Gas Circuit Breaker (GCB) dengan Media Gas SF6

TUGAS KELOMPOK	DOSEN PEMBIMBING
SISTEM PROTEKSI	IR. PUHRANI BURHAN, MT

MEDIA PEMADAM BUSUR API

GAS (GCB)

Di Susun Oleh Kelompok 4 :

Nama                            :         NIM

Lia Novita Sari              :         E03130019

Rahmat Triadmojo                  :         E03 130020

Mailina                          :         E03130021

Hendra yani                             :         E03130022

M. Mahrawi                            :         E03130023

Kelas/Semester              :         Listrik A1/III

PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI BANJARMASIN

2014

A.  Landasa Teori

Gas Circuit Breaker (GCB)

Gas Circuit Breaker (GCB) merupakan salah satu bagian penting dari sistem proteksi yang berfungsi sebagai saluran penghubung antara sistem pembangkitan dan jaringan transmisi milik PLN. GCB adalah sebuah sistem penghubung dan pemutus jaringan listrik yang dikemas dalam sebuah tabung non-ferro dan menggunakan bahan gas Sulphurhexaflouride (SF6) sebagai media isolasinya. Gas SF6 mempunyai sifat elektronegatif yang berperan untuk menghambat busur api yang mungkin terjadi ketika operasi switchgearSifat gas SF6 murni adalah tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Pada suhu diatas 150º C, gas SF6 mempunyai sifat tidak merusak metal, plastic dan bermacam bahan yang umumnya digunakan dalam pemutus tenaga tegangan tinggi, Gas SF6 pada GCB berfungsi untuk meredam loncatan bunga api listrik sekaligus mengisolasikan antara bagian-bagian yang bertegangan.

Sebagai isolasi listrik, gas SF6 mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi (2,35 kali udara) dan kekuatan dielektrik ini bertambah dengan pertambahan tekanan. Sifat lain dari gas SF6 ialah mampu mengembalikan kekuatan dielektrik dengan cepat, tidak terjadi karbon selama terjadi busur api dan tidak menimbulkan bunyi pada saat pemutus tenaga menutup atau membuka. Sakelar PMT ini dapat digunakan untuk memutus arus sampai 40 KA dan pada rangkaian bertegangan sampai 765 KV.

JENIS BAHAN ISOLASI

A.  BAHAN ISOLASI GAS

Bahan isolasi gas adalah digunakan sebagai pengisolasi dan sekaligus sebagai media penyalur panas. Bahan isolasi gas yang dibahas dalam bab ini adalah : udara, sulphur hexa fluorida (SF6) sebagai titik berat di damping gas-gas lain yang lazim digunakan di dalam teknik listrik.

1. Udara

Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan, mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu 30 kV/ cm. Contoh yang mudah dijumpai antara lain : pada JTR, JTM, dan JTT antara hantara yang satu dengan yang lain dipisahkan dengan udara. Hubungan antara tegangan tembus dan jarak untuk udara tidak linier seperti ditunjukkan pada Gambar berikut

