SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
Analisis Kegagalan isolasi Minyak Trafo jenis energol baru dan lama dengan minyak pelumas Syafriyudin, ST,MT Jurusan teknik Elektro Institut Sains dan teknologi AKPRIND Yogyakarta
[email protected]
ABSTRAK Energi listrik menjadi salah satu sumber energi yang sangat penting. Oleh karena itu pelayanan akan sumber tenaga listrik yang handal dan kontinyu menjadi aspek yang mengambil perhatian yang cukup besar dalam rangka penyediaannya. Sistem penyediaan listrik yang meliputi pembangkitan, transmisi dan distribusi diharapkan memiliki tingkat gangguan yang sangat kecil. Pada dasarnya suatu bahan isolasi diharapkan mampu menekan suatu level tegangan yang cukup besar atau sesuai dengan tegangan maksimal gangguan sistem. Ada batas-batas tertentu yang harus dipenuhi oleh suatu bahan supaya dapat dikategorikan atau bahan bisa diterima sebagai suatu bahan isolasi. Batas-batas dari tegangan tembus suatu bahan isolasi diatur oleh beberapa setandar yang diterima secara internasional yaitu setandar dari ASTM (American Society for Testing Materials) juga oleh IEC (International Elektrical Council). Dari data hasil percobaan, terlihat bahwa tegangan tembus tiap-tiap bahan yang diuji dalam pengujian ini mempunyai kecenderungan naik seiring dengan kenaikan temperatur. Walaupun pada level suhu tertentu beberapa bahan menunjukan karakteristik penurunan seiring kenaikan suhu. Tetapi secara umum bisa dikatakan bahwa karakteristik tegangan tembus bahan-bahan yang diuji dalam percobaan adalah naik. Kata kunci : isolasi, tegangan tembus, temperatur.Q
I.
Latar Belakang Dalam setiap bidang kehidupan manusia, energi listrik menjadi salah satu sumber energi yang sangat penting. Oleh karena itu pelayanan akan sumber tenaga listrik yang handal dan kontinyu menjadi aspek yang mengambil perhatian yang cukup besar dalam rangka penyediaannya. Sistem penyediaan listrik yang meliputi pembangkitan, transmisi, distribusi diharapkan memiliki tingkat gangguan yang sangat kecil. Salah satu sistem yang harus diperhatikan pada tenaga listrik adalah sistem isolasi. Isolasi merupakan sifat dari bahan yang dapat memisahkan dua bagian atau lebih, baik antara bagian bertegangan dengan bagian bertegangan, maupun antara bagian bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan sehingga tidak terjadi kebocoran arus atau lompatan api (flashover). Isolator merupakan alat listrik yang memiliki sifat isolasi. Tujuan utama dari isolasi sendiri adalah untuk mendapatkan pengamanan, mengingat dalam suatu aliran sistem tenaga listrik terdapat suatu perbedaan atau gradien tegangan antara peralatan yang memungkinkan terjadinya lompatan arus. Jenis bahan isolasi yang dipakai dalam pengujian adalah jenis isolasi cair (minyak pelumas). Jenis minyak pelumas yang digunakan dalam pengujian adalah minyak pelumas jenis Top One, Mesran, Castrol dan bahan additive yang digunakan adalah sTp (Sentra Teknologi Polimer). Landasan Teori Sifat Listrik Isolator Minyak Sifat listrik yang utama pada isolator minyak yang berperan dalam menyakinkan unjuk kerja peralatan yang memuaskan yaitu Tegangan
Tembus (Breakdown Voltage), yang dimaksud tegangan tembus atau tegangan gagal atau breakdown voltage adalah tegangan dimana isolator minyak tidak mampu menahan tegangan. Perlu di catat bahwa besarnya tegangan gagal pada bahan isolasi antara satu bahan dengan bahan lainnya tidaklah sama, tetapi bergantung pada kuat dielektrik masing-masing bahan dan kehadiran unsur lain dalam bahan akan menurunkan kuat dielektrik berarti menurunkan tingkat kemampuan bahan untuk menahan tegangan. Syarat-syarat Isolator Minyak Yang Baik Dari uraian sifat-sifat isolator minyak untuk memenuhi tujuannya sebagai isolator (pengisolasi), isolator minyak harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : 1. Jernih, tidak mengandung endapan 2. Panas jenis dan daya hantar tinggi 3. Viskositas rendah 4. Titik nyala tinggi 5. Tidak mudah terbakar 6. Tegangan tembus tinggi Metodologi Penelitian Bahan penelitian Jenis minyak pelumas yang digunakan pada penelitian ini adalah jenis minyak pelumas : Minyak trafo jenis energol Top One Mesran Pengujian Sifat Elektrik Bahan Standar ASTM yang mengatur masalah tegangan gagal (breakdown voltage) dari suatu bahan jenis minyak adalah ASTM D-1816 dan D877. Misalnya untuk pengujian dengan menggunakan standar ASTM D-1816, suatu bahan
A1-93
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
isolasi harus memiliki tegangan gagal dielektrik (dielectric breakdown voltage) sebesar 28 kV tiap lebar sela elektroda 1,02 mm. Sedangkan menurut standar ASTM D-877 suatu bahan isolasi harus memiliki kekuatan tegangan gagal dielektrik (dielectric breakdown voltage) sebesar 30 kV tiap lebar sela 1 mm. Semakin tinggi kekuatan dielektrik semakin tinggi tingkat isolasi yang dimiliki oleh suatu bahan yang berarti bahan yang bersangkutan bisa diterima sebagai suatu bahan isolasi. Alat-alat yang digunakan dalam pengujian tegangan tembus : 1. Satu set pembangkit tegangan AC, untuk menghasilkan tegangan tinggi AC yang digunakan untuk pengujian tegangan tembus. 2. Tabung penguji, untuk menguji bahan terhadap kemampuan menahan tegangan baik AC maupun implus. Pada tabung terdapat dua elektroda dengan diameter 12,5 mm, bahan terbuat dari fiber glass 3. Barometer dan hygrometer untuk mengukur tegangan dan kelembaban udara 4. Thermometer suhu Diagram pengujian/ susunan alat yang digunakan pada pengetesan tegangan tembus seperti terlihat pada gambar, sumber dari PLN di naikkan pada transformator step- up melalui sebuah pengatur. Untuk melindungi tansformator dari arus yang cukup besar, maka digunakan resistor dan kemudian dihubungkan pada minyak yang akan diuji :
B1-94
Menurut ASTM D 1298-80, kerapatan relatif adalah perbandingan masa cairan yang 0 0 mempunyai volume tertentu pada 15 C (60 F) dengan masa air murni yang mempunyai volume dan suhu yang sama dengan volume dan suhu 3. Titik Nyala (Flash Point) dan Titik Api (Fire Point) Dalam penentuan flash point dan fire point dengan menggunakan cawan terbuka cleveland sesuai dengan standar ASTM D92-78. 4. Titik Tuang (Pour Point) Pour point merupakan suhu terendah yang 0 0 diyatakan sebagai kelipatan 5 F (2 C), dimana minyak diamati mengalir apabila minyak didinginkan pada kondisi tertentu. Metode yang digunakan dalam penentuan pour point suatu bahan uji mengacu pada ASTM D97-66.
