bab 9 isolator
TRANSCRIPT
IX. ISOLATOR
IX. 1. Pengertian Umum Seperti telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa isolator dalam kristal padat, celah
energi terlarang antara pita terisi paling atas (pita valensi) dengan pita kosong paling
rendah (pita hantaran) demikian lebarnya, sehingga hanya sebagian kecil saja dari
elektron-elektron yang terangsang oleh panas (pada temperatur kamar) yang dapat
melompat dari pita valensi ke pita hantaran. Benda ini dikelompokkan sebagai Isolator
karena hanya sedikit elektron bebas yang tersedia dalam pita hantaran, dan bahan ini
merupakan penghantar (baik elektrik maupun panas) yang buruk.
Selain sifat elektrisnya maka yang perlu diperhatikan untuk bahan isolasi terutama bahan
isolasi padat adalah sifa-sifat lainnya seperti:
1. Sifat Mekanis
Kekuatan Tarik
Pemuluran
Kekuatan Tekan
Kerapuhan
Kelenturan
2. Sifat Panas
Suhu sangat mempengaruhi sifat bahan isolasi, maka pada umumnya jika
temperatur naik maka sifat isolasi jadi tidak baik.
Selain sifat isolasinya menurun, maka sifat mekaniknya juga terganggu
sehingga dapat merusak struktur bahan, baik sementara maupun permanen
(hangus terbakar).
Jika terlalu lama berada pada suhu yang tinggi, mengakibatkan
proses penuaan bahan dapat lebih cepat.
98
Ketahanan panas bahan adalah ketahanan bahan terhadap suhu
tertentu dalam waktu tertentu pula (relatif pendek)
Pada Tabel 9. 1, dibawah ini dapat dilihat ketahanan bahan isolasi terhadap
panas yang dibagi dalam beberapa tingkatan atau yang lebih dikenal dengan
Kelas Isolasi.
Tabel 9. 1, Kelas ISOLASI
No Kelas Suhu Kerja Makx. (oC)
1 Y (Pita Isolasi Sutera Impregnated) 90
2 A (Kertas Impregnated) 105
3 E (Fibre P.E.) 120
4 B (Mika/Fibre glass) 130
5 F (An Organic Impregnated) 155
6 H (Mika/Fibre yang Impregnated) 180
7 C (Bahan an organic special) >180
3. Sifat Kimia
Ketahanan kimia dari bahan sangat penting sebab beberapa bahan isolasi sangat
peka terhadap pengaruh bahan-bahan kimia, missal : gas, air, asam, basa, dan
alkali. Pada tegangan tinggi dapat timbul ozon, beberapa bahan akan terpengaruh
ketahanan isolasinya (karet tidak tahan terhadap ozon).
4. Hidroskopisiti
Kemampuan atau kapasitas suatu bahan untuk menarik uap air dari udara, makin
sedikit kapasitas uap air yang dapat diserap maka akan semakin baik isolasi
tersebut.
Pengukurannya timbang berat bahan sebelum dimasukkan ke dalam oven.
Setelah keluar dari oven, timbang lagi. Maka, banyak uap
air tidak boleh lebih dari 2 mg/cm3 .
99
5. Penyerapan Air (%)
Kemampuan atau kapasitas suatu bahan menyerap air bila bahan tersebut
dimasukkan kedalam air. Suatu bahan dikeringkan, ditimbang kemudian
dicelupkan kedalam air, setelah diangkat ditimbang lagi.
6. Lain-Lain
Yang perlu mendapat perhatian dari sifat-sifat bahan isolasi selain yang
disebutkan diatas, adalah:
Titik leleh
Sifat larut dari bahan
Pengaruh daya tembus dari kelembaban
Untuk daerah tropis dimana kelembaban tinggi, maka keadaan lingkungan juga
harus diperhatikan seperti:
Daerah kering
Daerah basah
Daerah hujan yang tinggi
Angin
Rayap, jamur, serangga, etc.
IX. 2. Bahan bahan Isolasi
Sebagai bahan isolasi maka material ini dapat dibuat dari bahan padat, cair serta gas, dan
dapat dibuat dari bahan yang terdapat/disediakan oleh alam maupun bahan yang dibuat
secara sintetis;
1. An Organic
Marmer, Kaolin (alam)
Gelas, Keramik (Sintetis)
100
2. Organic
Yang dikerjakan secara mekanis (Sutera, Selulosa)
Yang dikerjakan secara kimia
Yang dikerjakan secara sintetis
Susunannya
1. Heterogen Keramik
Homogen Gas
2. Isolasi Berlapis
Padat dengan gas (gas bertekanan)
Padat dengan cair (kapasitor etc)
Padat dengan padat (pada kabel fibre glass dilapisi cotton)
Penggunaannya
1. Sebagai Bahan Konstruksi
Marmer, Keramik, Gelas, Karet Sintetis atau bahan-bahan yang di press
2. Sebagai Bahan Pelapis
Asbess, Kayu Impregnated yang keras
3. Sebagai Selubung
Homogen Cat, Karet Lunak, PVC, PE
Penyelubung berlapis Kertas dengan serbuk
Bahan Pengisi :
Padat : aspal
Cairan : oli
Gas : udara, N2, CO2, SF6
Untuk melakukan hal-hal tersebut diatas dapat dikerjakan secara:
1. Mekanis / Press
2. Dituang
3. Disemprot
4. Dilunakkan, etc.
101
IX. 3. Kerusakan Dielektrik Padat
Kerusakan pada dielektrik padat tergantung pada beberapa faktor antara lain :
1.Sifat/karakter medan listrik
AC/DC
Impluse
Frequensi rendah
Frequensi tinggi
2.Adanya kesalahan/kerusakan dari bahan sendiri
3.Pendinginan/pemanasan bahan dielektrik
4.Proses penuaan/waktu penggunaan
Jenis kerusakan yang dapat terjadi pada dielektrik padat adalah sebagai berikut :
a. Kerusakan elektris Makroskopis (pada dielektrik homogen)
Kerusakan Elektris Makroskopis bahan dielektrik homogen berlangsungnya cepat
sekali (10-7 s/d 10-8 dt) biasa disebabkan oleh energi panas. Getaran yang terjadi
pada kisi-kisi kristal menyebabkan elektron-elektron pada atom mendapat
tambahan energi. Tambahan energi ini atau energi luar tersebut dapat
menyebabkan elektron-elektron lepas dari kisi-kisinya sehingga timbul kerusakan
(terjadi ionisasi). Kerusakan seperti ini terjadi akibat Kuat Medan yang tinggi.
Bahan dielektrik mempunyai E yang tinggi sekali.
b. Kerusakan elektrik yang tidak homogen
Ketidakhomogenan banyak disebabkan bahan dielektrik tercampur dengan unsur-
unsur/bahan lainnya seperti : gas,uap air dan sebagainya.
Terjadinya kerusakan dapat cepat sekali.
E lebih rendah dari bahan yang homogen.
Bahan dielektrik yang berpori-pori mempunyai EBd rendah misalnya :
Pada keramik yang berpori-pori cukup banyak dan besar
Kayu
102
Dan lain-lain
Untuk memakai bahan yang berpori maka biasanya bahan yang ada dalam pori-
pori tersebut (gas, uap air) dihilangkan lebih dahulu dengan cara dipanaskan.
Kemudian bahan tersebut diisi atau pori-pori yang sudah ditinggalkan oleh
gas/uap air tersebut diisi dengan bahan pengisi lainnya seperti oli/minyak resin,
inilah yang disebut dengan Impregneted, Contoh : kayu dan kertas.
c. kerusakan dielektrik akibat elektro kimia
Terjadi karena proses elektrolisa, sehingga menurunkan kekuatan dielektrik.
Kerusakan ini terjadi pada suhu yang tinggi dan kelembaban yang tinggi juga.