Gambar 1. Vt = f (celah udara) pada p = 1 atm, F = 50 Hz

2. Sulphur Hexa Fluorida
Sifat – sifat Gas SF6
2.2.1. Sifat Fisik
Sulphur hexa fluoride adalah senyawa yang mempunyai rumus SF6. Pada suhu dan tekanan ruang normal zat ini berbentuk gas dan mempunyai kerapatan 6,16 gr / liter pada suhu 20 oC dan 760 torr ( kira-kira lima kali kerapata udara ). Karena suhu kritisnya adalah 45,6 oC maka SF6 dapat dicairkan dengan kompresi, biasanya SF6 diangkut sebagai cairan didalam silinder. Gas murni tidak berwarna, tidak berbau dan tidak beracun.
Peringatan ; meskipun gas ini tidak beracun dan tidak bermanfaat untuk pernapasan, maka peralatan yang berisi gas SF6 tidak boleh ditempatkan dalam ruangan yang tidak cukup vetilasinya. Demikian pula karena karena kerapatan Gas lebih besar dari uadara maka harus hati-hati agar tidak sesak napas.
2.2.2. Sifat Listrik
Gas SF6 murni ( pada tekanan absolut = 1013 mbar dan temperatur = 200 C ) tidak berwarna, tidak berbau / beracun dengan berat isi 6,14 kg / m3 dan sifat lainnya adalah mempunyai berat molekul 146,7 g, temperatur kritis 45,550 C dan tekanan absolut kritis 37,59 bar
Gas SF6 dapat mengisolasi sampai dengan 20 kV di bandingkan dengan udara biasa hanya 10 kV, pada gas SF6 terlihat perubahan kemampuan isolasi yang signifikan pada tekanan 6 Bar. Oleh karena itu Gas SF6 sangat baik di gunakan untuk media isolasi pada GIS (Gas Insulated Switchgear).
Dilihat dari proses pemadaman busur api listrik diruang pemutus, PMT SF6 dapat dibagi dalam 2 ( dua ) tipe, yaitu tipe tekanan tunggal ( single pressure type ) dan tipe tekanan ganda ( double pressure type ).
2.2.3. Sifat Kimia
Sifat kimiawi gas SF6 sangat stabil, pada ambient temperatur dapat berupa gas netral dan juga sifat pemanasannya sangat stabil. Pada temperatur diatas 150o C mempunyai sifat tidak merusak metal, plastik dan bermacam-macam bahan yang umunya digunakan dalam pemutus tenaga tegangan tinggi.
2.3. Tekanan Gas ( Gauge presure pada 20° C )
Tekanan kerja nominal Modul 7,35 + 0,35 bar
dari piringan yang dapat meledak ( bursting Discs ) PMT 10,34 + 0,5 bar
Tekanan kerja nominal Modul 3,8 bar
PMT 6,2 bar
Tekanan pengisian kembali Modul 3,3 bar
PMT 5,7 bar
Tekanan kerja minimum Modul 3,1 bar
PMT 5,5 bar
2.4. Gas SF6 Berdasarkan Standard IEC 376
Unsur-unsur kimia yang terkandung dan tingkat kemurnian pada Gas SF6 yang dijual dipasaran antara lain adalah :
§ Carbon tetrafluoride ( CF4) 0,03%
§ Oxygen + nitrogen ( air ) 0,03
§ Water 15ppmM SF6 : 99,9%
§ CO2 traces
§ HF 0,3ppmM


2.5. Dampak Gas SF6

Terhadap Manusia
• Pencemaran Gas SF6 adalah mengandung racun yang berakibat pada kulit,mata dan dapat merusak selaput lendir dan bila terpegang lama akan menggangu pangkal tenggorokan dan gangguan paru-paru ,hati dan peredaran napas terhenti seperti pingsan.
• Dengan suatu konsentrasi SF6 melebihi 35% volume dalam udara itu berbahaya dan dapat berakibat mati lemas kekurangan Oxigen
Terhadap Peralatan
• Dalam kurun waktu yang tertentu akan terjadi pengapuran pada Kontak-kontak metalik dan terjadi pegumpalan berupa serbuk.
2.6 Pengotoran pada Gas SF6
Gas SF6 pada penggunaannya di GIS (Gas Insulated Switchgear) dapat terjadi Decomposition Product. Yaitu hasil pemecahan molekul dari gas SF6 yang merupakan akibat dari Electrical Discharge. Jika sudah terjadi hal tersebut maka konsentrasi kemurnian gas SF6 akan berkurang dan juga berkurangnya kualitas isolasi gas SF6. Berikut merupakan senyawa yang terbentuk dari Decomposition Product gas SF6.
Berikut batasan Decomposition Product yang di izinkan pada instalasi PLN P3B Jawa – Bali
Oleh karena hal tersebut maka diperlukan penyaringan Gas SF6 untuk memperbaiki kualitas kemurnian Gas SF6, jika sudah di lakukan penyaringan pada gas SF6, maka gas tersebut dapat digunakan kembali untuk mengisolasi peralatan.

