Medium Voltage Line Cover atau disingkat MVLC merupakan suatu alat pelindung yang di desain untuk menginsulasi konduktor telanjang (bare conductor) secara temporer pada jaringan distribusi tegangan menengah (20kV/36kV) dari ancaman vegetasi maupun penda asing lainnya. Cara pemasangannya adalah dengan dipasang secara langsung pada konduktor dengan metode zipper untuk mengunci penutupnya. Yang harus digaris bawahi adalah istilah temporernya yang kita bahas lebih detail.
Kalau merujuk dari datasheet untuk produk tersebut, electrical properties nya adalah sebagai berikut
| Kondisi | Rating |
|---|---|
| AC Dry Withstand / 1 min | 15 kV min / 25 kV min |
| AC Wet Withstand / 1 min | 15 kV min / 25 kV min |
| AC Dry Long term Withstand 4 hrs | 8.6 kV min / 14.4 kV min |
| Dielectric Strength (ASTM D149) | 217 kV/cm at 1.27 mm |
Pengujian lab dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui seberapa dekat jarak maksimum antara konduktor yang bertegangan dengan referensi bumi hingga terjadi flash-over pada MVLC dengan rating 25 kV paka kondisi normal.
Metode pengujian dilakukan dengan menempatkan MVLC diantara air gap dengan nilai tegangan yang dinaikkan secara bertahap dari 25 kV dengan step 2 kV/detik dan ditahan selama 1 menit sebelum tegangan dinaikkan kembali hingga terjadi failure berupa flash-over atau munculnya noise korona.
Hasil yang didapat adalah sebagai berikut.
Berdasarkan data di atas dapat kita ketahui kalau alat tersebut didesain untuk jaringan tegangan menengah dan ditujukan sebagai proteksi temporer. Nah, yang menjadi pertanyaan, jika alat ini digunakan pada jaringan tegangan tinggi 150 kV_{LL} akankah memiliki pengaruh bila bertujuan untuk mitigasi Right of Way permanen seperti bangunan?
Kita coba bahas secara detail studi kasus yang menarik ini. Tapi sebelumnya, kita bahas dasar teori apa yang dapat digunakan untuk menjawab pertanyaan di atas sembari review ulang pelajaran fisika waktu di sekolah dulu.
Medan Listrik
Medan listrik merupakan karakteristik dari kelistrikan yang berhubungan langsung dengan materail dielektrik. Potensial listrik φ memiliki satuan unit volts (V) dan tegangan listrik juga memiliki satuan unit volts (V) merupakan kuantitas yang mirip yang ditujukan untuk menyatakan nilai potensial dari titik A dan dengan referensi yang sama ke titik A’. Potensial listrik (V_{AA’}) antara titik A dan A’ merupakan total dari penjumlahan setaip titik yang berada pada kurva garis antara dua titik tersebut dan dinotasikan menggunakan persamaan integrasi sebagai berikut:
V_{AA’} (\phi)= - \int_{A}^{A’} \vec{E} . d \vec{l} = \int_{A’}^{A} \vec{E} . d \vec{l}
Persamaan integral di atas merupakan line integral yang secara umum mengevaluasi nilai sepanjang kurva yang menghubungkan titik A dengan A’ pada bidang vektor medan listrik \vec{E} dengan satuan V/m. Pada persamaan tersebut dapat kita ambil nilai skalar di sembarang tempat dari persamaan vektor garis arah medan listrik.
Tegangan Listrik Relatif Terhadap Ground
Tegangan diantara 2 titik sembarang misal di titik V_{AA'}, maka akan menghasilkan drop tegangan atau beda tegangan di sepanjang elemen sirkuit. Disaat yang bersamaan, dapat kita definisikan tegangan absolut diantara 2 titik tersebut dengan nilai nol. Titik nol tersebut dikatakan sebagai referensi ground atau ground reference. Secara teknik, referensi ground ini bisa berupa koneksi langsung dengan bumi atau hanya common neutral pada sistem. Sehingga referensi absolut tegangan terhadap ground dinotasikan dengan V \vec{r} yang didefinisikan sebagai titik dimana A berada pada posisi relatif terhadap \vec{r} dan nilai A akan bernilai nol saat mendekati ground. Persamaannya menjadi seperti ini.
