SUPER KONDUKTOR

TUGAS ILMU BAHAN

SUPER KONDUKTOR

NAMA :

AHMAD NURKHOLIS (05)

PRODI: SISTEM KELISTRIKAN (D-4)

JURUSAN: TEKNIK ELEKTRO

D-4 / 1A

POLITEKNIK NEGERI MALANG

2011

SUPERKONDUKTOR  (pengertian)

Bahan konduktor seperti logam tembaga merupakan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik. Meski begitu, pada nyatanya konduktor ini masih mempunyai hambatan listrik. Adanya hambatan ini menyebabkan hilangnya energi listrik dalam bentuk panas. Pada bahan superkonduktor, hambatan listrik benar-benar bernilai nol. Artinya listrik dapat mengalir tanpa hambatan pada bahan superkonduktor ini. Apabila pada rangkaian tertutup dari superkonduktor dialirkan arus listrik, maka arus tersebut akan terus mengalir mengintari rangkaian tanpa batas waktu bahkan setelah sumber listrik dilepaskan dari rangkaian. Hal ini terjadi karena tidak ada kehilangan energi selama arus mengalir karena hambatannya benar-benar nol. Para ilmuwan mengatakan bahwa superkonduktivitas merupakan sebuah fenomena kuantum makroskopik. Fenomena ini menjadi jembatan penghubung antara dunia mikro dan makro. “Jembatan” ini memungkinkan kita untuk mempelajari sifat fisika dunia mikro secara langsung.

Superkonduktor dapat berupa suatu bahan yang terbentuk dari unsur tunggal, paduan logam ataupunsenyawa. Gejala superkonduktivitas hanya teramati dibawah suhu tertentu yang disebut sebagai suhu kristis (Tc).

Hambatan listrik dari logam konduktor merupakan fungsi dari temperatur. Ketika suhu diturunkan maka secara bertahap hambatan listrik akan berkurang. Pada bahan superkonduktor, ketika mencapai suhu tertentu tiba-tiba hambahannya turun hingga menjadi nol. Suhu dimana gejala superkonduktivitas teramati disebut suhu kristis (Tc).

Pada beberapa logam gejala superkonduktivitas terjadi karena keberadaan 0,01% elektron yang tidak normal, sementara 99,99% elektron lainnya masih normal. Walaupun sangat sedikit, namun keberadaan elektron tidak normal ini mempengaruhi sifat keseluruhan bahan. Logam tidak lagi bersifat konduktor, namun bersifat superkonduktor setelah kehilangan hambatan listriknya sama sekali. Bagaimana bisa elektron normal berubah menjadi tidak normal pada bahan superkonduktor? Saat terjadi dentuman besar (big bang), alam menciptakan dua tipe partikel elementer, yaitu boson dan fermion. Boson mempunyai spin utuh sedangkan fermion memiliki spin separuh. Sebagai konsekuensinya, keduanya mematuhi statistika yang berbeda. Elektron merupakan fermion dengan spin ½ dan mematuhi statistik Fermi-Dirac. Pada superkonduktor, dua elektron akan membentuk pasangan yang merupakan boson karena memiliki spin 0 atau 1. Pasangan elektron ini akan mematuhi statistik Bose-Einstein yang dapat bergerak di dalam kisi kristal tanpa gesekan. Inilah yang menyebabkan terjadinya fenomena superkonduktivitas, dimana elektron dapat bergerak tanpa gesekan dan hambatan.

SIFAT-SIFAT SUPERKONDUKTOR

Superkonduktor adalah fenomena dimana resistansi sebuah material turun menjadi 0 dan semua atom menjadi statis (efek kuantum dari Heisenberg Uncertainty Principle tidak kita perhitungkan untuk kesederhanaan). Tentunya, untuk menjadikan atom-atom material itu menjadi statis, temperatur yang sangat rendah dibutuhkan. Temperatur dimana sebuah material menjadi konduktor dinamakan critical temperature . Temperatur ini berbeda-beda untuk setiap material. Material pertama yang ditemukan efek superkonduktivitasnya, Merkuri, mempunyai critical temperatureserendah 4 derajat Kelvin (-269 derajat Celcius!). Secara logis, pakar-pakar menginginkan critical temperature ini supaya setinggi mungkin karena biaya untuk mendinginkan material itu akan berkurang.