Kejadian ini merupakan proses penuaan sehingga lama kelamaan bahan dielektrik
akan menurun kemampuannya dan kemudian rusak. Biasanya proses ini disertai
dengan timbulnya Nitrogen Oxide atau Ozon yang dapat menimbulkan kerusakan
pada bahan. Proses ini berjalan lambat, tidak sekaligus tetapi secara menahun.
d. elektro termal
Kerusakan atau retak-retak yang terdapat pada bahan dielektrik menyebabkan adanya
arus bocor dan rugi dielektrik. Adanya arus bocor dan rugi dielektrik ini merupakan
sumber panas dan menyebabkan temperatur naik. Selain itu kerusakan juga
tergantung kepada frekwensi dan suhu ruang. Jika kuat medan naik karena tegangan
dinaikkan maka temperatur juga akan naik. Oleh karena itu dalam pelaksanaannya
kita harus mengetahui dan menentukan batas termis yang tepat. Sehingga temperatur
kritis dari bahan dielektrik untuk suatu kondisi tertentu tidak terlampaui, dalam hal ini
suhu sekelilingnya juga berpengaruh. Hal lain yang mempengaruhi adalah
kemampuan bahan dielektrik untuk melepas panas yang dihasilkan juga memegang
peranan penting.
Jika panas yang dilepas oleh permukaan adalah sama dengan panas yang ditimbulkan,
maka temperatur akan konstan. Jika temperatur kritis dilampaui maka bahan akan
rusak
103
IX. 4. Kerusakan Dielektrik Cair
Sifat-sifat dielektrik cair tergantung dari adanya campuran bahan/unsur-unsur lain yang
terkandung di dalamnya.
Kerusakan karena panas
Timbulnya kerusakan pada dielektrik disebabkan karena pemanasan
sehingga terjadi penguapan dari bahan cair tersebut dan timbul gas yang
menyebabkan kerusakan pada bahan dielektrik.
Kerusakan karena ionisasi
Akan terjadi kerusakan akibat ionisasi jika;
W = E . q . λ > Wionisasi
λcair < λgas
Ecair > Egas
Dari hal diatas dapat dikatakan bahwa bahan dielektrik cair dapat lebih baik
daripada gas (untuk beberapa jenis gas) jika tidak tercampur dengan bahan-
bahan yang lain yang merusak bahan dielektrik cair sebagai isolasi. Karena
dibutuhkan E yang sangat besar, agar W > Wionisasi , sehingga terjadi
kegagalan isolasi.
Adanya kuat Medan yang besar dapat menyebabkan timbulnya polarisasi elektron antara
kedua elektrodanya dan dapat menimbulkan kerusakan pada dielektrik cair.
Adanya ketidakmurnian bahan pada bahan dielektrik cair sangat besar pengaruhnya
terhadap sifat suatu bahan dielektrik (isolasi), hal ini dapat kita lihat pada minyak
transformator. Jumlah uap air yang ada dalam minyak transformator ternyata sangat
mempengaruhi tegangan tembusnya.
Dalam pengukuran, minyak transformator yang terkontaminasi dengan material pengotor
biasanya mempunyai tegangan gagal EBd 0 s/d 25 KV/mm. Minyak transformator dari
Circuit Breaker (pemutus tenaga) atau transformator yang telah beberapa lama dipakai,
104
harus diuji secara periodik (setiap 6 bulan) untuk mengetahui kemampuannya. Sedang
minyak yang diuji adalah minyak bagian atas, tengah dan bawah dan diuji dengan
standar elektroda pada jarak 2,5 mm.
Jika EBd > 20 kv → masih baik
Jika EBd < 20 kv → sudah rusak
IX.5. Jenis Isolasi
Dalam pemakiannya, isolasi yang banyak digunakan adalah isolator padat (dalam hal ini
akan dibahas secara singkat mengenai karamik), kemudian isolator cair (dalam hal ini
minyak transformator) dan isolator gas.
IX. 5. 1. Keramik
Banyak jenis-jenis keramik termasuk diantaranya semen, bata untuk bangunan,
bata tahan api dan gelas telah dipergunakan sejak lama sebagai bahan konstruksi
bangunan.
Pada umumnya keramik mempunyai sifat-sifat yang “baik“ yaitu: keras, kuat dan
stabil pada temperatur tinggi. Tetapi keramik bersifat Getas dan mudah patah
seperti halnya pada Porselen ataupun gelas.
a. Proses Pembentukan Keramik
Lempung merupakan bahan mentah keramik yang sangat penting bagi
produk keramik tradisionil. Sebelum diproses menjadi keramik, segi
penting yang harus diperhatikan karena akan sangat mempengaruhi sifat
akhirnya adalah ukuran partikel dari bubuk mineral serta distribusi
(penyebaran) ukuran partikel dimana ini akan memepengaruhi
kerapatannya atau pori-porinya.
Komposisi ukuran partikel kecil akan lebih kuat, ikatan yang terjadi akan
lebih banyak. Untuk penataan kerapatan yang lebih bagus, biasanya
diperoleh dengan mencampur butiran kasar dan halus, dengan demikian
105
porositas yang terjadi dapat dikurangi, karena butiran-butiran halus akan
mengisi rongga-rongga dari butiran-butiran kasar. Komposisi yang ideal
berkisar ± 70 % butiran kasar dan ± 30% butiran halus. Campuran bubuk
biasanya diproses basah. Bahan mentah diaduk merata, setelah itu
disaring, kalau akan dibentuk sebagai isolator maka material magnetik
dipisahkan dan selanjutnya air dihilangkan (“secukupnya“). Dengan
terjadinya pemampatan butir-butiran, maka besar dan jumlah pori-porinya
dengan sendirinya akan berkurang. Karena adanya pemampatan terhadap
butiran-butiran tersebut, terutama butiran-butiran halus mengisi dan terikat
dengan butiran-butiran kasar menyebabkan banyak butiran yang melebur
dan menyatu seperti dapat dilihat pada gambar IX. 1. dibawah ini.
Gambar IX.1. Pengikatan dan penyatuan butiran menjadi butiran yang lebih padu untuk mengurangi pori-pori
Pembakaran dilakukan dalam tanur, dapat berupa/jenis batch maupun
kontinu. Proses pembakaran kontinu mencakup daerah makin panas lalu
makin dingin, bertahap-tahap sampai kembali ke suhu lingkungan
sekitarnya (gambar IX. 2).
Gambar IX. 2, Proses Pembakaran Keramik
106
Proses pembakaran dapat berlangsung mulai dari beberapa jam sampai lebih dari
satu hari.
Pengempaan kering adalah pemampatan yang menjadikan volume lebih kecil
dengan bantuan tekanan, sehingga terbentuk kerapatan ikatan partikel yang tinggi.
Cara ini banyak ditempuh untuk membuat komponen kecil dan bentuknya rumit
pada penggunaan teknik/rekayasa dan elektronika.
Proses kempa kering dimulai dengan pengisian rongga-rongga oleh bubuk, setelah
itu diberi tekanan/desakan kempa atas dan bawah. Pada bentuk geometris yang
rumit dan panjang (panjang lebih besar daripada diameter), maka yang biasa
dipergunakan adalah dengan memberi tekanan hidrostatik atau isostatik agar
tekanan pada cetakan seragam.
b. Bentukan Plastik
Terjadinya plastisitas bila Lempung bercampur dengan air dan dimanfaatkan pada
proses pembentukan plastik. Ada beberapa cara pembentukan plastis, dua cara
komersial untuk membentuk produk keramik pada keadaan plastis, yaitu:
1. EKSTRUSI Menyangkut penekanan campuran plastis lewat
lobang-lobang.
2. JIGGERING dengan cetakan putar, sehingga dapat membentuk
satu permukaan, sedang permukaan lainnya
terbentuk oleh putaran masa plastiknya sendiri pada
piranti cekung.
c. Tuangan
Tuang-gelincir (slip Casting), biasanya air digunakan untuk mengangkat bubuk
selama proses pembentukan Campuran Tuang Gelincir seperti adonan roti.
Adonan dituang ke cetakan berpori, agar air turun dan hilang serta bubuknya
mampat menjadi padat membentuk ikatan.
107
Tuangan pita, dipergunakan untuk membuat lembaran tipis dari bubuk Keramik.
Lembaran tersebut kemudian dibakar dan kemudian dimanfaatkan sebagai plat
tipis atau untuk basis metalisasi elektronik.
d. Pemanasan
Air yang berlebihan harus dihilangkan baik pada proses bentukan plastik maupun
pada proses tuang gelincir, dengan demikian diperlukan tahapan pengeringan,
dimana pada lempung terdapat:
1. Air Suspensi dari proses tuangan
2. Air antar Partikel yang masih ada pada bentukan plastik
3. Air Pori antar Partikel setelah pengerutan
4. Air Kisi dalam Struktur Kristal
Air teradsorpsi fisik hilang dengan pemanasan 1000C. Air terabsorpsi kimia
hilang pada 10000C. Air Kisi mulai lepas pada 6000C. Pembakaran menjadikan
bubuk keramik lebih pampat dan menjadikan massa koheren. Permukaan
mengecil, volume berkurang dan karena butiran-butiran saling lebur menyatu
maka produk akan lebih kuat.
Gambar IX. 3. Kurva pendinginan Bahan kristal dan Bukan Kristal
Gambar IX. 3 diatas adalah kurva pendinginan yang menggambarkan perubahan
temperatur sebagai fungsi waktu untuk bahan – bahan tertentu. Bahan Kristal
pada saat mendingin dari keadaan leleh, akan berada pada suatu keadaan atau titik
108
suhu yang konstan (tetap) beberapa saat. Pada keadaan demikian (isoterm), maka
bahan berada pada fasa cair maupun padat.
Sedangkan pada bahan non kristal (bahan gelas), pada Kurva sebelah kanan kita
lihat perbedaannya yaitu tidak ada patahan pada Kurva, sehingga tidak jelas kapan
terjadinya perubahan cair ke padat. Pada suhu transisinya, liskositas sangat besar
sebelum menjadi keras. Perbedaan gelas dengan komposisi Keramik lain,
terutama pada cara pembentukan, bukan pada ciri fisik atau kimia.
Gelas dibuat dengan pendinginan lelehan material yang panas, sedangkan
Keramik dibentuk pada suhu kamar dari bubuk lalu dimampatkan dengan
suhu pemanasan yang tinggi.
Keramik itu polycristaline (kecuali yang monocristaline) dan kedap
cahaya. Sedangkan Gelas, Homogen, Bening, Silika merupakan bahan
dasar atau kandungan dasar dari gelas.
Umumnya untuk bermacam gelas dapat dikelompokkan berdasarkan material
pembentukannya:
a. Soda – Kapur – Silika : Gelas umumnya (terbanyak)
b. Timbel Silika : bahan Gelas kristal
c. Borosilika : untuk gelas mutu tinggi, tahan kimia dan
panas
d. Flinta : suhu bentukan tinggi, mutu tinggi, mahal
untuk optik
Atau Gelas juga dapat dikelompokkan berdaasarkan penggunaannya:
Gelas Optik
Kimia (untuk kebutuhan gelas tahan panas dan kimia)
Alat-alat Gelas (Jendela, Botol)
IX. 6. Kekuatan KeramikKekuatan Keramik adalah sensitive terhadap struktur. Faktor utama yang mempengaruhi
struktur keramik dan juga kekuatan adalah Kehalusan permukaan, Volume dan bentuk
109
dari pori, Ukuran dan bentuk Butir, Jenis dan bentuk fasa batas butir, dan cacat yang
disebabkan oleh tegangan dalam seperti halnya tegangan termal.
Seperti telah diketahui bahwa dengan mengecilnya ukuran butir maka kekuatan akan
meningkat. Akibatnya, bahwa kalau butir pembentuk mempunyai diameter kecil, maka
ukuran retakan yang terdapat didalamnya juga kecil. Kalau retak terjadi pada butir
tertentu, ia akan berhenti pada batas butir dan tegangan disebarkan melalui batas butir
tersebut. Tapi kalau sampai terjadi, suatu fasa yang bersifat seperti gelas terbentuk pada
batas butir, maka pada umumnya kekuatan keramik menurun. Retakan mudah bergerak
melalui gelas dan untuk menghambat perambatan retakan oleh batas butir tidak dapat
diharapkan.
Pengukuran kekuatan keramik dapat dilakukan dengan alat PALU atau dengan
menjatuhkan BOLA dari ketinggian tertentu ke permukaan keramik. Besarnya tegangan
ditentukan oleh Tinggi, Jumlah Jatuhan serta Luas Kontak Tegangan.
Kekerasan
Kekerasan yang dimiliki Intan (Kekerasan Mohs 10) dan Korundum (Kekerasan Mohs 9),
adalah salah satu ciri khas bahan keramik dengan kekerasannya yang tinggi.
Kekerasan adalah ukuran tahanan bahan terhadap deformasi plastis pada permukaan
bahan. Beberapa cara pengukuran kekerasan telah ditetapkan dengan cara deformasi yang
berbeda, salah satunya ialah Kekerasan Mohs.
Penekanan pada bahan Getas seperti Keramik dalam banyak hal mengakibatkan retakan
lokal mengikuti deformasi elastik. Sukar sekali menghubungkan secara teoritis antara
kekerasan yang memiliki proses rumit tersebut dengan sifat-sifat fisiknya. Walaupun
permasalahan dalam pembuatan dan Kegetasan masih belum dapat dipecahkan, tetapi
keramik memiliki ketahanan termal dan kestabilan kimia dan mempunyai kemungkinan
penggunaan pada temperatur tinggi sebagai bahan teknik yang baru, yang tidak dapat
diperankan oleh Logam.
Penurunan kekuatan dan Deformasi plastis sering juga ditemukan dalam bahan Keramik
pada temperatur yang lebih dari 10000C. Gejala deformasi plastis yang meningkat
menurut waktu pada tegangan tetap pada temperatur tinggi disebut Melar Creep.
110
Melar adalah suatu gejala yang rumit yang melibatkan pergeseran pada batas butir,
dislokasi dalam Kristal, Difusi dari pori dan lainnya.
IX. 7. Bahan Isolasi CairFungsi dari isolasi cair adalah untuk memisahkan bagian-bagian yang mempunyai beda
tegangan agar diantara bagian-bagian tersebut tidak terjadi lompatan bunga api atau
percikan. Selain itu isolasi cair juga dapat berfungsi sebagai media pendingin. Isolasi cair
biasanya digunakan pada peralatan listrik seperti pemutus tenaga, transformator dan lain
sebagainya.
Pada transformator akan timbul panas, baik yang dibangkitkan oleh kumparan tembaga
ataupun inti besi. Jika panas tersebut tidak disalurkan atau tidak diadakan pendinginan
maka ada bagian dari peralatan yang akan rusak apabila panas yang ditimbulkan
melampaui suhu maksimum yang diijinkan. Untuk mengatasi hal ini maka inti dan
kumparan dari trafo dicelupkan kedalam suatu isolator cair (minyak Diala), yang
berfungsi sebagai media pendingin dan media isolasi.
Penggunaan isolator cair pada pemutus tenaga adalah untuk memadamkan busur api
(arcing) yang terjadi saat pembukaan/penutupan (switching) dari suatu pemutus tenaga
pada jaringan tegangan tinggi.
Beberapa alasan penggunaan isolasi cair adalah:
Isoalasi cair (dalam hal ini sering disebut sebagai Minyak Transformator)
mempunyai tingkat kerapatan yang tinggi, yaitu lebih dari 1000 kali dibandingkan
dengan udara.
