Breakdown in Oil and Solid

 

BREAKDOWN IN OIL AND SOLID

1.1 Breakdown

Didalam transformator daya digunakan dalam gardu induk, terdapat minyak trafo yang berfungsi untuk memisahkan secara listrik kumparan primer dengan kumparan sekundernya agar tidak terjadi tegangan tembus. Minyak trafo ini memiliki tingkat isolasi yang lebih baik dibandingkan dengan udara bebas. Salah satu parameter yang dapat menunjukan baik buruknya tingkat suatu bahan adalah

tegangan tembusnya Gambar 1. Rangkaian Pengujian Tegangan Tembus Minyak

Untuk memasitikan kelayakn tegangan tembus dari minyak trafo tersebut digunakan pengujian. Pengujian tegangan tembus minyak ini dilakukan dengan memberi tegangan tinggi AC. Untuk membangkitkan tegangan tinggi arus bolak  balik, trafo uji yang digunakan adalah trafo satu fasa, hal ini disebabkan karena  pengujian biasanya dilakukan untuk untuk setiap fasanya

Gambar 2. Bagan Pengujian Tegangan Tembus Minyak

 

 

Suatu bahan dielektrik tidak mempunyai mempunyai elektron  –   elektron bebas,

melainkan elektron  –   elektron yang terikat dengan inti atom unsur dielektrik tersebut. Misalnya suati dielektrik ditempatkan diantara dua elektroda kemudian elektroda diberi tegangan maka, akan timbul medan listrik di dalam dielektrik. Medan listrik ini akan memberikan gaya pada elektron –  elektron –  elektron  elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Maka dapat dikatakan bahwa medan listrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor

Gambar 3. Medan Listrik Pada Bahan Dielektrik

Beban yang dipikul dielektrik disebut juga terpaan medan listrik. Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan listrik. Jika terpaan listrik dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung lama, maka dielektri akan menghantar arus atau gagal melaksanakan mel aksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik mengalami tembus listrik list rik atau breakdown Karakteristik pada isolasi cair akan berubah jika terjadi ketidak murnian di dalamnya hal ini akan mempercepat terjadinya proses kegagalan. Faktor faktor yang mempengaruhi kegagalan isolasi antara lain adanya partikel padat, uap, air, dan gelembung gas.

1.1.1

Mekanisme Kegagalan Isolasi Cair 

Teori mengenai kegagalan dalam zat cair kurang banyak diketahui dibandingkan dengan teori kegagalan gas atau zat padat. Hal tersebut disebabkan karena sampai saat ini belum didapatkan teori yang dapat menjelaskan proses kegagalan dalam zat cair yang benar-benar sesuai antara keadaan secara teoritis

 

dengan keadaan sebenarnya. Teori kegagalan zat isolasi cair dapat dibagi menjadi empat jenis sebagai berikut: a. Teori Kegagalan Elektronik Teori ini merupakan perluasan teori kegagalan dalam gas, artinya proses kegagalan yang terjadi dalam zat cair dianggap serupa dengan yang terjadi dalam gas. Oleh karena itu supaya terjadi kegagalan diperlukan elektron awal yang dimasukkan kedalam zat cair. Elektron awal inilah yang akan memulai proses kegagalan.  b. Teori Kegagalan Gelembung Kegagalan gelembung atau kavitasi merupakan bentuk kegagalan zat cair yang disebabkan oleh adanya gelembung-gelembung gas di dalamnya. c. Teori Kegagalan Bola Cair Jika suatu zat isolasi mengandung sebuah bola cair dari jenis cairan lain, maka dapat terjadi kegagalan akibat ketakstabilan bola cair tersebut dalam medan listrik. Medan listrik akan menyebabkan tetesan bola cair yang tertahan didalam minyak yang memanjang searah medan dan pada medan yang kritis tetesan inimenjadi tidak stabil. Kanal kegagalan akan menjalar dari ujung tetesan yang memanjang sehingga menghasilkan kegagalan total. d. Teori Kegagalan Tak Murnian Padat Kegagalan tak murnian padat adalah jenis kegagalan yang disebabkan oleh adanya butiran zat padat (partikel) didalam isolasi cair yang akan memulai terjadi kegagalan. 1.1.2

Jenis Minyak Trafo

Jenis –  Jenis  –  jenis  jenis minyak yang dapat digunakan untuk bahan isolasi terdiri dari : 1.  Minyak isolasi dari bahan olahan bumi terdiri dari Minyak mineral Minyak isolasi mineral adalah minyak yang berasal dari minyak bumi yang diproses secara fraksinasi dan destilasi. Biasanya digunakan pada peralatan tegangan tinggi seperti trafo daya, kapasitor daya, kabel daya, dan circuit breaker. Minyak isolasi ini berfungsi sebagai bahan dielektrik dan media pemadaman busur api