Tetapi, meskipun semakin banyak material yang mempunyai efek superkonduktifitas dengan critical temperature yang lebih tinggi ditemukan di milenium ketiga, tidak banyak penggunaan praktikal karena pertama, mereka tidak bisa mendapat arus listrik setinggi material-material yang lebih dulu ditemukan. Kedua, mereka tidak bisa membuat medan magnet yang kuat dan yang ketiga, sangatlah susah untuk membengkokkan material-material yang baru ditemukan menjadi kawat, dsb. Jadi, hanya superkonduktor generasi pertama yang lebih banyak digunakan dalam hidup kita.

Apakah keuntungan dari menggunakan superkonduktor? Pertama, tidak ada energi yang terbuang ketika superkonduktor ini menghantar arus listrik. Milyaran rupiah bisa kita selamatkan dengan menggunakan superkonduktor daripada konduktor biasa. Yang kedua, karena tidak ada resistansi dalam superkonduktor, sirkuit yang menggunakan superkonduktor tidak akan menjadi panas dan jadi, semakin banyak sirkuit yang bisa kita kompres per centimeter kubiknya. Kalau kita menggunakan konduktor biasa, sirkuit itu bisa terbakar jika kita mau mengkompres semakin banyak material karena panas yang terakumulasi dari resistansi material tersebut. Yang ketiga, superkonduktor ini bisa berfungsi sebagai transistor (sejenis komponen sirkuit yang bisa mengamplifikasi signal listrik dan digunakan di semua peralatan modern yang menggunakan listrik) tetapi bisa berfungsi 100 kali lebih cepat. Ini juga dikenal sebagai Josephson Junctions dan kalau dua Josephson Junctions ini kita gabung dengan tepat, mereka bisa mendeteksi medan magnet yang sangaaaaaaaat kecil.

CONTOH BAHAN:

Bahan                               Tc (K)                               Ditemukan tahun

Raksa Hg                           (a ) 4,2                                       1911

Timbal Pb                             7,2                                            1913

Niobium nitrida                   16,0                                           1960-an

Niobium-3-timah                 18,1                                           1960-an

Al0,8Ge0,2Nb3                    20,7                                           1960-an

Niobium germanium            23,2                                           1973

Lanthanum barium

tembaga oksida                      28                                               1985

Yttrium barium tembaga

oksida (1-2-3 atau YBCO)    93                                                1987

Thalium barium kalsium

tembaga oksida                      125                                              1987

APLIKASI-APLIKASI SUPERKONDUKTOR

1. Sistem penstabil listrik
Suatu perusahaan Amerika, American Superconductor Corp diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik.

2. Kabel (Transmisi) superkonduktor
Untuk transmisi listrik, Pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7.000 persen dari segi tempat.

3. motor listrik superkonduktor
Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5.000 tenaga kuda

DAFTAR PUSTAKA

http://material-sciences.blogspot.com/2010/02/superkonduktor.html

http://tan.awardspace.com/pubi/Konduktor.PDF

http://infokomtek.com/berita-iptek/sifat2-superkonduktor

Read More

KONDUKTOR

TUGAS ILMU BAHAN

KABEL

NAMA :

AHMAD NURKHOLIS (05)

PRODI: SISTEM KELISTRIKAN (D-4)

JURUSAN: TEKNIK ELEKTRO

D-4 / 1A

POLITEKNIK NEGERI MALANG

2011

JENIS - JENIS KABEL LISTRIK

    Kita sering menggunakan kabel dalam kehidupan kita sehari-hari untuk instalasi rumah dan lain-lainnya. tetapi yang kita ketahui dari kabel hanya fungsinya saja yaitu sebagai penghantar arus listrik saja tetapi terkadang kita tidak mengetahui jenis-jenis dari kabel itu sendiri. 

       Karena dengan mengetahui jenis-jenis dari kabel dan ukuran kapasitasnya lebih memudahkan kita dalam penggunaanya dan juga tidak membahayakan diri kita sendiri.

Kabel NYA

Kabel NYA berinti tunggal, berlapis bahan isolasi PVC, untuk instalasi luar atau kabel udara. Kode warna isolasi ada warna merah, kuning, biru dan hitam sesuaidengan peraturan PUIL.. Lapisan isolasinya hanya 1 lapis sehingga mudah cacat, tidak tahan air (NYA adalah tipe kabel udara) dan mudah digigit tikus. Agar aman memakai kabel tipe ini, kabel harus dipasang dalam pipa/conduit  jenis PVC atau saluran tertutup.Sehingga tidak mudah menjadi sasaran gigitan tikus, dan apabila ada isolasi yang terkelupas tidak tersentuh langsung oleh orang.

