-
KONDUKTOR
Makalah ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Material
Teknik Listrik
Disusun oleh :
Kelompok VIII
1. Adi Wijayanto 2. Anggita Andriani 3. Dona Andika Sukma 4.
Moch Arief Albachrony 5. Reny Anggraeny 6. Robi Alamsyah 7. Syarif
Jamaluddin
PROGRAM S1-EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA
2009
-
KONDUKTOR/PENGHANTAR
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. Konduktor biasanya merupakan material
dari logam. Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis
yang kecil. Pada umumnya logam bersifat konduktif. Emas, perak,
tembaga, alumunium, zink, besi berturut-turut memiliki tahanan
jenis semakin besar. Jadi sebagai penghantar emas adalah sangat
baik, tetapi karena sangat mahal harganya, maka secara ekonomis
tembaga dan alumunium paling banyak digunakan.
Jenis Bahan Konduktor
Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi
persyaratan-persyaratan sebagai
berikut: 1. Konduktifitasnya cukup baik. 2. Kekuatan mekanisnya
(kekuatan tarik) cukup tinggi. 3. Koefisien muai panjangnya kecil.
4. Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar.
Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:
1. Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.
2. Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau
aluminium yang
diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain,
yang gunanya untuk menaikkan kekuatan mekanisnya.
3. Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih
yang dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau
pengelasan (welding).
Klasifikasi Konduktor bahannya: 1. kawat logam biasa,
contoh:
a. BBC (Bare Copper Conductor).
-
b. AAC (All Aluminum Alloy Conductor). 2. kawat logam campuran
(Alloy), contoh:
a. AAAC (All Aluminum Alloy Conductor) b. kawat logam paduan
(composite), seperti: kawat baja berlapis tembaga (Copper
Clad Steel) dan kawat baja berlapis aluminium (Aluminum Clad
Steel). 3. kawat lilit campuran, yaitu kawat yang lilitannya
terdiri dari dua jenis logam atau
lebih, contoh: ASCR (Aluminum Cable Steel Reinforced).
Klasifikasi konduktor menurut konstruksinya: 1. kawat padat
(solid wire) berpenampang bulat. 2. kawat berlilit (standart wire)
terdiri 7 sampai dengan 61 kawat padat yang dililit
menjadi satu, biasanya berlapis dan konsentris. 3. kawat
berongga (hollow conductor) adalah kawat berongga yang dibuat
untuk
mendapatkan garis tengah luar yang besar.
Klasifikasi konduktor menurut bentuk fisiknya:
1. konduktor telanjang. 2. konduktor berisolasi, yang merupakan
konduktor telanjang dan pada bagian luarnya
diisolasi sesuai dengan peruntukan tegangan kerja, contoh: a.
Kabel twisted.
b. Kabel NYY c. Kabel NYCY
d. Kabel NYFGBY
Pada sistem 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 kepanel kontrol pada gardu induk dan dari
panel kontrol ke jaringan distribusi hantaran udara.
a. 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.
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 mediayang 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 memperbesardiameter 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 berdiameteryang lebih besar dengan luas
penampang yang sama dengan konduktor masif.
b. KABEL Bagian utama dari kabel adalah inti atau konduktor,
bahan isolasi, bahan pengisi, bahan pengikat, bahan pelindung beban
mekanikdan 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 dengandiameter 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.
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 mineraldan 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 bebanyang 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 lebihbesar 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 kabelyang
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 isolasidan 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.
Karakteristik Konduktor
Ada 2 (dua) jenis karakteristik konduktor, yaitu: 1.
karakteristik mekanik, yang menunjukkan keadaan fisik dari
konduktor yang
menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor (dari SPLN
41-8:1981, untuk konduktor 70 mm2 berselubung AAAC-S pada suhu
sekitar 30 C, maka kemampuan maksimal dari konduktor untuk
menghantar arus adalah 275 A).
2. karakteristik listrik, yang menunjukkan kemampuan dari
konduktor terhadap arus listrik yang melewatinya (dari SPLN 41-10 :
1991, untuk konduktor 70 mm2 berselubung AAAC-S pada suhu sekitar
30o C, maka kemampuan maksimum dari konduktor untuk menghantar arus
adalah 275 A).
Konduktivitas listrik
Sifat daya hantar listrik material dinyatakan dengan
konduktivitas, yaitu kebalikan dari
resistivitas atau tahanan jenis penghantar, dimana tahanan jenis
penghantar tersebut didefinisikan sebagai:
= .
dimana; A : luas penampang (m2) l : Panjang penghantar (m) :
tahanan jenis penghantar (ohm.m)
-
R : tahanan penghantar (ohm) : konduktivitas
Menyatakan kemudahan kemudahan suatu material untuk meneruskan
arus listrik. Satuan konduktivitas adalah (ohm meter).
Konduktivitas merupakan sifat listrik yang diperlukan dalam
berbagai pemakaian sebagai penghantar tenaga listrik dan mempunyai
rentang harga yang sangat luas. Logam atau material yang merupakan
penghantar listrik yang baik, memiliki konduktivitas listrik dengan
orde 107 (ohm.meter) -1 dan sebaliknya material isolator memiliki
konduktivitas yang sangat rendah, yaitu antara 10-10 sampai dengan
10-20 (ohm.m)-1. Diantara kedua sifat ekstrim tersebut, ada
material semi konduktor yang konduktivitasnya berkisar antara 10-6
sampai dengan 10-4 (ohm.m)-1. Berbeda pada kabel tegangan rendah,
pada kabel tegangan menengah untuk pemenuhan fungsi penghantar dan
pengaman terhadap penggunaan, ketiga jenis atau sifat konduktivitas
tersebut diatas digunakan semuanya.
Logam Konduktivitas listrik (siemens ) Perak ( Ag ) 6,8 x 107
Tembaga (Cu) 6,0 x 107 Emas ( Au ) 4,3 x 107 Aluminium (Al) 3,8 x
107 Kuningan ( 70% Cu 30% Zn ) 1,6 x 107 Besi ( Fe ) 1,0 x 107 Baja
karbon ( Ffe C ) 0,6 x 107 Baja tahan karat ( Ffe Cr ) 0,2 x
107
Tabel 1. Konduktivitas Listrik Berbagai Logam dan Paduannya Pada
Suhu Kamar.
Kriteria mutu penghantar
Konduktivitas logam penghantar sangat dipengaruhi oleh unsur
unsur pemadu, impurity atau ketidaksempurnaan dalam kristal logam,
yang ketiganya banyak berperan dalam proses pembuatan pembuatan
penghantar itu sendiri. Unsur unsur pemandu selain mempengaruhi
-
konduktivitas listrik, akan mempengaruhi sifat sifat mekanika
dan fisika lainnya. Logam murni memiliki konduktivitas listrik yang
lebih baik dari pada yang lebih rendah
kemurniannya. Akan tetapi kekuatan mekanis logam murni adalah
rendah. Penghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan
konduktivitas yang tinggi juga membutuhkan sifat mekanis dan fisika
tertentu yang disesuaikan dengan penggunaan penghantar itu sendiri.
Selain masalah teknis, penggunaan logam sebagai penghantar ternyata
juga sangat ditentukan oleh nilai ekonomis logam tersebut
dimasyarakat. Sehingga suatu kompromi antara nilai teknis dan
ekonomi logam yang akan digunakan mutlak diperhatikan. Nilai
kompromi
termurahlah yang akan menentukan logam mana yang akan digunakan.
Pada saat ini, logam Tembaga dan Aluminium adalah logam yang
terpilih diantara jenis logam penghantar lainnya yang memenuhi
nilai kompromi teknis ekonomis termurah.
Dari jenisjenis logam penghantar pada tabel 1. diatas, tembaga
merupakan penghantar yang paling lama digunakan dalam bidang
kelistrikan. Pada tahun 1913, oleh International Electrochemical
Comission (IEC) ditetapkan suatu standar yang menunjukkan daya
hantar kawat tembaga yang kemudian dikenal sebagai International
Annealed Copper Standard
(IACS). Standar tersebut menyebutkan bahwa untuk kawat tembaga
yang telah dilunakkan dengan proses anil (annealing), mempunyai
panjang 1m dan luas penampang 1mm2, serta mempunyai tahanan listrik
(resistance) tidak lebih dari 0.017241 ohm pada suhu 20oC,
dinyatakan mempunyai konduktivitas listrik 100% IACS.