 

 

Minyak isolasi sintetis

Minyak isolasi sintetis adalah minyak isolasi yang diproses secara kimia untuk mendapatkan beberapa karakteristik yang lebih baik dari minyak isolasi mineral. Berikut ini beberapa contoh dari minyak isolasi sintesis adalah askarel, silikon si likon cair, fluorinasi cair, ester sintesis 2.  Minyakisolasi dari bahan olahan nabati contohnya Minyak jarak Minyak kelapa murni Minyak kelapa sawit Minyak keledai Minyak jagung

Untuk mengetahui sampel minyak masih dalam keadaan baik maka dibutuhkan hasil uji denga suatu standarisasi yang digunakan untuk minyak trafo adalah standar IEC 156 yang dapat dilihat pada tabel dibawah ini

Standar yang biasa digunakan di lapangan adalah untuk trafo yang sudah dipakai adalah 40 kV / 2,5 mm dan minyak baru adalah 50 kV/2,5 mm

 

1.1.3

Diagram Alir Pengujian Tegangan Tembus Minyak

Gambar 4. Diagram Alir Pengujian Tegangan Tembus Minyak 1.1.4

Persamaan Tegangan Tembus Minyak

Berikut adalah persamaan untuk tegangan tembus minyak

Dimana: Vb = tegangan tembus / Breakdown (kV) A = Konstanta D = panjang ruang celah (mm)

 

n = Konstanta Konstanta yang yang nilainya nilainya kurang dari 1

1.1.5

Fenomena yang Terjadi Saat Pengujian Tegangan Tembus Minyak

Untuk mendapatkan nilai tegangan tembus pada sampel minyak, maka dimulai dengan menaikan tegangan uji secara bertahap, saat kondisi sampel uji mendekati nilai tegangan tembusnya, akan timbul suara mendesis. Hal ini terjadi karena adanya tekanan yang terus menerus dan semakin besar pada sampel minyak Pada saat terjadi tegangan tembus pada sampel uji akan timbul suara ledakan. Fenomena ini lebih disebabkan karena terjadi tumbukan elektron dan tekanan impulsif pada minyak isolasi. Dalam kondisi sesudah terjadi tegangan tembus akan timbul gelembung gas dan kabut hitam pada sampel minyak hal ini disebabkan oleh 1.  Permukaan elektroda tidak rata, sehingga terdapat kantong –  kantong –  kantong  kantong udara di permukaannya 2.  Adanaya tabrakan elektron saat terjadi tegangan tembus sehingga muncul  produk –   produk  –  produk  produk baru berupa gelembung gas atau arang 3.  Adanaya penguapan cairan karena pada bagian bagian elektroda yang tajam dan tak teratur 4.  Zat cair dikenai perubahan suhu dan tekanan

1.1.6

Korelasi

1.  Hubungan antara jarak sela elektroda tegangan tembus minyak adalah  berbanding lurus, artinya semakin besar jarak sela antar elektrodanya maka semakin tinggi tegangan tinggi tegangan tembus yang terjadi pada minyak 2.  Dengan jarak sela yang sama untuk jenis minyak yang berbeda memiliki tegangan tembus yang berbeda pula tegangan tembus rata –  rata  –  rata   rata pada minyak  pelumas lebih tinggi daripada tegangan tembus pada pada minyak kelapa.

 

1.2.1

Kegagalan Pada Isolasi Padat 

Kegagalan isolasi padat terdiri dari : A.

Kegagalan asasi (intrinsik) terjadi jika diterapkan tegangan tinggi pada

lapisan dielektrik yang tipis. Hal ini terjadi pada waktu yang singkat dan disebabkan karena medan listrik yang tinggi di mana elektron mendapat energi dari tegangan luar sehingga melintasi celah yang terlarang sampai ke lapisan konduksi. Sifat kegagaln ini adalah : • Terjadi pada suhu yang rendah, r endah, suhu kamar atau lebih rendah. Kekuatan kegagalan tidak bergantung pada bentuk gelombang dari tegangan yang diterapkan dan terjadi pada waktu yang singkat. • Kegagalan bergantung pada bentuk, besar dari d ari spesimen s pesimen dan bentuk dari kegagalan.