Bahan isolasi cair dapat mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara
sekaligus menyerap dan menghilangkan panas yang timbul akibat rugi-rugi energi
melalui proses konveksi.
Isolasi cair memiliki kecenderungan untuk memperbaiki diri sendiri (self healing)
jika terjadi pelepasan muatan (discharge).
Beberapa sifat yang harus terdapat pada minyak transformator antara lain sebagai berikut:
111
1. Tegangan Tembus yang Tinggi
Tegangan tembus minyak transformator perlu diukur karena menyangkut
kesanggupan minyak untuk menahan Electric Stress, tanpa kerusakan.
Tegangan tembus dapat diukur dengan cara memasukkan dua buah
Elektroda bola (setengah bola) kedalam minyak yang akan diukur. Kalau
didapat tegangan tembus yang rendah maka dapat dikatakan minyak
transformator telah terkontaminasi.
2. Faktor Kebocoran Dielektrik yang Rendah
Daya yang hilang dalam operasi suatu transformator disebabkan
kehilangan energi menjadi panas, akibat pemecahan molekul-molekul.
Harga faktor kehilangan dielektrik yang tinggi menunjukkan adanya
kontaminasi atau terjadinya oksidasi yang mengakibatkan minyak menjadi
kotor atau menghasilkan kotoran berupa logam alkali, koloid bermuatan
dan sebagainya.
3. Viskositas yang Rendah
Viskositas merupakan tahanan dari cairan untuk mengalir kontinu dan
merata, tanpa adanya turbulensi dan gaya-gaya lain. Viskositas minyak
biasanya diukur dari waktu alir minyak dengan volume tertentu dan pada
kondisi yang diatur. Sebagai Media Pendingin maka viskositas minyak
transformator merupakan faktor penting dalam aliran konveksi untuk
memindahkan panas (lihat tabel 9. 2.). Viskositas juga dipakai sebagai
dasar pembagian kelas minyak.
Tabel 9. 2, Kelas minyak Transformator standar IEC
Kelas I Kelas II
No. Temperatur oC IEC IEC
1 20 40 25
2 - 15 800 -
3 -30 1800
112
4. Titik Nyala yang Tinggi
Ini menunjukkan bahwa minyak dapat dipanaskan sampai suhu tertentu
sebelum uap yang timbul menjadi api yang berbahaya. Titik nyala yang
rendah juga menunjukkan bahwa minyak mengandung zat yang berbahaya
seperti zat yang mudah menguap dan terbakar.
5. Massa Jenis yang Rendah
Massa jenis adalah perbandingan massa suatu volume cairan pada 15.560C
dengan massa air pada volume dan suhu yang sama. Massa jenis minyak
transformator lebih kecil dibanding air, oleh karena itu adanya air dalam
minyak transformator akan mudah dipisahkan, karena air akan turun ke
bawah sehingga akan lebih mudah dikeluarkan dari tangki minyak
transformator dan atau tangki pemutus tenaga.
6. Kestabilan Kimia dan Penyerapan Gas yang Baik
Kestabilan ini penting terutama terhadap oksidasi, sehingga dapt
dievaluasi kecenderungan minyak membentuk asam dan kotoran zat padat.
Asam dan kotoran zat padat yang terbentuk akibat oksidasi akan
menurunkan tegangan tembus. Selain itu air dan asam menyebabkan
korosi terhadap logam yang ada di dalam transformator, sedang kotoran
zat padat akan menyebabkan perpindahan panas (heat transfer) dalam
proses pendinginan transformator terganggu.
7. Angka Kenetralan
Angka kenetralan dinyatakan dalam mg KOH yang dibutuhkan pada titrasi
satu gram minyak. Angka kenetralan merupakan angka yang menunjukkan
penyusun asam dan dapat mendeteksi adanya kontaminasi dalam minyak,
kecenderungan perubahan kimia atau cacad atau indikasi perubahan kimia
bahan tambahan. Selain itu angka kenetralan merupakan petunjuk umum
113
untuk menentukan apakah minyak yang sedang dipakai harus diganti atau
diolah kembali dengan melakukan penyaringan (filterasi).
8. Korosi belerang
Minyak transformator dalam pemakaiannya, secara kontinu atau terus
menerus kontak/terhubung langsung dengan bahan-bahan logam seperti
tembaga, besi yang dapat mengalami korosi. Uji korosi belerang perlu
untuk melihat kemungkinan adanya korosif minyak sebagai akibat adanya
belerang bebas atau senyawa belerang lainnya dalam minyak.
9. Resistivitas
Resistivitas erat hubungannya dengan partikel zat ynag bersifat
penghantar. Resistivitas yang rendah menunjukkan bahwa minyak tersebut
sudah mengalami kontaminasi oleh bahan/zat yang bersifat konduktif,
seperti air, asam, partikel bermuatan lainnya.
IX. 8. Pengujian Minyak Transformator
Minyak transformator harus selalu diuji kemampuannya secara periodik (biasanya setiap
6 bulan), baik untuk minyak baru maupun minyak yang sudah/sedang dipakai, terutama
kekuatan tegangan tembusnya. Pengujian biasanya dilakukan dengan mencelupkan dua
buah elektroda (biasanya berupa setengah bola atau plat datar) kedalam minyak yang
akan diuji, selain itu ada juga dapat dilakukan acidity test.
Untuk mengambil minyak yang akan diuji dari peralatan yang sedang/sudah beroperasi
maka dilakukan langkah sebagai berikut:
Minyak diambil dari katup pengurasan (sampling valve diletakkan pada main
drain valve), karena umumnya kotoran cenderung dijumpai di dasar tanki dari
peralatan, selain itu minyak juga diambil dari bagian atas dan bawah.
Minyak dapat diambil dengan memakai 2 jenis botol, pertama dengan botol
leher kecil (1 quart) dan lainnya dengan botol/gelas yang tertutup (dengan
karton) agar tidak tembus cahaya.
114
Minyak tidak boleh diambil dengan memakai tempat yang terbuat dari karet
atau tempat yang terbuat dari campuran karet.
Sebelum digunakan, botol harus dicuci/dikocok dengan Hydrocarbon Solvent,
seperti, Kerosine, kemudian:
a. Cuci dengan busa sabun yang keras
b. Bilas dengan air murni (Destilled water)
c. Keringkan dalam oven sampai temperatur 1050/1100C
d. Setelah pengeringan, botol harus ditutup rapat, simpan dalam
ruang tertutup, kering dan bebas debu.
e. Bersihkan dengan hati-hati katup pengurasan (Sampling valve) dan
biarkan minyak mengalir secukupnya, untuk membuang benda-
benda asing yang mungkin mengendap di dasar tanki
peralatan/transformator. Biasanya minyak dialirkan cukup satu
quart, tapi bisa lebih dan mencapai 1s/d 2 gallon untuk
membiarkan minyak mengalir terus sampai kotoran pada valve
hilang.
f. Masukkan minyak ke dalam botol sebagai pencuci kemudian isi
botol dengan minyak dan sediakan sedikit ruang untuk
memungkinkan terjadinya pengembangan dari cairan
g. Jika ingin mengambil ulang perhatikan batas ketinggian dari
minyak trafo, jika kurang maka perlu penambahan minyak baru.
IX. 8. 1. Pengujian Tegangan Tembus
Pengujian tegangan tembus terhadap isolator cair (dalam hal ini minyak
transformator) biasanya dilakukan dengan memakai 2 (dua) jenis elektroda, yaitu
elektroda datar /plat atau batang dan elektroda sela bola (setengah bola).