\vec{E}(\vec{r}) = -gradV(\vec{r}) = -\nabla V(\vec{r})
Dalam bidang elektromagnetisme, simbol nabla (\nabla) merupakan operator yang mewakili nilai dari properti medan elektris dan magnetis yang berfungsi untuk menghitung besaran vektor dan skalar dari suatu gradien potensial listrik. Sehingga medan listrik diekspresikan sebagai gradien dari potensial listrik di ruang bebas. Dengan kata lain, medan listrik tidak memiliki rangkaian tertutup.
Sebagai contoh, kita tentukan sumbu x pada gambar di bawah sebagai referensi ground. Terminal positif memiliki nilai +0.5 V relatif terhadap ground dan terminal negatif memiliki nilai -0.5 V yang juga relatif terhadap ground.
Hasil yang ditunjukan pada illustrasi di atas memperlihatkan permukaan pada konduktor membentuk suatu gradien ekuipotensial, atau memiliki garis potensial listrik yang realtif terhadap garis gradien tegangan degnan nilai konstan (1 V pada gambar di atas) yang saling tegak lurus. Garis ekuipotensial itulah yang mewakili garis medan listrik pada suatu konduktor degan objek lain di dalam suatu ruang.
Contoh lainnya dengan menggunakan model manusia yang berada dalam pengaruh medan listrik di bawah kondukor jaringan listrik.
Pada gambar di atas menunjukan kalau medan listrik dengan gradient terkuat terkonsentrasi pada bagian tubuh dengan geometri yang ‘tanajm’ seberti kepala dan tangan. lengkung pada gradien tersebut dipengaruhi oleh kurva ekuipotensial tubuh manusia dengan gradien tegangan karena tubuh manusia juga memiliki nilai konduktif. Sekedar contoh saja.
Model Fisik pada Rangkaian Listrik
Kita illustrasikan suatu rangkaian listrik yang menggunakan 2 kawat dan memiliki 3 elemen yaitu:
- Power supply tegangan listrik searah (DC) steady state.
- Sebuah beban listrik yang dimodelkan dengan material resistan.
- Dua kawat yang menghubungkan supply dengan beban. Bisa kita anggap kawat tersebut sebagai jaringan transmisi.
Pada gambar di bawah ini menunjukan model fisik dari rangkaian sederhana.
Pada illustrasi di atas, magnitude medan listrik tertinggi berada tepat diantara 2 kawat konduktor. Disaat yang bersamaan, medan listrik didalam kawat pada umumnya sangat kecil, walaupun begitu, cukup untuk mampu mengalirkan arus karena nilai konduktivitas material yang sangat tinggi.
Bila kita bandingkan dengan illustrasi pada instalasi transmisi maka gradient medan listrik akan terlihat seperti ini.
Material Dielektrik
Material dielektrik di dalam medan listrik dapat diasumsikan sebagai susunan listrik dipole pada ruang bebas yang tidak memiliki muatan bebas sehingga tidak berkontribusi terbahan proses konduksi atau media perambatan arus. Listrik dipole merupakan sistem dua muatan listrik yang sama besar tetapi berlawanan kutub yang terpisah oleh jarak tertentu. Sehingga, muatan tersebut hanya terikat oleh gaya atomik dan molekuler dan hanya bisa terjadi pergeseran sebagai respon adanya medan listrik eksternal. Nah, pergeseran inilah yang menjadi sebab munculnya arus bocor. Berbeda dengan material konduktif yang memiliki elektron valensi yang mudah berpindah apabila ada muatan listrik.
Karakteristik dari semua material dielektrik memiliki kesamaan entah itu padat, cair atau gas yaitu adalah kemampuan material tersebut untuk menyimpan energi listrik. Penyimpanan tersebut bisa terjadi karena adanya pergeseran relatif antara posisi ikatan positif-negatif muatan dengan posisi normal dari gaya atomik. Oleh karena itu, pengujian insulasi yang optimal adalah dengan mengetahui nilai kapasitansi insulasi tersebut. Karena kemampuan penyimpanan energi listrik yang membuat insulasi memiliki sifat kapasitif.
Performa material insulasi bergantung pada temperatur operasinya. Semakin tinggi suhunya artinya semakin tinggi juga tingkat degradasi materialnya sehingga semakin cepat terjadi breakdown. Suhu ini berkaitan dengan seberapa besar potensi terjadinya aliran arus bocor di dalam volume insulasi.
Jika rating dielektrik suatu insulasi berada pada ambang batas rating tegangan, artinya kemungkinan terjadi partial discharge di dalam volume insulasi semakin tinggi yang berakibat meningkatnya suhu media insulasi tersebut.
Penghantar dengan Insulasi Udara
Penghantar dengan insulasi udara merupakan tipe penghantar yang memiliki desain yang cukup minimalis. Konduktor digelar dan digantung menggunakan insulator string di tower lalu selebihnya, konduktor memanfaatkan udara bebas untuk media pelepasan medan listriknya. Selain itu, penghantar dengan insulasi ini mudah dimonitor kondisinya karna dapat diasesmen secara visual.
Pada gambar di bawah dapat dilihat kalau terdapat beda potensial antara konduktor dengan ground, dan karena ada jarak antara dua elektroda tersebut sehingga terjadi efek kapasitansi dan resistansi yang besar antara konduktor dengan ground. Pada penghantar dengan jarak panjang, efek kapasitansi ini dapat memicu terjadinya ferranti effect sehingga diperlukan suatu kompensator di ujung penghantar. Kita bahas lebih lanjut kapan-kapan.
Kemudian sejauh jarak antara konduktor dengan ground, garis medan listrik yang memancar dari konduktor akan mengarah ke object dengan potensial rendah seperti ground.
Udara bukan merupakan material insulasi yang baik karena memiliki voltage breakdown yang rendah dibanding material insulasi yang lain. Meskipun secara ekonomis tetap jauh lebih murah dari metode insulasi yang lain seperti kabel misalnya jika right of way bukan masalah.
Apabila tegangan antara konduktor dengan ground meningkat atau jarak antara konduktor dengan ground terlalu dekat sehingga dapat menyebabkan stress elektrik pada konduktor meningkat dan menyebabkan breakdown pada udara.
Pada kondisi tersebut, udara sudah kehilangan nilai insulasinya karena terbentuknya lapisan ionisasi, dan mengubah sifat layer udara tersebut menjadi konduktif atau bisa disebut sebagai proses pembentukan korona. Apabila objek ground cukup dekat, maka akan terjadi lompatan busur api dari korona ke objek ground tersebut.
Insulasi untuk Mengurangi Kebutuhan Ruang Bebas
Ruang bebas atau Right of Way merupakan faktor penting dalam pemanfaatan udara bebas sebagai insulator. Dapat dilihat luasan area yang dibutuhkan oleh gardu induk dengan insulasi udara dibandingkan dengan gardu induk dengan insulasi gas, perbandingan ruang yang dibutuhkan cukup jauh. Bayangkan jika konduktor dengna insulasi udara digantikan dengan insulasi yang lebih baik dari udara.
Kita bandingkan dengan gambar sebelumnya, bandingkan dengan apabila konduktor ditambahkan sebuah insulasi. Distribusi tegangan dari konduktor ke permukaan cover konduktor dan dari cover konduktor ke ground akan memiliki proporsi impedance yang sama.
Jumlah muatan listrik yang dapat mengalir dari cover ke ground dalam kondisi terjadi kontak antara cover dengan ground dipengaruhi oleh ketebalan, konstanta dielektrik dan impedansi permukaan dari cover konduktor ke area yang terjadi kontak dengan ground.
Apabila kita anggap cover tersebut suatu insulasi yang baik dan cocok untuk memfasilitasi kontak langsung dengan permukaan ground selama tidak terjadi degradasi kimiawi dan thermal. Tapi muncul permasalahan, lanjut di bawah ya.
Medan Listrik Pada Konduktor Udara
Kembali ke konduktor yang di cover dengan material insulasi pada insulator string. Ketika objek ground mendekat ke cover konduktor, anggaplah objek tersebut pohon, garis medan listrik dapat terdistorsi dan bermuara ke objek ground tersebut.
Pada gambar tersebut, terlihat lengkungan garis medan listrik yang terbentung dari garis equipotensial yang tegak lurus dari bidang medan seperti yang sudah kita bahas di atas. Kurva garis tersebut dihasilkan oleh beda potensial pada cover konduktor tersebut denga objek ground.
Pada level tegangan rendah, efek tersebut dapat diabaikan. Tapi seiring dengan meningkatkanya tegangan, akan muncul gradien potensial yang cukup untuk mendorong arus mengalir menembus ke permukaan cover, atau disebut dengan tracking. Meskipun arus tersebut kecil, tingginya resistansi permukaan menyebabkan pemasansan pada media insulasi dan dapat merusak cover tersebut. Itulah kenapa cover konduktor MVLC hanya mampu bekerja secara temporer.
Jika proses tersebut terjadi dalam jangka waktu yang cukup lama, maka akan memicu terjadinya arosi yang memicu kerusakan yang signifikan dan berujung pada breakdown.
Bagaimana caranya untuk menghindari hal tersebut?
Shield pada Insulasi
Untuk benar-benar dapat menghalau medan listrik agar tidak menembus media insulasi, perlu ditambahkan lapisan semikonduktif atau resistif di permukaan insulasi. Lapisan ini dapat memblokir garis medan listrik karena terperangkap dalam efek kapasitansi untuk menampung muatan antara lapisan metalik yang terhubung dengan ground. Nah muatan di dalam celah tersebut harus tetap dikendalikan sehingga tidak terbentuk jalur antara permukaan semikonduktor dengan ground. Jalur ini dapat menyebabkan breakdown pada lapisan tersebut atau disebut proses treeing.
Tujuan dari penambahan shield ini adalah:
- Menjaga stress yang didistribusikan didalam insulasi tetap simetris dan tidak terpusat pada bagian tertentu.
- Mengeleminasi stress pada permukaan insulasi
- Melindungi kabel dari induksi atau over voltage dengan prinsip menjaga surge impedance tetap seragam disepanjang kabel.
Untuk spesifikasi kabel power terdapat batas arus gangguan yang dapat ditampung pada shield tersebut. Saat terjadi malfungsi pada lapisan tersebut, dapat berdampak pada stress maximum di lapisan insulasi.
Shield Konduktor
Instalasi shield insulasi dapat menyebabkan seluruh stress tegangan terpusat di lapisan insulasi. Terutama akibat permukaan konduktor yang tidak rata karena efek standed konduktor.
Pada gambar diatas ditambahkan shield pada konduktor untuk meminimalisir permukaan yang tidak rata pada konduktor. Permukaan konduktor yang tidak rate tersebut dapat meningkatkan stress lokal yang terus terjadi dalam waktu yang lama. Tidak seperti insulasi cair dan udara/gas, kerusakan kecil akan berdampak pada breakdown dalam waktu panjang.
Beberapa faktor di atas menyebabkan line cover hanya mampu menahan medan listrik sementara, tidak untuk waktu yang lama.
Properti Elektrikal pada Material Insulasi
Dalam kondisi stress tegangan tinggi, atau lebih tinggi dari rating dielektrik, karakteristik yang harus diperhatikan adalah dielectric strength. Insulasi harus bisa menahan kehadiran patial discharges (terjadi penguraian muatan pada void di dalam insulasi). Masalahnya, pengukuran dielectric strength tidak menghasilkan nilai konstan, tapi berdasarkan variabel yang bergantung dari bagaimana pengujian dilakukan. Singkatnya, dielectric strength harus cukup tinggi untuk suatu insulasi agar dapat bekerja secara fungsional.
Properti elektrikal dari suatu material insulasi sangat dipengaruhi dari struktur kimianya. Kita bahas pada material polimer atau polyolefin khususnya. Sebagai gambaran saja.
Ketika material polimer terekspos dengan medan listrik, rangkaian polimer memiliki tendensi untuk terpolarisasi dan stress seperti pada gambar di bawah.
Ada kecendrungan pada muatan positif untuk berpindah ke elektroda negatif dan sebaliknya dan memicu terjadinya arus bocor.
Dielectric Strength
Dielectric strength atau kuat dielektrik dari suatu material insulasi dapat didefinisikan sebagai batasan stress tegangan dimana material dielektrik tersebut sudah tidak mampu lagi menjaga integritas insulasinya. Pada kondisi tersebut, stress tegangan menyebabkan insulasi menjadi gagal/fail kemudian terjadi discharges sehingga terjadi kerusakan baik secara fisik/visual maupun secara mikroskopis atau molekular. Saat kondisi tersebut sudah dialami oleh insulasi, material tersebut sudah tidak dapat kembali ke performa insulasi awalnya.
