Jumat, 21 September 2012

ISOLATOR

ISOLATOR
Biasanya disebut bahan penyekat. Penyekatan listrik terutama dimaksudkan agar arus listrik tidak dapat mengalir jika pada bahan penyekat tersebut diberi tegangan listrik.

Isolator listrik
Description: http://bits.wikimedia.org/skins-1.17/common/images/magnify-clip.png
Isolator keramik di rel kereta api
Isolator listrik adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan muatan listrik. Dalam bahan isolator valensi elektronnya terikat kuat pada atom-atomnya. Bahan-bahan ini dipergunakan dalam alat-alat elektronika sebagai isolator, atau penghambat mengalirnya arus listrik. Isolator berguna pula sebagai penopang beban atau pemisah antara konduktor tanpa membuat adanya arus mengalir ke luar atau atara konduktor. Istilah ini juga dipergunakan untuk menamai alat yang digunakan untuk menyangga kabel transmisi listrik pada tiang listrik.
Beberapa bahan, seperti kaca, kertas, atau Teflon merupakan bahan isolator yang sangat bagus. Beberapa bahan sintetis masih "cukup bagus" dipergunakan sebagai isolator kabel. Contohnya plastik atau karet. Bahan-bahan ini dipilih sebagai isolator kabel karena lebih mudah dibentuk / diproses sementara masih bisa menyumbat aliran listrik pada voltase menengah (ratusan, mungkin ribuan volt).
Isolasi termal adalah metode atau proses yang digunakan untuk mengurangi perpindahan panas (kalor). Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas itu disebut isolator. Energi panas (kalor) dapat ditransfer secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya, tapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.
Isolasi termal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh agar terasa hangat lebih lama dari yang sewajarnya, tetapi itu tidak mencegah hasil akhirnya, yaitu masuknya dingin dan keluarnya panas. Isolator juga dapat bekerja sebaliknya, yaitu menjaga bagian dalam suatu wadah terasa dingin lebih lama dari biasanya. Insulator digunakan untuk memperkecil perpindahan energi panas.
Aliran panas dapat dikurangi dengan menangani satu atau lebih dari tiga mekanisme perpindahan kalor dan tergantung pada sifat fisik bahan yang digunakan untuk melakukan hal ini.

Isolator Cair

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 discharge dibandingkan dengan minyak baru karena kekuatan isolasi minyak bekas sudah tidak sebagus minyak baru.
  • Minyak Sintetis
Isolasi cairan sintetis yang banyak digunakan adalah cairan yang berisi Chloor (hidrokarbon seperti difenil C10 H12) dimana 3 sampai 5 atom hydrogen diganti dengan atom Chloor. Bahan-bahan ini di antaranya adalah: Sovol, Askarel, Araclor, Pyralen, Shibanol.
  • Sovol
Sovol adalah cairan yang agak kental, tidak berwarna. Massa jenisnya jauh lebih besar dari minyak transformator yaitu 1,5 g/cm3. Tegangan tembus sovol kurang lebih sama dengan minyak transformator yaitu ± 20 kV/cm, sedangkan permitivitasnya lebih tinggi.
Bahan sovol ditambah sedikit dengan Trichlorobenzena (C8H3L3) untuk mengurangi kekentalannya diperoleh bahan baru dengan nama Sovtol.
Salah satu manfaat penggunaan sovol dan sovtol adalah karena pencampuran uapnya dengan udara tidak terbakar dan tidak menyebabkan ledakan. Karena itu transformator yang diisi dengan sovtol tidak mempunyai resiko kebakaran dan dapat dipasang di dalam ruangan jika transformator minyak biasa tidak memungkinkan dipasang.
Sovol dan sovtol tidak dapat digunakanuntuk bahan isolasi pemutus, karena akibat adanya busur api pada waktu terjadinya pemutusan akan menghasilkan karbon. Kekurangannya yang lian, bahan ini adalah beracun, karena itu jika mengunakan bahan ini harus diimbangi dengan ventilasi yang baik.
  • Minyak Silikon
Bahan ini lebih mahal harga daripada minyak transformator. Tetapi mempunyai kelebihan antara lain sudut kerugian dielektrik kecil, higroskopisitasnya dapat diabaikan dan resistivitas panasnya relative tinggi. Massa jenis ±1 g/cm3, permitivitas relatifnya 2,5; tan  0,OOO2 PADA 1000Hz, titik nyala tidak kurang dari 145˚C, titik beku tidak lebih rendah dari -60˚C.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar