## DISTRIBUSI FASA PULSA-PULSA PD MINYAK SILIKON DENGAN TEGANGAN TINGGI AC

## Abdul Rajab
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Andalas

## ABSTRAK
Salah  satu  pemicu  utama  kegagalan  sistem  isolasi  transformator  adalah  peluahan  sebagian  (partial discharge,  PD)  yang  diantaranya  bisa  muncul  dalam  minyak  isolasi. Makalah  ini  membahas  distribusi pulsa-pulsa  PD  dalam  minyak  silikon  di  bawah  tegangan  AC  menggunakan  pasangan  elektroda  dengan konfigurasi  jarum-plat. Pulsa-pulsa  PD  dideteksi  dengan  menggunakan  detektor  RC  dan  diukur  dengan menggunakan  sistem  pengukuran  PD  berbasis  komputer.  Pulsa-pulsa  PD  yang  terjadi  dalam  beberapa siklus gelombang tegangan diakumulasikan dan dipresentasikan dalam satu siklus. Pengaruh variasi level tegangan terhadap parameter-parameter PD dianalisis, demikian pula pengaruh nilai sesaat dari tegangan terhadap pola-pola PD. Hasilnya  menunjukkan bahwa baik level tegangan  maupun besarnya  nilai sesaat dari  tegangan  AC  memegang  peranan  penting  dalam  aktifitas  PD  minyak  silikon. Semakin  tinggi  level tegangan  semakin  tinggi  aktifitas  PD.  Pulsa-pulsa  PD  yang  terkonsentrasi  pada  puncak  gelombang tegangan terapan mengindikasikan ketergantungan aktifitas PD terhadap nilai sesaat dari tegangan terapan tersebut.
Kata Kunci : Peluahan sebagian, minyak silikon dan Tegangan Tinggi AC

## I. PENDAHULUAN
Energi  listrik  umumnya  dibangkitkan  di tempat-tempat yang jauh dari pusat-pusat beban, tempat  dia  dimanfaatkan.  Kondisi  tersebut menuntut adanya sistem transmisi dan distribusi untuk mengirim  energi  listrik  ke  pusat-pusat beban. Diantara peralatan tegangan tinggi  yang sangat penting peranannya dalam sistemtransmisi  dan  distribusi  energi  listrik adalah  transformator. Dengan  transformator step-up, tegangan dinaikkan dari level menengah  saat  dibangkitkan  menjadi  tegangan tinggi, demi  menghindari rugi-rugi yang hilang dalam  bentuk  perkalian  arus  kuadrat,  tahanan dan  waktu.  Dewasa  ini  level  tegangan  yang umum dipergunakan ini adalah 500 kV dan 150 kV.  Tegangan  tinggi  pada  sistem  transmisi tersebut kemudian diturunkan ke level tegangan menengah  20  kV  untuk  keperluan  sistem distribusi  dengan  menggunakan  transformator step-down,  sebelum  diturunkan  ke  level tegangan rendah 220/238 V.
Tingginya  ketergantungan  masyarakat moderen  terhadap  energi  listrik  di berbagai
sektor  kehidupan  menuntut  peningkatan  level keandalan  dan  keamanan  peralatan  sistem tenaga listrik, termasuk transformator. Di antara semua komponen-komponen transformator, sistem  isolasi  memainkan  peranan  paling penting  terhadap  umur  pakai  transformator, oleh  karena  kegagalan  kerja  transformator umumnya disebabkan oleh permasalahan sistem isolasi. Hal ini mengacu kepada statistikkegagalan kerja trasnformator di Amerika  Serikat  antara  tahun  1997  hingga tahun  2001 [1] .  Oleh  karena  itu  pemantauan terhadap  sistem  isolasi  transformator  sangat penting untuk dilakukan.