Akan tetapi dengan kemajuan teknologi proses pembuatan tembaga
yang dicapai dewasa ini, dimana tingkat kemurnian tembaga pada
kawat penghantar jauh lebih tinggi jika dibandingkan pada tahun
1913, maka konduktivitas listrik kawat tembaga sekarang ini bisa
mencapai diatas 100% IACS.
Untuk kawat Aluminium, konduktivitas listriknya biasa
dibandingkan terhadap standar kawat tembaga. Menurut standar ASTM B
609 untuk kawat aluminium dari jenis EC grade atau seri AA 1350(*),
konduktivitas listriknya berkisar antara 61.0 61.8% IACS,
tergantung pada kondisi kekerasan atau temper. Sedangkan untuk
kawat penghantar dari paduan aluminium seri AA 6201, menurut
standar ASTM B 3988 persaratan konduktivitas listriknya tidak boleh
kurang dari 52.5% IACS. Kawat penghantar 6201 ini biasanya
digunakan untuk bahan kabel dari jenis All Aluminium Alloy
Conductor (AAAC).
-
Disamping persyaratan sifat listrik seperti konduktivitas
listrik diatas, kriteria mutu lainnya
yang juga harus dipenuhi meliputi seluruh atau sebagian dari
sifat sifat atau kondisi berikut ini, yaitu:
a. komposisi kimia.
b. sifat tarik seperti kekuatan tarik (tensile strength) dan
regangan tarik (elongation). c. sifat bending. d. diameter dan
variasi yang diijinkan. e. kondisi permukaan kawat harus bebas dari
cacat, dan lain-lain.
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 mana: 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 berikut Faktor kb Konduktor Berkas
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.
-
Tembaga dan Aluminium
Pada saat ini ada 2 (dua) jenis material yang secara komersial
cocok dan banyak dipakai untuk keperluan konduktoq yaitu tembaga
(Cu) dan aluminium (Al). Tabel 2 di bawah ini memberikan beberapa
perbanding an ke-Z material tersebut.
Tabet 2. Spesifikasi Umum Tembaga dan Aluminium
Dari Tabel 2. di atas dapat dilihat bahwa untuk kekuatan dan
penghantaran arus yang tinggi, maka tembaga lebih baik daripada
aluminium. Kekurangan tembaga adalah kerapatannya sebesar 8,91
gran/cm3 sehingga jauh rebih berat persatuan volumenya dibandingkan
dengan aluminium yang hanya 2,70 gram/cm3, dengan demikian untuk
volume yang sama tembaga
(Cu) mempunyai berat lebih dari 3 (tiga) kali berat aluminium.
Untuk menyalurkan arus listrik yang sama besarnya, maka konduktor
dengan material
aluminium tetap akan lebih ringan dibandingkan dengan tembaga,
walaupun untuk itu konduktor aluminium akan mempunyai diameter
lebih besar daripada tembaga. Dalam suatu sistem masalah berat
perlu mendapat perhatian. Tetapi selain berat material maka masalah
yang lebih penting adalah jarak antara fasa terutama bila konduktor
menghantarkan arus dalam jumlah yang besar, karena biasanya tekanan
elektromagnetis lebih kuat dibandingkan tekanan (stress) karena
berat materialnya. Harus disadari bahwa titik lebur
-
tembaga rebih tinggi daripada aluminium sehingga tembaga dapat
dipakai pada temperature operasional yang lebih tinggi.
Kemampuan tembaga (Cu) untuk menahan panas dan tekanan
elektromagnetis akibat pembebanan yang berlebih juga merupakan
suatu pertimbangan dari segi keamanan. Faktor lain yang rnenjadi
pertimbangan adalah biaya isolasi yang lebih besar untuk aluminium.
Karena untuk menghantarkan arus yang sama diameter konduktor
aluminium lebih besar
daripada tembaga sehingga luas permukaan jadi lebih besar yang
menyebabkan biaya isolasi juga akan semakin meningkat.