115
Gambar IX. 4, Elektroda datar/plat untuk pengujian isolator minyak
Gambar IX. 4 adalah elektroda datar/batang/plat type , D-877, Rise : 3000 VPS
Type elektroda plat lebih umum dan biasanya digunakan menguji minyak yang
sudah/sedang dipakai
Gambar IX. 5, Elektroda setengah bola untuk pengujian isolator minyak
Gambar IX. 5, adalah elektroda setengah bola type, D1816, Rise :500 VPS
Jenis ini digunakan untuk menguji tegangan kegagalan dari minyak transformator
yang masih baru, elektroda ini sangat sensitive terhadap sejumlah kecil
pengotoran minyak.Dalam melakukan pengujian tegangan tembus ini, kedua
elektroda dihubungkan dengan sumber tegangan yang dapat diatur. Tegangan
116
dinaikkan perlahan-lahan sampai terjadi kegagalan (flash over) dan peralatan
menunjukkan besarnya tegangan pada saat terjadinya kegagalan.
Pengujian dilakukan beberapa kali (biasanya 4 sampai 5 kali pengujian), dan
setiap selesai dari satu pengujian harus menunggu beberapa saat (5 menit atau
lebih) untuk melakukan pengujian berikutnya, sehingga kotoran yang timbul
akibat loncatan bunga api pada pengujian sebelumnya dapat megendap lebih
dahulu. Standar yang ditetapkan untuk minyak trafo adalah seperti yang
ditunjukan dalam tabel 9. 3. dibawah ini:
Tabel 9. 3, Tegangan kegagalan Minimum dari minyak yang sudah dipakai
Untuk Sistem Tegangan
(KV)
Tegangan Kegagalan Minimum
(Vbd) (KV/mm)
30 20
30/60 30
110/220 25
(ini adalah standar untuk minyak yang sudah dipakai)
Untuk minyak yang baru digunakan transformer, Vbd min = 50Kv / mm , sedang
yang dipergunakan untuk Switchgear, Vbd min = 30 Kv/mm
IX. 8. 2. Acidity Test
Selain pengujian tegangan tembus, maka pada minyak trafo juga harus dilakukan
acidity test, ini merupakan indicator adanya oksidasi dalam minyak. Karena
beberapa hasil oksidasi disebabkan oleh asam asli, sehingga dengan test ini dapat
dideteksi tingkat keasaman dari minyak tersebut.
Bahan utama dari oksidasi adalah pengendapan Lumpur. Endapan terbentuk
setelah semua hasil oksidasi mengendap dalam minyak. Dengan acidity test ini
kita bisa menyelidiki sejauh mana oksidasi berkembang.
Untuk mudahnya digunakan metode titrasi dengan indikator warna, dimana akan
menghasilkan test dalam milligram potassium hydrokside (KOH) per-gram
minyak.
117
Biasanya cara yang dilakukan adalah sebagai berikut :
a. Ambil sample minyak sebanyak ± 10 cc
b. Tambahkan larutan penetralisirnya sampai volume menjadi 50cc
Jumlah Netralisasi = mg KOH/g minyak
c. Tambahkan larutan KOH ke dalam campuran tadi
d. Kocok kira-kira 30 detik, bila didapat hasil yang warnanya merah muda
(pink) dan terang maka Minyak dalam keadaan baik, tapi bila didapat
warna lainnya dan agak keruh, ini berarti minyak telah berkurang
kekuatan tegangan tembusnya, sehingga minyak harus di sirkulasi/filter
kembali, agar kemampuan isolasinya dapat ditingkatkan.
IX. 9. Pemeliharaan Minyak Transformator
Supaya tidak terjadi pengotoran atau untuk memperlambat proses penuaan minyak
transformator akibat dari oksidasi maka dilakukan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Pada saat pengisian, Tanki peralatan harus bersih dan rapat
2. Tidak mempergunakan selang karet pada saat penuangan
3. Filter harus berfungsi dengan baik
4. Hindari kontak langsung dengan udara
Agar minyak tidak teroksidasi dengan udara, maka pada saat
pengisian minyak untuk transformator daya (power transformer)
dilakukan pengisian dengan vakum (vacuum filling)
Kecepatan maksimum pengisian minyak adalah 1,25 cm kenaikan
per menit agar semua celah dapat terisi penuh oleh minyak.
Selesai pengisian minyak, maka kondisi vakum dilepas dengan
memasukkan Nitrogen kering pada tekanan 10 psig.
5. Kalau perlu pada minyak dapat diberikan Absorbent Cilica Gel
118
Minyak harus selalu diuji secara periodik (biasanya setiap 6 bulan), sehingga dapat
diketahui apakah minyak yang dipakai masih memenuhi syarat atau tidak. Minyak yang
sudah/sedang dipakai dapat dibersihkan dari bahan-bahan yang mengotori dengan
beberapa cara, antara lain :
Mendidihkan minyak sampai titik didih air sehingga air yang terkandung
dalam minyak menguap dan hilang dari minyak. Untuk mempercepat
proses pengeluaran air dari dalam minyak, maka proses dilakukan dalam
vacuum boiler. Tetapi karena adanya pemanasan maka proses penuaan
dari minyak juga dapat berlangsung lebih cepat.
Untuk meningkatkan kekuatan isolasi (dielectric strength) minyak dapat
juga dilakukan sirkulasi dengan filter (filtering circulation) agar material
pengotor dapat disaring sehingga minyak bersih kembali.
IX. 10. Isolasi Gas
Saat pembukaan dan penutupan (switching) pada rangkaian tegangan tinggi akan
terjadi busur api(arcing) yang disebabkan oleh tegangan transient. Busur api ini
haruslah dengan cepat dipadamkan, jika tidak tegangan transient yang terlalu lama
terjadinya dapat merusak peralatan yang terpasang. Untuk tegangan rendah, busur api
busur api yang terjadi tidak terlalu besar, sehingga media udara sudah cukup untuk
memadamkannya. Tetapi pada tegangan yang lebih tinggi dari 1000 volt (1 KV),
maka busur api yang terjadi akan lebih sulit untuk dipadamkan oleh udara biasa,
sehingga dibutuhkan media khusus yang dapat membantu percepatan proses
pemutusan busur api tersebut.
Dari percobaan pengukuran tegangan tembus pada celah diantara dua bola (sphere-
gap) yang diaplikasikan tegangan tinggi, telah ditemukan bahwa tegangan tembus
mempunyai hubungan dengan kerapatan media diantara celah tersebut. Hubungan
tersebut dinyatakan oleh persamaan berikut:
KV (peak)
119
dimana, A dan B adalah konstanta
ρ adalah kerapatan media diantara celah bola
S adalah jarak antara celah bola dalam cm
IX. 10. 1. Udara kering sebagai bahan isolasi
Udara terdiri dari 21 % oksigen dan sisanya gas lain yang sebagian besar
didominasi oleh Nitrogen. Kekuatan udara bergantung pada kadar uap
airnya. Untuk udara yang kering kekuatan dielektriknya adalah sebesar
1.000576 pada kondisi 0o C dan 1 Atmosfir atau sekitar 1013 millibar, dan
tegangan tembusnya sebesar 3.6 KV/mm pada tekanan udara normal.
Telah ditemukan bahwa isolasi minyak cukup baik sebagai media isolasi,
dan kemudian secara luas digunakan sebagai bahan isolasi pada lilitan
transformator tegangan tinggi. Kemudian minyak juga dipakai sebagai
media pemutus/pemadam busur api pada pemutus daya (circuit breaker).
Pemakaian minyak sebagai media pemutus terus berlangsung hingga akhir
tahun 70-an dimana kemudian ditemukan media pemutus yanglebih baik
lagi yaitu udara vakum (Vacuum) dan gas SF6.
IX. 10. 2. Udara Vakum sebagai media Pemutus Daya.
Pada pertengahan 70-an telah dikembangkan media baru sebagai
pemutus/pemadam busur api listrik pada pemutus daya tegangan tinggi
berupa Udara Vakum. Busur api yang timbul akibat switching akan lebih
cepat dimatikan karena kevakuman udara menjadikan api tidak dapat
bertahan lama. Hingga saat ini pemutus daya dengan media pemutus
vakum masih sangat banyak digunakan, sebagai contoh, di Jerman hampir
semua pemutus daya yang digunakan adalah dari jenis vakum dengan
standar DIN yang merupakan standar umum pada kelistrikan di Jerman.