KABEL NYM

Kabel NYM memiliki lapisan isolasi PVC (biasanya warna putih atau abu-abu),ada yang berinti 2, 3 atau 4. Kabel NYM memiliki lapisan isolasi dua lapis, sehingga tingkat keamanannya lebih baik dari kabel NYA (harganya lebih mahal dari NYA). Kabel ini dapat dipergunakan dilingkungan yang kering dan basah, namun tidak  boleh ditanam.

KABEL NYAF

Kabel NYAF merupakan jenis kabel fleksibel dengan penghantar tembagaserabut berisolasi PVC. Digunakan untuk instalasi panel-panel yang memerlukan fleksibelitas yang tinggi.

Kabel NYY

Kabel NYY memiliki lapisan isolasi PVC (biasanya berwarna hitam), ada yang berinti 2, 3 atau 4. Kabel NYY dipergunakan untuk instalasi tertanam (kabel tanah),dan memiliki lapisan isolasi yang lebih kuat dari kabel NYM (harganya lebih mahaldari NYM). Kabel NYY memiliki isolasi yang terbuat dari bahan yang tidak disukaitikus

KABEL NYFGbY

—  NYFGbY 3 X 120, sm, 18/30 KV

            artinya kabel tiga inti berpenampang allumunium masing-masing luas penampangnya 120 mm2 berbentuk sector serabut, pelindung dalam terbuat dari timah armaour terbuat dari baja, pelindung dalam terbuat dari yute, tegangan nominal penghantar fasa dengan netral (bumi) 18 KV dan tegangan antar penghantar fasa 30 KV.  

            Keterangan :

—  Kabel yang penandaan menggunakan simbol I atau G pada guna terakhir menendakan mempunyai hantaran PE (hijau – kuning). Kabel yang penandaaan menggunakan symbol O atau X pada guna terakhir menandakan kebel tanpa penghantar PE.

Kabel ACSR (Aluminum Conduct Steel Reinforced)

Kabel ACSR merupakan kawat penghantar yang terdiri dari aluminium berinti kawat baja. Kabel ini digunakan untuk saluran-saluran transmisi

tegangan tinggi, dimana jarak antara menara atau tiang berjauhan, mencapai ratusan meter, maka dibutuhkan kuat tarik yang lebih tinggi, untuk itu digunakan kawat penghantar ACSR.

Kabel ACAR : Kabel ACAR yaitu kawat penghantar aluminium yang diperkuat dengan logam campuran, sehingga kabel ini lebih kuat daripada kabel ACSR.

Kabel AAAC ( All Aluminium Alloy Conductor)

Kabel ini terbuat dari

aluminium-magnesium-silicon

campuran logam,keterhantaran elektris tinggi yang berisi

magnesium silicide

, untuk memberi sifat yang lebih baik. Kabel ini biasanya dibuat dari paduan aluminium 6201. AAAC mempunyai suatu anti karat dan kekuatan yang baik, sehingga daya hantarnya lebih baik.

KABEL AAC

AAC : All Aluminium Conductor, yaitu  penghantar aluminium murni.Kabel tembaga jenis ini bentuknya berurat banyak dengan ukurannya antara 16-100 mm

Read More

ISOLATOR

TUGAS ILMU BAHAN

ISOLATOR

NAMA :

AHMAD NURKHOLIS (05)

PRODI: SISTEM KELISTRIKAN (D-4)

JURUSAN: TEKNIK ELEKTRO

D-4 / 1A

POLITEKNIK NEGERI MALANG

2011

ISOLATOR GAS

Pada umumnya isolator gas digunakan sebagai media isolasi dan penghantar panas. Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada isolator gas ini adalah ketidakstabilan temperatur, ketidaknormalan sifat kedielektrikan pada tekanan yang tinggi dan resiko ledakan dari gas yang digunakan.