B. Kegagalan elektromekanik adalah kegagalan yang disebabkan oleh adanya perbedaan polaritas antara elektroda yang mengapit zat isolasi padat sehingga timbul tekanan listrik pada bahan tersebut. Tekanan listrik yang terjadi menimbulkan tekanan mekanik yang menyebabkan timbulnya tarik menarik antara kedua elektroda tersebut. Pada tegangan 106 volt/cm menimbulkan tekanan mekanik 2 s.d 6 kg/cm2. Tekanan atau tarikan mekanis ini berupa gaya yang  bekerja pada zat padat berhubungan dengan Modulus Young.

C. Kegagalan Streamer, untuk mendapatkan kegagalan kegagalan streamer, ujung katoda haru dimasukkan dalam isolasi yang akan diuji. Bila elektroda ditempatkan  pada permukaan bahan isolasi maka elektron dari katoda akan menembus ke anoda anoda melewati dua medium, yaitu medium udara diperbatasan dan langsung melewati dielektrik. Karena permitivitas udara lebih kecil dari elektrik, kegagalan ini terjadi lebih awal daripada dielektrik. Kegagalan dielektrik tidak berbentuk discharge tunggal tapi berbentuk pohon yang bercabang yang dinamakan “linchtenberger tree”di mana proses terjadinya sangat singkat ( detik hingga beberapa menit ).   D. Kegagalan Termal, umumnya umumnya terjadi karena panas disebabkan kerugian dielektrik. Panas sebagaian dipakai untuk menaikkkan suhu dari bahan dielekrik

 

dan sebagian hilang di udara. Kenaikan suhu menyebabkan konduktivitas naik. Kriterianya adalah sebgai berikut: •  Terjadi pada suhu suhu tinggi •  Kekuatan medan pada waktu terjadinya kegagalan tergantung pada bentuk dan  besarnya isolasi •  Waktu yang diperlukan untuk kegagalan kegagalan adalah dalam milidetik •  Pada medan bolak balik balik harga tegangan gagal lebih kecil dari meda medan n yang tetap karena kerugian daya bertambah

E. Kegagalan Erosi Pada pembuatan suatu isolasi dari kabel bawah tanah dan alat lainnya kadang-kadang tidak sempurna, sehingga sering terdapat rongga dalam isolasi. Rongga ini berisi udara atau benda lain, yang mempunyai kekuatan medan atau kekuatan dielektrik yang berbeda dengan kekuatan dielektrik dari bahan isolasi. Bila rongga berisi udara maka akan terdapat konsentrasi medan listrik. Karena itu,  pada nilai tegangan normal kekuatan medan pada rongga dapat bernilai melebihi kekuatan kegagalan, sehingga dapat menyebabkan terjadinya kegagalan. Kekuatan medan dalam reongga ditentukan oleh perbandingan dari permitivitas dan bentuk rongga. Pada setiap pelepasan muatan terjadilah panas, dan lama kelamaan muka dari rongga akan terjadi karbonisasi dan dapat merusak susunan kimia isolasi dan terjadinya erosi. Mason dan Krueger melakukan percobaan pada suatu spesimen  berbentuk persegi panjang. Benda dibagi menjadi dua bagian, yaitu bagian yang terdapat rongga dan bagian yang tidak rongga.

Kegagalan yang terjadi pada praktek : 1.

Kegagalan Kimia dan Elektro Kimia

Kehadiran udara dan gas lainnya menyebabkan bahan isolasi padat mangalami  perubahan struktur secara kimiawi yang dapat berlanjut pada tekanan listrik secara terus menerus yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan isolasi. Beberapa reaksi kimia penting yang terjadi adalah :

 

• 

Oksidasi : Kehadiran udara atau oksigen, pada material padat seperti karet

dan polyethilene mengalami oksidasi yang dapat meyebabkan keretakan pada  permukaan isolator. •  Hidrolisis : Ketika uap air dan embun muncul di atas permukaan suatu material padat, maka hidrolisis akan terjadi te rjadi dan material tersebut dan menyebabkan material akan kehilangan atau berkurang sifat listrik maupun sifat mekanisnya. Hidrolisis biasanya terjadi pada material padat seperti kertas, kain dan beberapa material seluler akan mengalami perubahan sifat kimiawi yang sangat cepat. Perubahan kimia (hidrolisis) juga terjadi pada material padat lainnya seperti plastik (polyethilene) yang menyebabkan penurunan umur pakai dari material tersebut (aging). • 

