Isolasi cair memiliki dua fungsi
yaitu sebagai pemisah antara bagian yang bertegangan dan juga sebagai
pendingin Sehingga banyak digunakan pada peralatan seperti transformator,
Pemutus Tenaga, switch gear.
Mekanisme Ketembusan Isolasi Cair
Ada beberapa alasan mengapa isolasi
cair digunakan, antara lain yang pertama adalah isolasi cair memiliki kerapatan
1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki
kekuatan dielektrik yang lebih tinggi menurut hukum Paschen. Kedua isolasi cair
akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui
proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi. Ketiga
isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika
terjadi pelepasan muatan (discharge). Namun kekurangan utama isolasi cair
adalah mudah terkontaminasi.
Beberapa macam faktor yang
diperkirakan mempengaruhi ketembusan minyak transformator seperti luas daerah
elektroda, jarak celah (gap spacing), pendinginan, perawatan sebelum pemakaian
(elektroda dan minyak ), pengaruh kekuatan dielektrik dari minyak transformator
yang diukur serta kondisi pengujian atau minyak transformator itu sendiri juga
mempengaruhi kekuatan dielektrik minyak transformator.
Ketembusan isolasi (insulation
breakdown, insulation failure) disebabkan karena beberapa hal antara lain
isolasi tersebut sudah lama dipakai, berkurangnya kekuatan dielektrik dan
karena isolasi tersebut dikenakan tegangan lebih. Pada prinsipnya tegangan pada
isolator merupakan suatu tarikan atau tekanan (stress) yang harus dilawan oleh
gaya dalam isolator itu sendiri agar supaya isolator tidak tembus. Dalam
struktur molekul material isolasi, elektronelektron terikat erat pada
molekulnya, dan ikatan ini mengadakan perlawanan terhadap tekanan yang
disebabkan oleh adanya tegangan. Bila ikatan ini putus pada suatu tempat maka
sifat isolasi pada tempat itu hilang. Bila pada bahan isolasi tersebut
diberikan tegangan akan terjadi perpindahan elektron-elektron dari suatu
molekul ke molekul lainnya sehingga timbul arus konduksi atau arus bocor.
Karakteristik isolator akan berubah bila material tersebut kemasukan suatu
ketidakmurnian (impurity) seperti adanya arang atau kelembaban dalam isolasi
yang dapat menurunkan tegangan tembus.
Sifat-Sifat Listrik Cairan Isolasi
Sifat sifat listrik yang menentukan
unjuk kerja cairan sebagai isolasi adalah:
- Withstand Breakdown kemampuan
untuk tidak mengalami ketembusan dalam kondisi tekanan listrik (electric stress
) yang tinggi.
- Kapasitansi Listrik per unit
volume yang menentukan permitivitas relatifnya. Minyak petroleum merupakan
subtansi nonpolar yang efektif karena merupakan campuran cairan hidrokarbon.
Minyak ini memiliki permitivitas kira-kira 2 atau 2.5 . Ketidak bergantungan
permitivitas subtansi nonpolar pada frekuensi membuat bahan ini lebih banyak
dipakai dibandingkan dengan bahan yang bersifat polar. Misalnya air memiliki
permitivitas 78 untuk frekuensi 50 Hz, namun hanya memiliki permitivitas 5
untuk gelombang mikro.
- Faktor daya: Faktor dissipasi daya
dari minyak dibawah tekanan bolak balik dan tinggi akan menentukan unjuk
kerjanya karena dalam kondisi berbeban terdapat sejumlah rugi rugi dielektrik.
Faktor dissipasi sebagai ukuran rugi rugi daya merupakan parameter yang penting
bagi kabel dan kapasitor. Minyak transformator murni memiliki faktor dissipasi
yang bervariasi antara 10-4 pada 20oC dan 10-3 pada 90oC pada frekuensi 50 Hz.
- Resistivitas: Suatu cairan dapat
digolongkan sebagai isolasi cair bila resitivitasnya lebih besar dari109 W-m.
Pada sistem tegangan tinggi resistivitas yang diperlukan untuk material isolasi
adalah 1016 W-m atau lebih. (W=ohm) Berdasarkan standar yang dikeluarkan oleh
ASTM yakni dalam standar D-877 disebutkan bahwa suatu bahan isolasi harus
memiliki tegangan tembus sebesar kurang lebih 30 kV untuk lebar sela elektroda
1 mm, dengan kata lain kekuatan dielektrik bahan isolasi kurang lebih 30 kV/mm.