Konduktivitas Tembaga
Tembaga murni memiliki resistansi volum ( pada suhu 200C ) 1.697
x 108 m lebih rendah dibandingkan material yang diketahui kecuali
perak. Pada tahun 1913 International Electrochemical Commission
membentuk International Annealed Copper Standard (IACS), dimana
konduktivitas semua tingkatan dan kemurnian tembaga serta
campurannya diukur. Standar telah memilih kawat tembaga yang
diperkuat sepanjang 1 meter dengan luas penampang 1 mm2, mempunyai
resistansi 0,017241 . Hubungan resistivitas volum pada 20 C adalah
1.7241 x 10-8 m, mewakili 100% IACS. Presentase IACS untuk setiap
material yang lain dapat dihitung sebagai berikut
%IACS = .
100%
Tembaga dengan kemurnian tinggi dapat dihasilkan, dimana nilai
konduktivitas listrik sampai 101,5% sering digunakan. Konduktivitas
pada 20 C dari material logam lainnya dibandingkan dengan tembaga
adalah perak 104%, aluminium 60%, nikel 25%, besi 17%, platina 16%,
tin 13% dan timah 8%. Ketidakmurnian tembaga menyebabkan penurunan
konduktivitas. Campuran dengan fosfor, arsenic, antimony dan nikel
biasanya dijumpai pada beberapa tingkatan tembaga merupakan
ketidakmurnian yang buruk. Sedangkan campuran dengan perak, cadmium
dan seng sedikit menurunkan konduktivitas, namun akan meningkatkan
sifat sifat mekanis.
-
Efek Ketidakmurnian Elemen pada Resistivitas Listrik Untuk
Tembaga
Resistivitas listrik tembaga, sebagaimana yang terjadi pada
semua logam murni lainnya, akan berubah menurut temperatur.
Perubahan ini cukup untuk menurunkan konduktivitas tembaga
sebesar 76% pada temperatur 1000C dari nilai penghantarannya
pada temperatur 200C. Perubahan resistansi dapat dihitung dengan
:
di mana 11 adalah konstanta koefisien temperatur resistansi
tembaga pada t10C. Untuk
temperatur acuan 00C persamaan menjadi
Walaupun resistansi dapat dianggap sebagai fungsi linier dari
temperatur untuk tujuan praktis, harga koefisien temperatur
tidaklah konstan tetapi tergantung dan berubah menurut temperatur
acuan sesuai dengan persamaan di bawah ini:
Jadi konstanta koefisien temperatur tembaga yang mengacu pada
temperatur dasar 00C adalah
Pada 200C harga konstanta koefisien resistansi adalah
-
Beberapa Tipe Tembaga (Cu)
Tembaga yang digunakan untuk penghantaran arus listrik adalah
yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi Ketidakmurnian material
akan dapat mengubah struktur kristal, dan hal ini dapat dihasilkan
dari proses/cara pembuatannya sehingga mempengaruhi sifat mekanik
dan
elektrik dari material tersebut. Tingkat ketidakmurnian yang
mempengaruhi sifat elektrik dan mekanik tergantung daripada
banyaknya elemen atau unsur yang ada dalam campuran material
tersebut, contohnya; kehadiran 0,04% fosfor dalam tembaga akan
mengurangi daya hantar listrik dari material High Conductivity Cu
(HCCu) menjadi sekitar 80% IACS. Adapun ketidakmurnian total
termasuk oksigen adalah kurang dari 0,1%, tembaga dengan tipe ini
dikenal sebagai High Conductivity Copper (HCCu). Pemeriksaan secara
mikroskopis dan analisis juga dilakukan untuk memastikan bahwa
produk yang dihasilkan tetap sama, dan untuk bahan yang annealed
kondisi penghantaran arus listrik yang melebihi 100% IACS adalah
biasa. Berikut adalah beberapa tipe tembaga.
Tembaga Keras (Hard Copper)
Tembaga jenis ini dihasilkan dari proses
pencairan/peleburan/pelelehan katode elektrolit Kandungan
oksigennya sedikit dan berasal dari penambahan O2 yang dilakukan
dengan hati-hati yang merupakan ketidakmurnian dalam material.