Sulphur Hexa Fluorida (SF6) merupakan suatu gas bentukan antara unsur

sulphur dengan fluor dengan reaksi eksotermis :

S + 3 F2 ----------------SF6 + 262 kilo kalori

Molekul SF6 seperti ditunjukkan pada Gambar

Gambar. 2. Molekul sulphur hexa fluorida

Terlihat pada gambar 3.5 bahwa molekul SF6 mempunyai 6 atom Fluor yang mengelilingi sebuah atom Sulphur, di sini masing-masing atom Fluo mengikat 1buah elektron terluar atom Sulphur. Dengan demikian maka SF6 menjadi gas yang inert atau stabil seperti halnya gas mulia. Sampai saat ini SF6 merupakan gas terberat yang mempunyai massa jenis 6,139 kg/m3 yaitu sekitar 5 kali berat udara pada suhu 00 celsius dan tekanan 1 atmosfir. Sifat lainnya adalah : tidak terbakar, tidak larut pada air, tidak beracun, tidak berwarna dan tidak berbau. SF6 juga merupakan bahan isolasi yang baik yaitu 2,5 kali kemampuan isolasi udara. Perbandingan SF6 dengan beberapa gas lain seperti tercantum pada Tabel

Tabel 1

    Sifat beberapa Gas

Seperti telah disebutkan di atas, bahwa untuk pembentukan SF6 timbulpanas, ini berarti bahwa pada pemisahan SF6 menjadi Sulphur dan Fluor memerlukan panas dari sekelilingnya sebesar 262 k .  kalori/ molekul. Hal ini tepat sekali digunakan untuk bahan pendinginan pada peralatan listrik yang menimbulkan panas atau bunga api pada waktu bekerja, misalnya : sakelar pemutus beban. Sifat dari SF6 sebagai media pemadam busur api dan relevansinya pada sakelar pemutus beban adalah :

Ø Hanya memerlukan energi yang rendah untuk mengoperasikan mekanismenya. Pada prinsipnya SF6 sebagai pemadam busur api adalah tanpa memerlukan energi untuk mengkompresikannya, namun semata-mata karena pengaruh panas busur api yang terjadi.

Ø Tekanan SF6 sebagai pemadam busur api maupun sebagai pengisolasi dapat dengan mudah dideteksi.

Ø Penguraian pada waktu memadamkan busur api maupun pembentukannya kembali setelah pemadaman adalah menyeluruh (tidak ada sisa unsure pembentuknya)

Ø Relatif mudah terionisasi sehingga plasmanya pada CB konduktivitasnya tetap rendah dibandingkan pada keadaan dingin. Hal ini mengurangi kemungkinan busur api tidak stabil dengan demikian ada pemotongan arus dan menimbulkan tegangan antar kontak.

Ø Karakteristik gas SF6 adalah elektro negatif sehingga penguraiannya menjadikan dielektriknya naik secara bertahap.

Ø Transien frekuensi yang tinggi akan naik selama operasi pemutusan dan dengan adanya hal ini busur api akan dipadamkan pada saat nilai arusnya rendah.

3. Gas-gas lain

Gas bentukan fluoro organic misalnya C7F14, C7F8, C14, F24 mempunyai tegangan tembus yang tinggi, berkisar antara 6 – 10 kali tegangan tembus udara. Pemakaian gas ini cocok untuk bahan isolasi pada alat-alat pemutus.

Gas karbon dioksoda (CO2) dapat digunakan sebagai gas residu pada bahan dielektrik cair (minyak) pada alat-alat tegangan tinggi, antara lain : kabel dan trafo.