Sedangkan menurut standar ASTM D-1816 suatu bahan isolasi harus mampu menahan
tegangan sebesar 28 kV untuk suatu lebar sela elektroda sebesar 1,2 mm. Standar
ini merupakan standar yang diterima secara internasional dan harus dipenuhi
oleh suatu bahan yang dikategorikan sebagai suatu bahan isolasi.
Kegagalan Pada Isolasi Cair (Minyak)
Karakteristik pada isolasi minyak
trafo akan berubah jika terjadi ketidakmurnian 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.
ü 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.
Macam-Macam Isolator Cair
- Minyak transformator
Minyak transformator adalah minyak
mineral yang diperoleh dengan pemurnian minyak mentah. Dalam pemakaiannya,
minyak ini karena pengaruh panas dari rugi-rugi di dalam transformator akan
timbul hidrokarbon.
Sebagian besar dari transformator
tenaga memiliki kumparan-kumparan yang intinya direndam dalam minyak
transformator, terutama pada transformator-transformator tenaga yang
berkapasitas besar, karena minyak transformator mempunyai sifat sebagai media
pemindah panas (disirkulasi) dan juga berfungsi pula sebagai isolasi (memiliki
daya tegangan tembus tinggi) sehingga berfungsi sebagai media pendingin dan
isolasi.
Selain berasal dari minyak mineral,
minyak transformator dapat pula dibuat dari bahan organic, misalnya:
minyak trafo piranol, silikon. Sebagai bahan isolasi, minyak
transformator harus mempunyai tegangan tembus yang tinggi.
Minyak transformator harus memenuhi
persyaratan, yaitu:
• kekuatan isolasi tinggi
• penyalur panas yang baik, berat
jenis yang kecil, sehingga partikel-partikel dalam minyak dapat mengendap
dengan cepat
• viskositas yang rendah, agar lebih
mudah bersirkulasi dan memiliki kemampuan pendinginan menjadi lebih baik
• titik nyala yang tinggi dan tidak
mudah
• tidak merusak bahan isolasi padat
• sifat kimia yang stabil
Kegunaan minyak trafo adalah selain
untuk bahan isolasi juga sebagai media pendingin antara kumparan kawat atau
inti besi dengan sirip pendingin. Agar minyak trafo berfungsi dengan baik,
kualitas minyak harus sesuai dengan standar kebutuhan, ditunjukkan pada tabel
1.
Tabel 1. Spesifikasi Minyak Isolasi
Baru.
Untuk minyak isolasi pakai berlaku
untuk transformator berkapasitas > 1 MVA atau bertegangan >30 kV sifatnya
seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Spesifikasi Minyak Isolasi Pakai.
Jarak elektroda dibuat 2,5 cm,
sedangkan tegangannya dapat diatur dengan menggunakan auto transformator
sehingga dapat diketahui tengan sebelum saat terjadinya kegagalan isolasi yaitu
terjadinya loncatan bunga api. Loncatan bunga api dapat dilihat lewat lubang
yang diberi kaca. Selain itu dapat dilihat dari voltmeter tegangan tertinggi
sebelum terjadinya kegagalan isolasi (karena setelah terjadinya kegagalan
isolasi voltmeter akan menunjukkan harga nol).
ü Proses pemurnian minyak
transformator
Minyak transformator dapat dikotori
oleh uap air, fiber (misalnya: kertas, kayu, tekstil), dammar dsb. Hal ini
dapat mempengaruhi kemurnian minyak transformator. Bentuk dari pengotoran dapat
bermacam-macam yaitu: meleleh dan mencairnya bahan-bahan yang digunakan di
dalam transformator, partikel-partikel yang mengendap di dasar tangki, pada
belitan atau pada intinya. Dengan adanya pengotoran maka tegangan tembus
minyakakan menurun dan ini berarti mengurangi atau menurunnya umur pemakaian
minyak.
Akhir-akhir ini usaha memperlambat
terjadinya penurunan tegangan tembus minyak transformator untuk pemakaian pada
transformator yang bertegangan kerja tinggi dan dayanya besar, ruangan yang
terdapat di atas permukaan minyak diisi bdengan gas murni (biasanya nitrogen).
Cara lain untuk memperpanjang umur
minyak transformator adalah dengan mencampurkan senyawa tertentu antara lain:
paraoksi diphenilamin. Senyawa tersebut dimasukan ke dalam minyak transformtor
yang telah dipanasi 80˚ hingga 85˚C. campuran tersebut konsentrasinya dibuat
0,1% dan selanjutnya didinginkan. Minyak transformator yang sudah diberi
senyawa paraoksi dipenilamin akan berwarna kemerah-merahan.
a. Pemanasan
Pada cara ini minyak transformator
dipanasi hingga titik didih air pada perangkat khusus yang disebut Penggodok
minyak (Oil Boiler). Air yang yang terkandung di dalam minyak akan menguap.