Keberadaannya didalam material
berbentuk halus, dan partikel CuO ini tersebar merata dengan
baik, dan partikel ini dapat terlihat hanya dengan pengujian
mikroskopis. Kandungan oksigen dalam tembaga jenis ini berkisar
antara 0,02-0,05%. Di antara kedua batasan limit tersebut di atas
maka keberadaan oksigen dalam bentuk ini hanya mempunyai
pengaruh yang kecil terhadap sifat mekanik dan elektriknya.
Dalam kondisi yang demikian maka apabila tembaga (Cu) dipanaskan
pada tekanan atmosfer yang rendah, maka yang terjadi adalah
lepasnya ikatan ikatan (berupa butiran) dan tingkat porositasnya
semakin tinggi.
Tembaga Penghantaran Tinggi Bebas Oksigen (Oxygen Free HCCU)
-
Bila diinginkan agar keadaan seperti pada material yang
disebutkan di atas tidak terjadi, maka digunakan material yang
berbeda kemurniannya. Tetapi untuk itu harganya menjadi lebih
mahal, karena tembaga (Cu) dengan penghantaran arus listrik yang
tinggi ini memang dibuat khusus untuk itu dan dikenal dengan oxygen
free HCCu. Biasanya material ini diproduksi dengan melelehkan dan
penuangan di mana prosesnya dijaga dari udara atmosfer. Untuk
mendapatkan HCCu yang diinginkan, maka diperlukan bahan mentah yang
terbaik dan sudah
diseleksi, sehingga dapat dihasilkan tembaga dengan kemurnian
yang tinggi dengan kadar mencapai 99,95%. HCCu yang bisa didapat di
pasaran adalah dalam bentuk batangan, wire-bar, dan billet.
Tembaga Campuran
Lima jenis tembaga campuran berikut ini, dapat dijumpai pada
aplikasi yang luas dalam industri kelistrikan di mana memerlukan
penghantaran daya listrik yang tinggi. Campuran
tembaga tersebut adalah tembaga kadmium, tembaga kromium,
tembaga silver, tembaga telurium dan tembaga sulfur. Semuanya dapat
dijumpai dalam bentuk tempaan, dan khusus untuk tembaga kromium,
tembaga telurium dan tembaga sulfur dapat drlumpai sebagai tuangan
dan bentukan. Resistivitas listriknya berbeda-beda dari 1,71
mikrohm-cm untuk tembaga silver yang diperkuat pada temperatur
200C, sampai 4,9 mikrohm-cm untuk tembaga kromium pada temperatur
yang sama.
Fungsi utama masing-masing campuran ditentukan dari
penggunaannya. Sebagai contoh tembaga kadmium dihasilkan sebagai
kawat yang kuat sedangkan tembaga silver umumnya
dibuat dalam bentuk lapisan tipis (strip). Sebagian besar
tembaga kromium dihasilkan sebagai batangan danjuga sebagai tuangan
dan bentukan, walaupun demikian bentuk kawat dan strip juga
tersedia. Kuantitas dari lima elemen yang diperlukan untuk
memberikan perbedaan sifat-sifat pada
campuran ini sangat kecil, batasan normalnya adalah: tembaga
kadmium terdiri dari 0,7-1,0% kadmium; tembaga kromium terdiri darr
0,4-0,8% kromium, tembaga silver terdiri dari 0,03-
0,1% silver; tembaga telurium terdiri dari 0,3-0,7% telurium;
dan tembaga sulfur terdiri dari 0,3-0,6% sulfur. Tabel 3
menunjukkan sifat-sifat fisis tembaga campuran.