Gas neon adalah salah satu gas mulia yang banyak digunakan sebagai bahan pengisi lampu-lampu tabung. 

B. Kontruksi Dan Komponen

C. Prinsip Kerja

Ada dua kontak tetap dilengkapi dengan celah kontak tertentu . Sebuah jembatan geser silinder ini ke kontak tetap. Silinder aksial bisa meluncur ke atas dan ke bawah sepanjang kontak . Ada satu piston stasioner dalam silinder yang tetap dengan bagian stasioner lain dari SF6 pemutus sirkuit , sedemikian rupa sehingga tidak dapat mengubah posisinya selama gerakan silinder . Seperti piston tetap dan silinder gerak atau geser , volume internal perubahan silinder ketika slidesilinder.Selama pembukaan pemutus silinder bergerak ke bawah terhadap posisi piston tetap maka volume dalam silinder berkurang yang menghasilkan gas terkompresi SF6 dalam silinder . Silinder memiliki jumlah ventilasi samping yang diblokir oleh tubuh kontak tetap atas selama posisi tertutup . Sebagai silinder bergerak ke bawah lebih lanjut , ini bukaan ventilasi menyeberangi kontak tetap atas, dan menjadi diblokir dan kemudian dikompresi gas SF6 dalam silinder akan keluar melalui ventilasi dalam kecepatan tinggi terhadap busur dan melewati lubang aksial kedua kontak tetap . Busur dipadamkan selama ini aliran gas SF6 .

Selama penutupan SF6 pemutus sirkuit, bergerak silinder geser ke atas dan sebagai posisi piston tetap pada ketinggian tetap, volume meningkat silinder yang memperkenalkan tekanan rendah di dalam silinder dibandingkan dengan sekitarnya . Karena perbedaan tekanan ini gas SF6 dari sekitarnya akan berusaha untuk masuk dalam silinder . Semakin tinggi tekanan gas akan datang melalui lubang aksial kedua kontak tetap dan masuk ke dalam silinder melalui lubang dan selama aliran ini, gas akan memadamkan busur .

     Circuit-breaker                   Main contact                  Arcing contact                   Circuit-breaker
            closed                             separation                       separation                              open

Main Contact Separation

Tidak ada pemogokan busur listrik sebagai arus mengalir melalui kontak lengkung.Selama yang berjalan ke bawah, bagian bergerak kompres gas yang terkandung dalam majelis rendah.Gas dikompresi mengalir keluar dari majelis rendah ke ruang atas, membawa mereka berdua ke tekanan yang sama.

Arching Contact Separation

Arus mengalir berkat busur listrik yang telah dicapai antara kontak lengkung. Gas tidak bisa keluar melalui nozzle karena lubang masih tertutup oleh busur tetap kontak dan tidak bisa keluar melalui bagian dalam bergerak kontak lengkung baik karena busur listrik menutup (efek menyumbat) ini.

• dengan arus rendah, ketika arus melewati alam nol dan busur dipadamkan,
gas mengalir melalui kontak. Tekanan rendah mencapai tidak bisa memotong arus dan jumlah sederhana dari gas dikompresi cukup untuk mengembalikan perlawanan dielektrik antara dua kontak, mencegah restriking di depan meningkatnya tegangan kembali.
• dengan arus-pendek tinggi, gelombang tekanan yang dihasilkan oleh busur listrik menutup  katup antara dua kamar sehingga pemutus mulai beroperasi sebagai "selfblast murni". Peningkatan tekanan dalam volume atas berkat pemanasan gas dan molekul pemisahan karena suhu tinggi. Peningkatan tekanan yang dihasilkan adalah proporsional dengan arus busur dan membantu meyakinkan pendinginan pada bagian pertama melalui arus nol.

