Isolator: Pengertian, Fungsi, Bahan, dan Karakteristik
Isolator adalah bahan yang tidak efisien dalam mengalirkan panas atau arus listrik karena elektron tidak dapat bergerak dengan bebas melaluinya. Terdapat tiga jenis bahan berdasarkan kemampuan menghantar listrik, yaitu konduktor (baik dalam menghantar listrik), semikonduktor (menghantar listrik dengan kurang baik), dan isolator (tidak menghantarkan listrik).
Pengertian Isolator
Apa itu isolator? nah, isolator adalah bahan yang sulit atau tidak bisa melakukan perpindahan muatan listrik. Hal ini karena elektron dalam isolator sulit bergerak karena terikat kuat pada inti atom.
Umumnya, benda isolator listrik terbuat dari bahan seperti porselen atau kaca, yang digunakan untuk mengisolasi tegangan listrik antara kawat penghantar dan tiang.
Fungsi Isolator
Dalam sistem transmisi tegangan tinggi isolator merupakan salah satu komponen penting yang mendukung kontinuitas pelayanan daya listrik. Di mana isolator pada Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) berfungsi :
- Dari segi listrik untuk mengisolasikan (media penyekat) antara kawat penghantar yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan (tower/tiang). Oleh karena itu tingkat isolasi harus diperhatikan sehingga tidak memungkinkan terjadinya gangguan-gangguan pada saluran daya.
- Dari segi mekanik untuk penahan berat dari penghantar/konduktor, untuk mengatur jarak dan sudut antara penghantar dengan penghantar.
Jadi tingkat isolasi yang dimaksud disini adalah kemampuan untuk memisahkan sistem tegangan, sehingga tidak tembus sekelilingnya. Besarnya isolasi pada umumnya 3 hingga 3,3 kali tegangan sistem, dimaksudkan akan tahan terhadap muka tegangan petir pada waktu 1,2 mikro detik. Apabila nilai isolasi menurun akibat dari polutan maupun kerusakan pada isolasinya, maka akan terjadi kegagalan isolasi yang akhirnya dapat menimbulkan gangguan.
Dalam hal ini syarat utama dari isolator yang digunakan pada sistem transmisi tegangan tinggi adalah :
- Secara mekanis harus kuat, guna menanggung beban tarik kawat maupun beban berat isolator dan kawat penghantar
- Tidak terpengaruh terhadap perubahan temperatur atau cuaca
- Tahan terhadap gas-gas ataupun cairan yang diserap oleh bahan isolator
- Memiliki kekuatan dielektrik yang cukup tinggi
Jadi isolator perlu memiliki kekuatan Mekanikal (M) dan Elektrikal (E) yang baik, yang sering disebut kekuatan M & E.
Bahan-Bahan Isolator
1. Bahan-bahan Isolasi
Bahan isolasi yang biasa dipergunakan pada isolator saluran udara yang dioperasikan pada tegangan tinggi (di atas 1 kV) adalah bahan porselin, bahan gelas serta bahan polymer (composite).
2. Bahan Porselin (keramik)
Porselin terbuat dari tanah liat china (china clay) yang terdapat di alam dalam bentuk alumunium silikat. Bahan tersebut dicampur kaolin, felspar dan quarts. Kemudian campuran ini dipanaskan dalam tungku yang suhunya dapat diatur. Bahan porselin dibakar sampai keras, halus mengkilat dan bebas dari lubang-lubang.
Untuk mendapatkan sifat-sifat listrik dan sifat mekanis yang baik, harus dipilih suhu pemrosesan bahan isolasi yang sesuai, karena jika bahan isolasi diproses pada suhu yang agak rendah, sifat mekanisnya baik, tetapi bahan tetap berlubang-lubang. Sedangkan jika diproses pada suhu yang tinggi, lubang-lubangnya berkurang tetapi bahan menjadi rapuh.
Isolator porselin yang baik secara mekanis mempunyai kuat dielektrik kira-kira 60 kV/cm, kuat tekan dan kuat tariknya masing-masing 70.000 kg/cm2 dan 500 kg/cm2.
Beberapa kelebihan isolator porselin/keramik antara lain:
1. Stabil, adanya ikatan ionik yang kuat antaratom yang menyusun keramik, seperti silikon dan oksigen dalam silica dan silicates, membuatnya strukturnya sangat stabil dan biasanya tidak mengalami degradasi karena pengaruh lingkungan. Ini berarti bahwa isolator keramik tidak akan rusak oleh pengaruh UV, kelembaban, aktivitas elektrik, dsb.
2. Mempunyai kekuatan mekanik yang baik, merupakan ciri alami bahwa bahan keramik mempunyai sifat mekanik yang kuat, sehingga pada pemakaian isolator porselin sebagai terminal kabel, bushing, dan arrester surja tidak memerlukan material lain untuk meyokongnya.
3. Harganya relatif murah, penyusun porselin seperti clay, feldspar dan quartz harganya relatif murah dan persediaannya berlimpah.