Salah  satu  pemicu  utama  kegagalan sistem  isolasi  transformator  adalah  peluahan sebagian (partial discharge, PD) yang diantaranya  bisa  muncul  dalam  minyak  isolasi transformator.  PD  dalam  minyak  isolasi terbentuk  dalam  gelembung-gelembung  berisi gas  (bubble).  Dewasa  ini,  upaya  untuk mempelajari  keutuhan  sistem  isolasi  dilakukan melalui  pengujian  PD  yang  memberikan informasi tentang kesehatan sistem isolasi yang secara  kuantitatif  dinyatakan  dalam  besar muatan  PD,  jumlah  PD  dan  sudut  fasa
gelombang tegangan dimana PD terjadi.
Makalah  ini  membahas distribusi  pulsa- pulsa  PD  dalam minyak  silikon  di  bawah tegangan AC menggunakan pasangan elektroda dengan  konfigurasi jarum-plat.  Pulsa-pulsa  PD yang  terjadi  dalam  beberapa  siklus  gelombang tegangan diakumulasikan  dan  dipresentasikan dalam  satu  siklus.  Pengaruh  variasi  level tegangan  terhadap  parameter-parameter  PD dianalisis,  demikian  pula  pengaruh  nilai  sesaat dari tegangan terhadap pola-pola PD.

## II. EXPERIMENTAL SET UP
Sampel yang digunakan dalam penelitian ini  adalah  minyak  silikon  dengan  viskositas  50 cSt dengan merek dagang PMX-561 Transformer  Liquid  yang  diproduksi  oleh  Dow Corning.  Beberapa  parameter  penting  minyak silikon  ini  ditunjukkan  dalam  tabel 1.  Minyak langsung  digunakan  dalam  eksperimen,  tanpa perlakuan pendahuluan.
Tabel 1.Some properties of PMX-561silicone transformer liquid [Dow Corning Technical Manual] Properties Values Tegangan Tembus 35 kV Faktor Disipasi 0.007 % Konstanta Dielektrik 2.7 Viskositas 50 cSt Titik Nyala 300 o C Bilangan Asam 0.002 mg KOH/g Tekanan Antarmuka 44.6 dynes/cm PD  dibangkitkan  dalam  minyak  sampel
dengan menerapkan tegangan tinggi AC, 50 Hz terhadap  elektroda  jarum  dalam  konfigurasi pasangan elektroda jarum-plat. Dengan konfigurasi  ini,  akan  diperoleh  peninggian medan  lokal  di  ujung  elektroda  jarum berdasarkan  persamaan  (1).  Elektroda  jarum terbuat  dari  bahan  baja  sepanjang  4  cm dan berdiameter 1 mm, dengan sudut kurvatur ujung jarum  sebesar  30 o C  dan  berjari-jari  3 µm. Gambar  1  menunjukkan  konfigurasi  pasangan elektroda  jarum-plat.  Pasangan  elektroda  ini direndam  dalam  minyak  silikon  dalam  sebuah gelas beaker berukuran 1000 ml.
(1)
Sampel minyak didiamkan selama minimal  15  menit  setelah  dituangkan  ke  dalam wadah, untuk membiarkan gelembung- gelembung  (bubbles) yang  terbentuk  selama proses  penuangan,  terlepas  ke  udara  sebelum pengukuran  mulai  dilakukan.  Pulsa-pulsa  PD dideteksi  dengan  menggunakan  detektor  RC, dan  diukur  dengan  menggunakan sistem pengukuran  berbasis  komputer  sebagaimana ditunjukkan  dalam  gambar  1.  Pemberian Tegangan  dilakukan  dengan  cara  menaikkan tegangan secara bertahap  dengan  kenaikan sebesar  1  kV.  Pada  setiap  level  tegangan, minyak  dibiarkan  selama  2  menit  untuk menentukan  tegangan  insepsi  PD  (Partial Discharge  Inception  Voltage,  PDIV).  Mulai dari  PDIV  tegangan  terus  dinaikkan  secara bertahap  dan  pada  setiap  level  tegangan  PD yang  timbul  dalam  250  siklus  gelombang tegangan direkam dan disimpan dalam komputer untuk dianalisis lebih lanjut.