Tabel 3. Sifat-Sifat Fisis Tembaga Campuran
-
Tembaga Kadmium
Karakteristik materi;l ini memiliki kekuatan yang lebih besar di
bawah tekanan statis yang
berubah-ubah dan lebih tahan dibandingkan tembaga biasa. Hal ini
khususnya sesuai sebagai kawat kontak pada kereta listrik, trem,
bus-bus troli, dan peralatan sejenis. Tembaga kadmium ini juga
digunakan untuk saluran transmisi udara yang mempunyai rentang yang
panjang antarmenaranya. Karena tembaga kadmium mampu menahan
kekerasan dan kekuatan yang diberikan oleh kerja pada temperatur di
atas, maka tembaga ini mempunyai penerapan khusus laiq di mana
tembaga berpenghantaran tinggi akan melunak. Contohnya
adalah penjepit/pemegang elektroda pada mesin las listrik,
tungku pembakaran busur api (arc furnace) dan elektroda pada mesin
las baja. Tembaga kadmium juga digunakan untuk batang komutator
mesin-mesin listrik jenis tertentu. Karena batas elastisitasnya
termasuk tinggi, pada kondisi pekerjaan kasar dan kuat, tembaga
kadmium juga digunakan untuk membatasi pembesaran pegas yang
diperlukan untuk menyalurkan arus. Tuangan tembaga kadmium,
walaupun jarang sekali digunakan, mempunyai penerapan tertentu
untuk komponen peralatan pemutus tenaga dan transformator sekunder
pada mesin las listrik. Tembaga kadmium dapat dipatri, patri perak
dan dibrazing
dengan cara yang sama seperti tembaga biasa.
Tembaga Kromium
-
Tembaga kromium sesuai untuk digunakan apabila diperlukan
kekuatan yang lebih tinggi daripada tembaga biasa. Sebagai contoh
untuk elektroda las jenis titik (spot) dan sambungan. Strip dan
kawat digunakan untuk membawa arus. Segmen komutator yang
diperlukan untuk beroperasi pada temperatur tinggi biasanya
dijumpai pada mesin-mesin berputar dan penerapan lainnya. Pada
keadaan perlakuan panas, material dapat digunakan pada temperatur
sampai sekitar 3500C tanpa risiko kerusakan dari sifat-sifat
mekanisnya. Dalam kondisi perlakuan panas, tembaga kromium menjadi
lunak dan dapat dibentuk oleh mesin. Tembaga kromiunt serupa dengan
tembaga biasa dalarn hal oksidasi dan skala
temperatur. Metode penyambungannya serupa dcrtgan ,embaga
kadmium. Tembaga kromium dapat dilas dengan menggunakan teknologi
pengelasan busur api berperisai gas.
Tembaga Perak
Tembaga perak mempunyai kapasitas penghantaran arus listrik yang
sama dengan tembaga
berpenghantaran tinggi biasa, tetapi di samping itu, tembaga
perak merniliki dua sif-at-sifat yang secara praktis penting.
Temperaturnya rendah, setelah pengerasan, pendinginan, dan
kenaikan resistansinya perlahan-lahan. Hal prinsip penggunaan
material ini adalah berhubungan dengan mesin-mesin listrik yang
dijalankan pada temperatur yang lebih tinggi dari temperature
normal. Tembaga perak didapatkan dalam bentuk batangan atau
potongan, khususnya yang dirancang
untuk segmen komutator, rotor dan pemakaian sejenis. Tembaga
perak tersedia juga sebagai penghantar dan dalam bentuk lapisan
tipis (strip). Tembaga perak dapat dipatri, dibrazing atau dilas
tanpa kesulitan. Walaupun tembaga perak tidak dapat dianggap
sebagai material yang bebas dipotong, tetapi tidak sulit untuk
dikerjakan dengan mesin. Dalam hal tahan korosi, tembaga perak
serupa dengan tembaga biasa.
Tembaga Telurium
Ciri-ciri khusus dari material ini adalah mudah dikerjakan
dengan mesin, mempunyai kapasitas penghantaran arus listrik yang
tinggi dan tahan terhadap korosi. Tembaga telurium tidak cocok
untuk dilas, walaupun demikian pengelasan busur api berperisai gas
dan pengelasan resistansi dapat dilakukan dengan hati-hati.
Pemanfaatan yang spesifik dari material ini adalah untuk badan
magnetron yang sebagian besar dilakukan dengan mesin dari bentuk
materialblok padatan. Tembaga telurium dapat dipatri dan dibrazing
tanpa kesulitan.