4. Tahan lama, proses pembuatan porselin yang terdiri dari beberapa proses seperti pencetakan dan pembakaran dalam mengurangi kadar air menyebabkan porselin mempunyai sifat awet.
Di samping kelebihan-kelebihan di atas, isolator porselin mempunyai beberapa kekurangan, yaitu:
1. Mudah pecah, isolator porselin rentan pecah pada saat dibawa maupun saat instalasi. Vandalisme merupakan faktor utama yang yang menyebabkan isolator pecah.
2. Berat, salah satu sifat dari keramik adalah mempunyai massa yang berat. Oleh karenanya, pada isolator porselin berukuran besar dan berat biasanya mahal karena biaya yang dikeluarkan untuk pengiriman dan instalasi.
3. Berlubang akibat pembuatan kurang sempurna, berdasarkan pengalaman isolator porselin yang berlubang dapat meyebabkan terjadinya tembus internal (internal dielectric breakdown).
4. Bentuk geometri kompleks, porselin mempunyai relatif mempunyai karakteristik jarak rayap yang kecil, oleh karenanya untuk memperpanjang jarak rayap tidak dilakukan dengan memperbesar diameter atau memperpanjang isolator melainkan mendesain isolator dengan membuat shed-shed. Hal ini membuat bentuknya menjadi kompleks.
5. Mudah terpolusi, permukaan porselin bersifat hidrophilik, yang berarti bahwa permukaan porselin mudah untuk menangkap air, sehingga pada kondisi lingkungan yang berpolusi mudah untuk terbentuk lapisan konduktif di permukaannya. Hal ini yang dapat menyebabkan kegagalan isolasi yaitu flashover.
3. Bahan Gelas
Selain bahan porselin, bahan gelas juga banyak digunakan sebagai isolator pasangan luar (outdoor insulator) atau isolator saluran udara (overhead insulator), karena bahan gelas mempunyai kelebihan-kelebihan sebagai berikut:
- Kuat dielektriknya tinggi, sekitar 140 kV/cm
- Koefesien muainya rendah
- Mudah didesain (karena kuat dielektrikanya tinggi)
- Kuat tekannya lebih besar daripada porselin
- Karena sifatnya yang tembus pandang, adanya keretakan, ketidakmurnian bahan, adanya gelembung udara dan pecahnya isolator mudah diketahui
- Bahan hampir merata (homogen)
Selain keuntungan-keuntungan yang dimilikinya, isolator gelas juga mempunyai kerugian sebagai berikut:
1. Uap air mudah mengembun pada permukaannya. Oleh karena itu debu dan kotoran akan mudah mengumpul pada permukaannya, kejadian ini akan memudahkan mengalirnya arus bocor serta terjadinya flashover
2. Untuk dipergunakan pada sistem tegangan yang tinggi, gelas tidak dapat dicor dalam bentuk yang tidak beraturan, karena pendinginan yang tidak teratur akan menimbulkan tekanan dari dalam.
3. Mudah pecah, sama seperti bahan porselin, bahan gelas mempunyai sifat yang mudah pecah pula. Vandalisme merupakan penyebab utama pecahnya isolator gelas (misal ditembak).
4. Bahan Polimer (Composite)
Bahan polimer telah dipakai selama kurang lebih 50 tahun dan mengalami perkembangan pesat dibanding bahan lainnya. Menurut R. Hackam, pada tahun 1940 telah dipakai bisphenol epoxy resin untuk isolator dalam, cycloaliphatic epoxy untuk isolator luar (1950). Selanjutnya terjadi perkembangan pesat dalam pemakaian polimer untuk bahan isolator dan dibuat untuk skala komersial.
Ethylene Propylene Rubber (EPR) dibuat oleh Ceraver, Francis (1975), Ohio Brass, USA (1976), Sedivar, USA (1977), dan Lapp, USA (1980). Silicone Rubber (SIR) dibuat oleh Rosenthal, Jerman (1976) dan Reliable, USA (1983), serta penggunaan cycloaliphatic epoxy pada jaringan transmisi di United Kingdom (1977).
Isolator komposit (composite insulator) telah digunakan di beberapa negara lebih dari tiga dekade sebagai alternatif pengganti isolator porselin dan gelas. Isolator komposit menunjukkan performansi yang bagus pada beberapa kondisi, terutama untuk daerah berpolusi.
Beberapa kelebihan yang dimiliki oleh isolator polimer:
- Ringan, kepadatan material polimer lebih rendah dibandingkan keramik maupun gelas, hal ini menyebabkan isolator polimer ringan, sehingga mudah dalam penanganan maupun instalasi.
- Bentuk geometri sederhana, karena mempunyai karakteristik jarak rayap yang relatif besar menyebabkan desain isolator polimer sederhana.
- Tahan terhadap polusi, karena bahan polimer mempunyai sifat hidrophobik (menolak air) yang baik. Sehingga air atau kotoran lainnya akan sukar menempel pada permukaannya meskipun dioperasikan pada kondisi lingkungan yang berpolusi maka isolator polimer mempunyai ketahanan tegangan lewat-denyar yang baik.
