KONDUKTOR

Mata Kuliah Teknik Tegangan Tinggi II
3.1 PENDAHULUAN
Konduktor adalah salah satu komponen utama dan instalasi listrik, yang berperan untuk menyalurkan arus dari satu bagian ke bagian lain dan juga untuk menghubungkan bagian-bagian yang dirancang bertegangan sama. Bahan umum konduktor yang digunakan adalah tembaga dan aluminium. Dilihat dari jenis isolasi yang digunakan, konduktor terdiri dari dua jenis, yaitu konduktor atau kawat telanjang dan konduktor berosilasi atau kabel.
Pada system tenaga listrik, konduktor bertegangan tinggi dijumpai pada transmisi, gardu induk, jaringan distribusi dan panel daya. Konduktor atau kawat telanjang digunakan untuk menyalurkan energi listrik dari satu gardu induk ke gardu induk yang lainnya; dan dari gardu induk ke trafo distribusi. Konduktor telanjang digunakan juga pada gardu induk dan panel sebagai rel pembagi daya. Kabel tegangan tinggi digunakan pada jaringan distribusi, terutama pada perkotaan yang penduduknya sangat padat. Kabel tegangan tinggi digunakan untuk menyalurkan energi listrik dari generator ke trafo daya, dari trafo daya ke panel kontrol pada gardu induk dan dari panel kontrol ke jaringan distribusi hantaran udara.

3.2 KAWAT TELANJANG
Konduktor umumnya terbuat dari bahan tembaga, aluminium dan aluminium campuran. Khusus untuk transmisi umumnya digunakan All-Aluminium Conductor (AAC), All-Aluminium-Alloy Conductor (AAAC), Aluminium Conductor Steel Reinforced (ASCR) dan Alluminium-Conductor Alloy Reinforced (ACAR).
Dilihat dari bentuk penampangnya, konduktor terdiri atas batangan, kawat pilin, konduktor berongga, dan konduktor berkas. Bentuk-bentuk konduktor tersebut ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Bentuk-bentuk konduktor

Konduktor batangan biasanya digunakan pada panel daya. Kawat pilin digunakan untuk jaringan distribusi dan transmisi, sedang konduktor berongga dan konduktor berkas digunakan pada transmisi tegangan tinggi. Konduktor berongga juga digunakan pada kabel yang mengalirkan arus besar.
Jika suatu konduktor bertegangan, maka di sekitar konduktor akan timbul medan elektirk dan medan elektrik terbesar terjadi pada permukaan konduktor. Kuat medan listrik itu tergantung pada diameter konduktor dan kehalusan permukaan konduktor.Kuat medan elektrik akan semakin besar jika diameter konduktor semakin kecil dan permukaannya semakin kasar. Jika kuat medan listrik tersebut melebihi kekuatan dielektrik udara atau media di sekitarnya, maka pada udara atau media yang bersentuhan dengan konduktor akan terjadi pelepasan muatan. Peristiwa ini disebut dengan korona, Korona yang terjadi pada transmisi tegangan tinggi menimbulkan rugi-rugi daya dan gangguan komunikasi. Untuk mencegah korona, maka kuat medan listrik di permukaan harus dikurangi hingga lebih kecil dari kekuatan dielektrik udara atau media sekitarnya. Hal ini dilakukan dengan memperbesar diameter penampang konduktor, tetapi hal ini tidak ekonomis dan membuat konduktor semakin kaku. Cara yang lebih ekonomis adalah dengan menggunakan penghantar berkas. Cara lain adalah dengan menggunakan penghantar berongga, di mana dengan cara ini dapat diperoleh konduktor berdiameter yang lebih besar dengan luas penampang yang sama dengan konduktor masif.