Ground
Gambar 1. Diagram Pangujian Tegangan Tembus Minyak Pelumas 1. Kekuatan dielektrik (dielectric strength) dari suatu minyak isolator merupakan nilai tegangan dimana terjadi breakdown diantara dua elektroda, dengan jarak tertentu (2,5 mm). 3.3. Pengujian Sifat Kimia Bahan 1. Penentuan kekentalan kinemetik minyak (viscosity) Metode yang digunakan dalam menentukan kekentalan kinematik sesuai dengan standar ASTM D 445-79. Besar kekentalan kinematik dirumuskan sebagai berikut : V = C*t …………………………....……………………........ …........…(1.3.1) Dengan, V = Kekentalan kinemetik, cSt C = Konstanta peneraan viskosimeter, cSt/detik t = waktu alir, detik 2. Kerapatan Relatif (specific grafity)
Gambar 2. Diagram Alir Pengujian Bahan Hasil Pengujian dan Analisa Data hasil uji elektris Minyak Pelumas (Top One SAE 20 W-50, Mesran SAE 20 W-50, Castrol SAE 20 W-50) yakni hasil pengujian pada tegangan tembus dengan suhu yang bervariasi, serta pengaruh suhu terhadap kekuatan dielektrik
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
B1-95
Tabel 1. Data hasil pengujian minyak pelumas castrol dengan campuran additive terhadap tegangan tembus (kV), kekuatan dielektrik (kV/mm) dan viscositas kinematik (cSt). Suhu 30 oC Variasi
Suhu 40 oC
Suhu 60 oC
Suhu 80 oC
Suhu 100 oC
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
(1000:10)
12
4,8
317,9
14
5,6
180,4
19
7,6
71,08
21
8,4
34,66
19
7,6
19,52
(1000:20)
23
9,2
322,4
29
11,6
183,4
23
9,2
72,09
23
9,2
35,32
23
9,2
19,64
(1000:30)
31
12,4
329,4
27
10,8
187,1
23
9,2
73,72
25
10
35,82
25
10
20,08
(1000:40)
29
11,6
322,5
24
9,6
184,2
29
11,6
72,7
25
10
35,31
25
10
21,35
(1000:50)
40
16
336,9
25
10
194,6
27
10,8
74,92
28
11,2
36,17
23
9,2
22
45
18
40
16
Kekuatan Dielektrik, kV/mm
Breakdown Voltage, kV
kV
35 (1000:10)
30
(1000:20)
25
(1000:30)
20
(1000:40)
15
(1000:50)
10 5
14 (1000:10)
12
(1000:20)
10
(1000:30)
8
(1000:40)
6
(1000:50)
4 2
0
0
0
50
100
150
200
250
300
350
0
10
20
30
40
50
Viscosity Kinematic, cSt
60
70
80
90
100
110
Suhu, oC
Gambar 3. Grafik Pengaruh viscosity kinematic minyak pelumas castrol terhadap tegangan tembus dengan campuran additive
Gambar 4. Grafik Pengaruh suhu terhadap kekuatan dielektrik minyak pelumas castrol dengan campuran additive
Tabel.2. Data hasil pengujian minyak pelumas mesran dengan campuran additive terhadap tegangan tembus (kV), kekuatan dielektrik (kV/mm) dan viscositas kinematik (cSt). Suhu 30 oC
Suhu 40 oC
Suhu 60 oC
Suhu 80 oC
Suhu 100 oC
Variasi (1000:1 (1000:2 (1000:3 (1000:4 (1000:5
kV
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
kV
kV/mm
cSt
34
13,6
292,7
19
7,6
169,3
20
8
66,63
20
8
32,63
24
9,6
18,49
25
10
301,6
18
7,2
171,6
16
6,4
68,08
22
8,8
33,31
25
10
19
21
8,4
305
24
9,6
172,8
37
14,8
68,68
23
9,2
33,53
26
10,4
19,1
21
8,4
316
19
7,6
182,7
30
12
72,88
25
10
34,63
25
10
20,43
19
7,6
316
26
10,4
179,93
20
8
70,36
26
10,4
34,22
28
11,2
19,7
40 16
30
(1000:10)
25
(1000:20)
20
(1000:30)
15
(1000:40) (1000:50)
10 5 0 0
50
100
150
200
250
300
350
Viscosity Kinematic, cSt
K e k u a ta n D i e l e k tri k , k V / m m
B re ak d o w n V o l tag e, kV
35
14 12
(1000:10)
10
(1000:20)
8
(1000:30)
6
(1000:40) (1000:50)
4 2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Suhu, o C
Gambar 5. Grafik Pengaruh viscosity kinematic minyak pelumas mesran terhadap tegangan tembus dengan campuran additive
Gambar 6. Grafik Pengaruh suhu terhadap kekuatan dielektrik minyak pelumas mesran dengan campuran additive
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
B1-96
Tabel 3. Data hasil pengujian minyak pelumas top 1 dengan campuran additive terhadap tegangan tembus (kV) dan kekuatan dielektrik (kV/mm). o
o
Suhu 30 C
Variasi
o
Suhu 40 C
o
Suhu 60 C
o
Suhu 80 C
Suhu 100 C
kV
kV/mm
kV
kV/mm
kV
kV/mm
kV
kV/mm
kV
kV/mm
(1000:10)
18
7,2
11
4,4
15
6
25
10
22
8,8
(1000:20)
11
4,4
11
4,4
18
7,2
24
9,6
21
8,4
(1000:30)
13
5,2
12
4,8
13
5,2
16
6,4
20
8
(1000:40)
14
5,6
13
5,2
16
6,4
27
10,8
28
11,2
(1000:50)
19
7,6
15
6
23
9,2
24
9,6
29
11,6
14
Kekuatan Dielektrik, kV/mm
12 10
(1000:10)
8
(1000:20) (1000:30)
6
(1000:40)
4
(1000:50)
2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
o
Suhu, C
Gambar 7. Grafik Pengaruh suhu terhadap viscosity kinematic minyak pelumas top 1 dengan campuran additive Tabel 4. Data hasil pengujian sifat-sifat kimia untuk minyak pelumas castrol dengan campuran additive dengan variasi perbandingan
No.