Berdasarkan kekuatan dielektrik,rugi-rugi dielektrik, stabilitas kimia,korosi, dll, isolator gas dapat diklasifikasikan menjadi :
1. Gas sederhana, contohnya :
a. Udara
b. Nitrogen
c. Helium
d. Hidrogen , dan lain-lain
2. Gas Oksida, contohnya :
a. Gas karbondioksida
b. Gas Sulphur dioksida
3. Gas Hidrokarbon, contohnya :
a. Methana
b. Ethana
c. Propana dan lain-lain
4. Gas Elektronegatif, contohnya :
a. Gas Sulphur hexaflorida
b. CH2Cl2

Dalam pemilihan jenis isolator gas yang dipergunakan, perlu diperhatikan sifat dari kedielektrikan gas yang digunakan pada temperatur dan tekanan dimana gas tersebut akan digunakan sebagai media isolasi
Beberapa sifat dari isolator gas sebagai media isolasi yang perlu diperhatikan antara lain yaitu :


1. Sifat Kelistrikan, yang mencakup antara lain :
a. Tahanan isolasi
b. Kekuatan Dielektrik
c. Faktor Daya
d. Konstanta Dielektrik
e. Rugi-rugi dielektrik
2. Temperatur,
3. Sifat Kimia, dan
4. Sifat Mekanis
a. kerapatan volume
b. viskositas
c. absorpsi kelembaman
d. tekanan permukaan,dll
Mekanisme Kegagalan Isolasi Gas
Dalam mekanisme tembus listrik bahan isolasi,ada beberapa peristiwa/proses yang berperan di dalamnya, antara lain :
a. Ionisasi, yaitu peristiwa terlepasnya elektron dari ikatan atom netral sehingga menghasilkan satu elektron bebas dan ion positif
b. Deionisasi, yaitu peristiwa dimana satu ion positif menangkap elektron bebas sehingga ion positif tersebut menjasi atom netral
c. Emisi, yaitu peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam menjasi elektron bebas
Proses dasar dalam kegagalan isolasi gas adalah ionisasi benturan oleh elektron.
Ada dua jenis proses dasar yaitu :
• Proses primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran elektron
• Proses sekunder, yang memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran elektron


Saat ini dikenal dua mekanisme kegagalan gas yaitu :
• Mekanisme Townsend
• Mekanisme Streamer

1. Mekanisme Kegagalan Townsend
 Ne.(t).dt; dimana :a Ne.dx . Ternyata jumlah elektron bebas dNe yang bertambah akibat proses ionisasi sama besarnya dengan jumlah ion positif dN+ baru yang dihasilkan, sehingga dNe = dN+ = aPada proses primer, elektron yang dibebaskan bergerak cepat sehingga timbul energi yang cukup kuat untuk menimbulkan banjiran elektron. Jumlah elektron Ne pada lintasan sejauh dx akan bertambah dengan dNe, sehingga elektron bebas tambahan yang terjadi dalam lapisan dx adalah dNe =
 : koefisien ionisasi Townsenda
dN+ : jumlah ion positif baru yang dihasilkan
Ne : jumlah total elektron
Vd : kecepatan luncur elektron
 xa e konstan, Ne = N0, x = 0 sehinggaNe = N0 aPada medan uniform,
 xa eJumlah elektron yang menumbuk anoda per detik sejauh d dari katoda sama dengan jumlah ion positif yaitu N+ = N0
Jumlah elektron yang meninggalkan katoda dan mencapai anoda adalah :

 da eArus ini akan naik terus sampai terjadi peralihan menjadi pelepasan yang bertahan sendiri. Peralihan ini adalah percikan dan diikuti oleh perubahan arus dengan cepat dimana karena  >>  d secara teoritis menjadi tak terhingga, tetapi dalam praktek hal ini dibatasi oleh impedansi rangkaian yang menunjukkan mulainya percikan.a e 0 À1 maka

2. Mekanisme Kegagalan Streamer
Ciri utama kegagalan streamer adalah postulasi sejumlah besar foto ionisasi molekul gas dalam ruang di depan streamer dan pembesaran medan listrik setempat oleh muatan ruang ion pada ujung streamer. Muatan ruang ini menimbulkan distorsi medan dalam sela. Ion positif dapat dianggap stasioner dibandingkan elektron-elektron yang begerak cepat dan banjiran elektron terjadi dalam sela dalam awan elektron yang membelakangi muatan ruang ion positif. Medan Er yang dihasilkan oleh muatan ruang ini pada jari jari R adalah :

 x dx sehingga :a e aPada jarak dx, jumlah pasangan elektron yang dihasilkan adalah

 (2Dt).ÖR adalah jari jari banjiran setelah menempuh jarak x, dengan rumus diffusi R=
Dimana t = x/V sehingga

dimana :
 0 : permitivitas ruang bebas, R : jari jari (cm), V : kecepatan banjiran, dan D : koefisien diffusi.eN : kerapatan ion per cm2, e : muatan elektron ( C ),


Udara
Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan, mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu sekitar 30 kV/cm. kalau dua buah elektroda yang dipisahkan dengan udara mempunyai beda potensial yang tinggi yaitu tegangan yang melebihi tegangan tembus, maka akan timbul loncatan bunga api. Bila tegangan itu dinaikkan lagi, maka akan terjadi busur api. Besarnya tegangan tembus dipengaruhi oleh tekanan udara. Secara umum,makin besar tekanannya, main besar pula tegangan tembusnya. Tetapi pada keadaan pakemjustru tegangan tembus akan menjadi lebih besar. Keadaan yang demikian inilah yang justru digunakan atau diterapkan pada peralatan listrik.

