV/2.5 mm
> 170
<20 mgll
< 1'70
> 30 mg/l
Semua tegangan
<0,2 -2,0
IEC 247 & IEC 250 (90'C)
Kandungan air
Faktor kebocoran
dielektrik
Metode Uji
IEC 156
ISO R 760
4
Resistivitas
Semua tegangan
1,0 gigaohm'm
IEC 93 & IEC247
5
Angka kenetralan
Semua tegangan
< 0,5 mg KOH/g
IEC296
6
Sedimen
Tidak terukur
IEC296
7
Titik nyala
8
Tegangan permukaan
9
Kandungan gas
Pemanasan
maksimum 15oC
> 15 x >
170
10'3 Nm-l
TEC296
IEC296 Sedang diteliti IEC
223
Daftar Pustaka
l. 2. 3. .1. 5.
& PV. Gupta, "Substcttion Design and Equipment", Dhanpat Rai & Sons, Delhi, t919 Kuffel E. &ZaenglW.S.."High-Voltage Engineering", Pergamon Press, Oxtbrd, 1984 Gallagher T.J. & Pearmain A).,"High Voltage Measurement, Testing and Design", John Wiley & Sons, Nerv York. 1983 Razevig D.Y.,"High Volrage Engineerlng" , Khanna Publishers, Delhi-6, 1912 DieterK. & Hermann K.,"High-Voltage lnsulationTechnology", Friedr. Vierveg & Sohn, Braunschweig, Partap Singh Satnam
I
985
6. KreugerF.H.,"lndusrrial High Voltage",Delft University Press, 1992 7. KreugerF.H.,"PartialDischargeDetectioninHigh-Voltage Engineering",Butterworths,London, 1989 8. Alston L.L. (Editor) ."High-Voltage Technology", Oxford University Press, 1968 9. Schwab, A .J . ." Hi glt Voltage Measurement Technique' ', MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1972 10. Bowdler, G.W."Measurernents in High-VoltageTest Circuits", PergamonPress, Oxford, 1973 11. Gupta, P Y. ,''A Course in Electrical Engineering Materials", Dhanpat Rai & Son's, Ner.v Delhi, India, I
12. 13. 14. 15. I
6.
17.
18. 19.
20. 21 . 22. 23.
980.
Kapur, P L.,"A Textbook o;f ELectricol Engineering Materials".Khanna Publisher, Delhi, 1984. Yu, Koritsky, " A Tett Book of Electrical Engineering Materials" , Mir Publishers, Moscow, I 970.
Bradrvell.A(Editorl."Electrical Insulation, IEEElectricalandElectronicMaterialsandDevicesSerie,s 2", Peter Peregrinus Ltd, 1983 Arismunandar.A.."TeknikTeganganTinggi",Pradnya Paramita, Jakarta, 1984 Kind, D., " Pengantur Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi" , 1993 Naidu, M. S., "Hrglr Vtltage Engineering",Tata Mc Graw Hill Publishing, 1983 IEC Repofi, " Guide .for The Selection Of Insulator In Respect OJ Polluted Conditions" . Publication No. 815.1986 SPLN 10-3B, "Tingkat lntensitas Polusi Sehubungan Dengan Pedoman Pemilihan Isokttor", Perusahaan Umum Listrik Negara, 1993 IEC, "Ceramic or Gluss lnsulator Units For AC Sl,stem-Definitions, Test Methods and Acceptance Criteria", Geneva, Swiss. 1993 lEC, " lnstrument trans.formers-Part I : Current transformers" ,lEC 60044- I Publication, 2003 lEC, " lnstrument transformers Part 2 : lnductiye voltage transJbrmers", IEC 60044-2 Publication, 2003 lEC, "Comntctn Specifications.for High-voltage Switchgear and Controlgear Standards". tEC 60694 Publication, 2002
24.
lEC,"Surgearresters-Partl:Non-linearResistorTypeGappedSurgeArresters;forA.C.",IEC60099-1
25.
IEC, "Szlrge Arresters - Part 4: Metal-oride Surge Arresters Without Gaps for A.C.", IEC 60099-4
Publication. 1999 Publication. 2009
26. 27. 28. 29. 30.
31.
lEC, "High-voltage Switchgear and Controlgear - Part 102: Alternating Current Disconnectors and Earthirtg Switches" , IEC 6221 1-102 Publication, 2003 IEC."IEC Standard Voltages",IEC 60038 E,d.7.0,2009 IEC,"lnstrumentTransJormers - Part I: General Requirements",lEC61869-1,2001 Charoon U. Vatana, "Contamination lnvestigdtion ln Southern Thailand', Energi Listrik Volume III, N0.3, Desember 1993 IEEE Working Group On Insulator Contamination,"Application Guide For Insulators In AContaminated Environment" . Ceraver Sediver Publication. June 1 984 Lambeth P.J.- Auxel H.- Verma M.P, " Methods OJ Measuring The Severity O;f Natural Pollution As It Affects W Insulatctr P e rformance", Electra CIGRE No. 20, 191 2, p. 31 -52
224
Peralatan Tegangan Tinggi
32.