Gambar 1. Diagram skematik Pengukuran PD berbasis komputer
4 .7 k 
1 0 0 0 p C 4 .7 k  1000 pC 1000 pC 1000 k  400V/50kV Chamber Osc PC 210 V

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## a. Pengaruh Level Tegangan
PDIV minyak sislikon dibawah tegangan sinusoidal,  dengan  menggunakan  konfigurasi elektroda  jarum-plat berjarak  8  mm,  dengan ujung elektroda jarum berjari-jari 3 µm, adalah 10 kV  (rms).  Nilai  ini  setara dengan  medan listrik  sekitar  7,2  MV/cm  yang  dihitung berdasarkan  persamaan  (1).  Hasil  ini  sesuai dengan pendapat Lewis  [2] yang mengklaim bahwa  nilai  tipikal  medan  listrik  untuk menginisiasi streamer dalam  minyak  isolasi berada pada kisaran beberapa MV/cm.
Gambar 2  menunjukkan  pola-pola  pulsa PD minyak silikon pada tegangan PDIV (10 kV) yang  terjadi  dalam  250  siklus  gelombang tegangan.  Tampak  pada  gambar  2  bahwa jumlah  PD  yang  terjadi  dalam  setengah  siklus negatif  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan jumlah  PD  yang  terjadi  dalam  setengah  siklus positif.  Hal  ini  mengindikasikan  bahwa  PD lebih  duluan  terjadi  pada  siklus  negatif dibandingkan  dengan  pada  siklus  positif. Hasil ini  sejalan  dengan  hasil  pengujian  kami sebelumnya,  meskipun  pengukuran  dilakukan dalam minyak sawit [3].
Di  bawah medan  listrik  yang  cukup tinggi,  ketika  elektroda  jarum  berada  pada polaritas  negatif,  elektron  yang  dibutuhkan untuk menginisiasi PD  datang  dari  sisi elektroda  jarum.  Elektron  yang  dipancarkan dari elektroda jarum negatif bisa dijelaskan oleh mekanisme Tunneling Northem-Fieder.  Di  lain pihak, ketika ujung jarum berada pada polaritas positif,  elektron  awal  yang  dibutuhkan  untuk menginisiasi  PD  datang  dari  sisi  minyak melalui  mekanisme  ionisasi  oleh  medan  listrik. Elektroda jarum terbuat dari bahan logam yang banyak berisi elektron bebas. Dengan demikian, maka  lebih  mudah  melepaskan  elektron  dari logam  dibandingkan  dengan  memperolehnya dari  sisi  minyak  yang  memerlukan  proses ionisasi.
(a)
(b)
Gambar 2. Distribusi fasapulsa-pulsa PD dalam minyak silikondi bawah tegangan AC 10 kV, yang terjadi dalam 250 siklus;
(a) Muatan, (b) Jumlah PD
Kenaikan  tegangan  terapan  ternyata diikuti dengan kenaikan muatan PD dan jumlah PD  dalam  minyak  silikon.  Baik  muatan  PD maupun  jumlah  PD  mengalami  peningkatan siginfikan ketika tegangan dinaikkan hingga 13 kV. Gambar 3 menunjukkan pola-pola pulsa PD pada  tegangan  13  kV  yang  terjadi dalam  250 siklus gelombang tegangan.Hasil ini menunjukkan  adanya  ketergantungan  aktifitas PD  terhadap  level  tegangan  yang  diterapkan. Semakin  tinggi  level  tegangan  yang  diberikan maka  semakin  tinggi  pula  muatan  dan  jumlah PD yang dihasilkan.