- Waktu pembuatan lebih singkat dibandingkan dengan isolator porselin, namun tidak mengurangi performansinya.
- Tidak terdapat lubang karena pembuatan, karena sifat polimer yang berbeda dengan porselin dalam hal pembuatannya. Sehingga memungkinkan tidak terjadinya tembus internal.
Sedangkan kekurangan yang dimilki oleh isolator polimer adalah:
1. Penuaan/degradasi pada permukaannya (surface ageing), stress yang disebabkan antara lain karena korona, radiasi UV atau zat kimia dapat menyebabkan reaksi kimia pada permukaan polimer. Sehingga dapat merusak permukaan polimer (penuaan) yang dapat menghilangkan sifat hidrofobiknya,
2. Mahal, bahan penyusun polimer lebih mahal dibandingkan dengan porselin maupun gelas.
3. Kekuatan mekaniknya kecil, isolasi polimer biasanya tidak mampu untuk menyokong dirinya sendiri. Oleh karenanya dalam instalasi dibutuhkan peralatan lain seperti jacket (oversheath) sebagai penyokongnya.
4. Kompabilitas material, produk polimer menpunyai interface lebih dari satu sumbu bergantung pada fungsi dan desainnya. Apabila terdapat banyak interface menyebabkan pengaruh penting pada perekatnya. Oleh karenya harus diketahui dengan jelas sebelum menggunakan isolator polimer, sebab dapat menimbulkan korosi atau retakan apabila formulasinya tidak sesuai.
Bahan isolator terbuat dari :
- Keramik/porselin : Mempunyai keunggulan tidak mudah pecah, tahan terhadap cuaca, harganya relatif mahal. Pada umumnya isolator menggunakan bahan ini.
- Gelas/kaca : Mempunyai kelemahan mudah pecah. Digunakan hanya untuk isolator jenis piring.
Bahan kaca ini memiliki beberapa keuntungan yaitu :
- Mempunyai kekuatan dielektrik yang cukup tinggi yaitu kira-kira 140 kV/cm dari tebalnya bahan tersebut.
- Dengan pemanasan yang tepat akan diperoleh resistivitas yang tinggi.
- Mempunyai koefisien muai panas yang rendah.
- Biaya pembuatannya lebih murah dibandingkan dengan porselin isolator.
- Bersifat transfaran (lebih jernih) sehingga setiap kerusakan adanya gelembung udara, keretakan-keretakan, ketidakmurnian dapat dengan mudah diamati.
- Daya rentangnya jauh lebih besar dari pada porselin isolator.
Karakteristik Isolator
Untuk memastikan performa yang optimal, isolator harus memiliki beberapa karakteristik penting:
1. Ketahanan Dielektrik Tinggi
Isolator harus memiliki ketahanan dielektrik yang tinggi untuk mencegah arus listrik bocor melalui bahan isolator. Ini sangat penting untuk memastikan keamanan dan kinerja sistem listrik.
2. Ketahanan Mekanis
Isolator harus cukup kuat untuk menahan beban mekanis yang mungkin timbul selama operasi. Ini termasuk beban dari kabel listrik yang digantungkan pada isolator, serta beban dari angin dan getaran.
3. Ketahanan terhadap Suhu dan Lingkungan
Isolator harus mampu bertahan dalam kondisi lingkungan yang ekstrem, termasuk suhu tinggi, kelembaban, dan paparan bahan kimia. Ini memastikan bahwa isolator dapat berfungsi dengan baik dalam berbagai kondisi operasional.
4. Stabilitas Kimia
Isolator harus memiliki stabilitas kimia yang baik untuk mencegah degradasi material selama penggunaan jangka panjang. Ini termasuk ketahanan terhadap oksidasi, korosi, dan reaksi kimia lainnya.
5. Tidak Mudah Terbakar
Isolator harus memiliki sifat tidak mudah terbakar untuk memastikan bahwa mereka tidak akan menjadi sumber api dalam kondisi kegagalan listrik. Ini sangat penting untuk keselamatan sistem secara keseluruhan.
Kesimpulan
Isolator adalah komponen yang sangat penting dalam sistem listrik, yang berfungsi untuk mencegah hubungan singkat, melindungi peralatan, dan menjaga keselamatan pengguna. Berbagai bahan seperti keramik, kaca, plastik, dan mica digunakan dalam pembuatan isolator, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya.
Isolator yang baik harus memiliki ketahanan dielektrik tinggi, ketahanan mekanis, dan stabilitas kimia yang baik. Dalam aplikasi praktis, isolator digunakan dalam jalur transmisi, peralatan listrik, dan instalasi rumah tangga untuk memastikan kinerja dan keselamatan sistem listrik secara keseluruhan.
Randra Agustio Efryansah
Blogger | Instalasi Tenaga Listrik | Elektronika | Energi Terbarukan