Sulphur Hexa Fluorida
Sulphur Hexa Fluorida (SF6) merupakan suatu gas bentukan antara unsur sulphur dengan fluor dengan reaksi eksotermis :
S + 3 F2 SF6 + 262 kilo kalori
Sampai saat ini SF6 merupakan gas terberat yang mempunyai massa jenis 6.139 kg/m3 yaitu sekitar 5 kali berat udara pada suhu 00 celcius dan tekanan 1 atmosfir.
Sifat dari SF6 sebagai media pemadam busur api dan relevansinya pada sakelar pemutus beban adalah :
a. Hanya memerlukan energi yang rendah untuk mengoperasikan mekanismenya. Pada prinsipnya, SF6 sebagai pemadam busur api adalah tanpa memerlukan energi untuk mengkompresikannya, namun semata-mata karena pengaruh panas busur api yang terjadi.
b. Tekanan SF6 sebagai pemadam busur api maupun sebagai pengisolasi dapat dengan mudah dideteksi
c. Penguraian pada waktu memadamkan busur api maupun pembentukannya kembali setelah pemadaman adalah menyeluruh
d. Relatif mudah terionisasi sehingga plasmanya pada CB konduktivitas tetap rendah dibandingkan pada keadaan dingin. Hal ini mengurangi kemungkinan busur api tidak stabil dengan demikian ada pemotongan arus dan menimbulkan tegangan antar kontak.
e. Karakteristik gas SF6 adalah elektro negatif sehingga penguraiannya menjadikan dielektriknya naik secara bertahap
f. Transien frekuensi yang tinggi akan naik selama operasi pemutusan dan dengan adanya hal ini busur api akan dipadamkan pada saat nilai arusnya rendah.

Isolator Cair

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 dischargedibandingkan 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.

Isolasi padat

Zat padat mempunyai ketahanan isolasi yang lebih besar daripada gas,namun jika terjadi kegagalan pada zat padat tersebut, maka sulit untuk kembali pada keadaan awal.
Bahan isolasi padat banyak digunakan untuk isolasi pada kabel tegangan tinggi.
Di Indonesia sendiri, isolator zat padat jenis keramik yang banyak digunakan pada saluran transmisi maupun distribusi. Di daerah pantai dan industri, keramik cenderung lebih cepat terjadi kontaminasi yang akan meningkatkan arus bocor dan terjadinya flashover (loncatan api).
Mekanisme kegagalan bahan isolasi padat terdiri dari beberapa jenis sesuai fungsi waktu penerapan tegangannya. Hal ini dapat dilihat sebagai berikut :

Grafik Kegagalan Isolasi

Kegagalan asasi (intrinsik) adalah kegagalan yang disebabkan oleh jenis dan suhu bahan ( dengan menghilangkan pengaruh luar seperti tekanan, bahan elektroda, ketidakmurnian, kantong kantong udara. Kegagalan ini terjadi jika tegangan yang dikenakan pada bahan dinaikkan sehingga tekanan listriknya mencapai nilai tertentu yaitu 106 volt/cm dalam waktu yang sangat singkat yaitu 10-8 detik
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 Y=(F/A)/(∆L/L) Jika kekuatan asasi (intrinsik) tidak tercapai pada d_0/d=0,6, maka zat isolasi akan gagal bila tegangan V dinaikkan lagi
Kegagalan streamer adalah kegagalan yang terjadi sesudah suatu banjiran (avalance). Sebuah elektron yang memasuki band conduction di katoda akan bergerak menuju anoda dibawah pengaruh medan memperoleh energi antara benturan dan kehilangan energi pada waktu membentur. Jika lintasan bebas cukup panjang maka tambahan energi yang diperoleh melebihi pengionisasi latis (latice). Akibatnya dihasilkan tambahan elektron pada saat terjadi benturan. Jika suatu tegangan V dikenakan terhadap elektroda bola, maka pada media yang berdekatan (gas atau udara) timbul tegangan. Karena gas mempunyai permitivitas lebih rendah dari zat padat sehingga gas akan mengalami tekanan listrik yang besar. Akibatnya gas tersebut akan mengalami kegagalan sebelum zat padat mencapai kekuatan asasinya. Karean kegagalan tersebut maka akan jatuh sebuah muatan pada permukaan zat padat sehingga medan yang tadinya seragam akan terganggu. Bentuk muatan pada ujung pelepasan ini dalam keadaan tertentu dapat menimbulkan medan lokal yang cukup tinggi (sekitar 10 MV/cm). Karena medan ini melebihi kekuatan intrinsik maka akan terjadi kegagalan pada zat padat. Proses kegagalan ini terjadi sedikit demi sedikit yang dapat menyebabkan kegagalan total.
Kegagalan termal, adalah kegagalan yang terjadi jika kecepatan pembangkitan panas di suatu titik dalam bahan melebihi laju kecepatan pembuangan panas keluar. Akibatnya terjadi keadaan tidak stabil sehingga pada suatu saat bahan mengalami kegagalan. Gambar kegagalan ini ditunjukkan seperti :