3.3 KABEL
Pada gambar 3.2 menunjukkan penampang konstruksi suatu kabel tiga fasa. Bagian utama dari kabel adalah inti atau konduktor, bahan isolasi, bahan pengisi, bahan pengikat, bahan pelindung beban mekanik dan selubung pelindung luar, semua bahan tersebut harus membentuk suatu konstruksi yang membuat kabel meskipun fleksibel tetap memiliki kekuatan mekanis yang memadai.
Kabel tegangan tinggi umumnya berinti tunggal dan berinti tiga, bahannya terbuat dari pilinan tembaga atau aluminium. Bentuk penampangnya tidak berupa lingkaran tetapi dibuat berbentuk sektoral agar dengan diameter luar yang tetap diperoleh luas penampang inti yang lebih besar. Atau dengan luas penampang inti yang tetap diperoleh diameter luar yang lebih kecil, sehingga ongkos pembuatannya lebih murah.

Gambar 3.2. Penampang Kabel Tegangan Tinggi

Inti dibungkus dengan bahan isolasi utama yang sifat mekanisnya sebagai berikut: fleksibel sehingga mudah digelar; dan perubahan kekuatan mekanisnya tidak begitu kentara jika suhunya berubah-ubah dari suhu kamar suhu operasi. Sifat termalnya yang utama adalah memiliki ketahanan termal yang tinggi, koefisien muai panas rendah, daya hantar panas tinggi dan tidak mudah terbakar. Sifat elektrik bahan isolasi yang utama adalah memiliki kekuatan dielektrik yang agak tinggi agar diameter luar dapat dikurangi sehingga ongkos pembuatan kabel berkurang., tahanan isolasi tinggi dan rugi-rugi dielektriknya rendah. Sedang sifa kimianya adalah tidak bereaksi dengan asam dan alkali pada suhu kerja dan tidak meresap air atau kedap air.
Bahan isolasi yang digunakan antara lain minyak, bahan polimer dan kertas yang diresapi minyak mineral. Jika bahan isolasi utama berupa bahan padat seperti polimer dan karet, maka karena permukaan konduktor yang tidak benar-benar mulus, maka diantara konduktor dan isolasi utama terdapat rongga. Untuk mengatasi hal ini, maka diantara konduktor dan isolasi utama dibuat lapisan tipis yang dibuat dari bahan silikon.
Ketiga inti kabel diikat dengan bahan isolasi yang disebut dengan isolasi pengikat. Ruang kosong yang terdapat diantara masing-masing isolasi utama maupun isolasi utama dengan isolasi pengikat diisi dengan bahan isolasi yang kualitasnya lebih rendah, seperti jerami atau potongan-potongan kertas. Kemudian isolasi pengikat dibungkus dengan selubung yang terbuat dari lempengan timah. Permukaan luar selubung timah dilapisi dengan pita atau kawat baja untuk meningkatkan kekuatan mekanis kabel. Lapisan baja ini harus dilapisi dengan bahan anti-karat.
Selubung timah dilapisi dengan bahan yang sifatnya seperti bantal, untuk melindungi isolasi pengikat dari tekanan mekanis yang berlebihan jika terjadi benturan mekanis pada bagian luar kabel. Kemudian bantalan diselubungi dengan pelindung yang berfungsi untuk melindungi kabel dari beban mekanis yang berasal dari luar kabel, bahnnya terbuat dari bahan anti karat. Lapisan terakhir adalah bahan pembungkus yang mencegah masuknya air ke dalam bahan pelindung.
Bahan isolasi utama kabel adalah kertas, maka harus dikeringkan terlebih dahulu, karena kertas yang dijumpai sehari-hari selalu lembab, sebab serat kertas menyerap air di udara sekitarmya. Pengeringan kertas dilakukan dalam baja vacum pada suhu 120-135 0C. Setelah itu dicelup dalam minyak mineral dan resin dalam baja vakum dan dikeringkan dalam bejana yang ditutup rapat. Minyak harus memiliki kekentalan yang rendah pada suhu pencelupan tetapi kekentalannya tinggi pada suhu operasi kabel, koefisien rendah dan titik bekunya.
Resin adalah bahan tambahan untuk mencegah terjadinya oksidasi sebab oksidasi dapat mempercepat penuaan dan pelapukan. Bahan tambahan juga diperlukan untuk mencegah penurunan viskositas minyak. Tegangan tembus listrik gabungan kertas dengan minyak lebih tinggi dari tegangan tembus masing-masing bahan jika sendiri-sendiri.
Ada kabel yang bahan isolasinya berupa serat yang diresapi minyak, jenis ini dibuat agar kabel lebih fleksibel sehingga mudah digelar. Penyambungan dalam jenis kabel ini beroleh keuntungan karena minyak tidak keluar dari ujung-ujung kabel sehingga rongga-rongga udara dalam isolasi kabel tidak terjadi. Kelemahan utama dari kabel ini terletak pada kemungkinan terjadinya gelembung gas pada saat beroperasi melayani beban yang berubah-ubah sehingga kabel mengalami pemanasan dan pendinginan secara bergantian. Karena koefisien pemuaian bahan isolasi kabel lebih besar daripada bahan pembungkusnya (biasanya dari timah), maka pemanasan kabel akibat pembebanan maksimum akan mengakibatkan pemuaian bahan isolasi lebih besar dari pemuaian yang terjadi pada pembungkus, sehingga pembungkus tersebut membengkak. Pada saat beban berkurang akan terjadi pendinginan yang mengakibatkan bahan isolasi menyusut sehingga terjadi rongga-rongga diantara pembungkus dengan isolasi yang lama-kelamaan akan terisi dengan gas yang berasal dari bahan isolasi. Karena proses difusi rongga-rongga gas tersebut menyusup ke permukaan inti kabel, yaitu kawasan dimana intensitas medan listrik tersebut maksimal. Di kawasan ini, rongga-rongga dapat mengalami tembus listrik sehingga terjadi peluahan sebagian didalam kabel yang mengawali terjadinya tembus listrik pada bahan isolasi. Peluahan sebagian tersebut dapat dicegah dengan mengurangi intensitas medan listrik pada permukaan inti kabel, yaitu dengan menambah tebal bahan isolasi dan konsekuensinya ongkos pembuatan kabel semakin tinggi. Akibatnya, kabel ini hanya digunakan untuk tegangan bolak-balik sampai 35 kV saja.
Di atas tegangan tersebut pengurangan intensitas medan elektrikdengan menambih tebal bahan isolasi tidak ekononis lagi.
Jenis bahan isolasi kabel yang lain adalah kertas yang diresapi dengan minyak bertekanan. Kabel mi digunakan untuk transmisi tegangan tinggi. Minyak bertekanan akan mencegah terbentuknya rongga-rongga gas dalam kabel, karena aliran minyak dalam kabel akan segera mengisi rongga tersebut dengan minyak. Dengan cara ini, kelemahan yang terdapat pada kabel berisolasi serat dapat diatasi, tetapi ongkos pembuatannya lebih tinggi karena adanya perangkat tambahan, yaitu alat untuk membuat minyak tetap bertekanan.

3.4 PARAMETER KONDUKTOR
Jika suatu konduktor dialiri arus listrik maka pada konduktor akan timbul panas akibat rugi-rugi daya (i2r), di mana hal mi akan membuat suhu konduktor naik. Di samping itu, suhu konduktor juga dapat naik oleh karena adanya pemanasan yang berasal dari sumber panas di sekitarnya, misalnya panas dari matahari, panas dari mesin-mesin, dan lain-lain. Agar sifat fisis bahan konduktor tidak berubah, maka kenaikan suhu konduktor dibatasi sampai 75° C. Oleh karena itu arus kontinu yang mengalir pada konduktor harus dibatasi, sedemikian hingga pada suhu 75° C, jumlah panas yang timbul pada konduktor sama dengan jumlah panas yang disebarkan konduktor ke medium sekitarnya. Arus tertinggi yang dapat dialirkan secara kontinu oleh suatu konduktor di mana arus tersebut tidak menimbulkan kenaikan suhu konduktor lebih dari 75° C disebut daya hantar arus (current carrying capacity). Dalam pemilihan suatu konduktor perlu diperhatikan agar arus kontinu yang akan dialirkan tidak mclebihi daya hantar arus konduktor yang dipilih.
Jarak antar konduktor atau spasi ditetapkan sedemikian sehingga tidak terjadi peluahan sebagian atau korona di permukaan konduktor. Untuk itu perlu pengetahuan tentang kuat medan elektnik pada permukaan masing-masing konduktor. Kuat medan elektrik tertinggi yang ditemukan harus lebih rendah dari kekuatan dielektrik bahan isolasi utama. Pada transmisi hantaran udara kuat medan pada permukaan konduktor direduksi dengan menggunakan penghantar berkas (bundled conductor). Di bawah ini diberikan kuat medan elektrik tertinggi pada permukaan konduktor sistim tiga fasa yang diperoleh secara pendekatan.

di maaa: J = jarak antar konduktor fasa (meter)
kb = faktor koreksi kuat medan konduktor bekas
yang tergantung kepada jumlah konduktor per fasa
re = jari-jari ekivalen konduktor (meter)
rk = jari-jari luar konduktor (meter)
n = jumlah berkas konduktor per fasa
Untuk konduktor tunggal, re sama dengan jari-jari luar konduktor (rk), sedang untuk konduktor berkas dihitung dengan persamaan di bawah ini:

di mana : s = jarak antar berkas konduktor (meter)
Nilai k tergantung kepada jumlah berkas konduktor per fasa, yang besarnya adalah seperti pada Tabel 3.1

Jarak antar konduktor pada jaringan hantaran udara, selain dibatasi oleh medan tertinggi yang diijinkan, dibatasi juga oleh jauh ayunan konduktor jika ditiup angin. Jauh ayunan tergantung kepada kecepatan angin, diameter konduktor, berat jenis konduktor, lendutan dan jarak rentangan. Konduktor yang lebih ringan harus lebih besar jarak antar konduktornya dari pada konduktor yang lebih berat.
Hal lain yang pèrlu diperhatikan dalam pemilihan konduktor adalah tahanannya, kekuatan mekanisnya, jari-jari geometris rata-rata (GMR = geometric mean radius) dan diameter luarnya. Tahanan kondoktor berpengaruh terhadap rugi-rugi daya dan jatuh tegangan (voltage drop) pada konduktor. Semakin besar tahanannya semakin besar rugi-rugi daya dan jatuh tegangan pada konduktor tersebut.
GMR dan diameter luar berpengaruh terhadap reaktansi induktif dan
kapasitif kondutor. Untuk jaringan hantaran udara tiga fasa yang ditrans-posisi, reaktansi dapat dihitung dengan rumus di bawah ini:

Di mana GMR = jari-jari geometris rata-rata konduktor (meter)
F = frekuensi tegangan transmisi (Hz)
L = panjang transmisi (km)

3.5 PEMILIHAN UKURAN KONDUKTOR
a. Ditinjau dari Segi Ekonomi
Ukuran konduktor transmisi dapat ditentukan berdasarkan pertimbangan
ekonomi dan teknis. Menurut Kelvin, biaya tahunan penyaluran adalah:

di mana:
He = harga energi terbuang ($/KW-Tahun)
I = arus per Konduktor
R = tahanan per meter per konduktor
Hk = harga konduktor per kilogram
m’ = berat kilogram semua konduktor per meter
bu = bunga uang per tahun dalam persen
Harga minimum diperoleh jika harga tahunan energi terbuang sama dengan bunga dari bagian modal yang dipertimbangkan sebanding dengan berat konduktor, yaitu:

Persamaan 3.6. dapat dituliskan menjadi:

di mana:
A = luas penampang 1 dalam mnf
? = tahanan jenis konduktor (Ohm mm2/m)
M = kerapatan konduktor (kg/cm3)
Dari persamaan 3.7. diperoleh ukuran konduktor yang ekonomis sebagai berikut:

b. Ditinjau dari Segi teknis
Dalam praktcknya, rumus Kelvin di atas jarang digunakan karena hasil yang diperoleh belum tentu memenuhi syarat teknis. Syarat-syarat teknis yang harus dipenuhi suatu konduktor adalah sebagai berikut:
1. Rugi-rugi .Watt (I2R) yang terjadi pada konduktor tidak melebihi yang diizinkan.
2. Jatuh tegangan (?V) pada konduktor tidak melebihi yang diizinkan.
3. Saat beroperasi tidak terjadi korona pada permukaan konduktor.
Perhitungan ukuran konduktor dilakukan dengan meninjau rangkaian ekivalen nominal
? transmisi seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3.a. Diagram fasor tegangan dan arus transmisi ini diberikan pada Gambar 3.3.b

Gambar 3.3. Rangkaian Ekivalen dan FasorArus –Tegangan Transmisi
Terlihat bahwa arus yang mengalir pada konduktor transmisi adalah Ik, di mana arus ini dapat dihitung dengan persamaan 1 .2. Artinya, konduktor harus mampu mengalirkan arus sebesar Ik. Oleh karena itu, daya hantar arus konduktor terpilih harus lebih besar dari Ik. Jika rugi-rugi yang diizinkan pada transmisi adalah ?P, maka tahanan konduktor maksimal adalah:

Menurut diagram fasor Gambar 3.3.b, arus konduktor lebih kecil dari pada arus beban Tetapi dalam perencanaan arus konduktor dapat dianggap sama dengan arus beban.

di mana:
Pb = besar beban yang diramalkan pada ujung penerima transmisi
Vr = tegangan fasa-fasa ujung penerima transmisi
Cos ? = faktor daya beban yang diramalkan
Jika panjang transmisi adalah l kilometer, maka tahanan konduktor per kilometer adalah:

Pada Lampiran A diberikan tabel yang memuat jenis, ukuran, dan karakteristik konduktor tembaga dan aluminium. Pada tabel tersebut dapat dicari konduktor yang tahanannya per kilometer Iebih kecil atau sama dengan R’. Selanjutnya dengan rumus di bawah mi dihitung parameter transmisi berdasarkan karakteristik dari konduktor yang di pilih.

Selanjutnya dapat dihitung arus dan tegangan jika transmisi menggunakan konduktor yang dipilih. Jika tegangan fasa ke netral ujung penerima adalah V maka arus kapasitansi pada ujung penerima adalah:

Arus pada konduktor transmisi menjadi:

Sudut fasa arys konduktor adalah:

Tegangan ujung p fasa ke nctral dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini:

Dengan demikian dapat dihitung tegangan jatuh pada konduktor yang dipilih, yaitu:

Jika ?V > ?Vizin maka dipilih konduktor yang ukurannya lebih besar dan pilihan pertama dan prosedur perhitungan di atas diulang kembali
sampai diperoleh ?V < ?Vizin
3.6 RELDAYA
Konduktor digunakan juga sebagai rel daya pada gardu induk dan panel. Rel daya untuk gardu induk umumnya terbuat dari konduktor kawat, sedang untuk panel terbuat dari batangan konduktor. Ukuran konduktor dipilih sedemikian rupa, sehingga mampu memikul arus yang akan disalurkan. Kemampuan menghantar arus konduktor dapat dilihat pada lampiran A. Jika pada rel mengalir arus hubung singkat, maka rel daya akan mengalami gaya elektromagnetik yang besarnya tergantung pada besarnya arus hubung singkat dan jarak antar rel. Oleh karena itu, jarak antar rel harus dirancang sedemikian rupa sehingga gaya yang diakibatkan arus hubung singkat tidak sampai merusak rel dan isolator penyangganya. Berikut ini akan diuraikan perihal gaya dan tekanan yang terjadi pada konduktor dan isolator penyangga suatu rel akiba arus hubung singkat.
a. Gaya dan Tekanan pada Rel Tunggal
Pada Gambar 3.4 ditunjukkan susunan rel suatu panel 3-fasa ac, di mana satu rel terdiri atas satu batang konduktor.
Jika arus simetri mengalir pada rel panel, maka tiap rel akan mengalami gaya. Gaya ini merupakan hasil interaksi arus pada suatu fasa dengan arus pada fasa yang lain.

Karena arus fasa berbeda fasa 120 derajat listrik satu dengan yang lain dan jarak antar fasa tidak sama, maka gaya pada setiap rel tidak sama. Gaya yang paling besar terjadi pada rel yang berada di tengah (fasa S) karena rel ini mengalami gaya dan kedua rel di sebelahnya. Resultan gaya yang dialami rel tengah adalah:

Rel dinyatakan dapat memikul arus hubung singkat yang diperkirakan jika gaya akibat arus hubung singkat tersebut menimbulkan tekanan pada satu batang konduktor lebih kecil atau sama dengan kekuatan mulur (yield strenght) rel.

di mana sm adalah kekuatan mulur rel (lihat karakteristik material Lampiran B).
Gaya yang terjadi pada isolator penyangga adalah:

Isolator dinyatakan memenuhi syarat teknis jika gaya yang terjadi padanya tidak melebihi batas pembebanan maksimal isolator.

a.Gaya dan Tekanan pada Rel Batang Ganda
Pada Gambar 3.5 ditunjukkan susunan rel panel 3-fasa ac di mana setiap rel terdiri atas dua batang konduktor. Hal seperti ini dijumpai pada panel daya berkapasitas besar, di mana arus yang akan dialirkan sangat besar hingga diperlukan dua atau lebih batang konduktor paralel pada setiap fasa. Agar konduktor-konduktor tersebut kokoh, di beberapa tempat diberi pengikat sehingga satu rel merupakan ikatan beberapa batangan konduktor. Dalam hal ini seikat konduktor yang membentuk rel fasa disebut konduktor fasa, sedang konduktor-konduktor yang membentuk satu rel disebut elemen konduktor.
Dalam panel ini ada dua jenis arus yang perlu dibedakan, yaitu: arus rel atau arus fasa (If ) dan arus elemen konduktor (Ie).

fasa adalah arus yang mengalir pada satu rel sedang arus elemen konduktor adalah arus pada satu batang konduktor yang membentuk rel tersebut. Besarnya arus elemen konduktor adalah sehagai berikut:

Gaya yang timbul pada satu rel sebagai hasil interaksi antar arus fasa disebut gaya fasa (Ff )Gaya ini dapat dihitung dengan Persamaan 3.18.
Pada satu rel terdapat dua atau lebih elemen konduktor yang masing - masing dialiri arus (Ie). Arus pada setiap elemen konduktor tersebut adalah sefasa. Jika banvak konduktor per fasa adalah dua, maka gaya yang dialami oleh satu elemen konduktor akibat arus elemen pada fasa itu sendiri adalah:
Jika banyaknya konduktor per fasa adalah tiga, maka €lemen konduktor yang berada di tengah akan mengalami dua gaya, yaitu gaya-gaya akibat interaksi arus elemen konduktor tengah dengan arus pada kedua elemen konduktor di sehelahnya. Kcdua gaya tersehut sama dan herlawanan arah, karena arus pada setiap elemen konduktor sefasa dan jarak masing-masing konduktor luar ke konuuktor tengah adalah sama, sehingga gaya yang dialami konduktor ten adalah no1. Konduktor luar akan mengalanli dua gaya, masing-ma hasil interaksi arus pada elemen tersebut dengan elemen konduktor lainnya. Superposisi kcdua gaya mi pada elemen konduktor luar adalah saling menjumlahkan dan besarnya adalah:

Dimana:
Fe-2 = gaya pada satu elemen konduktor (N)
li = jarak antar ikatan (cm)
Je = jarak antar elemen konduktor dalam satu rel (cm)
Jika banyaknya konduktor per fasa adalah tiga, maka elemen konduktor yang beada ditengah akan mengalami dua gaya, yaitu gaya-gaya akibat interaksi arus elemen konduktor tangah dengan arus pada kedua elemen konduktor disebelahnya. Kedua gaya tersebut sama dan berlawanan arah karena arus pada setiap elemen konduktor sefasa dan jarak masing-masing konduktor luar ke konduktor tengah adalah sama, sehingga gaya yang dialami konduktor tengah adalah nol. Konduktor luar akan mengalami dua gaya, masing-masing hasil interaksi arus pada elemen tersebut dengan elemen konduktor lainnya.