-
Tembaga Sulfur
Seperti tembaga telurium, tembaga sulfur adalah campuran tembaga
untuk penghantaran arus listrik yang tinggi dan lebih tahan
pelunakan serta tahan terhadap korosi. Tembaga sulfur dapat
dijumpai pada penggunaan semua bagian peralatan yang memerlukan
penghantaran arus listrik yang tinggr seperti: material kontalg
sambungan dan komponen listrik lainnya. Karakteristik penyambungan
serupa dengan tembaga telurium.
Kekuatan Mekanis Tembaga
Untuk mengetahui kekuatan mekanis tembaga dapat dijelaskan
sebagai berikut:
Kekuatan Peregangan
Kekuatan peregangan HC-Cu adalah 150-170 N/mm2, tetapi dengan
melakukan sedikit perubahan struktur material maka kekuatannya
dapat mencapai 200-220N/mm2. Kekuat an peregangan maksimum juga
tergantung kepada bentuk dan luas potongan daripada konduktor
tembaga. Biasanya pada Busbar konduktor Cu yang keras, kekuatan
peregangannya dapat mencapai
250-340 N/mm2 (tergantung luas potongannya).
Kekerasan
Pengujian kekerasan biasanya hanya dilakukan pada kulit
permukaannya saja. Pada High Conductivity Cu (HCCu) dalam
pengujiannya berhasil dengan baik untuk dioperasikan pada
temperature 1050C untuk waktu 20-25 tahun, dan dapat menahan arus
hubung singkat setinggi 2500C untuk beberapa detik tanpa efek yang
merugikan.
Tahanan Kelelahan
Kelelahan adalah mekanisme yang mendahului terjadinya perpatahan
pada material, ini dapat terjadi karena adanya tekanan yang
berfluktuasi. Proses yang menyebabkan terjadinya kerusakan/patah
adalah karena adanya perambatan keretakan yang timbul pada
suatu
-
arealtrtik pemikul beban, kemudian keretakan ini berkembang
sampai menyebabkan kerusakan pada bagian tersebut.
Pembentukan dan Pembengkokan
High conductivity copper adalah kondisi material copper yang
baik dan dapat menahan
tekukan yang cukup dalam. Secara umum, tembaga (copper) keras
dapat ditekuk membentuk lingkaran dengan radius sepert pada Tabel
4, pada halaman berikut ini.
Tabel 4. Radius Penekukan/Pembengkokan dari Copper
Untuk ketebalan di atas 50 mm, penekukan tidak dapat dilakukan
seperti biasa, tetapi penekukan dapat dikerjakan dengan melakukan
pemanasan setempat terlebih dahulu. Beberapa Sifat Mekanis dan
Listrik dari Tembaga Tembaga, sebagai bentuk tuangan, mempunyai
kekuatan tarik (tensile strength) 150-170 MN/m2. Rolling atau
perlakuan panas dan dingin berikutnya dapat menaikkan kekuatan
tarik menjadi 230 MN/m2 untuk material yang diperkuat dan sampai
maksimum 450 MN/m2. Melalui batasan kekuatan ini modulus tarik
meningkat dari 110 GN/m2 menjadi 139 GN/m2. Material dengan
perlakuan tarik dingin (cold drawn) mulai mengkristal dan
kehilangan kekuatan pada batasan temperatur 110-2000C. Dalam
tembaga terdapat sejumlah kecil oksigen (0,04-0,05%), berfungsi
sebagai penghilang oksida tembaga, menghasilkan kekuatan dan
bertindak menghilangkan ketidakmurnian yang
berbahaya seperti bismut, mencegahnya dari pembentukan lapisan
tipis yang rapuh. Karena oksigen diabaikan keberadaannya dalam
material tembaga (kurang dari 0,002%) konduktivitasnya hanya turun
kecil sekali (kurang dari, l% IACS). Reaksi oksida dengan hidrogen
dari gas pembakaran menimbulkan kerapuhan hidrogen. Pada pema
kaiannya, tembaga bebas oksigen digunakan untuk penghantaran arus
listrik yang tinggi. Material tembaga ini sebagian besar digunakan
secara luas untuk kawat konduktor dan lapisan tipis (strip), untuk
belitan motor ac dan dc, generator dan transformator. Material
batangan biasanya digunakan untuk bus-bar. Dalam jumlah besar,
kawat berkonduktivitas tinggi
-
digunakan pada kabel daya dan telepon dan sebagai peliiidung
bagian luar kabel pelapis tembaga untuk penggunaan tahan abrasifdan
tahan panas.
