DISTRIBUSI TEGANGAN PADA ISOLATOR RANTAI III.1. Umum Duakonduktoryangdipisahkanolehsuatudielektrikmerupakansuatu susunankapasitor.SatuunitisolatorhantaranudaraditunjukkanpadaGambar3.1. Isolatortersebutmembentuksuatususunankonduktor-dielektrik-konduktor.Oleh karena itu suatu isolator dapat dianggap merupakan suatu kapasitor. DielektrikLogamLogamKapasitor Gambar 3.1. Ekivalensi suatu unit isolator hantaran udara III.2. Kapasitansi Yang Dihasilkan Isolator Rantai Isolatorrantaiyang digunakan pada transmisi tegangan tinggi hantaran udara adalahisolatorsepertipadaGambar3.1.Padagambartersebutterlihatadanya susunan logam-dielektrik-logam yang membentuk susunan sebuah kapasitor. Untaian isolator tersebut akan menghasilkan tiga jenis kapasitansi, yaitu:19 a.Kapasitansi masing-masing elemen isolator (C). b.Kapasitansi antara sambungan isolator dengan menara transmisi atau bumi (Ce). c.Kapasitansi antara sambungan isolator dengan konduktor tegangan tinggi (Ch). LogamLogamLogamLogamLogamMenara Gambar 3.2. Susunan isolator rantai transmisi hantaran udara Olehkarenaitu,isolatorrantaidapatdianggapmerupakansusunandari beberapa unit kapasitor yang terhubung seri maupun paralel seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3. 20 Ch1Ch2Ch3CCCCCKonduktortegangan tinggieeCeC Gambar 3.3. Bagian-bagian isolator rantai yang membentuk susunan kapasitor III.3. Distribusi Tegangan dengan Mengabaikan Ce dan Ch Padasuatuuntaianisolatoryangpanjang,tegangantidakdidistribusikan secaramerata,halinidisebabkanolehkarenapengaruhkapasitansiCedanCh. Dengan adanya kapasitansi Ce dan Ch maka arus bocor tidak seluruhnya melewati tiap elemen, namun akan ada arus bocor yang menuju struktur menara dan ke sambungan antaraisolator.Denganmengabaikankapasitansiantarasambunganisolatorrantai dengan tanah (Ce) dan kapasitansi antara sambungan isolator rantai dengan konduktor fasa(Ch),makaakansamakeadaannyakalauisolatortersebutdikenakantegangan searah.Dalamtegangansearah,tegangansepanjanguntaiisolatordidistribusikan secara merata. Dengan demikian pada rantai isolator tersebut mengalir arus bocor dan teganganpadasatuelemendariisolatorrantaiadalaharusbocorpadaisolator 21 tersebutdikalikandengantahanantiapisolator.Rangkaianpenggantidariuntaian isolator ini terlihat seperti pada Gambar 3.4. V1V2V3Vx123nCCCCIKonduktortegangan tinggiIIII Gambar 3.4. Rangkaian pengganti isolator rantai dengan mengabaikan Ce dan Ch Elemendariisolatorrantaiadalahsamasehinggadistribusiteganganpada setiap elemen isolator adalah sama. 1 2....................xV V V = = = ..............................(3.1) xVVn= ..............................................................................(3.2) dimana:Vx= tegangan pada elemen ke-x dari isolator rantai yang ditinjau V= tegangan total yang dikenakan pada isolator n= jumlah elemen pada suatu isolator rantai 22 III.4. Distribusi Tegangan dengan Memperhitungkan C dan Ce Dalam keadaan isolator dibebani tegangan akan timbul medan listrik diantara sambungan isolator dengan sambungan isolator yang lain, antara sambungan isolator dengan menara, dan antara sambungan isolator dengan kawat fasa.Dibandingkandenganbesarnyakapasitansimasing-masingelemenisolator (C),besarnyaCejauhlebihkecil,tetapipadakenyataannyatidakdapatdiabaikan karenamempengaruhidistribusiteganganpadaisolatorrantai.Misalnyasebuah rangkaian isolator yang terdiri atas empat satuan elemen isolator sebagaimana terlihat pada Gambar 3.5. Konduktortegangan tinggiCCCCCCCI1I2I3I4IaIbIcV1V2V3V4BACeee Gambar 3.5. Rangkaian pengganti dari isolator rantai dengan memperhitungkan pengaruh C dan Ce 23 Denganmenganggapsemuaelemenisolatoradalahidentik,dankapasitansi masing-masing sambungan elemen isolator terhadap menara sama besar. PadaGambar3.5,misalnyateganganoperasiadalahV,sedangkanjatuhtegangan melaluielemenisolatoradalahV1,V2,V3,danV4dimulaidariisolatorpalingatas mengarah ke kawat fasa, sehingga dapat ditulis dengan persamaan : 1 2 3 441nnV V V V VV V== + + += Tujuannya adalah untuk mengetahui besarnya tegangan operasi V terhadap teganganVn.Dari Gambar 3.5 di atas, besarnya arus yang mengalir tiap elemen isolator dapat dicari. Pada titik A, persamaan arus adalah : 2 12 1 1aeI I II V C V C e e= += +.(3.3) Juga,2 2I V C e = .(3.4) dimana : I1 = arus yang melalui isolator 1 I2 = arus yang melalui isolator 2 e adalah frekuensi sudut jaringansehingga dari persamaan (3.3) dan (3.4) akan didapat: 2 1 12 11eeV C V C V CCV VCe e e = +| |= + |\ ..(3.5) 24 Pada titik B, persamaan arus adalah : ( )3 23 2 1 2beI I II V C V V C e e= += + + 3 2 1 2 e eI V C V C V C e e e = + +..(3.6) dimana :3 3I V C e = .........(3.7) dari persamaan (3.6) dan persamaan (3.7) akan didapat nilai V3: 3 21eCV VC| |= + |\ ..(3.8) dengan menggantikan V2 dengan V1 akan diperoleh: 23 1 231e eC CV VC C| |= + + |\ . (3.9) Pada titik C, persamaan arus adalah : ( )4 34 3 1 2 3ceI I II V C V V V C e e= += + + + 4 3 1 2 3 e e eI V C V C V C V C e e e e = + + + .(3.10) dimana : 4 4I V C e = .(3.11) dari persamaan (3.10) dan (3.11) didapatkan nilai V4: 4 3 2 11e e eC C CV V V VC C C| |= + + + |\ ...(3.12) dengan menggantikan V2 dan V3 dengan V1 akan diperoleh: 25 2 34 1 2 36 51e e eC C CV VC C C| |= + + + |\ ..(3.13) Dengandemikiantelahdiperolehbesaran-besaranV2,V3,V4terhadapV1dengan rasio kapasitansi m, sehingga terlihat bahwa : 1 2 3 4V V V V ) ) )Olehsebabituelemenisolatoryangpalingdekatkekawatfasaakanmemikul tegangan yang lebih tinggi dibandingkan dengan elemen isolator yang lain. III.5. Distribusi Tegangan dengan Memperhitungkan C, Ce, dan Ch BesarnyakapasitansiChdankapasitansiCemasihjauhlebihkecildibanding dengan nilai kapasitansi yang dimiliki elemen isolator C, namun demikian kapasitansi Ch dan kapasitansi Ce tidak dapat diabaikan pengaruhnya. Adanya kapasitansi Ce dan kapasitansiChakanberpengaruhterhadapdistribusiteganganpadasambungan isolator,dimanaarusbocorakanmengalirkearahstrukturmenaradankearah sambunganisolatoryangberasaldarikonduktortegangantinggi,dengandemikian arusyangmengalirdimasing-masingelemenisolatortidaksamabesar,maka tegangan di tiap-tiap elemen isolator tidak sama. Rangkaian pengganti dari isolator rantai tersebut dapat digambarkan sebagai berikut: 26 Ch1Ch2Ch3CCCCCCCiai1I1I2I3I4i3i2ibicKonduktortegangan tinggiV1V2V3V4ABCeee Gambar 3.6. Rangkaian pengganti dari isolator rantai dengan memperhitungkan pengaruh C, Ce, dan Ch Berdasarkan Gambar 3.6, pada titik A diperoleh persamaan : 1 1 2i I I ia+ = + ..(3.14) dari persamaan (3.14) diperoleh V1 2 3 4 1 2 1 1( )h eV V V C V C V C V C e e e e + + + = + ( )2 3 4 1 2 1( )h eV V V C V C V C C + + + = +sehingga:( )2 3 4 1 21( )heV V V C VCVC C+ + +=+ .....(3.15) 27 Pada titik B, diperoleh persamaan : 2 2 3i I I ib+ = + .(3.16) dari persamaan (3.16) diperoleh V2 3 4 2 3 1 2 2( ) ( )h eV V C V C V V C V C e e e e + + = + + ( )3 4 2 3 1 2( )h e eV V C VC V C V C C + + = + + sehingga :3 4 2 3 12( )( )h eeV V C V C VCVC C+ + =+ ...(3.17) Pada titik C, diperoleh persamaan : 3 3 4i I I ic+ = + .....(3.18) dari persamaan (3.16) diperoleh V3 4 3 4 3 1 2 3( )h eV C V C V C V V V C e e e e + = + + + ( ) ( ) ( )4 3 3 1 2 h e eV C C V C C V V C + = + + +sehingga : 4 3 1 23( ) ( )( )h eeV C C V V CVC C+ +=+ ..(3.19) dan, V = V1 + V2 + V3 + V4 ..(3.20) sehingga dari persamaan (3.20) didapat V4 V4 = V (V1 + V2 + V3)..(3.21) dimana, V adalah tegangan sistem 28 III.6.Perataan Tegangan di Setiap Unit Isolator Ada beberapa metode didalam perataan tegangan disetiap unit isolator, yaitu : 1).Denganmengaturbesarnilaikapasitansisambunganisolatorterhadapbumi (Ce)KapasitansiCediupayakansekecilmungkin,dengandemikianarusbocor yangmenujustrukturmenara(bumi)akansangatkecildanmemungkinkanuntuk diabaikan.DidalammendapatkannilaikapasitansiCeyangsangatkeciladalah denganmengaturjarakantarasambunganisolatorterhadapmenarapendukung (bumi),dimanajarakberbandingterbalikdengannilaikapasitansiyangdihasilkan, olehsebabitujikajarakantaramenaradansambunganisolatordiperbesarakan diperoleh nilai kapasitansi Ce yang sangat kecil. 2). Dengan grading tiap isolatorNilaikapasitansisendiridariisolatordisesuaikanberdasarkantingkat tegangan.Isolatoryangmemikulteganganyangpalingbesaryaituisolatorpaling dekat dengan konduktor fasa, isolatoryang digunakan adalah isolatoryang memiliki nilai kapasitansi sangat kecil. Dan isolator yang memikul tegangan paling kecil, maka digunakanisolatoryangmemilikinilaikapasitansiyangbesar.Dengandemikian tegangan di setiap unit isolator akan sama. 29 3). Dengan menggunakan Guard Ring Tegangan di setiap unit isolator dapat dibuat sama dengan cara menggunakan Guard Ring. Ada beberapa bentuk yang umum dijumpai, antara lain : Ring, 8-shaped, hornshaped.Metodeperataandenganmenggunakanhornshaped,seringdisebut dengan bentuk busur tanduk. Konduktortegangan tinggiCCCCCh1Ch2Ch3CCi1i2i3IaIbIcIIIICVVVVPerisaistatikeee Gambar 3.7Perataan tegangan di setiap isolator dengan menggunakan guard ring berupa busur tanduk Prinsipperataantegangandenganmenggunakanbusurtandukiniadalahpenyeimbanganarusbocor,sehinggaakanmenghilangkanataumengurangiarus bocoryangmenujukearahstrukturmenara.Pengaturannyadapatdilihatpada Gambar3.7diatas.Untuksemuaisolatoryangidentik,besarkapasitansiCsama. 30 Demikianpulasemuakapasitansikebumi(Ce)adalahsamabesarnya.Tegangandi tiapisolatormempunyaibusurtandukyangsama,dengandemikianarusyang melaluinya juga sama besar yaitu I. Dari Gambar 3.7, persamaan arus yang melalui isolator paling atas adalah Ia + I = i1 + I.. (3.22) dan denganperata tegangan menggunakan busur tanduk, dibuat pendekatan bahwa i1 = Ia... (3.23) i2 = Ib (3.24) i3 = Ic .....(3.25) 1 ei V C e = ...... (3.26) dari Gambar 3.7, potensial yang disebabkan Ia adalah 3V 13a hI V C e = . (3.27) dari persamaan (3.23), (3.26), dan (3.27) diperoleh Ch1 13h eV C V C e e = 13ehCC= . (3.28) dari Gambar 3.7, potensial yang disebabkan Ib adalah 2V 22b hI V C e = . (3.29) 22ei V C e = ... (3.30) dari persamaan (3.25), (3.29), dan(3.30), diperoleh Ch2 22 2e hV C V C e e = 2 h eC C = ..... (3.31) 31 dari Gambar 3.7, potensial yang disebabkan Ic adalah V 3 c hI V C e = ..(3.32) 33ei V C e = .. (3.33) dari persamaan (3.25), (3.32), dan (3.33), diperoleh Ch3 33h eV C V C e e = 33h eC C = ..... (3.34) Denganmembuatsejumlahnisolator,makaakandiperolehpersamaan kapasitansi ke-x dari suatu untaian isolator, yaitu: 1( 1)ehCCn= 22( 2)ehCCn= ( )ehxxCCn x=..(3.35) dimana n = jumlah isolator x = isolator ke-x