BAB III PEMAKAIAN GAS SF6 DAN HAMPA UDARA PADA PEMUTUS TENAGA JARINGAN TEGANGAN MENENGAH
3.1 Pemutus Tenaga Sulfur Hexafluoride (SF6) Penggunaan gas SF6 sebagai media di dalam pemutus tenaga, karena gas ini sangat stabil terhadap perubahan temperatur dan tidak ada tanda-tanda perubahan secara kimiawi. Fungsi gas SF6 yang digunakan pada pemutus tenaga tegangan menengah ini adalah sebagai pemadam busur api listrik dan sebagai isolasi antara bagian-bagian yang bertegangan dan bagian yang bertegangan dengan badan.
3.1.1 Sifat-sifat dari Gas SF6 Gas SF6 mempunyai beberapa sifat, yaitu : a. Sifat-sifat fisik b. Sifat-sifat dielektrik c. Sifat-sifat kimiawi
17
3.1.1.1 Sifat-sifat Fisik SF6 yang murni adalah tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun dan tidak mudah tercampur. Berat jenis SF6 pada temperatur 200C dan pada tekanan 760 mmHg adalah 6,135 kg/m3. Jika dibandingkan dengan berat jenis udara adalah lima kalinya. Gas ini akan mencair pada temperatur yang rendah, temperatur pencairan bergantung pada tekanan yang diberikan. Pada temperatur 100C dan tekanan 15 atm, gas akan mencair. Jika tekanan gas ini tinggi, temperatur pencairan tinggi. Biadanya tekanan yang digunakan pada pemutus tenaga tegangan menengah adalah 7 bar (kopling galvanic/cm2). Dengan tekanan sebesar itu, kekuatan dielektrik menjadi besar sehingga dapat menahan tegangan transien yang terjadi pada waktu pembukaan kontak-kontaknya, seperti yang dijelaskan pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Kurva tekanan uap dari SF6
18
3.1.1.2 Sifat-sifat Dielektrik SF6 Kekuatan dielektrik dari SF6 diperlihatkan pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Grafik kekuatan dielektrik SF6
Pada gambar 3.2, dapat direpresentasikan yaitu : kekuatan dielektrik SF6 adalah 5 kali kekuatan dielektrik udara pada tekanan beberapa atmosphere. Kekuatan dielektrik unsur gas ini akan bertambah besar menurut tekanannya.
3.1.1.3 Sifat-sifat Kimiawi SF6 Di dalam sebuah molekul SF6, atom sulfurnya terdapat pada daerah valensi tertinggi dari daerah valensi molekulnya. Sedangkan keenam ikatan molekulnya ialah kovalen, yang mana ini merupakan kelebihan dari molekul ini yang stabil. Susunan molekul dari SF6 merupakan bidang delapan yang pada keenam sudutnya ditempati atom fluoride.
19
SF6 adalah gas yang tidak mempunyai sifat kimia yang aktif sampai di atas 1500C dan tidak akan merusak logam, plastik dan bahan lain yang biasa digunakan pada komponen pemutus tenaga. Hal ini dapat dibuktikan dengan memanaskan gas tersebut sampai 5000C tanpa terjadi penguraian. Pada temperatur tinggi yang disebabkan oleh busur api listrik, gas akan terurai dalam beberapa unsur, yaitu SF2 dan SF4 dalam jumlah yang kecil dan unsur-unsur S2, F2, S, F. Bila unsur SF2 ini bereaksi dengan air, akan membentuk unsur hydrogen fluoride yang mempunyai sifat korosif terhadap porcelain. Semua unsur yang terurai akan berkombinasi kembali menjadi unsur SF6 seperti semula setelah temperaturnya turun. Unsur SF6 yang murni terdiri dari 21,95% sulfur dan 78,05% fluoride. Atom fluoride mempunyai sifat elektronegatif, dan ini berfungsi untuk menangkap elektron bebas ke bentuk muatan ion yang negatif, yang tidak dapat digunakan sebagai pembawa arus. Sifat elektronegatif ini menyebabkan waktu pembusuran pendek, kekuatan dielektrik dengan cepat dapat terbentuk. Pada gambar 3.3 diberikan bentuk struktur molekul unsur SF6.
Gambar 3.3 Struktur molekul unsur SF6
20
Pada gambar 3.3 dapat direpresentasikan, yaitu : kestabilan yang tinggi dari gas ini disebabkan enam ikatan kovalen dari molekul-molekulnya. Di samping itu, ikatan ini berada diantara atom sulfur, sedangkan enam atom fluoride membentuk suatu bangun octahedron. Karena unsur SF6 tidak mempunyai sifat kimia yang aktif, maka akan sangat menguntungkan bila dipakai pada pemutus tenaga tegangan menengah. Bagian-bagian logam dan kontak-kontak yang dialiri arus dalam unsur SF6 tidak akan rusak.