Cara ini dianggap sebagai cara yag
paling sederhana dalam hal pemurnian minyak transformator. Dengan cara ini
bahan-bahan pencemar padat, misalnya: fiber, jelaga: akan tetap tinggal di
dalam minyak. Apabila pemanasan tersebut mendekati titik penguapan minyak, akan
menyebabkan umur minyak berkurang. Namun hal ini dapat diiatasi dengan cara
memanaskan minyak di tempat pakem, sehingga air akan menguap pada suhu yang
relative rendah. Namun demikian pencemar selain air akan tetap tinggal di dalam
minyak.
b. Penyaringan
Pada metode ini digunakan kertas
khusus untuk menyaring minyak yang tercemar. Untuk mempercepat waktu
penyaringan, digunakan tekanan. Air yang terkandung dalam ninyak transformator
diserap dengan kertas higriskopis. Dengan cara ini baik air maupun
partikel-partikel pencemar lainnya akan tersaring sekaligus.
Untuk menambah output mesin
penyaring, minyak dipanasi 40˚ hingga 45˚C sehingga viskositas minyak menurun
dan dengan demikian makin memudahkan penyaringan.
Normalnya, minyak yang akan disaring
dimasukkan ke filter atau penyaring dengan tekanan 3 hingga 5 atmosfir.
Biasanya penyaring diganti setelah digunakan selama 4 jam, tetapi bila
minyaknya sangat kotor, penggantiannya dilakukan setiap 0,5 hingga 1 jam.
c. Pemusingan
Pencemaran minyak transformator
misalnya: fiber, karbon maupun lumpur adalah lebih besar daripada minyak
transformator sehingga kotoran-kotoran tersebut suatu saat mengendap dan mudah
dipisahkan secara kasar. Untuk mempercepat proses pemisahan, maka minyak
dipanaskan 45˚ hingga 55˚ di dalam suatu tabung dan kemudian diputar atau
dipusing dengan cepat. Karena gaya sentrifugal, maka subtansi yang lebih
berat akan berada di bagian pinggir bejana dan minyaknya sendiri yang relative
lebih ringan akan berada di tengah bejana.
Bagian utama dari pemutar adalah
sebuah silinder yang memiliki lempengan-lempengan (hingga 50 buah).
Lempengan-lempengan tersebut berputar bersama-sama dengan poros.
d. Regenerasi
Pencemaran minyak transformtor
seperti yang dijelaskan sebelumnya. Pencemaran akan lebih dapat dihilangkan
dengan pemurnian khusus yaitu regenerasi.
Cara ini mengunakan absorben untuk
regenarasi minyak transformator. Dalam praktek, cara ini banyak digunakan
pembangkit-pembangkit tenaga listrik dan gardu-gardu induk.
Absorben adalah subtansi yang siap
menyerap produk yang diakibatkan oleh pemakaian dan kelembaban pada minyak
transformator. Regenerasi dengan absorben dapat lebih baik hasilnya jika
dilakukan setelah minyak ditambah dengan H2SO4.
Selanjutnya jika terjadi kelebihan asam dapat dinetralisir dengan kalium
hidroksida (KOH) dan kemudian minyaknya dicuci dengan air yang dialirkan,
ditambah dengan absorben dan kemudian disaring.
Terdapat 2 cara untuk menambahjan
absorben ke dalam minyak transformator, yaitu:
-
Minyak dipanaskan dan dicampur dengan absorben yang dipadatkan dan kemudian
disaring. Cara atau metode ini disebut Metode Sentuhan (Contact Method).
-
Minyak yang telah dipanasi dialikan melalui lapisan tipis dari absorben yang
disebut Metode Filtrasi.
Filtrasi penyerap untuk regenerasi
minyak transfortor terdiri dari sebuah silinder yang dilas dengan sebuah kawat
kasa di dasarnya, di sini penyerap dimasukkan ke dalam minyak kemudian
dialirkan melalui kawat kasa tersebut.
Lama kelamaan kawat kasa akan
tersumbat partikel-partikel halus dari absorben. Untuk membersihkan absorben
yang tersaring dan sisa-sisa minyak, silinder dapat dibalikkan atau diputar
180˚.