Campuran tembaga dengan kadmium, krornium, peralq berilium dan
zirkoniurn digunakan untuk meningkatkan sifat-sifat mekanis,
khususnya pada temperatur tinggi. Peningkatan-peningkatan tersebut
selalu diikuti dengan kenaikan resistivitas. Tembaga campuran yang
mengandung 0,7-1.0% cadmium mempunyai kekuatan yang lebih
tinggi di bawah tekanan statis dan berubah-ubah sampai 750 MN/m2
dan lebih tahan lama dalam masa pamakaiannya, membuatnya berguna
untuk kontak dan kawat
telepon. Konduktivitasnya di antara 80-97% dari material IACS.
Campuran yang mengandung 0,77% kromium dapat dipanaskan untuk
menahan peningkatan kekerasan dan kekuatan tarik (sampai 450 MN/m2)
walaupun setelah dikenakan panas lebih dari 1000 jam pada
temperatur 340'C ketika kekuatan OFHC atau tembaga tough pitch
turun menjadi 170-200 MN/m2. Kekuatan tarik dan kapasitas
penghantaran tergantung pada perlakuan panas, material dengan
perlakuan panas yang tinggi mempunyai kuat tarik dan
kapasitas penghantaran yaitu sebesar 230 MN/m2 dan 45% IACS,
sedangkan untuk material yang diperkuat nilainya adalah 450 MN/m2
dan 80% IACS. Material-material ini digunakan dalam teknik listrik
untuk elektroda las dan untuk pegas pembawa arus ringan. Apabila
diperlukan untuk pemakaian penghantaran arus yang tinggi dan
peningkatan kekuatan pada temperatur tinggi (untuk konduktor rotor
pada turbo generator berkapasitas besar dan untuk komponen di mana
terdapat timah, patri, pembakaran selama pabrikasi), maka digunakan
tembaga yang mengandung campuran perak sampai 0,15%. Tembaga ini
memiliki kapasitas penghantaran arus yang sama dengan tembaga IACS
dan mampu
menahan sifat sifat mekanisnya sampai 3000C. Campuran tembaga
yang mengandung telurium (0,3-0,7%), kadang-kadang dengan sejumlah
kecil nikel dan fosfor, mempunyai sifat-sifat permesinan yang
mendekati brass bebas potong dan menahan kekuatan tariknya (275
MN/m2) sampai pada temperature 3150C dengan perbaikan tahanan
oksidasi. Tambahan tellurium sendiri hanya menghasilkan sedikit
penurunan pada penghantaran arus, sebagai larutan, telurium dalam
tembaga hanya sekitar
0,003% pada 6000C. Campuran tembaga sulfur (0,4%) dan tembaga
timah (O,8%)juga banyak digunakan karena mudah dikerjakan dengan
mesin dan memiliki sifat-sifat elektroplating.
Dengan berbagai macam kelebihan dan kekurangannya maka tembaga
dalam bidang kelistrikan biasanya digunakan untuk bermacam
keperluan seperti:
-
1. Sebagai penghantar,&onduktor, karena tembaga termasuk
logam yang mempunyai konduktivitas yang tinggi, selain perak.
Konduktivitas logam lainnya lebih rendah
dari tembaga, misalnya aluminiunl nikel, besi, platina dan
timah. 2. Dalam industri kelistrikan, digunakan untuk belitan
stator dan rotor pada mesin-mesin
listrik, lilitan transformatoq kontak-kontak listrik, batangan
tembaga untuk bus-bar, aplikasi kabel daya atau kabel telepon.
3. Untuk penggunaan khusus yang bekerja pada temperature tinggi,
misalnya pemegang elektroda mesin las, tungku pembakaran busur api,
diperlukan tembaga dengan
campuran dari bahan kadmium. 4. Campuran-campuran logam pada
tembaga diperlukan untuk meningkatkan sifat-sifat
mekanis tembaga, yaitu kekuatan tarik (tensile strength) dan
ketahanan terhadap temperatur tinggi dan korosi.