Kegagalan Termal

Kegagalan Erosi, adalah kegagalan yang disebabkan zat isolasi pada tidak sempurna, karena adanya lubang lubang atau rongga dalam bahan isolasi padat tersebut. Lubang/rongga akan terisi oleh gas atau cairan yang kekuatan gagalnya lebih kecil dari kekuatan zat padat. Gambar kegagalan isolasi dan rangkaian ekivalennya ditunjukkan oleh gambar dibawah ini:

Kegagalan erosi dan rangkaian

Bentuk Gelombang rongga isolasi ekivalen padat

Jika tegangan AC yang dikenakan tidak menghasilkan kegagalan, maka bentuk gelombang yang terjadi pada rongga adalah V1, tetapi jika V1 cukup besar, maka bisa terjadi kegagalan pada tegangan V1′. Pada saat terjadi lucutan dengan tegangan V1′ maka pada rongga tersebut terjadi busur api. Busur api yang terjadi diiringi oleh jatuhnya tegangan sampai V1″ dan mengalirnya arus. Busur api kemudian padam. Tegangan pada rongga naik lagi sampai terjadi kegagalan berikutnya pada tegangan V1′. Hal ini juga terjadi pada setengah gelombang (negatif) berikutnya. Rongga akan melucut pada waktu tegangan rongga mencapai -V1′. Pada waktu gas dala rongga gagal, permukaan zat isolasi padat merupakan katoda – anoda dengan bentuk yang ditunjukkan seperti berikut:

Bentuk Gas dalam rongga saat mengalami kegagalan
Benturan elektron pada anoda mengakibatkan terlepasnya ikatan kimiawi pada isolasi padat tersebut. Demikian pula pemboman katoda oleh ion ion positif akan mengakibatkan kenaikan suhu yang menyebabkan ketidakstabilan termal, sehingga dinding zat padat lama kelamaan menjadi rusak, rongga menjadi semakin besar dan isolasi menjadi tipis.
Isolasi cair
Isolasi cair memiliki kerapatan 1000 kali atau lebih dibandingkan dengan isolasi gas, sehingga memiliki kekuatan dielektrik yang lebih tinggi.
Isolasi cair akan mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara serentak melalui proses konversi menghilangkan panas yang timbul akibat rugi energi.
Isolasi cair cenderung dapat memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasan muatan (discharge).
Kekurangan utama isolasi cair adalah mudah terkontaminasi.
Pada umumnya bahan isolasi cair (liquid insulation material) telah digunakan sebagai bahan pengisi pada peralatan-peralatan listrik seperti transformator, kapasitor, dan pemutus beban (circuit breaker). Fungsi bahan ini selain sebagai islolasi juga berfungsi sebagai pendingin bagi peralatan. Oleh karena itu bahan-bahan isolasi cair yang akan digunakan harus mempunyai tegangan tembus dan daya hantar panas yang tinggi serta sifat listrik dan sifat kimia yang dapat menunjang ketahanan isolasi tersebut.
Tegangan tembus pada isolasi minyak cenderung meningkat seiring pertambahan jarak sela elektroda, semakin besar jarak sela elektroda maka tegangan tembusnya akan semakin besar juga.
Tegangan tembus pada isolasi minyak baru pada jarak yang sama lebih besar dibandingkan tegangan tembus pada isolasi minyak bekas.

Read More