3.2 Bagian-bagian Utama Pemutus Tenaga SF6 Bagian-bagian utama dari pemutus tenaga SF6, adalah sebagai berikut : a. Ruang pemutus tenaga SF6, berupa ruangan yang diselubungi oleh porcelain dan dalam ruangan ini terdapat : •
Kontak-kontak
•
Silinder
bergerak/silinder
penghembus
(moving
cylinder/blast
cylinder) •
Torak tetap (fixed piston), ruangan pemutus tenaga ini terletak di atas bagian penyangga. Setiap kutub dapat terdiri atas satu ruangan pemutus tenaga. Fungsi kapasitor pada pemutus tenaga dengan media gas SF6 adalah untuk mendapatkan pembagian tegangan (voltage distribution) yang sama pada setiap celah kontak, sehingga kapasitas pemutusan (breaking capacity) pada setiap celah adalah sama besarnya.
21
b. Kontak-kontak, terdiri atas kontak tetap (fixed contact) dan kontak bergerak (moving contact). Dapat dijelaskan pada gambar 3.4.
Keterangan gambar : 1. Isolator, 2. Bagian penyangga kontak tetap, 3. Jari-jari kontak tetap, 4. Terminal atas, 5. Piston tetap, 6. Kontak busur bawah, 7. Batang penggerak, 8. Tabung kontak bergerak, 9. Silinder bergerak, 10. Jari-jari kontak bergerak, 11. Kontak busur bergerak, 12. Noozle dari bahan isolasi, 13. Isolator penyangga, 14. Terminal bawah
Gambar 3.4 Kontak-kontak pemutus tenaga gas SF6 c. Pengatur busur api listrik, pada pemutus tenaga dengan media gas SF6 ini prinsip kerjanya adalah seperti terlihat pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Prinsip kerja pengatur busur api listrik 22
Prinsip kerja pengatur busur api dapat dijelaskan, yaitu : (a) proses penutupan, yaitu : tabung kontak bergerak yang berhubungan dengan kontak tetap bawah, begerak ke arah bagian-bagian kontak tetap atas. Sehingga kontak tetap dan kontak bergerak akan terhubung yang merupakan penghubung arus dari terminal atas ke terminal bawah, (b) proses pembukaan, yaitu : tabung kontak begerak yang berhubungan dengan kontak tetap bawah meninggalkan kontak tetap atas. Pertamatama, silinder bergerak akan terpisah dengan jari-jari kontak tetap. Kemudian jari-jari busur akan terpisah dengan batang-batang busur, (c) pada saat ujung busur terpisah dengan batang-batang busur akan terjadi loncatan, busur api segera dipadamkan oleh hembusan gas SF6, (d) untuk membuka dan menutup dari pemutus tenaga adalah dengan menaikkan dan menurunkan posisi dari kontak bergerak yang terhubung pada batang penggerak yang digerakkan oleh mekanis penggerak. d. Bagian penyangga, terbuat dari porcelain, dipasang vertikal pada rangka tangki dan berfungsi sebagai penyangga dari ruangan pemutus tenaga. Dalam bagian ini terdapat batang penggerak dari bahan isolasi dari mekanis penggerak pemutus tenaga. Sedangkan gas SF6 di dalam bagian penyangga berfungsi untuk mengisolasi antara bagian-bagian yang bertegangan dan bagian yang bertegangan dengan badan. e. Mekanis penggerak, mekanis penggerak berfungsi untuk menggerakkan kontak bergerak, sebagai media untuk pemutusan dan penutupan dari pemutus tenaga.
23
Pemutusan dan penutupan oleh mekanis penggerak dapat secara : a. Mekanis b. Pneumatic c. Hidrolis d. Elektris Pemilihan mekanis penggerak ini tergantung pada perencanaan pemutus tenaga dan letak pengoperasiannya.