Hasil Pemeriksaan Minyak Pelumas Castrol Dengan Campuran Additive
Jenis Pemeriksaan
1000:10
1000:20
1000:30
1000:40
1000:50
o
317,9
322,4
329,4
322,5
336,9
o
180,4
183,4
187,1
184,2
194,6
o
71,08
72,09
73,72
72,7
74,92
o
34,66
35,32
35,82
35,31
36,17
o
19,52
19,64
20,08
21,35
22,00
240
242
248
246
240
278
282
280
274
266
-8
-10
-10
-9
-9
ASTM D 97
0,8881
0,8893
0,8904
0,8910
0,8965
ASTM D 1298
1
Viscosity kinematic at 30 C, cSt
2
Viscosity kinematic at 40 C, cSt
3
Viscosity kinematic at 60 C, cSt
4
Viscosity kinematic at 80 C, cSt
5
Viscosity kinematic at 100 C, cSt
6
o
Flash point, C.O.C., C Fire point, C.O.C., C
8
Pour point, C
ASTM D 445
ASTM D 92
o
7
9
Metode Pemeriksaan
o
o
Specific gravity at 60/60 F
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
B1-97
Viscosity Kinematic, cSt
400 350 300
(1000:10)
250
(1000:20)
200
(1000:30)
150
(1000:40) (1000:50)
100 50 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
o
Suhu, C
Gambar 8. Grafik Pengaruh suhu terhadap viscosity kinematic minyak pelumas castrol dengan campuran additive Tabel 5. Data hasil pengujian sifat-sifat kimia untuk minyak pelumas mesran dengan campuran additive dengan variasi perbandingan No.
Hasil Pemeriksaan Minyak Pelumas Mesran Dengan Campuran Additive
Jenis Pemeriksaan
1000:10 292,7
1000:20 301,6
1000:30 305,0
1000:40 316,0
1000:50 316,0
o
169,3
171,6
172,8
182,7
179,93
o
66,63
68,08
68,68
72,88
70,36
o
32,63
33,31
33,53
34,63
34,22
18,49
19,00
19,10
20,43
19,70
232
226
226
238
232
258
258
242
262
256
-10
-10
-9
-9
-9
0,8844
0,8843
0,8871
0,8781
0,8860
o
1
Viscosity kinematic at 30 C, cSt
2
Viscosity kinematic at 40 C, cSt
3 4 5 6
Metode Pemeriksaan
Viscosity kinematic at 60 C, cSt Viscosity kinematic at 80 C, cSt o Viscosity kinematic at 100 C, cSt o Flash point, C.O.C., C o
7
Fire point, C.O.C., C
8
Pour point, C
9
Specific gravity at 60/60 F
o
o
ASTM D 445
ASTM D 92 ASTM D 97 ASTM D 1298
Viscosity Kinematic, cSt
350 300 250
(1000:10) (1000:20)
200
(1000:30) 150
(1000:40)
100
(1000:50)
50 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Suhu, o C
Gambar 9. Grafik Pengaruh suhu terhadap viscosity kinematic minyak pelumas mesran dengan campuran additive
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
Kesimpulan 1. Dari grafik data hasil percobaan, terlihat bahwa semakin banyak penambahan zat additive, tegangan tembus tiap-tiap bahan yang diuji dalam pengujian ini mempunyai kecenderungan naik seiring dengan kenaikan temperature. Tetapi tidak semua bahan sesuai dengan pernyataan tersebut, karena ada beberapa bahan yang pada level suhu tertentu mengalami penurunan kekuatan dalam menahan tegangan tembus walaupun viscosity kinematic-nya semakin kecil. 4. Suhu merupakan hal yang sangat berpengaruh terhadap viskositas minyak pelumas. Semakin tinggi suhu maka akan semakin kecil viskositas minyak pelumas dan makin banyak zat additive yang ditambahkan makin besar viscositas yang dihasilkan. 