Instalasi ini akan lebih efisien
jika 10% sampai 20% absorben dibuang dari dasar absorber dan ditambahkan
absorben baru.
Dapat digunakan 2 absorber yang
dikopel secara seri sehingga minyak mengalir pada awal melalui absorber yang
mash baru, kemudian minyak dialirkan ke absorber yang berikutnya.
Absorber yang digunakan untuk
regenerasi kebanyakan produk buatan misalnya: silikagel, alumina atau tanah
liat khusus.
ü Perbandingan Tegangan
Tembus Media Isolasi Minyak Baru dan Minyak Bekas
Tegangan tembus pada isolasi minyak
baru lebih besar dibandingkan dengan isolasi minyak bekas. Hal ini disebabkan
karena pada minyak bekas terdapat kandungan partikel-partikel dan uap air yang
menyebabkan ketidakmurnian pada minyak.
Apabila jumlah partikel yang
melayang pada minyak sangat banyak, partikel-partikel tersebut akan
embentuk semacam jembatan yang menghubungkan kedua elektroda sehingga
mengakibatkan terjadinya peristiwa kegagalan. Namun bila hanya terdapat sebuah
partikel, partikel tersebut akan membuat perluasan area medan (local field
enhancement) yang luasnya ditentukan oleh bentuk partikel itu sendiri. Jika
perluasan area medan ini melebihi ketahanan benda cair, maka terjadilah
peristiwa kegagalan setempat (local breakdown) yaitu terjadi di dekat
partikel-partikel asing tersebut.
Hal ini akan membuat terbentuknya gelembung-gelembung gas yang pada akhirnya
juga menyebabkan peristiwa kegagalan pada minyak tersebut.
Pada minyak bekas cenderung memiliki
kadar uap air yang lebih besar daripada minyak baru. Seperti telah dijelaskan
sebelumnya bahwa pada saat medan listrik yang tinggi, molekul uap air yang
terlarut memisah dari minyak dan terpolarisasi membentuk suatu dipol. Jika
jumlah molekul-molekul uap air benyak, maka akan terbentuk kanal peluahan.
Kanal ini akan merambat dan memanjang sampai menghasilkan tembus listrik.
Ketidakmurnian ini sangat
berpengaruh dalam kegagalan isolasi sehingga pada minyak bekas akan lebih mudah
terjadi discharge dibandingkan dengan minyak baru karena kekuatan
isolasi minyak bekas sudah tidak sebagus minyak baru.
- Minyak Sintetis
Isolasi cairan sintetis yang banyak
digunakan adalah cairan yang berisi Chloor (hidrokarbon seperti difenil C10
H12) dimana 3 sampai 5 atom hydrogen diganti dengan atom Chloor. Bahan-bahan
ini di antaranya adalah: Sovol, Askarel, Araclor, Pyralen, Shibanol.
- Sovol
Sovol adalah cairan yang agak
kental, tidak berwarna. Massa jenisnya jauh lebih besar dari minyak
transformator yaitu 1,5 g/cm3. Tegangan tembus sovol kurang lebih
sama dengan minyak transformator yaitu ± 20 kV/cm, sedangkan permitivitasnya
lebih tinggi.
Bahan sovol ditambah sedikit dengan
Trichlorobenzena (C8H3L3) untuk mengurangi
kekentalannya diperoleh bahan baru dengan nama Sovtol.
Salah satu manfaat penggunaan sovol dan
sovtol adalah karena pencampuran uapnya dengan udara tidak terbakar dan tidak
menyebabkan ledakan. Karena itu transformator yang diisi dengan sovtol tidak
mempunyai resiko kebakaran dan dapat dipasang di dalam ruangan jika
transformator minyak biasa tidak memungkinkan dipasang.
Sovol dan sovtol tidak dapat
digunakanuntuk bahan isolasi pemutus, karena akibat adanya busur api pada waktu
terjadinya pemutusan akan menghasilkan karbon. Kekurangannya yang lian, bahan
ini adalah beracun, karena itu jika mengunakan bahan ini harus diimbangi dengan
ventilasi yang baik.
- Minyak Silikon
Bahan ini lebih mahal harga daripada
minyak transformator. Tetapi mempunyai kelebihan antara lain sudut kerugian
dielektrik kecil, higroskopisitasnya dapat diabaikan dan resistivitas panasnya
relative tinggi. Massa jenis ±1 g/cm3, permitivitas relatifnya 2,5;
tan 0,OOO2 PADA 1000Hz, titik nyala tidak kurang dari 145˚C, titik beku
tidak lebih rendah dari -60˚C.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar