Mechatronics Electrical Power
Mechatronics Electrical Power
Mechatronics Electrical Power
www.mevjournal.com
Abstract
This paper discussed the influence of tightness or contacts pressure on copper busbar joints to determine changes in the value
of the initial contact resistance and the maximum temperature at the joint due to high current load. The test sample was copper
busbar 3 x 30 mm with configuration of bolted overlapping joint. Increasing contact pressure at the joint was measured to find
out its effect on the value of contact resistance. The applied pressure was 6 to 36 MPa. Procedure of contact resistance
measurement refer to the ASTM B539 standard using four-wire method. The sample subsequently loaded with the current of 350
A for 60 minutes and the maximum temperature at the joint was measured. The result showed that increasing contact pressure at
the busbar joint will reduce the contact resistance and maximum temperature. The increase of contact pressure from 6 to 30 MPa
causes decreasing contact resistance from 16 to 11 . Further increasing of contact pressure more than 30 MPa did not
affect the contact resistance significantly. The lowest temperatur of busbar joint of 54C was reached at a contact pressure of 36
Mpa.
Key words: contact pressure, contact resistance, maximum temperature, copper busbar joint.
Abstrak
Paper ini membahas pengaruh kekencangan atau tekanan kontak pada sambungan busbar tembaga untuk mengetahui
perubahan nilai tahanan kontak awal dan temperatur maksimum pada sambungan akibat pembebanan arus yang tinggi. Sampel
uji menggunakan busbar tembaga ukuran 3 x 30 mm untuk konfigurasi sambungan tumpang tindih dengan baut tunggal.
Peningkatan tekanan kontak pada sambungan diukur untuk mengetahui pengaruhnya terhadap nilai tahanan kontak. Besarnya
tekanan kontak yang diterapkan adalah 6 sampai 36 MPa. Prosedur pengukuran tahanan kontak mengacu pada standar ASTM
B539 menggunakan metode empat kawat. Selanjutnya sampel dibebani dengan arus 350 A selama 60 menit kemudian diukur
temperatur maksimum pada masing-masing tekanan kontak. Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai tahanan kontak pada
sambungan busbar akan semakin kecil dengan meningkatnya tekanan kontak.. Peningkatan tekanan kontak dari 6 sampai 30
MPa menurunkan nilai tekanan kontak dari 16 micro ohm sampai 11 micro ohm. Peningkatan tekanan kontak pada tekanan
lebih dari 30 MPa tidak menyebabkan kenaikan tahanan kontak secara signifikan. Temperatur terendah sambungan busbar
adalah 54C dan dicapai pada tekanan kontak 36 MPa.
Kata kunci: tekanan kontak, tahanan kontak, temperatur maksimum, sambungan busbar tembaga.
I. PENDAHULUAN
Sistem pembangkit tenaga listrik memerlukan
optimasi dalam penyaluran energi listrik mulai
dari pembangkitan, transmisi, distribusi sampai
* Corresponding Author. Tel: +62-22-2503055
E-mail: opay_23@yahoo.com
2012 RCEPM - LIPI All rights reserved
doi: 10.14203/j.mev.2012.v3.73-80
74
A. Risdiyanto et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 73-80
(a)
(b)
Gambar 1. Pemanasan sambungan busbar dengan circuit breaker akibat kontak yang buruk, (a) foto visual, (b) foto infra
merah.
A. Risdiyanto et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 73-80
(1)
dimana,
Rc : tahanan kontak ()
C : konstanta
F : gaya tekan (Newton)
n : eksponen
Nilai C dan n ditentukan berdasarkan konfigurasi
jenis sambungan, tipe lubrikasi sambungan dan
material pelapis sambungan.
Semakin besar gaya tekan kontak maka
tahanan kontaknya akan semakin kecil. Namun
75
Tabel 1.
Ukuran dan jumlah baut yang digunakan pada beberapa tipe sambungan busbar.
Bar width
(mm)
Shape 1
Shape 2 & 2a
Shape 3
Hole
diameter
M5
M6
5,5
6,5
30
30
M8
M10
M10
9
11
11
20
40
M12
13,5
20
20
17
40
40
26
M12
M12
M12
13,5
13,5
13,5
M12
M12
M12
13,5
13,5
13,5
12
15
A
6
7,5
20
25
30
20
25
30
10
12,5
15
55
60
12,5
15
40
40
20
80
50
60
60
50
25
80
80
60
80
100
120
Bolt
size
L
12
15
26
80
80
80
20
20
20
40
40
40
40
50
60
76
A. Risdiyanto et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 73-80
Tabel 2.
Kekuatan torsi yang diijinkan berdasarkan ukuran baut
yang digunakan pada tipe sambungan.
Torque (Nm)
Bolt
Hole
size
diameter
Indoor
Outdoor
M5
5,5
2,5
M6
6,5
4,5
5,5
M8
10
15
M10
11
20
30
M12
13,5
40
60
=
2
(2)
dimana:
Rc : tahanan kontak ()
: resistivitas dua penghantar yang saling
kontak (m)
a : luas area kontak (m2)
(3)
dan
= = 2
2
(4)
dimana,
Rj : tahanan total sambungan (joint
resistance) ()
Rc : tahanan kontak ()
Rf : tahanan lapisan film ()
: tahanan per area luas lapisan film
(/m2)
B.
dimana:
Rt : tahanan penghantar temperatur t ()
R0 : tahanan penghantar pada temperatur
awal/ambien ()
0 : koefisien temperatur awal (K-1)
t
: temperatur akhir (C)
t0 : temperatur awal/ambien (C)
(a)
(b)
Gambar 4. (a) Gambar permukaan kontak yang mengalami penyempitan (hot spot); (b) Gambar penyempitan kontak.
(5)
A. Risdiyanto et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 73-80
77
Mulai
Studi Literatur
Penyiapan Sampel
Pengujian Arus
Tinggi
Pengukuran Tekanan
Kontak
Pengukuran
Temperatur
Pengukuran Tahanan
Kontak
(6)
dimana:
Tc : temperatur akhir kontak sambungan
(C)
T0 : temperatur awal/ambient (C)
Vd : tegangan jatuh sambungan (volt)
L : konstanta Wiedemann-Franz Lorenz
(2,45x10-8, V2/K2)
Data
Komparasi
Analisis
Selesai
III.
300
17 (m16)
11 (m10)
40
30
30
40
(a)
10
(b)
Gambar 6. Dimensi dan konfigurasi sampel sambungan busbar sesuai Shape 1 (Tabel 1). (a) tampak atas; (b) tampak samping.
78
A. Risdiyanto et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 73-80
(a)
(b)
Gambar 7. (a) Penambahan tekanan kontak; (b) pengujian tahanan kontak dengan metode 4 kawat.
(7)
dimana:
Rc : tahanan kontak ()
Vd : tegangan jatuh (Volt)
I
: arus (A)
Permasalahan yang timbul dalam pengukuran
tahanan kontak antara dua logam adalah adanya
efek termal EMF atau termoelektrik. Adanya
termoelektrik ini dapat mempengaruhi tingkat
akurasi pengukuran tahanan kontak. Besarnya
termoelektrik tergantung pada besarnya arus
pengujian dan lamanya pembebanan arus. Jadi
dalam hal ini pengukuran tahanan kontak dengan
menggunakan persamaan (7) merupakan
pengukuran tahanan kontak yang masih ada
pengaruh termoelektrik. Oleh karena itu untuk
menghilangkan efek termoelektrik ini maka
dilakukan pengukuran dengan membalikan
polaritas arus pengujian. Pengukuran dilakukan
dengan cara memberikan arus DC (If) ke
sambungan busbar melalui 2 kawat ke ujung titik
sambungan, dan ukur tegangan jatuh di titik
tersebut dengan voltmeter (Vf) yang terhubung
dengan 2 kawat. Kemudian sample dialirkan arus
DC (Ir) kembali namun polaritasnya diubah dan
+| |
+| |
(8)
dimana:
Rc : tahanan kontak ()
Vf : tegangan forward (Volt)
Vr : tegangan reverse (Volt)
If : arus forward (A)
Ir : arus reverse (A)
Pengukuran
dengan
metode
ini
akan
mendapatkan hasil yang lebih akurat karena
dapat meminimalisir pengaruh termoelektrik atau
emf. Beberapa standar internasional juga
merekomendasikan metode ini seperti ASTM dan
EIA. Hasil pengukuran tahanan kontak dengan
menggunakan persamaan (7) dan persamaan (8)
kemudian dibandingkan untuk mengetahui
tingkat akurasi dari pengukuran.
Tahap kedua dilakukan pengujian sambungan
busbar dengan pembebanan arus tinggi yaitu 350
A. Pengujian ini dilakukan untuk mengukur
temperatur maksimum sambungan busbar pada
tekanan kontak 12, 24, dan 36 MPa.
Gambar 8 merupakan rangkaian pengujian
arus untuk mengetahui kenaikan temperatur
sambungan busbar; (1) power supply, (2)
potensiometer, (3) amperemeter, (4) trafo arus,
(5) tang ampere, (6) sampel, (7) termometer.
Mula-mula sumber arus AC dialirkan melalui
power supply, agar beban arus AC yang
dibutuhkan sesuai pengujian yaitu 350 A, maka
arus diperbesar dengan trafo arus. Besarnya arus
pengujian yang dialirkan pada sampel harus
diatur dan dijaga konstan sebesar 350 A selama
waktu pengujian yaitu sekitar 60 menit, dimana
kenaikan temperatur dipantau dan dicatat pada
setiap interval 5 menit sekali sampai mencapai
steady state.
A. Risdiyanto et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 73-80
(a)
79
(b)
IV.
80
A. Risdiyanto et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 73-80
V. KESIMPULAN
Dengan meningkatnya tekanan kontak pada
sambungan busbar maka nilai tahanan kontaknya
akan semakin kecil dan temperatur maksimum
sambungannya akan menurun pula. Peningkatan
tekanan kontak dari 6 sampai 30 MPa
menurunkan nilai tekanan kontak dari 16
sampai 11. Peningkatan tekanan kontak pada
tekanan lebih dari 30 MPa tidak menyebabkan
kenaikan tahanan kontak secara signifikan.
Temperatur terendah sambungan busbar adalah
54C dan dicapai pada tekanan kontak 36 MPa.
Untuk mengukur atau menghitung tahanan
kontak sambungan, pemberian arus kecil
hendaknya dilakukan dengan menyertakan
polaritas yang berbeda. Dalam hal ini efek
termoelektrik yang dihasilkan dari arus forward If
akan dinetralisir oleh arus reverse Ir. Dengan
menghilangkan efek termoelektrik pengukuran
tahanan kontak akan menghasilkan nilai yang
relatif sama meskipun dengan pemberian arus
yang berbeda-beda, sehingga hasil pengukuran
akan lebih akurat.
REFERENSI
[1] Braunovic, M., Konchits, V.V., Myshkin,
N.K., Electrical Contacts Fundamentals,
Applications And Technology, CRC Press,
Taylor and Francis Group, ISBN: 1-57444727-0, 2006.
[2] Bhattacharyya, S., Choudhury, A., Jariwala,
H.R.,
Shetty,
M.S.,
Rajulkumar, Maintaining Low Resistance
in Conductive Joints, International Journal
of Computer and Electrical Engineering,
Vol. 3, No. 6, December 2011.