IX. 11. Gas SF6 sebagai media Pemutus Daya.
Pada akhir 70-an penelitian terhadap gas SF6 sudah mencapai tahap komersial, dan mulai
dimanfaatkan sebagai media pemutus pada pemutus daya tegangan tinggi. Gas SF6
120
merupakan gas yang kekurangan elektron, pada saat terjadi busur api gas SF6 dengan
cepat menyerap elektron pada busur api sehingga busur api terserap oleh gas SF6 .
Semakin meningkatnya permintaan terhadap penggunaan pemutus tenaga yang paling andal
menuntut ditemukannya terobosan baru di bidang isolasi. Seiring perkembangan teknologi
maka dikembangkan suatu metode isolasi dengan menggunakan isolasi gas. Gas yang
sekarang ini cukup banyak digunakan sebagai isolasi adalah SF6.
Mengapa digunakan gas SF6 sebagai isolasi gas ?
1. Alasan pertama adalah karena semakin meningkatnya permintaan untuk
pemutuas tenaga yang menggunakan sedikit minyak, untuk kapasitas
penyaluran arus yang besar dan juga kualitas dari electrical switching.
Tujuan dari penggunaan SF6 pada pemutus tenaga (circuit breaker)
adalah untuk menyelesaikan permasalahan pada switching overvoltages.
2. Karena pertimbangan ekonomis, dimana biaya pemeliharaan yang lebih
murah sebab pemutus tenaga (circuit breaker) dengan SF6 memerlukan
pengecekan ulang untuk waktu operasional yang cukup lama sekitar 10
sampai 20 tahun kemudian.
Sebelum kita membicarakan mengenai berbagai karakteristik dari gas SF6, maka terlebih
dahulu dibicarakan fungsi dari circuit breaker itu sendiri. Circuit breaker merupakan alat
pengaman yang mempunyai fungsi khusus antara lain adalah:
1. Dapat memutuskan atau menghidupkan arus nominal untuk kepentingan operasi dan perawatan,
2. Dapat memutuskan arus beban lebih dan arus hubung singkat.
Bila pada rangkaian terjadi gangguan, arus gangguan akan mengalir ke pemutus tenaga.
Dengan adanya arus gangguan ini, maka kontak pemutus tenaga akan terbuka untuk
memutuskan arus. Setelah kontak terpisah, diantara kedua kontak (elektroda) akan timbul
loncatan busur listrik yang disebabkan karena adanya perbedaan tegangan dari kedua kontak
tersebut.
121
Pemutusan arus pada pemutus tenga ini terjadi dalam suatu medium tertentu, dimana tugas dari
medium ini adalah memutuskan arus listrik dan memberikan isolasi yang baik. Salah satu dari
medium isolasi ini adalah Sulfur Hexafluorida (SF6) yang merupakan perkembangan terbaru
dari medium isolasi. Pada saat ini pemutus tenaga (circuit breaker) SF6 lebih banyak
digunakan pada tegangan menengah maupun pada tegangan tinggi karena mempunyai tingkat
perawatan yang lebih mudah bila dibandingkan dengan pemutus tenaga (circuit breaker)
dengan medium isolasi dari minyak dan juga bentuk bangun yang lebih ringkas sehingga tidak
memerlukan lemari panel (cubicle) yang besar. Peralatan pemutus tenaga SF6 banyak
digunakan terutama untuk proyek-proyek yang terletak di sekitar pantai karena
kemampuan dari SF6 yang tahan terhadap keasinan air laut dan juga pada daerah lembah
yang curam atau sempit, dataran tinggi dan padang pasir atau gurun pada ketinggian yang
tinggi, pembangkit listrik bawah tanah, dan di dalam bendungan untuk PLTA.
IX.12. Karakteristik SF6
IX. 12. 1. Sifat Fisika dan Sifat Kimia
Sifat fisika dari gas SF6 murni antara lain:
Tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Pada temperatur 20°C dan pada tekanan 760 mmHg gas SF6 memiliki
kerapatan 6,135, yaitu 5 kali kerapatan udara
Titik didihnya -60 ° C pada tekanan 760 mmHg.
Koefisien tranfer panasnya termasuk efek pancaran adalah 0,034 atau 1,6 kali
koefisien udara,
Kecepatan suara gas SF6 pada temperatur 30 °C dan tekanan 700 mmHg
adalah 138,5 m/s.
Gas SF6 adalah gas yang inert atau tidak mudah bereaksi sampai pada suhu 150 °C
dan tidak akan merusak metal, plastik dan bagian-bagian dasar lainnya dari kumparan
pemutus daya. Pada temperatur tinggi gas SF6 akan terdekomposisi menjadi antara lain S2,
F2, S, F dll. dimana zat ini akan menimbulkan korosi jika bercampur dengan
kelembaban. Zat ini juga jika bercampur dengan elemen uap metal akan
menghasilkan serbuk putih yang bersifat isolatif. Oleh karena itu kontak pemutus
122
harus didisain untuk membersihkan serbuk ini. Pemilihan SF6 pada pemutus daya
tegangan tinggi tidak tergantung pada kekuatan dielektriknya tetapi tergantung pada
kemampuan untuk memadamkan busur api dan kemampuan pengontrolannya.
IX. 12. 2. Sifat listrik
Sifat listrik gas SF6 yang paling menonjol adalah kekuatan dielektriknya yang tinggi dan
sifat electronegatif-nya.
IX. 13. Kekuatan Dielektrik SF6
Gas SF6 mempunyai kekuatan dielektrik 2,5 kali lebih tinggi dibandingkan kekuatan dielektrik udara. Nilai tersebut sebenamya tergantung pada medan yang terjadi diantara elektroda-elektroda, dimana medan yang terbentuk ditentukan oleh bentuk dan konfigurasi elektroda yang digunakan serta jarak antara elektroda-elektroda tersebut. Kekuatan dielektrik dari SF6 ini dapat mencapai 5 kali lipat, tergantung pada ketidakhomogenan medan yang terjadi.Sifat elektronegatifitas dari SF6 menyebabkan kekuatan dielektriknya meningkat, sehingga SF6
mampu memberikan tegangan lawan yang cukup pada beda potensial busur api yang besar meskipun di bawah perubahan kondisi yang ekstrim.
IX. 14. Elektronegativitas
Elektronegativitas adalah kemampuan dari suatu molekul untuk membentuk molekul yang
bermuatan negatif dengan mengikat elektron bebas. Semakin bersifat elektronegatif, maka
suatu molekul tersebut akan cenderung mengikat elektron untuk membentuk molekul yang
bermuatan negatif.
Sifat elektronegatif dari SF6 inilah yang menyebabkan SF6 merupakan penghantar arus yang
buruk. Gambaran umum dari proses penghambatan arus oleh SF6 seperti berikut:1. Ada suatu ruangan yang berisikan gas SF6. Pada suatu saat dialirkan sebuah
elektron kedalam ruangan tersebut.
2. Karena gas SF6 ini bersifat sangat elektronegatif, maka elektron yang
diberikan tersebut berikatan dengan molekul SF6.
123
3. Ikatan tersebut dapat terjadi melalui 2 cara, yaitu :
- Ikatan langsung :
SF6 + e = SF6-
- Ikatan yang disertai penguraian molekul utama:
SF6 + e = SF5 + F-
lon-ion yang dihasilkan dari proses ikatan tersebut relatif berat dan cenderung untuk
bersifat statis, oleh sebab itu SF6 tidak efektif sebagai penghantar arus yang baik..