3.3 Pemakaian Pemutus Tenaga SF6 Pada Peralatan Hubung Hal utama yang penting dari pemutus tenaga ini di dalam pemakaiannya pada peralatan hubung jaringan tegangan menengah, yaitu : a. Instalasinya yang mudah b. Perawatan yang tidak rumit c. Pada operasi mekanis, kekuatan dan daya tahan dapat mencapai lebih dari 30 tahun d. Operasi optimum yang aman Kontak-kontak pemutus tenaga media SF6 tidak memerlukan perawatan, karena kontak-kontak tertutup rapat dalam tabung. Pemutus tenaga ini diperlukan penggantian jika telah memutuskan arus hubung singkat yang besar sebanyak 10 kali. Permukaan elektroda kontak-kontak pemutus tenaga media SF6 harus halus, agar proses ionisasinya merata. Dengan permukaan elektroda yang kasar akan mempengaruhi tegangan breakdown.
24
Gas SF6 bersifat elektronegatif, yang membuat pemutus tenaga dengan media ini sangat ideal, yaitu : a. Pada panas yang tinggi yang dihasilkan oleh busur api terjadi penghamburan gas yang sangat cepat. b. Terjadi penggabungan kapasitansi kekuatan dielektrik yang sangat cepat antar kontak secara spontan. Pada gambar 3.6 diberikan grafik tegangan breakdown antara dua elektroda dengan jarak 1 cm sebagai fungsi pemutus tekanan absolut.
Gambar 3.6 Grafik tegangan breakdown dua elektroda
25
Dari gambar 3.6 terlihat bahwa tegangan breakdown akan bertambah sesuai dengan bertambahnya tekanan. Pada tabel 3.1 diberikan karakteristik listrik pemutus tenaga SF6 yang dipergunakan pada panel tegangan menengah. Tabel 3.1 Karakteristik listrik pemutus tenaga SF6 pada panel tegangan menengah Tegangan
24 kv
Arus
630 A
Luas penampang
78,54 mm2
Massa material
0,699 kg / m
Tahanan panas
100
mm2 / km
Spesifik heat
40 cal / gr / detik
Panjang konduktor
0,5 km
Arus gangguan ( I2 )
325 A
Temperatur tertinggi
500C
Temperatur tertinggi pada material
400C
Panas yang diberikan pada bahan kontak
300C
Panas yang ditimbulkan
200C
3.4 Pemutus Tenaga Hampa Udara (Vacuum) Berbeda dengan pemutus tenaga lain, pemutus tenaga hampa ini tidak menggunakan media seperti cairan atau gas. Di dalam pemutus tenaga hampa udara ini terdapat suatu wadah dengan kehampaan yang tinggi (+ 10-7 mmHg). Elemen-elemen kontak dibuka dan ditutup dari luar. Karena ruang yang hampa sekali mempunyai daya isolasi yang sangat tinggi, gerakan elemen kontak sangat kecil. Pada umumnya pemutus tenaga media hampa yang digunakan pada tegangan menengah/distribusi ini mempunyai penampilan yang kompak dan ringan, waktu hidupnya panjang, operasinya aman dan bebas pencemaran. 26
Bentuk yang kompak dari pemutus tenaga membuat ukuran panel hubung diperkecil dan mengurangi ruang instalasinya. Bentuk yang ringan dari pemutus tenaga membuat lebih mudah untuk ditempatkan pada panel (cubicle). Waktu hidup dari kontak pemutus tenaga adalah panjang, dan penggantian dari pemutus tenaga hampa udara jarang dilakukan. Pada waktu pengoperasian, suara yang terdengar sangat rendah. Tidak perlu takut adanya bahaya ledakan dan api. Operasi mekanis dari pemutus tenaga terlindungi dari debu dan kotoran, karena tertutup oleh rumah dari bahan pelat baja. Pada gambar 3.7 dijelaskan konstruksi dari pemutus tenaga hampa udara.
