Insulator pin & cap yang digunakan sebagai media insulasi pada jaringan transmisi tegangan tinggi didesain untuk memiliki lifetime kurang lebih 40 tahun. Sehingga insulator tersebut dirancang untuk mampu menahan baik itu stress mekanis, lingkungan dan juga stress elektris. Intensitas stress tersebut dapat membuat lifetime insulator berkurang. Sehingga perlu dilakukan mitigasi terhadap insulator yang mulai terjadi penuaan.
Diantara beberapa material insulator yaitu keramik dan kaca, material yang terbuat dari kacalah yang memiliki kelebihan mudah untuk dimonitor kondisinya. Pada insulator kaca yang mengalami degradasi maka mangkuk (skirt) nya akan pecah secara menyeluruh hingga hanya menyisakan cap metal yang disebut ‘stub’.
Sehingga, pada string insulator kaca seringkali kita temui insulator pecah salah satu kepingnya hingga menjadi stub. Yang menjadi pertanyaan adalah bagaimana kondisi dielektrik insulator yang memiliki stub?
Karakteristik elektris stub
Bila menemui kondisi dimana salah satu keping insulator pecah tentuk kita akan penasaran, seberapa berpengaruhkan keping yang pecah itu terhadap sistem dan apakah harus segera diganti bila materialnya tersedia. Serta berapa banyakkah jumlah keping maksimal yang pecah yang bisa ditoleril oleh sistem.
Seperti yang telah kita singgung di atas, insulator kaca didesain agar saat terjadi fail, maka material kacanya akan pecah menyeluruh dan hanya menyisakan cap metal atau stub. Kelebihan dari mekanisme safe fail tersebut adalah operator dapat dengan mudah mengetahui insulator yang fail sehingga dapat dilakukan langkah mitigasi selanjutnya. Hal ini sangat berbeda dengan insulator yang terbuat dari material keramik dimana, untuk mengetahui insulator yang fail maka harus dilakukan puncture test dan atau uji tahanan insulasi.
Karakteristik dielektrik dari sebuah insulator cap & pin didefinisikan menggunakan model resistansi (R) dan kapasitansi (C). Tidak seperti insulator keramit, sifat alami dari kaca (amorphorus material) menghasilkan produk yang sangat stabil sehingga kecil kemungkinan terjadinya micro crack maupun degradasi resistansi material.
Kondisi tersebut membuat nilai R dan C hanya dipengaruhi oleh unsur kimia campuran dari material kaca, ukuran mangkuk dielektri dan polutan yang menempel pada permukaan insulator. Sehingga nilai R dan C nya tidak terpengaruh oleh proses penuaan pada material itu sendiri.
Secara general, nilai resistansi dari insulator pada suhu ambient sekitar 10 GΩ-500 GΩ.
Sementara untuk nilai kapasitansinya (C) ada di median nilai 70 pF. Besarnya nilai C tersebut bergantung pada ketebalan lapisan kaca didalam cap metal. Maka semakin besar rating mekanis nya maka nilai C pada keping insulator juga akan semakin besar karena material yang lebih tebal.
Dari data diatas kita bisa membuat model insulator seperti pada gambar berikut.
Itu adalah model pada insulator normal. Bagaimana model pada insulator kaca yang pecah?
Bisa di perhatikan pada model insulator kaca yang pecah dimana terdapat komponen kapasitansi tambahan sehingga membuat nilai kapasitansi meningkat dibandingkan pada insulator yang sehat. Efek dari kenaikan nilai kapasitansi ini adalah meningkatkan nilai arus bocor dan membuat insulator mudah terjadi breakdown atau flashover. Nilai resistansi juga terjadi penurunan sehingga total dari besaran R dan C adalah 200 pF dan 20 MΩ serta insulator terjadi flash pada gap antara ball eye dan socket di permukaan kaca yang pecah pada tegangan 12 kV menurut eksperimen yang dilakukan oleh Sediver (produsen insulator).
Selain nilai elektris yang mengalami penurunan, stub juga mengalami pengurangan nilai creepace distance yang menyebabkan 1 keping insulator pecah flash pada tegangan 12 kV.
Penjelasan diatas adalah performa individu pada insulator kaca yang pecah. Bagaimana karakteristik stub yang ada di string insulator?
Performa string yang terdapat insulator pecah
Berdasarkan eksperimen yang dilakukan oleh Sediver dengan objek string insulator 138 kV dengan 8 keping per string dengan variasi jumlah keping insulator yang pecah didapat hasil sebagai berikut.
Berdasarkan hasil eksperimen tersebut, diketahui bahwa dalam satu string, maksimum jumlah keping pecah yang mampu di toleril oleh sistem sebanyak 4 buat stub. Hal itu ditandai dengan nilai wet power frek. dengan 4 buah insulator pecah masih berada di atas nilai tegangan phase-ground sistem.
Posisi menentukan performa
Selain jumlah keping yang pecah, letak dari keping yang pecah disuatu string juga berpengaruh pada performa insulator secara keseluruhan. Pada eksperimen yang dilakukan Leite et al, dengan menguji string yang memiliki kombinasi letak stub pada insulator 230 kV dengan 10 keping kondisi pecah dan 6 keping kondisi baik (gambar 1), serta string dengan 9 keping kondisi pecah dan 7 keping kondisi baik (gambar 2).
Konfigurasi tersebut diuji dengan injeksi tegangan pada rating frekuensi nominal dan impuls switching dan didapat hasil sebagai berikut.
Hasil dengan nilai breakdown voltage tertinggi didapat pada string dengan konfigurasi ke-4 dengan sebaran keping insulator pecah yang merata pada strin. Hal tersebut dikarenakan distribusi tegangan yang cendrung merata dibandingkan konfigurasi lainnya.
Kesimpulan
Insulator kaca memiliki kelebihan dimana mudah untuk mendeteksi keping yang mengalami fail dengan mekanisme pecah menyeluruh dan dapat dilihat dari permukaan tanah. String yang mengalami pecah memiliki batas jumlah toleransi yang dapat diterima sistem tanpa menyebabkan gangguan dimana pada percobaan pada insulator 138 kV didapat jumlah maksimum insulator pecah sebanyak 4 buah.
Sehingga pada string yang mengalami pecah satu keping tidak memiliki urgency untuk segera dilakukan penggantian apabila material tidak tersedia.
Saran
Meskipun telah didukung oleh beberapa penelitian, tetap harus dilakukan kajian terlebih dahulu mengingat variabel kondisi jaringan transmisi yang beragam serta material dan konfigurasi insulator yang berbeda meskipun dalam rating tegangan yang sama.
Sekian, semoga bermanfaat. Dikesempatan lain kita coba bahas studi kasusnya ya. CMIIW.
Referensi
- Cigre Working Group B2.03. “Guide for the Assessment of Old Cap & Pin and Long-Rod Transmission Line Insulators Made of Porcelain or Glass”. Cigre. 2006
- IEC 60797. “Residual Strength of String Insulator Units of Glass or Ceramic Material for Overhead Lines After Mechanical Damage of the Dielectric”. IEC. 1984
- Sediver. “Electrical Characteristics and Properties of a Stub (Damaged Toughened Glass Insulator)”. 18th International Symposium on High Voltage Engineering. 2013
- L. R. P. Leite et al. “Experimental Study of Electrical Breakdown Voltage of a Glass Insulator Strings with Different Numbers of Broken Units. IEEE. 2008
- Jean Marie George et al. “Mechanical and Electrical Behaviour of a Damaged Toughened Glass Insulator”. Sediver.