Ilustrasi dari proses penangkapan elektron oleh SF6
1. Elektron dialirkan melalui suatu ruang
2. Apabila ruangan tersebut berisi bahan konduktor, maka elektron yang
dialirkan ke dalam bahan tersebut akan diteruskan, sehinga mengalir arus.
3. Apabila ruangan tersebut berisi zat yang bersifat elektronegatif, misalnya SF6
IX. 15. Penghantaran Listrik dan Termal dari SF6
Penguraian SF6 menjadi fragment-fragment pada suhu + 20000 K menyebabkan penghantaran
thermal menjadi maksimum. Penguraian SF6 di bawah suhu permulaan penghantaran listrik
124
adalah salah satu faktor yang menyebabkan SF6 mempunyai pemulihan termal yang baik
dan cepat (sebesar 3 detik dibanding 8 detik).
Penghantaran listrik SF6 dapat disetarakan dengan uap tembaga pada suhu di atas 8000 K. Pada
suhu rendah memang konduktivitasnya lebih rendah dibandingkan konduktifitas uap tembaga,
oleh karena itu harus dihindarkan terkontaminasinya SF6 dengan uap tembaga dengan maksud
untuk mempertahankan sifat pemulihan termal dan dielektriknya. Sifat konduktivitas SF6 ini
pada suhu tinggi ini menurunkan kemampuan penghamburannya sebesar 20 % dibandingkan
oleh udara dengan arus beberapa puluh kiloampere.
IX. 16. Proses Pemadaman Busur Api oleh SF6
Keberadaan busur api dari arus bolak balik (alternating current) pada saat segera setelah arus
mati (arus = nol) terutama dipengaruhi oleh kecepatan dari sifat bahan dielektrik yang terletak
diantara elektroda-elektrodanya.
Keandalan dari kemampuan SF6 untuk memadamkan busur api dapat dijelaskan dengan
adanya konstanta waktu dinamik yang rendah, sekitar 1 μs (bandingkan dengan konstanta
waktu NI, sekitar 100 μs). Dalam kasus busur api yang berbentuk silinder, konstanta waktu (H)
adalah fungsi dari kuadrat radius busur (r). Idealnya, radius dari busur api yang terjadi adalah
nol, oleh karena itu bahan isolator yang baik harus dapat menjaga agar radius busur api yang
terjadi tetap minimum.
SF6 memiliki karakteristik konduktivitas thermal yang baik dimana konduktivitas termal
tersebut merupakan fungsi dari temperatur. Pada temperatur antara 30000 K dan 70000 K,
konduktivitas thermal dari SF6 rendah, sedangkan untuk temperatur dibawah 30000 K,
konduktivitas termalnya tinggi.
Konstanta waktu SF6 yang rendah berkaitan dengan kemampuan molekul-molekul gas SF6
untuk menangkap elektron-elektron bebas. Ion-ion SF6 ini mengelilingi busur api yang
terjadi dan membentuk benteng isolator (insulating barrier). Hal ini menyebabkan
pengurangan diameter dari kolom busur api, sehingga konstanta waktunya berkurang dan
akhimya busur api akan padam.
Pada temperatur antara 30000 K dan 70000 K, konduktivitas termal nitrogen (N2) lebih baik
dibandingkan konduktivitas thermal SF6. Namun demikian pada temperatur tersebut
kemampuan SF6 untuk memadamkan busur api lebih baik dibandingkan dengan nitrogen
125
(N2). Hal ini disebabkan oleh karena sifat elektronegativitas nitrogen (Ni) tidak sekuat sifat
elektronegativitas SF6.
Menurut perhitungan Mayer untuk batas nilai tegangan balik setelah arus yang mengalir
mencapai nol, diberikan sebagai berikut:
dimana: Ea = tegangan busur api
o = 2o dimana adalah frekuansi natural dari pipa/saluran
H = konstanta waktu dari busur api
IX. 17. Tingkah Laku Gas SF6 Akibat Busur Api
Temperatur tinggi yang diakibatkan adanya busur api menyebabkan semua molekul gas,
termasuk SF6, terdekomposisi menjadi atom-atom, elektron-elektron, dan ion-ion. Penguraian
ini terjadi pada daerah busur api. Reaksi kimia yang terjadi akibat temperatur yang tinggi
selama proses busur api, menyebabkan gas SF6 terurai menjadi sebagai berikut:
Komponen atom-atom hasil proses penguraian tersebut tidak berekombinasi secara sempuma
membentuk gas SF6 kembali seperti semula. Hanya 90 % dari hasil penguraian tersebut yang
berubah atau membentuk lagi gas SF6. Sedangkan bagian yang tersisa membentuk Sulphur
Fluorides (SF) dengan ukuran molekul yang lebih kecil dan Fluorides (F).
SFX dan F yang dihasilkan oleh proses penguraian tersebut akan bereaksi dengan elektroda metal menghasilkan lapisan tipis, seperti Copper Fluorides. Hasil reaksi tersebut (Metal Fluorides) yang tertimbun bersifat nonconductive dan tidak berbahaya bagi instalasi.
126
Produk-produk sampingan hasil proses penguraian tersebut dapat dibersihkan dengan memberikan alumunium oksida (A12O3) pada saat gas dipompa kembali ke dalam tanki penyimpanan dengan tekanan tinggi (high-pressure tank).
IX. 18. SF6 dalam Sistem Tegangan Tinggi
Sulphur Hexaflouride (SF6) secara luas digunakan sebagai insulator pada sistem tegangan tinggi
termasuk peralatan pemutus tenaganya. SF6 tidak beracun, dan mempunyai sifat elektronegatif
yang kuat dengan kekuatan dielektrik dan stabilitas suhu yang tinggi pada temperatur diatas
10000 K. Ketika loncatan api atau busur api terjadi pada SF6 dengan tekanan yang tinggi, maka
suhu akan meningkat sampai di atas 10000 K dan menghasilkan disosiasi yang lengkap pada
molekul SF6. Pada pijaran cahaya (glow discharges), dimana temperatur secara normal di bawah
10000 K, dan coronas, dimana temperatur hanya beberapa derajat di atas batas suhu (ambient),
disosiasi panas dalam jumlah yang kecil terjadi. Pada proses pijaran cahaya (glow discharges)
dan coronas, betapapun, energi elektron-elektron cukup tinggi untuk menghasilkan disosiasi
molekul SF6 melalui proses tabrakan elektron , seperti proses di bawah ini :
e + SF6 --> SFx + (6 - x) F + e
Karenanya dalam setiap proses electrical discharge pada SF6, maka akan terjadi dissosiasi yang
menyebabkan berubahnya gas SF6 menjadi SFx pada orde yang lebih rendah (x < 6) dan akan
selalu dihasilkan fluor (F). Beberapa fenomena yang berkaitan dengan fungsi gas SF6 sebagai
medium isolasi pada pemutus tenaga khususnya dan pada tegangan tinggi pada umumnya adalah
sebagai berikut:
IX. 18. 1. Pijaran cahaya (Glow discharges)
Pijaran Cahaya (Glow discharge) terjadi di antara dua elektroda yang diletakkan di dalam tabung yang berisi gas bertekanan rendah. Istilah glow berasal dari karakteristik yang mengidentifikasikan batasan daerah tertentu dari proses discharge dengan warna atau cahaya tergantung pada jenis gas yang digunakan. Besarnya tekanan yang dibutuhkan untuk menghasilkan pijaran cahaya (glow
127
discharge) adalah sebesar 1 mbar. Sehingga dengan demikian besarnya beda potensial antara kedua elektroda dan arus yang dihasilkan merupakan fungsi dari tekanan. Pada tekanan 1 mbar, besarnya tekanan berkisar antara beberapa ratus volt dengan arus berkisar beberapa miliampere.