Keterangan gambar : 1. Plat-plat penahan, 2. Rumah pemutus dari bahan isolasi, 3. Pelindung kondensasi uap, 4. Kontak bergerak, 5. Kontak tetap, 6. Penahan fleksibel dari bahan logam, 7. Pelindung penahan fleksibel, 8. Ujung kontak
Gambar 3.7 Pemutus tenaga hampa udara
27
Pemutus tenaga hampa udara dikenal memiliki dua hal penting, yaitu : a. Kekuatan isolasi yang tinggi b. Kecepatan pemadaman busur api yang tinggi Ketika rangkaian arus bolak-balik terbuka oleh pemisahan kontak-kontak di dalam hampa udara (gambar 3.7), pemutusan terjadi pada arus nol yang pertama dengan kekuatan dielektrik melalui kontak-kontak dengan kecepatan ribuan kali lebih tinggi daripada media yang digunakan pada pemutus tenaga konvensional. Hal ini membuat pemutus hampa udara ini lebih efisien, lebih kecil, dan lebih murah. Waktu hidup pemutus tenaga ini juga lebih panjang dibandingkan pemutus tenaga konvensional dan tidak diperlukan perawatan. Pemutus tenaga hampa ini adalah tipe kedap udara (hermentically sealed), sehingga tidak memasukkan udara luar. Dengan sepasang kontak-kontak, yang satu bergerak dan yang satunya diam. Gerakan diatur dari sistem mekanis luar yang dihubungkan dengan kontak bergerak pemutus tenaga hampa udara. Ketika kontak tertutup, rangkaian akan bekerja. Ketika kontak terpisah, busur api listrik akan terbentuk. Busur api akan diikuti dengan uap yang berasal dari katoda. Partikel uap ini di dalam ruang hampa udara akan dikondensasikan ke dalam pelindung (metal vapor condensing shield). Busur api akan padam dengan sendirinya karena tidak ada zat antara (kehampaan yang tinggi) dalam tabung pemutus tenaga. Pada arus nol dari gelombang arus bolak-balik, kebanyakan partikel uap telah dikondensasikan dan kekuatan dielektrik hampa udara kembali seperti semula. Permasalahan pada pemutus tenaga hampa udara ini adalah pada bahan kontak-kontak pemutusnya. 28
3.4.1 Bahan-bahan Kontak Hal terpenting pada pemutus tenaga hampa udara adalah pemilihan dari bahan kontak. Bahan kontak pemutus tenaga hampa udara ini harus memenuhi beberapa syarat tertentu, yaitu : a. Konduktivitas listrik yang tinggi, baik untuk dapat membawa arus beban b. Konduktivitas panas yang baik untuk menghamburkan panas yang tinggi dengan cepat selama terjadinya pembusuran. c. Kerapatan (density) yang tinggi d. Titik didih yang tinggi untuk mengurangi pengikisan yang disebabkan oleh busur api e. Tingkat chopping arus yang rendah, ini diperlukan untuk mencegah tegangan lebih bilamana terjadi pemutusan arus induktif yang kecil. Bahan yang mempunyai titik lebur dan titik didih tinggi mempunyai tekanan uap yang rendah pada temperatur yang tinggi, tetapi sebagai konduktor yang jelek. Untuk itu dibutuhkan bahan yang dapat memenuhi kriteria di atas. Karena itu, untuk mendapatkan penggabungan bahan yang berlawanan dalam satu bahan, harus dikombinasikan dari dua atau lebih logam dan bahan non logam. Copper, bismuth, copper tellurium, copper thalium, silver bismuth, silver tellurium adalah beberapa contohnya. Biasanya bahan campuran yang digunakan pada kontak-kontak pemutus tenaga hampa adalah dari bahan copper bismuth dan copper chromium. Keandalan pemutus tenaga akan berkurang jika dalam pemutus terdapat gas. Jika terdapat gas dalam ruangan pemutus tenaga akan terjadi ionisasi yang lebih banyak karena benturan partikel dengan atom dan molekul.
29
Pada gambar 3.8 diberikan grafik dari beberapa campuran logam.
Gambar 3.8 Waktu hidup busur rata-rata dengan arus dari campuran logam
3.4.2 Konstruksi Dari Kontak Hampa Udara Pemutus tenaga hampa udara adalah peralatan yang sangat sederhana seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.7. Dua buah kontak terdapat di dalam tabung yang berisi hampa udara. Kontak satu diam dan kontak satunya bergerak dengan jarak yang pendek. Pelindung logam yang mengelilingi kontak dan melindungi isolasi tabung. Konstruksi hampa udara ini terdiri dari dua bagian, yaitu : a. Ruangan/kamar (chamber) b. Operasi mekanis
30
3.4.2.1 Kamar (chamber) Hampa Udara Terbuat dari bahan sintetik seperti urathane foam yang tertutup bahan fibre glass atau porcelain. Di dalam chamber terdapat dua buah kontak dan fleksibel logam. Fleksibel logam, umumnya terbuat dari baja yang digunakan untuk penghembus gerakan batang kontak gerak yang dihubungkan dengan mekanis penggerak luar.
3.4.2.2 Operasi Mekanis Pada umumnya pemutus tenaga ini menggunakan mekanis penggerak untuk menggerakkan kontak gerak yang terdapat dalam tabung. Mekanis penggerak ini terdapat di luar tabung yang dihubungkan dengan kontak gerak. Operasi mekanis umumnya menggunakan sistem pegas. Pada umumnya operasi mekanis dikenal dalam dua macam, yaitu operasi solenoid dan operasi mekanis spring. Kedua metode tersebut adalah : a. Tipe solenoid, pada operasi penutupan, dilakukan dengan menggunakan gaya tarik dari listrik magnet. b. Tipe motor spring (pegas), ada operasi penutupan dengan menggunakan energi yang tersimpan dalam sebuah pegas pengisian oleh motor listrik.