Dielectric strength dinyatakan dalam satuan stress per unit ketebalan misal kV/mm. Nilai dielectric strength tersebut mewakili kemampuan intrinsic strength pada dielektrik. Intrinsic strength merukapan karakteristik suatu material itu sendiri dalam kondisi murni tanpa cacat lalu diuji dalam kondisi dimana dapat dihasilkan nilai breakdown pada kondisi stress tegangan setinggi mungkin.
Electric Breakdown pada Insulasi Padat
Insulasi merupakan material yang penting yang digunakan pada sistem instalasi tegangan tinggi/ekstra tinggi. Dielectric strength pada suatu insulasi dapat didefinisikan sebagai kemampuan maksimum suatu material untuk menahan stress medan listrik. Penyebab utama ternyadinya failure pada insulasi adalah kehadiran discharge (pelepasan muatan) antara didalam void atau di permukaan suatu insulasi. Hal tersebut dipicu akibat performa dielectric strength yang terus melemah karena berbagai faktor.
Karakter utama pada insulasi padat dan komposit adalah tipe ini non self-restoring. Artinya, setelah terjadi breakdown pada material insulasi, maka material tersebut akan kehilangan karakter dielektrinya.
Mekanisme breakdown pada insulasi padat merupakan suatu fenomena yang kompleks dan bervariasi tergantung fungsi waktu saat terekspos tegangan. Berikut ini klasifikasi mekanisme breakdown pada insulasi solid:
- Intrinsik atau ionik breakdown
- elekctromechanical breakdown
- failure karena proses treeing dan tracking
- thermal breakdown
- electrochemical breakdown
- dan breakdown karena discharge internal
Breakdown Instrinsik
Breakdown intrinsik merupakan suatu keadaan dimana material insulator yang bersifat homogenik atau memiliki material dengan jenis yang seragam, terekspos dengan tegangan tinggi yang jauh diatas rating dielektriknya.
Breakdown intrinsik bergantung pada ketersediaan elektron bebas yang akan menjadi media transfer elektron pada medium dielektris. Pada umumnya, terdapat jumlah kecil elektron bebas pada insulasi solid akibat impuritas material yang berdampak pada terjadinya arus bocor pada insulasi kondisi normal.
Kekuatan dielektrik dari suatu material bergantung pada kondisi molekul dari suatu material yang bekerja pada rentang dari medan listrik dan suhu tertentu. Ketika rentang kerja dielektrik tersebut terlampaui, elektron tambahan ditambah elektron pada material dielektrik akan melepaskan diri sehingga karakter dielektris material tersebut berubah menjadi material konduktif sehingga terjadi proses konduksi.
Breakdown melalui elektron valensi
Elektron yang mengalamai konduksi memiliki energi yang cukup sehingga dapat berpindah akibat tumbukan dari elektron lainnya saat kondisi material yang berada dalam pengaruh medan listrik diatas ambang batas dielektriknya. Atau mendistorsi orbit elektronnya yang memicu lompatan elektron karena gap energi yang mendekat dengan orbit atom yang di sebelahnya. Sehingga elektron valensi melompati gap elektroda sehingga dapat berpindah orbit. Proses tersebut terus berulang sehingga breakdown terjadi.
Pada kondisi aktual, breakdown tidak terjadi hanya pada satu jalur perpindahan elektron valensi . Tapi terjadi akibat beberapa lompatan elektron valensi didalam material dielektrik dan menjalar disepanjang ketebalan material seperti pada gambar dibawah.
Breakdown dalam waktu singkat
Jika stress medan listrik memiliki magnitude yang sangat tinggi, failure akan muncuk dalam waktu singkat meskipun secara visual tidak terlihat kerusakan pada permukaan insulasi saat terjadi breakdown. Ketika nilai medan listrik melampaui critical stress pada suatu lapisan dielektrik, pelepasan muatan dengan magnitude tertentu dapat menembus dan mempenetrasi insulasi didalam volume material sehingga terjadi breakdown. Artinya material yang memiliki sifat dielektrik akan berubah menjadi konduktif.