IX. 18. 2. Corona discharges
Corona discharge adalah salah satu fenomena yang menyebabkan timbulnya suara
mendesis dekat saluran tegangan tinggi, dapat lebih mudah dideteksi pada cuaca yang
lembab dan terjadi setiap kali ada benda yang terbuat dari logam diberikan beda
potensial beberapa puluh KV pada udara dengan tekanan atmosfir.
Corona discharge tidak hanya menghasilkan suara tetapi juga menghasilkan angin
akibat tabrakan dari partikel ion yang dipercepat, yang kecepatannya dapat mencapai
beberapa meter per detik (angin yang dihasilkan dapat mematikan nyala sebuah lilin).
Angin ini dikenal sebagai corona wind atau electric wind yang dapat membantu atau
bahkan merusak fungsi peralatan yang menggunakan fungsi dari corona discharge.
IX. 19. Aplikasi gas SF6 pada Pemutus Tenaga
Pemutus tenaga (Circuit Breaker) SF6 adalah pemutus tenaga yang menggunakan SF6 sebagai media pemadaman busur api. Prinsip pemadaman busur api pada pemutus tenaga SF6 hampir sama dengan pemutus tenaga semburan udara (Air Blast Circuit Breaker). Hanya pada pemutus tenaga SF6, gas SF6 tidak dilepas ke atmosfir dan kecepatanya lebih rendah dibandingkan pemutus tenaga semburan udara. Karena itu elemen pemutus tenaga dimasukkan ke dalam tangki tekanan rendah.
Dari pembahasan sifat-sifat SF6 diatas maka dapat disimpulkan bahwa SF6 dapat digunakan sebagai pemadam busur api yang baik karena :
1. Tidak memproduksi karbon selama pemadaman (waktu terjadinya busur api),
2. Tidak ada bahaya ledakan, 3. konduktivitas termal yang baik 4. Nilai kekuatan dielektrik yang tetap.
128
IX. 20. Prinsip kerja pemutus tenaga SF6
Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut:1. Busur api dihembus oleh gas SF6 melalui nozzle dan masuk ke dalam mulut tangki
tekanan rendah pada saat penurunan. Setelah gas disalurkan ke dalam tangki
tekanan rendah dipompa kembali ke dalam tekanan tinggi.
2. Gas SF6 mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah melalui nozzle (saluran atau
pipa) sehingga aliran gas pada nozzle hampir mencapai kecepatan supersonik.
3. Aliran gas SF6 membawa panas dari sekeliling busur, sehingga diameter busur
berkurang dan akhirnya mengecil. Pada saat gelombang arus mencapai titik nol
pertama busur api dipadamkan.
4. Setelah busur api padam, gas SF6 mengisi permukaan sela kontak ruang
pemadaman sehingga kekuatan dielektrik pada alat kontak pulih kembali, hal ini
disebabkan oleh kemampuan atom-atom gas SF6 untuk menangkap elektron-
elektron bebas yang melewatinya dan berubah menjadi ion negatif.
IX. 20. 1. Keuntungan gas SF6 adalah :
Keuntungan gas SF6 adalah sebagai berikut:
1. Gas tidak mudah terbakar, secara kimia stabil, dan hasil penguraiannya tidak
dapat meledak.
2. Batas beban lebih besar.
3. Tidak berisik.
4. Ukurannya lebih kecil dibandingkan dengan pemutus tenaga lain dengan
ukuran dan rating yang sama.
5. Konstruksi isolasi terhindari dari kontaminasi akibat pencampuran.
6. Memerlukan pemeliharaan kurang lebih satu kali dalam l0 tahun.
7. Cepat mengatasi ganguan. Mampu untuk memutus arus gangguan rendah
dan tinggi, arus magnetisasi dan arus kapasitif.
Sifat lainnya adalah gas SF6 tidak mudah terbakar, tidak beracun
dan secara komersial aman untuk dipakai. Walaupun demikian pada
instalasi tenaga listrik penggunaan gas SF6 ini harus mengikuti
129
aturan/standar internasional yang berlaku seperti IEC 376 untuk gas SF6
yang baru dipakai, dan IEC 480 untuk petunjuk pemeriksaan gas SF6 pada
peralatan listrik.
Bila gas SF6 berada pada temperatur diatas 500o C, maka gas SF6
akan terurai menjadi unsur Sulfur, Fkuoride, SF2 dan unsur SF4. kesemua
unsur yang terurai ini akan berkombinasi kembali menjadi unsur SF6
seperti semula setelah temperaturnya turun. Rumus kimiawi penguraian
unsur Sulfurhexafluoride (SF6) menjadi unsur-unsur tersebut adalah
sebagai berikut:
SF6 S + 6F SF6
SF6 SF2 + 4F SF6
SF6 SF4 + 2F SF6
SF6 SF5 + F SF6
Penguraian unsur-unsur dari gas SF6 terjadi pada saat kontak yang
membawa arus terbuka, dimana busur api yang timbul mempunyai
temperatur diatas 500o C.
Sebagai media isolasi dan pemutus/pemadam busur api pada peralatan listrik,
umumnya gas SF6 digunakan pada tekanan sekitar 5 sampai 6 bar.sebagai
perbandingan dengan bahan isolasi lain dapat dilihat pada tabel 9. 4, dibawah ini:
Tabel 9. 4, Perbandingan Beberapa Media Isolasi
Uraian Udara biasa Minimum Oil Udara Vakum Gas SF6
130
Rating Tegangan < 1 kV Sampai 20 kV Sampai 72 kV Sampai 800 kV
Rating Arus Mencapai
400 A
Mencapai
1250 A
Mencapai
5000 A
Mencapai
5000 A
Kapasitas
Pemutusan
16 kA 20 kA 50 kA 50 kA
Metode
Pemutusan
Busur api mati
sendiri
Busur api di –
padamkan oleh
minyak
Busur api di -
cegah karena
vakum
Busur api di -
tarik oleh gas
SF6
Pemanfatan
Pemutus daya
tegangan
rendah
Pemutus daya
tegangan
menengah s/d
24 kV
Pemutus daya,
sampai 72 kV
Pemutus daya
tegangan tinggi
Kurva perbandingan dielektrik secara umum dari sifat dielektrik gas SF6 , udara, minyak
dan udara vakum dapat dilihat pada gambar IX. 5. Khusus udara vakum sifat dielektrik
hanya berlaku pada tekanan tertentu saja, yaitu pada tekanan 10-11 bar.
Gambar IX. 5, Grafik perbandingan dielektrik secara umum
131
Karena kekuatan dielektrik gas SF6 sangat baik, maka creeping distance atau jarak
minimum antar phasa pada tegangan tinggi dapat diperkecil, hal ini dapat dilihat pada
tabel 9. 5. dibawah ini.
Tabel 9. 5, Jarak antar phasa gas SF6 dan udara kering untuk berbagai sistim tegangan
Perbandingan jarak (mm) Antar Phasa antara gas SF6 dengan Udara kering
Tegangan
(KV) 72.5 123 145 170 245 420 550 800
Gas SF6
(mm) 305 370 370 ----- 460 660 710 810
Udara
(mm) 700 1100 --- 1550 2200 2900 4100 6300
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa gas SF6 mempunyai beberapa keunggulan
spesifikasi bila dibandingkan dengan jenis isolator lainnya yang ada saat ini.
IX. 20. 2. Kerugian dari gas SF6
Kerugian gas SF6 adalah sebagai berikut:
1. Perlu pemecahan masalah dalam hal konstruksi yang digunakan, dan jangan sampai
pada saat penguraian gas SF6 ketika terjadi busur api unsur SF4 tercampur dengan air
karena akan membentuk Hydrogen Fluoride yang bersifat korosi terhadap porselen
2. Konstruksi pemutus tenaga harus tertutup dengan rapat, dan bebas dari
kebocoran.
3. Untuk kinerja isolasi yang sempurna (dalam batasan tertentu) maka dibutuhkan gas
SF6 yang bermutu baik, saat ini harga gas SF6 relatif Mahal.
132