Schneider
K.H. "The Measurement Of Site Pollution Severirl And lts Application To Insulator
Dimensioning For AC S"rstem". Electra CIGRE N0. 64, 19'79, p 101 - 116 Bernhard Boehle, "Srrlrcft gear ManuaL" , Asea Brown Boveri, Mannheim. 1988
33. 34. Eaton,J.Robert,"E/ectricPowerTransmissictnS_vsrems".Prentice-Hall.Inc.,NewJersey,1983 35. Rakosh Das Begamudre. "Ettra High Voltage AC Trartsmission Engineering", Wiley Eastern Limited, New Delhi. 1987
36. 37. 38. 39. 40.
Charles A. Gross, "Prlwer S-ystem Anolysis", John Wiley & Sons, 1986 Turan G.. "Modern Power System Anal1,sis",JohnWiley & Sons, 1988 Heinz Frick. "Mekunika kknik Statika dan Kegunaannya", Penerbit Kanisius, Yogyakarta, 2000
41.
Garzon, R.D., "High Voltage Circuit Breakers-Design and Application". Marcel Dekker Inc., Nerv York.
PablaA.S&Abdu1 Hadi."SistemDistribusiDctyaListrik".PenerbitErlangga,Jakarta. 1994 Wadhrva, C.L.,"High Voltage Engineering". Nerv Age International (P) Limited, Publisher, New Delhl, 2007 1997
42. Hinrichsen Y.,"Metal-Oxide Surge Arrester Fundamentals" Siemens AG, Berlin, 2001 43. Cooray V. Edito1"Liglltnittg Protection", The Institution ofEngineering andTechnology, London,2010 44. Natarajan R., "Pou,er S,lslem Capacitors". CRC Press Taylor & Francis Group, USA, 2005 45. SPLN 60-7, "Kamar Uji Instrument Ukur Listrik Bagiun 7: Prosedur U.ji Trcnsformator Instrunen", Perusahaan Umum Listrik Negara, Jakarta, 1992
46. 41 .
SPLN 49-1, "Miryak lsokrsi", Perusahaan Umum Listrik Negara, Jakarta, 1982 ABB Editor, "Instrument Trans.forners Application Guide", ABB High Voltage Products Department,
48.
Ludvika. Sweden,2009 Haddad A. and Warne D., Editor, "Adra nces in High
Voltctge Engineermg", The
Institution of Engineering
and Technology, London, 2007
19.
50. 51.
China Transporvers Electric Co., Ltd., *230kV-500kV High Voltage Gas Insulated Switchgear (GIS)". http://rvrvrv.china-power-transformer.com/, 9 September 20 1 1 Shanglrai Yongjin Electric Equiprnent, "Prefabricuted Cable termination and Silicott Rubber Cold .tft rint". http://rvwrv.chi naqualityshoes.com, 9 September 20 I 1 Chirra Electronic Products Wholesale Center, "Vacum CircLtit Breoker", Copyright Notice O 2011
o-digitirl.com Limited
52.
53. 54.
Toshiba, "GSPF 245 HP Circuit Breaker", TOSHIBA Corporation, 2009 Science Service."Electric Circuits, Breakers: Air Blast CircLit Breoker", http://scienceservice.si.edu/ pages/0 I 5021.htm Foshan Shunde Jia Dian Electric Co., Ltd., " SGS Approved Compo.site Housing Gapless Metal Oxide Arrester (YH5WS-17/50)", Copyright @ 2011 Focus Technology Co., Ltd
55.
Foshan Shunde Jia Dian Electric Co., Ltd.,"SGS Approved Outdoor AC High-Voltage Disconnect Switch (GWg )", Copyright O 201 1 Focus Technology Co., Ltd.
56.
Wenzhou Haivo Electrical Co., Ltd., "Ouxbctr AC High Voltage Disconnector (Mod.el GWI)", Copyright O 2011 zen-cart.cn. Powered by ZenCart
57. 58. 59. 60. 61. 62. 6-1.
64. 65.
66.
China Huayi Elec. Apparatus Group,"GIY5 Outdoor HV Disconnect Switch",
O
2005-201i JP
Communications, Inc, http://www.manufacturer.com Techno Associates Mdyut PVT Ltd., " Potential Transformer" , http://www.technovidyut.com, 28-08-2011 Jiangsu Jingke Smart Electric Co., Ltd, "Capacitor Vctltage TransJctrrrer", Focus Technology Co., Ltd., Copyright O 20 I I, http://jsjingke.en.made-in-china.com Baoguang Group Co. Ltd., "Voltage Transfornter" , Copyright O 2006 - 20 i I Asia.ru, http://wrvrv.asia.ru/ en/Productlnfo/1 1 I I 383.html Baoguang Group Co.,Ltd.." 10- 12KV High voltage current transformer" ,Copyright @ 2009 All Baoguang Group Co., Ltd. Himalayal, "lnsulntor, Arrester, Shielding Fitting, Instruments Transrttrmer and Capacitor", Copyright 20 1 1 Hi malayal Corporation Limited, http://rvwrv.himalayal.com Yueqing Langir Electric Co., Ltd.. "MBO Series CLtrrent Transformer", Copyright O 2011 Focus Technology Co., Ltd. Electricity By Photos (NEW), http://emadrlc.blogspot.com/2011-04-01-archive.html HSP Hochspannungsgerate GmbH, "Transfurmer Oil Bushing", Direct Industry 2011, http://www. directindustry.com Siemens, "High Voltage Power Capacitors & Capacitor Banfts" Published by and copyright 2009. Siemens AG, Energy Sectol www.siemens.com/energy
225
lndeks
A actLtal insulating creepage air-gap core 133
distance
146
F faktor ketahanan tegangan lebih sementara 67 ferroresonansi 53. 112
alat pengukur konduktivitas 159
flashover 55.
alat proteksi arester
Forced Oil Air Blast Cooled 208 Forced Oil Natural Air Cooletl 208
9
annealed g/ass 150
arcing
horn
148
Arester MO 63 arus hubung singkat 33 arus magnetisasi 89 arus pengisian transmisi 89 arus subtransien 34 arus transien 34 arus tunak 34
auxiliary
.iu
lrclr
95
B 29
breakdown 153 bulk oil circuit breeker 141 busur
api
12
hardened glass 150 hydrophobic 152
I intermediate electrode 169 intermediate transformer 701
conductivitymeter 159 counterpoise 82
ionisasi 13, 14 isolator gantung 147 isolator pendukung 147
cylindrical winding 195 D daya hantar arus (current carrr-ing capacit-l) 42 15
disconnecting s'witch 83
disc winding 195 E elektroda elektroda elektroda elektroda
G gardu induk step down 2 gardu induk step up 2 gas SF6 16 gelas yang dikeraskan 150 gelas yang dikuatkan 150 geometric mean radius 43
induktor kompensasi 102
C
deionisasi 13.
Forced Oil Woter Cooled 208
H
Basic Intpulse Level 72
bilik kontak
153
K
pengantara 169
perata 5 perata ekstemal
J jarak bocor yang disederhanakan 146 jarak rambat isolasi sebenarnya 146 jari-jari geometris rata-rata 43 jatuh tegangan 43
5
perata intermediasi 5
emisi 13. 16 emisi medan tinggi 16 emisi termal 16 Equivalent Salt Deposit Density 159
kapasitas arus sesaat (momentary dutv-') 35 kapasitor {ilter 175
kapasitor gandeng
lM
kapasitor impuls 175 kapasitor laboratorium tegangan tinggi 174 kapasitor pembagi tegangan 774 kapasitor pembangkit frekuensi tinggi (osilator) 174
226 kapasitor kapasitor kapasitor kapasitor kapasitor kapasitor
Peralatan Teg
relai proteksi 12
penl'adap 17.1 perata 175
seri
rentangan sirip 146 resistor non-linier 23
174
shunt
17,1
sistem tenaga
standar
listrik
174
S
sakelar pemisah 83
175
kompresor 28
self cleaning 746
kontak bantu 95 kontak bergerak 27 kontak tetap 27 kumparan interleaved 206
shed overhang
i46
line discharge 89
sifat elektronegatif 31 sifat menolak air 152 sifat pencucian alami 146 simplified leakage distance 146 suspension 141 switching operation 9, 69 switching over voltage 104
M
T
metode Hukum Kirchhoff 162 minyak bersirkulasi paksa 207
tanduk busur 148 tegangan gagal sela 72 tegangan interferensi radio 114
L
logging
108
minyak bersirkulasi sendiri 207
kontinu
tegangan kerja
9
o
tegangan lebih hubung-buka 104
Oil Immersed Air Blast 208 Oil Immersed Natural Cooled 208 Oil Immersed Water Cooled 208
tegangan lebih impuls hubung-buka 9
tegangan lebih impuls petir 9 tegangan lebih pada frekuensi daya 9 tegangan lutut 136 tegangan pemulihan (.recovery voltage)
P
partial discharge 114 peluahan sebagian (partial discharge) 41,114 pemadaman busur
api
tegangan telpaan
18
pemilahan busur api 18 pemutus daya (circuit breaker) pemutus daya minyak 26, 141 pemutus daya SF6 31 pemutus daya udara 25 pemutus daya udara tekan 28 pemutus daya vakum 30
power line carrier 98,
sela tegangan sisa 7i
tegangan percik
telecontrol
l0
tembus
balik
101
listrik
153
radio interference voltage rangkaian induktif 22 rangkaian kapasitif 2l rangkaian L-C 24 rangkaian resistif 20 rangkaian R-L 23
U ungapped
core
v varistor
I "'::""?'J;'j;1:*. Timut Jarqa
23
drop
-il"iLtF Pr"Ut"t
13
l0l
trafo daya step down 2 trafo daya step up 2 trafo penengah 101 trafo tegangan kutub ganda 100 trafo tegangan kutub tunggal 99 trafo tegangan magnetik 98 trafo tegangan tiga fasa 99 turbogenerator 35
R
relai diferensial 137 relai jarak 138
56
,
43
133
t9