Kenaikan  tegangan  terapan juga  meng- hasilkan penomena lain yang menarik. Aktifitas PD  pada  siklus  postif  didapati  lebih  tinggi dibandingkan dengan siklus negatif dari gelom- bang  tegangan.  Kenaikan  tegangan  menyebab- kan  muatan  dan  jumlah  PD  pada  siklus  positif menjadi  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan
M u a ta n PD ( p C ) Sudut fasa ( o ) J u m la h PD ( /2 5 0 si k lu s) Sudut fasa ( o )
siklus negatif. Hal ini  terlihat dengan membandingkan pola-pola pulsa PD pada PDIV, 10  kV  (Gambar  3)  dengan  pola-pola  pulsa  PD pada tegangan 13 kV (Gambar 4).
Fenomena ini kemungkinan bisa dijelaskan sebagai berikut. Ketika medan listrik mencapai level yang cukup untuk mengionisasi molekul  minyak, dan tersedia  begitu  banyak molekul  minyak  untuk  diionisasi,  maka  akan tersedia sekian banyak elektron untuk
menginisiasi  PD.Pada  level  ini, aktifitas  PD mengalami lonjakan. Hal inilah yang tampaknya menjelaskan mengapa pada tegangan  yang  lebih  tinggi,  baik  magnitud  PD maupun  jumlah  PD  menjadi  lebih  tinggi  pada siklus  positif  dibandingkan  dengan  pada  siklus negatifdari gelombang tegangan.
(a.) (b.) (c)
Gambar 3. Pengaruh tegangan terapan terhadap: (a) Muatan maksimum PD, (b) Muatan rata-rata PD, dan (c) Jumlah PD

## b. Pengaruh Bentuk Tegangan
Gambar  4  menunjukkan  pola-pola  PD dalam  minyak  silikon  pada  tegangan  AC  13 kV,rms.  Pulsa-pulsa  PD  terlihat  berada  pada sekitar  puncak  dari  gelombang  tegangan terapan,  baik  pada  siklus  positif  maupun  pada siklus  negatif.  Magnitud  PD  berada  dalam rentang  antara  beberapa  PD  hingga  sekitar  30 pC, seperti tampak pada gambar 4a. Sedangkan jumlah  PD  berkisar  antara  1  hingga  3 sebagaimana  ditunjukkan  dalam  gambar  4b. Baik  magnitud  PD  maupun  jumlah  PD  terlihat lebih tinggi pada daerah puncak dari gelombang tegangan terapan, yaitu di sekitar sudut fasa 90 o dan  270 o . Hasil  yang  menunjukkan  kemiripan pola-pola kejadian PD dengan bentuk gelombang tegangan terapan inii mengindikasi- kan bahwa  terdapat  ketergantungan  yang  kuat antara  tegangan  sesaat  dengan  aktifitas  PD dalam minyak silikon.
Hasil  pengujian  ini  mirip  dengan  hasil yang  diperoleh  oleh  Suwarno  [4]  yang juga melakukan  pengujian  PD  terhadap  minyak silikon dengan menggunakan pasangan elektroda  jarum-plat  dan  dengan  menerapkan tegangan tinggi AC. Namun demikian, terdapat sedikit  perbedaan  kondisi  pengujian  dengan yang  dilakukan  oleh  Suwarno.  Minyak  silikon yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah minyak  silikon  untuk  transformator  (Silicon Transformer  Liquid) dengan  viskositas  50  cSt. Di  samping  itu,jarak  elektroda  yang  digunakan dalam  penelitian  ini  adalah  8  mm,  lebih  lebar
J u m la h PD ( /2 5 0 si k lu s) Tegangan (kV) M u a ta n M k a s PD (p C ) Tegangan (kV) M u a ta n R a ta 2 PD (p C ) Tegangan (kV)
dibanding  jarak  yang  digunakan  oleh  Suwarno dalam  penelitiannya,  yang  menggunakan  jarak 4 mm.