Aksi Kimiawi. Meskipun tidak terdapat medan listrik yang tinggi, namun

 peningkatan penurunan sifat kimia pada material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai proses material isolasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai  proses ketidakstabilan kimiawi karena adanya temperatur yang tinggi, oksidasi maupun terbentuknya ozon. Meskipun material isolasi padat digunakan pada  berbagai kepentingan penggunaan dan kondisi yang berbeda, reaksi kimia akan terjadi pada berbagai material yang dapat mandorong terjadinya penurunan sifat listrik maupun sifat mekanis yang pada akhirnya dapat menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi. Efek elektro-kimia dan penurunan sifat kimia material dapat diperkecil dengan cara mengkaji lebih mendalam dan melakukan pengujian material secara lebih berhatihati. Isolatornya yang terbuat dari bahan glass (campuran sodium) harus dihindarkan dari keadaan udara lembab dan basah, sebab sodium dapat menyebabkan keadaan menjadi tidak stabil, sehingga soda yang dilepaskan ke  permukaan akan menimbulkan pembentukan suatu alkali kuat yang akan menyebabkan penurunan sifat material secara menyeluruh.

2. Kegagalan Tracking dan Treeing Jika suatu bahan isolasi padat diterapkan tekanan listrik dalam jangka waktu yang lama maka akan mengalami kegagalan. Secara umum, terdapat dua gejala yang

 

dapat diamati pada material tersebut, yaitu: (a) Adanya bagian konduksi pada  permukaan isolator. (b) Suatu mekanisme yang bekerja yang menyebabkan arus  bocor melalui bagian konduksi yang pada akhirnya mendorong ke arah  pembentukan suatu percikan (discharge). Percikan yang terjadi akan menyebar selama proses penjejakan karbon (tracking) dan membentuk cabang-cabang yang menyerupai pohon (pepohonan) yang dikenal dengan istilah i stilah “treeting”.  “treeting”.  Fenomena pepohonan listrik (treeing) dapat dijelaskan dengan menggunakan sebuah spesimen (conducting film) yang diletakkan di antara dua elektroda. Dalam  prakteknya, spesimen tersebut diberikan suatu cairan pelembab kemudian diterapkan tegangan, dan dalam waktu tertentu pada permukaan spesimen akan mengalami kekeringan. Pada saat yang sama terjadi percikan yang dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan material. Pada material padat seperti kertas, akan terbentuk karbonisasi di daerah terjadinya percikan api, dan selanjutnya karbonisasi yang terbentuk akan bertindak sebagai saluran konduksi  permanen yang kemudiannya dapat dapat meningkatkan tekanan tekanan yang berlebihan. Proses ini adalah merupakan proses kumulatif, dan isolator mengalami kegagalan akibat terjadinya jembatan karbon diantara elektroda. Fenomena ini dikenal dengan istilah “tracking”.   “tracking”. Pada sisi yang lain, treeing terjadi karena erosi dari material pada ujung percikan. Erosi mengakibatkan permukaan menjadi kasar, dan oleh sebab itu dapat menjadi sumber

pengotoran

dan

pencemaran.

Kejadian

ini

akan

meningkatkan

konduktivitas, dan pada sisi yang lain akan membentuk jembatan antara bagian konduksi tadi dengan elektroda yang selanjutnya mengakibatkan kegagalan mekanik (keretakan ) pada bahan isolator. Umumnya, tracking terjadi pada tegangan yang rendah yaitu sekitar 100 V, sedang treeing terjadi pada tegangan tinggi. Treeing dapat dicegah melalui usaha membersihkan permukaan material, menciptakan keadaan kering, dan pada  permukaan yang halus (yang ( yang tidak terjadi kekasaran permukaan). Oleh karena itu  pemilihan material harus didasarkan pada material yang mempunyai resistansi yang tinggi terhadap fenomena “treeing”.  “treeing”. 

 

DAFTAR PUSTAKA 1.  Maik KOCH. THE BREAKDOWN VOLTAGE OF INSULATION OIL UNDER THE

INFLUENCES

OF

HUMIDITY,

ACIDITY,

PARTICLES

AND

PRESSURE.Jurnal tidak diterbitkan. 2007 PRESSURE.Jurnal 2.  SEYED MAJID HASHEMINEZHAD.  Breakdown Strength of SolidjSolid

Interface. Jurnal tidak diterbitkan.2010 3.  Mushtaq ismael ashan. Using the transformer oil-based nanofluid for cooling of  power distributon transformer.jurnal tidak diterbitkan.2016  4.  Josef.  Measurement of electrical parameters of breakdown in transformer oil. Jurnal tidak diterbitkan.2011  5.  Sharin Ab Gham.  A STUDY OF MOISTURE EFFECTS ON THE BREAKDOWN VOLTAGE AND SPECTRAL CHARACTERISTICS OF MINERAL AND PALM OIL-BASED INSULATION OILS. Jurnal tidak diterbitkan. 2016