5. Dari beberapa sifat penting yang harus dimiliki oleh suatu minyak isolasi diantaranya adalah kemampuanya dalam menahan tegangan tembus atau kekuatan dielektrik-nya. Suatu minyak isolasi diharapkan mempunyai kekuatan dielektrik yang cukup tinggi sehingga mampu menahan tegangan tembus yang cukup tinggi. 6. Minyak isolasi juga memiliki beberapa sifat fisik dan sifat kimia yang harus diperhatikan yakni : kemampuan menghantar panas, viskositas, titik tuang, titik nyala, kandungan air, kandungan gas, kandungan belerang dan lain-lain. 7. Beberapa syarat yang harus dimiliki oleh suatu bahan isolasi cair diantaranya harus memiliki tegangan tembus yang tinggi, kekuatan dielektrik yang tinggi, pour point yang rendah, flash point dan fire point yang tinggi, viskositas yang rendah, kandungan zat berbahaya yang rendah, spesific resistance yang tinggi, murah, serta mudah didapat. 8. Minyak pelumas (Top 1, Mesran, Castrol) merupakan minyak yang banyak beredar dipasaran. Minyak ini diperoleh dari suatu fraksi minyak bumi yang sama dengan jenis minyak isolasi yang banyak digunakan. 9. Dalam pengujian minyak pelumas sebagai bahan isolasi, selain memperhatikan sifat dan karakteristik yang dimilikinya juga harus memperhatikan standar-standar pengujian bahan agar dapat diketahui batas-batas yang diperbolehkan agar suatu bahan bisa dikategorikan memiliki sifat isolasi. 10. Jika dilihat dari keseluruhan grafik, baik grafik pengaruh Viscosity kinematic terhadap tegangan tembus, grafik suhu terhadap kekuatan dielektrik, maupun grafik pengaruh suhu terhadap viskositas minyak pelumas, dari ketiga jenis minyak pelumas (Top 1, mesran, castrol) dapat disimpulkan bahwa yang mempunyai viskositas paling kecil pada suhu 0 100 C yaitu minyak pelumas mesran dengan perbandingan 1000 ml : 10 ml (18,49 cSt) diantara dua minyak pelumas yang diketahui (mesran dan castrol), dan dengan membandingkan dari setiap perbandingan dari
B1-98
tiga jenis minyak pelumas (top 1, mesran , castrol) dengan variasi campuran additive pelumas yang baik dalam menahan tegangan tembus adalah castrol, dan sedangkan yang paling kecil dalam menahan tegangan tembus adalah top 1. Daftar Pustaka Anton L. Wartawan,1983, Minyak Pelumas Pengetahuan Dasar dan Cara Penggunaan, Gramedia, Jakarta Arismunandar Artono,1994, Teknik Tegangan Tinggi, Pradnya Pramita, Jakarta Daryanto, 2004, Reparasi Sistem Pelumasan Mesin Mobil, Bumi Aksara, Jakarta D.F, Binns, Breakdown in Liquids, Edited by Alan Bradwell, 1983, Electrical Insulation, Peter Peregrinus Ltd, London Muhaimin, 1993, Bahan-Bahan Listrik Untuk Politeknik, Pradnya Paramita .........Manual Book of ASTM Standards, 2001, Section Five .........Panduan Praktikum Minyak Bumi, Laboratorium Minyak Bumi Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta .........Panduan Pengujian Tegangan Tinggi, Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta ........ http://www.elektroindonesia.com/elektro/ minyaktrafo.htm/. ........ http://www.sTp.com/media/htm/.