Jarak elektroda yang lebih lebar memberikan peluang bagi terbentuknya muatan ruang  akibat  panjangnya  jarak  yang  harus ditempuh  oleh pembawa-pembawa muatan sebelum  tiba  di  elektroda-elektroda  yang berlawanan  polaritas.  Muatan  positif  akan bergerak ke  arah  elektroda  negatif,  demikian juga sebaliknya. Muatan ruang terbentuk ketika laju  injeksi  muatan  ke  suatu  ruang  lebih  tinggi dari laju  muatan  meninggalkan  ruang tersebut. Meskipun  jarak  elektroda  yang  digunakan dalam penelitian ini jauh lebih lebar dibandingkan  dengan  jarak  elektroda  yang digunakan oleh Suwarno dalam eksperimennya, pergeseran  fasa – yang  biasanya  digunakan sebagai  indikator  terbentuknya  muatan  ruang – tidak  ditemukan  dalam  hasil  penelitian  ini. Jarak  elektroda  yang  lebih  panjang  sepertinya terkompensasi oleh rendahnya viskositas minyak silikon yang digunakan dalam penelitian ini. Seperti diketahui bahwa mobilitas pembawa muatan berbanding terbalik dengan  viskositas  minyak,  maka  pembawa muatan dalam minyak yang viskositasnya lebih rendah  akan  tiba  lebih  cepat  di  elektroda dengan  polaritas  berkebalikan,  dibandingkan dengan  pembawa  muatan  yang  bergerak  dalam minyak yang viskositasnya lebih tinggi.
(a)
(b)
Gambar4. Distribusi fasapulsa-pulsa PD dalam minyak silikondi bawah tegangan AC 13 kV,
yang terjadi dalam 250 siklus;
(a) Muatan, (b) Jumlah PD.

## IV. KESIMPULAN
Pengujian  PD  dalam  minyak  silikon dengan  tegangan  tinggi  AC  menggunakan pasangan  elektroda  jarum-plat  telah  dilakukan. Beberapa  kesimpulan  bisa  diambil  sebagai berikut:
1. Pada tegangan  rendah  aktifitas  PD  pada siklus  negatif  lebih  tinggi  dibandingkan dengan  pada  siklus  positif.  Tapi  pada tegangan yang lebih tinggi terjadi fenomena sebaliknya,  aktifitas  PD  pada  siklus  positif lebih tinggi dibandingkan pada siklus negatif.
2. Semakin tinggi level tegangan yang diterapkan  semakin  tinggi  aktifitas  PD dalam  minyak,  ditandai  dengan  semakin besarnya muatan PD dan jumlah PD.
3. Pulsa-pulsa  PD  terkonsentrasi  pada  daerah sudut fasa 90 dan 270 yang mengindikasikan ketergantungan  aktifitas  PD  terhadap  nilai sesaat dari tegangan terapan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Yuslianti,  E., Analysis  of  Dielectric Properties  Comparison  between  Mineral
Oil  and  Synthetic  Ester  Oil, Master Thesis, Delft  University  of  Technology,
(2010).
J u m la h PD ( /2 5 0 s ik lu s) Sudut Fasa ( o ) Sudut Fasa ( o ) M u a ta n PD ( p C )
[2] Lewis,  T.J.,  A  New  Model  for  the primary Process  of  Electrical breakdown in  liquids,  IEEE.  Transc.  Dielc.  Elect. Insult., 5(3), 305-315 (1998).
[3] Abdul  Rajab dkk.,  Partial  Discharge Phase  Distribution  of  palm  oil  as
insulating  liquid,    Jurnal  Telkomnika 9(1), 151-160 (2011). [4] Suwarno, A Model of Streamer Disvharges  in  Insulating  Liquid  and Computer  Simulation,  Research  Journal of Applied Science 4(4), 134-141 (2009)

## Biodata Penulis
Penulis  menyelesaikan  pendidikan  S1  tahun  1996  di  Universitas  Hasanuddin  dan menyelesaikan  pendidikan  S2  di  ITB  tahun2001.  Saat  ini  penulis  terdaftar  sebagai  dosen  Teknik Elektro Universitas  Andalas  Padang.  Minat penelitian  adalah  minyak  isolasi  pada  peralatan  listrik tegangan tinggi, monitoring dan diagnosis sistem isolasi.