Circuit-breaker Open

Busur telah terganggu, tekanan yang dihasilkan diri dalam volume atas berkurang karena gas mengalir melalui kontak. Katup membuka kembali dan aliran sehingga baru segar gas masuk ke dalam ruang melanggar. Aparat Oleh karena itu segera siap untuk menutup dan perjalanan lagi hingga kapasitas melanggar maksimum.

D. Kelebihan dan kekurangan

Kelebihannya yaitu :

1.  Pengurangan sejumlah pemutus dalam hubungan seri per phasa pada rating tegangan yang digunakan.

2.  Karena waktu durasi yang pendek dari busur api, maka bunga api kontak yang terjadi dibatasi meskipun untuk arus hubung singkat yang sangat tinggi.

3.  Hasil busur api yang kebanyakan terdiri dari serbuk dengan sifat isolasi yang baik dapat dipindahkan saat perbaikan.

4.  Gas blast tidak di-discharge (pelepasan muatan) ke atmosfir sehingga saat bekerja akan lebih tenang jika dibandingkan dengan Air Blast Breaker.

5.  Memiliki sifat kimia yang lamban, stabil, tidak mudah terbakar dan tidak beracun.

6.  Pemutus dari gas SF6 mempunyai dimensi yang lebih jika dibandingkan dengan Air Blast Breaker.

Kekurangannya yaitu :

1.  Relatif lebih mahal dari segi pembiayaan.

2.  Walaupun dalam jumlah yang kecil, apabila terjadi kerusakan maka membutuhkan waktu yang lama untuk perbaikan

3.  Gas SF6 harus dipompa ke dalam tabung penyimpan apabila ada penelitian dan maintenance.

4.  Karena titik lelehnya sangat rendah yaitu 100 Celcius dan tekanan 1,520 kN/m2, maka perlu dipakai alat pengukur suhu untuk pengontrolan.

E. Rating Tegangan / Arusnya

F. Kesimpulan

• Proteksi transmisi tenaga listrik adalah adalah proteksi yang dipasang pada peralatan-peralatan listrik pada suatu transmisi tenaga listrik sehingga proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga listrik(gardu induk) hingga Saluran distribusi listrik (substation distribution) dapat disalurkan sampai pada konsumen pengguna listrik dengan aman.
• GCB merupakan salah satu dari beberapa jenis PMT, yang merupakan singkatan dari Gas circuit breaker.
• Gas pada GCB berfungsi untuk meredam loncatan bunga api listrik sekaligus mengisolasikan antara bagian-bagian yang bertegangan.
• GCB ini dapat digunakan untuk memutus arus sampai 40 KA dan pada rangkaian bertegangan sampai 765 KV.

G. Pertanyaan Dan Jawaban

Pertanyaan

1. Apakah fungsi GCB ?

2. Jenis Gas yang digunakan apa ?

3. Berapa tekanan gas nya ?

Jawaban

1.     Gas pada GCB berfungsi untuk meredam loncatan bunga api listrik sekaligus mengisolasikan antara bagian-bagian yang bertegangan.

2.     Gas SF6 Berdasarkan Standard IEC 376. Unsur-unsur kimia yang terkandung dan tingkat kemurnian pada Gas SF6 yang dijual dipasaran antara lain adalah :
§ Carbon tetrafluoride ( CF4) 0,03%
§ Oxygen + nitrogen ( air ) 0,03
§ Water 15ppmM SF6 : 99,9%
§ CO2 traces
§ HF 0,3ppmM

3.     Tekanan Gas ( Gauge presure pada 20° C )

·        Tekanan kerja nominal Modul 7,35 + 0,35 bar dari piringan yang dapat meledak ( bursting Discs ) PMT 10,34 + 0,5 bar

·        Tekanan kerja nominal Modul 3,8 bar PMT 6,2 bar

·        Tekanan pengisian kembali Modul 3,3 bar PMT 5,7 bar

·        Tekanan kerja minimum Modul 3,1 bar PMT 5,5 bar