3.5 Pemakaian Pemutus Tenaga Hampa Udara Pada Peralatan Hubung Pemutus tenaga hampa udara mempunyai waktu hidup yang panjang, operasinya aman, bentuknya yang kompak dan ringan serta bebas dari pencemaran.
31
Penggantian dari pemutus tenaga hampa udara jarang dilakukan. Pada waktu pengoperasian, suara yang terdengar sangat rendah. Tidak perlu takut adanya bahaya ledakan dan api. Di bawah ini akan ditunjukkan dua buah gambar, diantaranya gambar 3.9, adalah contoh potongan media hampa udara dan pada gambar 3.10 menjelaskan kuat jatuh (breakdown strength) dari variasi beberapa bahan isolasi.
Gambar 3.9 Potongan pemutus tenaga hampa udara
32
Gambar 3.10 Tegangan breakdown Karakteristik listrik pemutus tenaga hampa udara yang digunakan pada panel tegangan menengah, dijelaskan pada tabel 3.2. Tabel 3.2 Karakteristik listrik pemutus tenaga hampa udara pada panel tegangan menengah Tegangan
24 kv
Arus
1250 A
Massa material
1,330 kg / m
Luas penampang
706,9 mm2
Tahanan panas
100
mm2 / km
Spesifik heat
40 cal / gr / detik
Panjang konduktor
0,5 km
Arus gangguan ( I2 )
325 A
Temperatur tertinggi
500C
Temperatur tertinggi pada material
400C
Panas yang diberikan pada bahan kontak
300C
Panas yang ditimbulkan
200C
33
3.6 Perhitungan Short Time Current Pada Pemutus Tenaga Saluran Tegangan Menengah Persamaan untuk menghitung temperatur rise dari material, adalah [2] :
θ = θ 2 − θ1
(3.1)
Dan, persamaan untuk menghitung tahanan konduktor atau kontak adalah sebagai berikut [2] : R=ρ .
l A
(3.2)
Dimana :
ρ = tahanan spesifik l
= panjang konduktor
A = luas penampang Dan persamaan untuk menghitung efisiensi thermis, adalah [3] :
n=
Panas yang diberikan pada bahan kontak panas yang ditimbulkan
(3.3)
Bila dimisalkan : M = masa dari material yang dipanaskan oleh arus S
= spesifik heat dari material kontak (cal / gr / detik)
θ = temperatur rise dari material n
= efisiensi thermis
maka [3] : M θ S = 0,24. I 2 . R. t. n
(3.4)
Jadi, apabila diketahui M, θ, S, R, n dan t = 1 detik, maka besarnya I (short time current test) dapat ditentukan, yaitu [3] :
I=
M θ S
(3.5)
0,24. R.t.n 34
3.7 Perhitungan Waktu Hubung Singkat Lamanya waktu hubung singkat, adalah [2] :
t=
K 2 A2 I2
(3.6)
Dimana : t
= lamanya hubung singkat (detik)
K = konstanta (0,0113) A = luas penampang (mm2) I
= harga dari arus hubung singkat (ampere)
3.8 Perhitungan Jumlah Angka Pemutusan (Number of Switching) Jumlah angka pemutusan (number of switching) n, adalah sekian kali PMT membuka atau memutus arus. Pada saat terjadi pemutusan arus beban atau manipulasi jaringan n adalah l, tetapi bila pembukaan pemutus tenaga disebabkan karena arus gangguan (lebih besar dari arus nominal) pemutus tenaga, maka n ≠ l. Tetapi dinyatakan n1 (n Ekivalen) dan besarnya tergantung pada arus gangguan, dan dinyatakan dengan rumus [3] :
I n = 300 2 I1
1, 5
1
(3.7)
Dimana : I1 = arus kapasitas pemutusan (breaking capacity) I2 = arus gangguan I2 atau arus gangguan daoat diukur pada gardu-gardu distribusi yang dilengkapi dengan alat antara lain oscillopertubograph.
35
3.9 Perhitungan Daya Untuk perhitungan daya yang dapat disalurkan melalu pemutus tenaga, digunakan persamaan [1] :
P =
(3.8)
3 .V. I
Dimana : P = daya yang disalurkan (KVA) V = tegangan nominal (volt) I
= arus nominal (ampere)
36