Melalui gambar di atas diilustrasikan saat bidang ground mendekati konduktor yang ditutup oleh suatu cover insulasi dan digantung di udara. Semakin ground mendekat ke konduktor, garis medan listrik akan semakin terdistorsi dan terjadi bending sepenuhnya secara tegak lurus ke objek ground dan meningkatkan beda potensian dengan permukaan cover.
Bila kita tambahkan suatu cover insulasi maka pada tegangan dibawah rating insulasi, hal tersebut dapat dianggap memiliki pengaruh yang kecil selama tidak ada sentuk langsung dengan cover. Tetapi pada level tegangan yang jauh diatas rating insulasi, maka akan menghasilkan gradien tegangan yang cukup untuk membuat arus mengalir melewati cover insulasi tersebut atau bisa disebut dengan istilah tracking.
Bila jarak antara kondutor yang ditutup oleh cover cukup jauh, hal tersebut tidak terlalu critical. Tetapi apabila jarak antara konduktor dengan bidang ground cukup dekat, maka resistansi permukaan cover akan memanas dan menyebabkan erosi hingga terjadi breakdown.
Dengan constrain tersebut dan faktor proximity, perlu diperhatikan penambahan ketebalan cover sesuai dengan waktu kerja relatif terhadap rating tegangan sistem.
Studi Kasus MVLC Pada Tegangan Tinggi
Untuk memprakirakan apakah MVLC dapat berfungsi untuk mengurangi kebutuhan air clearance pada transmisi tegangan tinggi, yang perlu diperhatikan pertama kali adalah dielectric strength pada yaitu sebesar 217 kv/cm pada sample pengujian 1.27 mm.
Bila ketebalan MVLC itu sebesar 1.27 mm berarti dielectric strength material tersebut sebesar 27.56 kV. Artinya apabila material tersebut terekspos tegangan melebihi rating dielectric tersebut maka material itu akan kehilangan sifat dielektriknya dan berubah sifat menjadi konduktif. Seberti yang seudah dijelaskan di atas.
Lalu bagaimana dengan hasil uji
Bila kita rangkum pada level tegangan uji dimana MVLC flash maka didapat hasil berikut.
| Gap [mm] | Breakdown Voltage [kV] | Dielectric Strength [kv/cm] |
| 50 | 46 | 9.2 |
| 100 | 71 | 7.1 |
| 200 | 125 | 6.25 |
| 310 | 166 | 5.3 |
Bila kita badningkan dengan breakdown voltage udara yang berkisar antara 19-30 kV/mm maka hasil uji menunjukkan nilai yang jauh lebih kecil dibanding nilai dielectric strength udara. Hal ini dapat dipicu karena tegangan uji sudah melampaui nilai dielectric strenght material yaitu 27.56 kV.
Oleh karena itu, berdasarkan hasil uji, pabrikan hanya merekomendasikan penggunaan MVLC hanya sebagai pencegah terjadinya flash over dari konduktor ke ground pada jarak minimum 50 mm dalam kondisi tegangan rating sebesar 25 kV dalam waktu 1 menit.
Lalu bagaimana efek pemasangan MVLC pada jaringan transmisi tegangan tinggi?
Kembali lagi ke rating dielectric strength, hal tersebut tidak memiliki pengaruh apa-apa. Seperti yang sudah kita bahas, line cover tersebut sudah kehilangan sifat dielektrik nya saat diberi tegangan 150\sqrt{3} V_{LG} karena mengalami intrinsic breakdown. Namun selama air clearance tetap terjaga pada jarak aman, berarti tidak ada yang perlu dikhawatirkan.
Terima kasih sudah membaca. Apabila ada penyampaian saya yang keliru atau kurang tepat, silahkan dikoreksi melalui kolom komentar ya..
Credits
Header Foto: Har Jaringan ULTG Jember
Referensi
- Farouk A.M. High Voltage Engineering. CRC Press. FL. 2014
- William Thue. Electrical Power Cable Engineering. CRC Press. fFL. 2012
- M.S Naidu. High Voltage Engineering 2nd Edition. McGraw-Hill. 1995
- E. Kuffel. High Voltage Engineering Fundamentals. Newnes. 2000